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Metales pesados ​​(elementos)

Cristales de osmio , un metal pesado casi dos veces más denso que el plomo [1] Los metales pesados ​​son elementos metálicos con densidades , pesos atómicos o números atómicos r...

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Cristales de osmio , un metal pesado casi dos veces más denso que el plomo [1]

Los metales pesados ​​son elementos metálicos con densidades , pesos atómicos o números atómicos relativamente altos . Los criterios utilizados, y si se incluyen o no los metaloides , varían según el autor y el contexto y se ha argumentado que no deberían usarse. [2] [3] Un metal pesado puede definirse sobre la base de la densidad, el número atómico o el comportamiento químico . Se han publicado definiciones más específicas, ninguna de las cuales ha sido ampliamente aceptada. Las definiciones examinadas en este artículo abarcan hasta 96 de los 118 elementos químicos conocidos ; solo el mercurio , el plomo y el bismuto los cumplen todos. A pesar de esta falta de acuerdo, el término (plural o singular) se usa ampliamente en la ciencia. Una densidad de más de 5 g/cm 3 a veces se cita como un criterio de uso común y se utiliza en el cuerpo de este artículo.

Los primeros metales conocidos (metales comunes como el hierro , el cobre y el estaño , y metales preciosos como la plata , el oro y el platino) son metales pesados. A partir de 1809 se descubrieron metales ligeros , como el magnesio , el aluminio y el titanio , así como metales pesados ​​menos conocidos, como el galio , el talio y el hafnio .

Algunos metales pesados ​​son nutrientes esenciales (normalmente hierro, cobalto , cobre y zinc ) o relativamente inofensivos (como el rutenio , la plata y el indio ), pero pueden ser tóxicos en grandes cantidades o en determinadas formas. Otros metales pesados, como el arsénico , el cadmio , el mercurio y el plomo, son muy venenosos. Las posibles fuentes de intoxicación por metales pesados ​​incluyen la minería , los relaves , la fundición , los residuos industriales , las escorrentías agrícolas , la exposición ocupacional , las pinturas y la madera tratada .

Las caracterizaciones físicas y químicas de los metales pesados ​​deben tratarse con cautela, ya que los metales involucrados no siempre están definidos de manera consistente. Además de ser relativamente densos, los metales pesados ​​tienden a ser menos reactivos que los metales más ligeros y tienen muchos menos sulfuros e hidróxidos solubles . Si bien es relativamente fácil distinguir un metal pesado como el tungsteno de un metal más ligero como el sodio , algunos metales pesados, como el zinc, el mercurio y el plomo, tienen algunas de las características de los metales más ligeros; y los metales más ligeros como el berilio , el escandio y el titanio, tienen algunas de las características de los metales más pesados.

Los metales pesados ​​son relativamente escasos en la corteza terrestre, pero están presentes en muchos aspectos de la vida moderna. Se utilizan, por ejemplo, en palos de golf , automóviles , antisépticos , hornos autolimpiantes , plásticos , paneles solares , teléfonos móviles y aceleradores de partículas .

Definiciones

Terminología controvertida

La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), que estandariza la nomenclatura, dice que "el término metales pesados ​​no tiene sentido y es engañoso". [4] El informe de la IUPAC se centra en las implicaciones legales y toxicológicas de describir los "metales pesados" como toxinas cuando no hay evidencia científica que respalde una conexión. La densidad implícita en el adjetivo "pesado" casi no tiene consecuencias biológicas y los metales puros rara vez son la sustancia biológicamente activa. [5] Esta caracterización ha sido repetida por numerosas revisiones. [6] [7] [8] El libro de texto de toxicología más utilizado, la toxicología de Casarett y Doull [9] utiliza "metal tóxico" y no "metales pesados". [5] Sin embargo, muchos artículos científicos y relacionados con la ciencia continúan utilizando "metal pesado" como término para sustancias tóxicas [10] [11] Para que sea un término aceptable en los artículos científicos, se ha fomentado una definición estricta. [12]

Uso externo de toxicología

Incluso en aplicaciones distintas a la toxicidad, no existe una definición de metal pesado con un criterio ampliamente aceptado. Las revisiones han recomendado que no se utilice. [10] [13] Se pueden asignar diferentes significados al término, según el contexto. Por ejemplo, un metal pesado puede definirse sobre la base de la densidad , [14] el criterio de distinción puede ser el número atómico , [15] o el comportamiento químico. [16]

Los criterios de densidad varían desde más de 3,5 g/cm 3 hasta más de 7 g/cm 3 . [17] Las definiciones de peso atómico pueden variar desde mayor que el sodio (peso atómico 22,98); [17] mayor que 40 (excluyendo metales de bloque s y f , comenzando por lo tanto con escandio ); [18] o más de 200, es decir, desde mercurio en adelante. [19] Los números atómicos de metales pesados ​​​​se dan generalmente como mayores de 20 ( calcio ); [17] [ verificación fallida ] a veces esto se limita a 92 ( uranio ). [20] Las definiciones basadas en el número atómico han sido criticadas por incluir metales con bajas densidades. Por ejemplo, el rubidio en el grupo (columna) 1 de la tabla periódica tiene un número atómico de 37 pero una densidad de solo 1,532 g/cm 3 , que está por debajo de la cifra umbral utilizada por otros autores. [21] El mismo problema puede ocurrir con definiciones que se basan en el peso atómico. [22]

La Farmacopea de los Estados Unidos incluye una prueba para metales pesados ​​que implica la precipitación de impurezas metálicas como sus sulfuros coloreados . [23] Sobre la base de este tipo de prueba química, el grupo incluiría los metales de transición y los metales post-transición . [16]

Un enfoque diferente basado en la química aboga por reemplazar el término "metal pesado" con dos grupos de metales y un área gris. Los iones metálicos de clase A prefieren donantes de oxígeno ; los iones de clase B prefieren donantes de nitrógeno o azufre ; y los iones limítrofes o ambivalentes muestran características de clase A o B, dependiendo de las circunstancias. [32] La distinción entre los metales de clase A y las otras dos categorías es nítida. La terminología de clase A y clase B es análoga a la terminología de "ácido duro" y "base blanda" que a veces se utiliza para referirse al comportamiento de los iones metálicos en sistemas inorgánicos. [33] El sistema agrupa los elementos por donde es la electronegatividad del ion metálico y es su radio iónico . Este índice mide la importancia de las interacciones covalentes frente a las interacciones iónicas para un ion metálico determinado. [34] Este esquema se ha aplicado para analizar metales biológicamente activos en agua de mar, por ejemplo, [12], pero no se ha adoptado ampliamente. [35] X m 2 r {\displaystyle X_{m}^{2}r} X m {\displaystyle X_{m}} r {\displaystyle r}

Lista de metales pesados ​​según su densidad

Una densidad de más de 5 g/cm 3 se menciona a veces como un factor definitorio común de metal pesado [36] y, en ausencia de una definición unánime, se utiliza para completar esta lista y, a menos que se indique lo contrario, guiar el resto del artículo. Los metaloides que cumplen los criterios aplicables (arsénico y antimonio, por ejemplo) a veces se cuentan como metales pesados, particularmente en química ambiental , [37] [ verificación fallida ] como es el caso aquí. Otros metales a veces clasificados o tratados como metales "pesados", como el berilio [38] [ verificación fallida ] (densidad 1,8 g/cm 3 ), [39] aluminio [38] [ verificación fallida ] (2,7 g/cm 3 ), [40] calcio [41] (1,55 g/cm 3 ), [42] y bario [41] (3,6 g/cm 3 ) [43] se tratan aquí como metales ligeros y, en general, no se consideran más.

Orígenes y uso del término

La pesadez de metales naturales como el oro , el cobre y el hierro puede haberse notado en la prehistoria y, a la luz de su maleabilidad , condujo a los primeros intentos de fabricar adornos, herramientas y armas de metal. [50] Todos los metales descubiertos desde entonces hasta 1809 tenían densidades relativamente altas; su pesadez se consideró un criterio distintivo singular. [51] [ verificación fallida ]

A partir de 1809 se aislaron metales ligeros como el sodio, el potasio y el estroncio . Sus bajas densidades desafiaron la sabiduría convencional y se propuso referirse a ellos como metaloides (que significa "parecidos a los metales en forma o apariencia"). [52] [ verificación fallida ] Esta sugerencia fue ignorada; los nuevos elementos pasaron a ser reconocidos como metales, y el término metaloide se utilizó entonces para referirse a los elementos no metálicos y, más tarde, a los elementos que eran difíciles de describir como metales o no metales. [53]

En 1817, el químico alemán Leopold Gmelin dividió los elementos en no metales, metales ligeros y metales pesados. [54] Los metales ligeros tenían densidades de 0,860–5,0 g/cm 3 ; los metales pesados ​​5,308–22,000. [55] El término más tarde se asoció con elementos de alto peso atómico o alto número atómico. [21] [ verificación fallida ] A veces se usa indistintamente con el término elemento pesado . Por ejemplo, al discutir la historia de la química nuclear , Magee [56] señala que alguna vez se pensó que los actínidos representaban un nuevo grupo de transición de elementos pesados, mientras que Seaborg y sus colaboradores "favorecían ... una serie de tierras raras de metales pesados ​​...".

La Sociedad de Minerales, Metales y Materiales define a los equivalentes de los metales pesados, los metales ligeros , como "los tradicionales ( aluminio , magnesio , berilio , titanio , litio y otros metales reactivos) y los metales ligeros emergentes (compuestos, laminados, etc.)" [57].

Papel biológico

Se requieren trazas de algunos metales pesados, principalmente en el período 4, para ciertos procesos biológicos. Estos son hierro y cobre ( transporte de oxígeno y electrones ); cobalto ( síntesis compleja y metabolismo celular ); zinc ( hidroxilación ); [63] [ verificación fallida ] vanadio y manganeso ( regulación o funcionamiento de enzimas); cromo ( utilización de glucosa ); níquel ( crecimiento celular ); arsénico (crecimiento metabólico en algunos animales y posiblemente en humanos) y selenio ( funcionamiento antioxidante y producción de hormonas ). [64] Los períodos 5 y 6 contienen menos metales pesados ​​esenciales, en consonancia con el patrón general de que los elementos más pesados ​​tienden a ser menos abundantes y que los elementos más escasos tienen menos probabilidades de ser nutricionalmente esenciales. [65] En el período 5 , se requiere molibdeno para la catálisis de reacciones redox ; algunas diatomeas marinas utilizan cadmio para el mismo propósito; y el estaño puede ser necesario para el crecimiento de algunas especies. [66] En el período 6 , algunas arqueas y bacterias requieren tungsteno para procesos metabólicos . [67] Una deficiencia de cualquiera de estos metales pesados ​​esenciales del período 4-6 puede aumentar la susceptibilidad al envenenamiento por metales pesados ​​[68] (por el contrario, un exceso también puede tener efectos biológicos adversos ). Un cuerpo humano promedio de 70 kg tiene aproximadamente 0,01% de metales pesados ​​(~7 g, equivalente al peso de dos guisantes secos, con hierro a 4 g, zinc a 2,5 g y plomo a 0,12 g que comprenden los tres componentes principales), 2% de metales ligeros (~1,4 kg, el peso de una botella de vino) y casi 98% de no metales (principalmente agua ). [69] [n 8]

Se ha observado que algunos metales pesados ​​no esenciales tienen efectos biológicos. El galio , el germanio (un metaloide), el indio y la mayoría de los lantánidos pueden estimular el metabolismo, y el titanio promueve el crecimiento de las plantas [70] (aunque no siempre se lo considera un metal pesado).

Toxicidad

A menudo se supone que los metales pesados ​​son altamente tóxicos o dañinos para el medio ambiente. [71] Algunos lo son, mientras que otros son tóxicos solo si se ingieren en exceso o se encuentran en determinadas formas. La inhalación de ciertos metales, ya sea en forma de polvo fino o, más comúnmente, en forma de vapores, también puede provocar una afección denominada fiebre por vapores metálicos .

Metales pesados ​​ambientales

El cromo, el arsénico, el cadmio, el mercurio y el plomo son los elementos que tienen el mayor potencial de causar daño debido a su uso extensivo, la toxicidad de algunas de sus formas combinadas o elementales y su amplia distribución en el medio ambiente. [72] El cromo hexavalente , por ejemplo, es altamente tóxico [ cita requerida ] al igual que el vapor de mercurio y muchos compuestos de mercurio. [73] Estos cinco elementos tienen una fuerte afinidad por el azufre; en el cuerpo humano suelen unirse, a través de grupos tiol (–SH), a enzimas responsables de controlar la velocidad de las reacciones metabólicas. Los enlaces azufre-metal resultantes inhiben el funcionamiento adecuado de las enzimas involucradas; la salud humana se deteriora, a veces fatalmente. [74] El cromo (en su forma hexavalente) y el arsénico son carcinógenos ; el cadmio causa una enfermedad ósea degenerativa ; y el mercurio y el plomo dañan el sistema nervioso central . [ cita requerida ]

El plomo es el contaminante de metal pesado más frecuente. [75] Se ha estimado que los niveles en los entornos acuáticos de las sociedades industrializadas son dos o tres veces superiores a los niveles preindustriales. [76] Como componente del tetraetilo de plomo , (CH
3es
2)
4Pb , se utilizó ampliamente en la gasolina desde la década de 1930 hasta la de 1970. [77] Aunque el uso de gasolina con plomo se eliminó en gran medida en América del Norte en 1996, los suelos junto a las carreteras construidas antes de esta época conservan altas concentraciones de plomo. [78] Investigaciones posteriores demostraron una correlación estadísticamente significativa entre la tasa de uso de gasolina con plomo y el crimen violento en los Estados Unidos; teniendo en cuenta un desfase temporal de 22 años (para la edad promedio de los delincuentes violentos), la curva de delitos violentos prácticamente siguió la curva de exposición al plomo. [79]

Otros metales pesados ​​conocidos por su naturaleza potencialmente peligrosa, generalmente como contaminantes ambientales tóxicos, incluyen manganeso (daño al sistema nervioso central); [80] cobalto y níquel (carcinógenos); [81] cobre, [82] zinc, [83] selenio [84] y plata [85] ( alteraciones endocrinas , trastornos congénitos o efectos tóxicos generales en peces, plantas, pájaros u otros organismos acuáticos); estaño, como organoestánnico (daño al sistema nervioso central); [86] antimonio (un carcinógeno sospechoso); [87] y talio (daño al sistema nervioso central). [82] [n 9] [n 10]

Otros metales pesados

Algunos otros metales pesados ​​no esenciales tienen una o más formas tóxicas. Se han registrado casos de insuficiencia renal y muertes por la ingestión de suplementos dietéticos de germanio (consumo total de aproximadamente 15 a 300 g en un período de dos meses a tres años). [82] La exposición al tetróxido de osmio (OsO 4 ) puede causar daño ocular permanente y puede provocar insuficiencia respiratoria [91] y muerte. [92] Las sales de indio son tóxicas si se ingieren más de unos pocos miligramos y afectarán los riñones, el hígado y el corazón. [93] El cisplatino (PtCl 2 (NH 3 ) 2 ), un fármaco importante utilizado para matar células cancerosas , también es un veneno para los riñones y los nervios. [82] Los compuestos de bismuto pueden causar daño hepático si se toman en exceso; los compuestos de uranio insolubles, así como la radiación peligrosa que emiten, pueden causar daño renal permanente. [94]

Fuentes de exposición

Los metales pesados ​​pueden degradar la calidad del aire, el agua y el suelo , y posteriormente causar problemas de salud en plantas, animales y personas, cuando se concentran como resultado de actividades industriales. [95] [96] Las fuentes comunes de metales pesados ​​en este contexto incluyen la minería, la fundición y los desechos industriales; emisiones de vehículos; [97] aceite de motor; [98] combustibles utilizados por barcos y maquinaria pesada; obras de construcción; fertilizantes; [99] pesticidas; pinturas ; tintes y pigmentos; renovación; depósito ilegal de residuos de construcción y demolición; contenedores de basura abiertos; soldadura, soldadura fuerte y soldadura blanda; trabajo del vidrio; [100] obras de hormigón; obras viales; uso de materiales reciclados; proyectos de metal de bricolaje; incineradores; [101] quema de papel de incienso ; quema a cielo abierto de desechos en áreas rurales; sistema de ventilación contaminado; alimentos contaminados por el medio ambiente o por el embalaje; armamentos; baterías de plomo-ácido ; patio de reciclaje de desechos electrónicos ; y madera tratada ; [102] envejecimiento de la infraestructura de suministro de agua ; [103] y microplásticos flotando en los océanos del mundo. [104] Ejemplos recientes de contaminación por metales pesados ​​y riesgos para la salud incluyen la aparición de la enfermedad de Minamata , en Japón (1932-1968; demandas en curso a partir de 2016); [105] el desastre de la presa Bento Rodrigues en Brasil, [106] altos niveles de plomo en el agua potable suministrada a los residentes de Flint , Michigan, en el noreste de los Estados Unidos [107] y los incidentes de metales pesados ​​en el agua potable de Hong Kong en 2015 .

Formación, abundancia, ocurrencia y extracción

Los metales pesados, hasta las proximidades del hierro (en la tabla periódica), se forman en gran medida mediante la nucleosíntesis estelar . En este proceso, los elementos más ligeros, desde el hidrógeno hasta el silicio, experimentan reacciones de fusión sucesivas dentro de las estrellas, liberando luz y calor y formando elementos más pesados ​​con números atómicos más altos. [111]

Los metales pesados ​​más pesados ​​no suelen formarse de esta manera, ya que las reacciones de fusión que involucran tales núcleos consumirían energía en lugar de liberarla. [112] Más bien, se sintetizan en gran medida (a partir de elementos con un número atómico más bajo) por captura de neutrones , siendo los dos modos principales de esta captura repetitiva el proceso s y el proceso r . En el proceso s ("s" significa "lento"), las capturas singulares están separadas por años o décadas, lo que permite que los núcleos menos estables se desintegren beta , [113] mientras que en el proceso r ("rápido"), las capturas ocurren más rápido de lo que los núcleos pueden desintegrarse. Por lo tanto, el proceso s toma un camino más o menos claro: por ejemplo, los núcleos estables de cadmio-110 son bombardeados sucesivamente por neutrones libres dentro de una estrella hasta que forman núcleos de cadmio-115 que son inestables y se desintegran para formar indio-115 (que es casi estable, con una vida media30.000 veces la edad del universo). Estos núcleos capturan neutrones y forman indio-116, que es inestable, y se desintegra para formar estaño-116, y así sucesivamente. [111] [114] [n 12] Por el contrario, no existe tal camino en el proceso r. El proceso s se detiene en el bismuto debido a las cortas vidas medias de los siguientes dos elementos, polonio y astato, que se desintegran en bismuto o plomo. El proceso r es tan rápido que puede saltarse esta zona de inestabilidad y continuar creando elementos más pesados ​​como el torio y el uranio. [116]

Los metales pesados ​​se condensan en los planetas como resultado de los procesos de evolución y destrucción estelar. Las estrellas pierden gran parte de su masa cuando esta es expulsada al final de su vida, y a veces después como resultado de una fusión de estrellas de neutrones , [117] [n 13] aumentando así la abundancia de elementos más pesados ​​que el helio en el medio interestelar . Cuando la atracción gravitatoria hace que esta materia se fusione y colapse, se forman nuevas estrellas y planetas . [119]

La corteza terrestre está compuesta por aproximadamente un 5% de metales pesados ​​en peso, de los cuales el hierro representa el 95%, mientras que los metales ligeros (~20%) y los no metales (~75%) constituyen el 95% restante. [108] A pesar de su escasez general, los metales pesados ​​pueden llegar a concentrarse en cantidades económicamente extraíbles como resultado de la formación de montañas , la erosión u otros procesos geológicos . [120]

Los metales pesados ​​se encuentran principalmente como litófilos (amantes de las rocas) o calcófilos (amantes de los minerales). Los metales pesados ​​litófilos son principalmente elementos del bloque f y los más reactivos de los elementos del bloque d . Tienen una fuerte afinidad por el oxígeno y existen principalmente como minerales de silicato de densidad relativamente baja . [121] Los metales pesados ​​calcófilos son principalmente los elementos del bloque d menos reactivos y los metales y metaloides del bloque p del período 4-6 . Por lo general, se encuentran en minerales de sulfuro (insolubles) . Al ser más densos que los litófilos, por lo tanto se hunden más en la corteza en el momento de su solidificación, los calcófilos tienden a ser menos abundantes que los litófilos. [122]

Por el contrario, el oro es un siderófilo , o elemento que ama el hierro. No forma fácilmente compuestos ni con oxígeno ni con azufre. [123] En el momento de la formación de la Tierra , y como el más noble (inerte) de los metales, el oro se hundió en el núcleo debido a su tendencia a formar aleaciones metálicas de alta densidad. En consecuencia, es un metal relativamente raro. [124] [ verificación fallida ] Algunos otros metales pesados ​​(menos) nobles (molibdeno, renio , los metales del grupo del platino ( rutenio , rodio, paladio , osmio, iridio y platino), germanio y estaño) pueden contarse como siderófilos, pero solo en términos de su presencia primaria en la Tierra (núcleo, manto y corteza), en lugar de la corteza. Estos metales de otro modo se encuentran en la corteza, en pequeñas cantidades, principalmente como calcófilos (menos en su forma nativa ). [125] [ n 14]

Las concentraciones de metales pesados ​​debajo de la corteza son generalmente más altas, y la mayoría se encuentran en el núcleo, compuesto principalmente de hierro, silicio y níquel. El platino , por ejemplo, comprende aproximadamente 1 parte por mil millones de la corteza, mientras que se cree que su concentración en el núcleo es casi 6000 veces mayor. [126] [127] Especulaciones recientes sugieren que el uranio (y el torio) en el núcleo pueden generar una cantidad sustancial del calor que impulsa la tectónica de placas y (en última instancia) sostiene el campo magnético de la Tierra . [128] [n 15]

En términos generales, y con algunas excepciones, los metales pesados ​​litófilos se pueden extraer de sus menas mediante tratamientos eléctricos o químicos , mientras que los metales pesados ​​calcófilos se obtienen tostando sus menas de sulfuro para producir los óxidos correspondientes, y luego calentándolos para obtener los metales en bruto. [130] [n 16] El radio se presenta en cantidades demasiado pequeñas para ser extraído económicamente y, en cambio, se obtiene de combustibles nucleares gastados . [133] Los metales del grupo del platino calcófilo (PGM) se presentan principalmente en pequeñas cantidades (mezcladas) con otras menas calcófilas. Las menas involucradas deben fundirse , tostarse y luego lixiviarse con ácido sulfúrico para producir un residuo de PGM. Este se refina químicamente para obtener los metales individuales en sus formas puras. [134] En comparación con otros metales, los PGM son caros debido a su escasez [135] y los altos costos de producción. [136]

El oro, un siderófilo, se recupera más comúnmente disolviendo los minerales en los que se encuentra en una solución de cianuro . [137] El oro forma un dicianoaurato(I), por ejemplo: 2 Au + H 2 O +½ O 2 + 4 KCN → 2 K[Au(CN) 2 ] + 2 KOH . Se añade zinc a la mezcla y, al ser más reactivo que el oro, desplaza al oro: 2 K[Au(CN) 2 ] + Zn → K 2 [Zn(CN) 4 ] + 2 Au. El oro precipita de la solución como un lodo, y se filtra y se funde. [138]

Propiedades comparadas con metales ligeros

En la tabla se resumen algunas propiedades físicas y químicas generales de los metales ligeros y pesados. La comparación debe realizarse con cautela, ya que los términos metal ligero y metal pesado no siempre están definidos de manera uniforme. Además, las propiedades físicas de dureza y resistencia a la tracción pueden variar ampliamente según la pureza, el tamaño del grano y el pretratamiento. [139] [ verificación fallida ]

Estas propiedades hacen que sea relativamente fácil distinguir un metal ligero como el sodio de un metal pesado como el tungsteno, pero las diferencias se vuelven menos claras en los límites. Los metales estructurales ligeros como el berilio, el escandio y el titanio tienen algunas de las características de los metales pesados, como puntos de fusión más altos; [n 19] Los metales pesados ​​postransición como el zinc, el cadmio y el plomo tienen algunas de las características de los metales ligeros, como ser relativamente blandos, tener puntos de fusión más bajos, [n 20] y formar principalmente complejos incoloros. [163] [164] [165]

Usos

Los metales pesados ​​están presentes en casi todos los aspectos de la vida moderna. El hierro puede ser el más común, ya que representa el 90% de todos los metales refinados. El platino puede ser el más omnipresente, ya que se dice que [¿ quién lo fabrica? ] se encuentra en el 20% de todos los bienes de consumo o se utiliza para producirlos. [166]

Algunos usos comunes de los metales pesados ​​dependen de las características generales de los metales, como la conductividad eléctrica y la reflectividad , o de las características generales de los metales pesados, como la densidad, la resistencia y la durabilidad. Otros usos dependen de las características del elemento específico, como su papel biológico como nutrientes o venenos o algunas otras propiedades atómicas específicas. Los ejemplos de tales propiedades atómicas incluyen: orbitales d o f parcialmente llenos (en muchos de los metales pesados ​​de transición, lantánidos y actínidos) que permiten la formación de compuestos coloreados; [167] la capacidad de la mayoría de los iones de metales pesados ​​(como platino, [168] cerio [169] o bismuto [170] ) de existir en diferentes estados de oxidación y se utilizan en catalizadores; [171] interacciones de intercambio fuerte en orbitales 3d o 4f (en hierro, cobalto y níquel, o los metales pesados ​​lantánidos) que dan lugar a efectos magnéticos; [172] y altos números atómicos y densidades electrónicas que sustentan sus aplicaciones en la ciencia nuclear. [173] Los usos típicos de los metales pesados ​​se pueden agrupar en las siguientes seis categorías. [174] [n 21]

Basado en el peso o la densidad

Vista desde arriba de una pequeña figura de madera que parece un barco. Cuatro cuerdas de metal recorren el centro de la figura a lo largo de su eje longitudinal. Las cuerdas pasan sobre un pequeño puente de madera elevado ubicado en el centro de la figura de modo que las cuerdas se asientan sobre la cubierta del violonchelo.
En un violonchelo (ejemplo mostrado arriba) o una viola, la cuerda C a veces incorpora tungsteno ; su alta densidad permite una cuerda de diámetro más pequeño y mejora la capacidad de respuesta. [175]

Algunos usos de los metales pesados, incluidos los deportivos, la ingeniería mecánica , la artillería militar y la ciencia nuclear , aprovechan sus densidades relativamente altas. En el buceo submarino , el plomo se utiliza como lastre ; [176] en las carreras de caballos con hándicap, cada caballo debe llevar un peso de plomo específico, basado en factores que incluyen el rendimiento pasado, para igualar las posibilidades de los distintos competidores. [177] En el golf , los insertos de tungsteno, latón o cobre en los palos de golf y los hierros bajan el centro de gravedad del palo, lo que facilita que la bola se eleve en el aire; [178] y se afirma que las pelotas de golf con núcleos de tungsteno tienen mejores características de vuelo. [179] En la pesca con mosca , las líneas de mosca que se hunden tienen un revestimiento de PVC incrustado con polvo de tungsteno, de modo que se hunden a la velocidad requerida. [180] En el deporte de atletismo , las bolas de acero utilizadas en los eventos de lanzamiento de martillo y lanzamiento de bala se rellenan con plomo para alcanzar el peso mínimo requerido por las reglas internacionales. [181] El tungsteno se utilizó en las bolas de lanzamiento de martillo al menos hasta 1980; el tamaño mínimo de la bola se aumentó en 1981 para eliminar la necesidad de lo que, en ese momento, era un metal caro (el triple del costo de otros martillos) que no estaba generalmente disponible en todos los países. [182] Los martillos de tungsteno eran tan densos que penetraban demasiado profundamente en el césped. [183]

Cuanto mayor sea la densidad del proyectil, más eficazmente puede penetrar una placa de blindaje pesada... Os , Ir , Pt y Re  ... son caros... El U ofrece una combinación atractiva de alta densidad, coste razonable y alta tenacidad a la fractura.

AM Russell y KL Lee
Relaciones estructura-propiedad
en metales no ferrosos (2005, pág. 16)

Los metales pesados ​​se utilizan como lastre en barcos, [184] aviones, [185] y vehículos de motor; [186] o en contrapesos de ruedas y cigüeñales , [187] giroscopios y hélices , [188] y embragues centrífugos , [189] en situaciones que requieren un peso máximo en un espacio mínimo (por ejemplo en movimientos de relojes ). [185]

En armamento militar, el tungsteno o el uranio se utilizan en blindajes [190] y proyectiles perforantes [191] , así como en armas nucleares para aumentar la eficiencia (al reflejar neutrones y retrasar momentáneamente la expansión de los materiales reactivos). [192] En la década de 1970, se descubrió que el tantalio era más eficaz que el cobre en las armas antiblindaje con carga hueca y formadas explosivamente debido a su mayor densidad, lo que permite una mayor concentración de fuerza y ​​una mejor deformabilidad. [193] Los metales pesados ​​menos tóxicos , como el cobre, el estaño, el tungsteno y el bismuto, y probablemente el manganeso (así como el boro , un metaloide), han reemplazado al plomo y al antimonio en las balas verdes utilizadas por algunos ejércitos y en algunas municiones de tiro recreativo. [194] Se han planteado dudas sobre la seguridad (o credenciales ecológicas ) del tungsteno. [195]

Debido a que los materiales más densos absorben más de ciertos tipos de emisiones radiactivas, como los rayos gamma , que los más ligeros, los metales pesados ​​son útiles para la protección contra la radiación y para enfocar los haces de radiación en aceleradores lineales y aplicaciones de radioterapia . [196]

Basado en resistencia o durabilidad

Una estatua colosal de una figura femenina vestida con una túnica que lleva una antorcha en su mano izquierda levantada y una tableta en la otra mano.
La Estatua de la Libertad . Una armadura de aleación de acero inoxidable [197] proporciona resistencia estructural; una capa de cobre confiere resistencia a la corrosión. [n 22]

La resistencia o durabilidad de los metales pesados ​​como el cromo, hierro, níquel, cobre, zinc, molibdeno, estaño, tungsteno y plomo, así como sus aleaciones, los hace útiles para la fabricación de herramientas, maquinaria, [199] electrodomésticos , [200] utensilios, [201] tuberías, [200] vías de ferrocarril , [202] edificios [203] y puentes, [204] automóviles, [200] cerraduras, [205] muebles, [206] barcos, [184] aviones, [207] monedas [208] y joyas. [209] También se utilizan como aditivos de aleación para mejorar las propiedades de otros metales. [n 23] De las dos docenas de elementos que se han utilizado en la moneda monetizada del mundo, solo dos, el carbono y el aluminio, no son metales pesados. [211] [n 24] El oro, la plata y el platino se utilizan en joyería [n 25] como, por ejemplo, el níquel, el cobre, el indio y el cobalto en el oro coloreado . [214] Las joyas de bajo costo y los juguetes para niños pueden estar hechos, en un grado significativo, de metales pesados ​​como el cromo, el níquel, el cadmio o el plomo. [215]

El cobre, el cinc, el estaño y el plomo son metales mecánicamente más débiles, pero tienen propiedades útiles para prevenir la corrosión . Si bien cada uno de ellos reacciona con el aire, las pátinas resultantes de diversas sales de cobre, [216] carbonato de cinc , óxido de estaño o una mezcla de óxido de plomo , carbonato y sulfato , confieren valiosas propiedades protectoras . [217] Por lo tanto, el cobre y el plomo se utilizan, por ejemplo, como materiales para techos ; [218] [n 26] el cinc actúa como agente anticorrosivo en el acero galvanizado ; [219] y el estaño cumple una función similar en las latas de acero . [220] [ verificación fallida ]

La trabajabilidad y la resistencia a la corrosión del hierro y el cromo aumentan añadiendo gadolinio ; la resistencia a la fluencia del níquel mejora con la adición de torio. [ cita requerida ] Se añade telurio al cobre ( telurio de cobre ) y al acero inoxidable para mejorar su maquinabilidad; y al plomo para hacerlo más duro y más resistente a los ácidos. [221]

Biológica y química

Un pequeño platillo incoloro que contiene un polvo de color amarillo pálido.
El óxido de cerio (IV) se utiliza como catalizador en hornos autolimpiantes . [222]

Los efectos biocidas de algunos metales pesados ​​se conocen desde la antigüedad. [223] El platino, el osmio, el cobre, el rutenio y otros metales pesados, incluido el arsénico, se utilizan en tratamientos contra el cáncer o han demostrado potencial. [224] El antimonio (antiprotozoario), el bismuto ( antiulceroso ), el oro ( antiartrítico ) y el hierro ( antipalúdico ) también son importantes en medicina. [225] El cobre, el zinc, la plata, el oro o el mercurio se utilizan en formulaciones antisépticas ; [226] Se utilizan pequeñas cantidades de algunos metales pesados ​​para controlar el crecimiento de algas en, por ejemplo, torres de refrigeración . [227] Dependiendo de su uso previsto como fertilizantes o biocidas, los agroquímicos pueden contener metales pesados ​​como cromo, cobalto, níquel, cobre, zinc, arsénico, cadmio, mercurio o plomo. [228]

Los metales pesados ​​seleccionados se utilizan como catalizadores en el procesamiento de combustible (renio, por ejemplo), la producción de caucho sintético y fibras (bismuto), dispositivos de control de emisiones (paladio y platino) y en hornos autolimpiantes (donde el óxido de cerio (IV) en las paredes de dichos hornos ayuda a oxidar los residuos de cocción a base de carbono ). [229] En la química del jabón, los metales pesados ​​forman jabones insolubles que se utilizan en grasas lubricantes , secadores de pintura y fungicidas (aparte del litio, los metales alcalinos y el ion amonio forman jabones solubles). [230]

Coloración y óptica

Pequeños cristales translúcidos de color rosa, un poco como el color del algodón de azúcar.
Sulfato de neodimio (Nd 2 (SO 4 ) 3 ), utilizado para colorear objetos de vidrio [231]

Los colores del vidrio , los esmaltes cerámicos , las pinturas , los pigmentos y los plásticos se producen comúnmente mediante la inclusión de metales pesados ​​(o sus compuestos) como cromo, manganeso, cobalto, cobre, zinc, circonio , molibdeno, plata, estaño, praseodimio , neodimio , erbio , tungsteno, iridio, oro, plomo o uranio. [232] Las tintas para tatuajes pueden contener metales pesados, como cromo, cobalto, níquel y cobre. [233] La alta reflectividad de algunos metales pesados ​​es importante en la construcción de espejos , incluidos los instrumentos astronómicos de precisión . Los reflectores de los faros se basan en la excelente reflectividad de una fina película de rodio. [234]

Electrónica, imanes e iluminación.

Una imagen satelital de lo que parecen franjas de tejas negras espaciadas de manera semirregular ubicadas en una llanura, rodeadas de tierras de cultivo y pastizales.
El parque solar Topaz , en el sur de California, cuenta con nueve millones de módulos fotovoltaicos de cadmio-telurio que cubren un área de 25,6 kilómetros cuadrados (9,9 millas cuadradas).

Los metales pesados ​​o sus compuestos se pueden encontrar en componentes electrónicos , electrodos y cableado y paneles solares , donde se pueden utilizar como conductores, semiconductores o aislantes. El polvo de molibdeno se utiliza en tintas para placas de circuitos . [235] Los ánodos de titanio recubiertos de óxido de rutenio (IV) se utilizan para la producción industrial de cloro . [236] Los sistemas eléctricos domésticos, en su mayor parte, están cableados con alambre de cobre por sus buenas propiedades conductoras. [237] La ​​plata y el oro se utilizan en dispositivos eléctricos y electrónicos, particularmente en interruptores de contacto , como resultado de su alta conductividad eléctrica y capacidad para resistir o minimizar la formación de impurezas en sus superficies. [238] El óxido de hafnio , un aislante, se utiliza como controlador de voltaje en microchips ; el óxido de tantalio , otro aislante, se utiliza en condensadores de teléfonos móviles . [239] Los metales pesados ​​se han utilizado en baterías durante más de 200 años, al menos desde que Volta inventó su pila voltaica de cobre y plata en 1800. [240]

Los imanes suelen estar hechos de metales pesados ​​como manganeso, hierro, cobalto, níquel, niobio, bismuto, praseodimio, neodimio, gadolinio y disprosio . Los imanes de neodimio son el tipo de imán permanente más fuerte disponible comercialmente. Son componentes clave de, por ejemplo, cerraduras de puertas de automóviles, motores de arranque , bombas de combustible y elevalunas eléctricos . [241]

Los metales pesados ​​se utilizan en iluminación , láseres y diodos emisores de luz (LED). Las pantallas planas incorporan una fina película de óxido de indio y estaño, que es conductor de electricidad . La iluminación fluorescente depende del vapor de mercurio para su funcionamiento. Los láseres de rubí generan rayos de color rojo intenso al excitar átomos de cromo en óxido de aluminio ; los lantánidos también se emplean ampliamente en láseres. El galio, el indio y el arsénico; [242] y el cobre, el iridio y el platino se utilizan en los LED (los tres últimos en los LED orgánicos ). [243]

Nuclear

Una gran ampolla de vidrio. En un extremo de la ampolla hay un eje fijo. Hay un brazo unido al eje. En el extremo del brazo hay una pequeña protuberancia. Este es el cátodo. En el otro extremo de la ampolla hay una placa metálica ancha y giratoria unida a un mecanismo de rotor que sobresale del extremo de la ampolla.
Un tubo de rayos X con un ánodo giratorio, típicamente una aleación de tungsteno y renio sobre un núcleo de molibdeno , respaldado con grafito [244] [n 27]

Los metales pesados ​​con números atómicos altos se utilizan en nichos de uso en el diagnóstico por imágenes , la microscopía electrónica y la ciencia nuclear. En el diagnóstico por imágenes, los metales pesados ​​como el cobalto o el tungsteno forman los materiales del ánodo que se encuentran en los tubos de rayos X. [247] En la microscopía electrónica, los metales pesados ​​como el plomo, el oro, el paladio, el platino o el uranio se han utilizado en el pasado para hacer recubrimientos conductores e introducir densidad electrónica en muestras biológicas mediante tinción , tinción negativa o deposición al vacío . [248] En la ciencia nuclear, los núcleos de metales pesados ​​como el cromo, el hierro o el cinc a veces se disparan contra otros objetivos de metales pesados ​​para producir elementos superpesados ; [249] los metales pesados ​​también se emplean como objetivos de espalación para la producción de neutrones [250] o radioisótopos como el astato (utilizando plomo, bismuto, torio o uranio en el último caso). [251]

Notas

  1. ^ Los criterios utilizados fueron densidad: [17] (1) superior a 3,5 g/cm 3 ; (2) superior a 7 g/cm 3 ; peso atómico: (3) > 22,98; [17] (4) > 40 (excluyendo metales de los bloques s y f ); [18] (5) > 200; [19] número atómico: (6) > 20; (7) 21–92; [20] comportamiento químico: (8) Farmacopea de los Estados Unidos; [23] [24] [25] (9) definición basada en la tabla periódica de Hawkes (excluyendo los lantánidos y actínidos ); [16] y (10) clasificaciones bioquímicas de Nieboer y Richardson. [26] Las densidades de los elementos son principalmente de Emsley. [27] Se han utilizado densidades predichas para At , Fr y Fm – Ts . [28] Se derivaron densidades indicativas para Fm , Md , No y Lr en función de sus pesos atómicos, radios metálicos estimados , [29] y estructuras cristalinas compactas predichas . [30] Los pesos atómicos son de Emsley, [27] contraportada interior
  2. ^ Sin embargo, los metaloides fueron excluidos de la definición basada en la tabla periódica de Hawkes dado que señaló que "no era necesario decidir si los semimetales [es decir, los metaloides] deberían incluirse como metales pesados". [16]
  3. ^ El plomo, un veneno acumulativo , tiene una abundancia relativamente alta debido a su amplio uso histórico y a la descarga al medio ambiente causada por el hombre. [59]
  4. ^ Haynes muestra una cantidad de < 17 mg de estaño [60]
  5. ^ Iyengar registra una cifra de 5 mg de níquel; [61] Haynes muestra una cantidad de 10 mg [60]
  6. ^ El selenio es un no metal.
  7. ^ Abarca 45 metales pesados ​​que se encuentran en cantidades inferiores a 10 mg cada uno, incluidos As (7 mg), Mo (5), Co (1,5) y Cr (1,4) [62]
  8. ^ De los elementos comúnmente reconocidos como metaloides, B y Si se contaban como no metales; Ge, As, Sb y Te como metales pesados.
  9. ^ Ni, Cu, Zn, Se, Ag y Sb aparecen en la Lista de Contaminantes Tóxicos del Gobierno de los Estados Unidos ; [88] Mn, Co y Sn están incluidos en el Inventario Nacional de Contaminantes del Gobierno de Australia. [89]
  10. ^ El tungsteno podría ser otro metal pesado tóxico. [90]
  11. ^ Los elementos traza que tienen una abundancia mucho menor que una parte por billón de Ra y Pa (a saber, Tc , Pm , Po , At , Ac , Np y Pu ) no se muestran. Las abundancias son de Lide [108] y Emsley; [109] los tipos de ocurrencia son de McQueen. [110]
  12. ^ En algunos casos, por ejemplo en presencia de rayos gamma de alta energía o en un entorno rico en hidrógeno a muy alta temperatura , los núcleos en cuestión pueden experimentar pérdida de neutrones o ganancia de protones, lo que resulta en la producción de isótopos deficientes en neutrones (comparativamente raros) . [115]
  13. ^ La expulsión de materia cuando dos estrellas de neutrones chocan se atribuye a la interacción de sus fuerzas de marea , la posible disrupción de la corteza y el calentamiento por choque (que es lo que sucede si pisas a fondo el acelerador de un coche cuando el motor está frío). [118]
  14. ^ El hierro, el cobalto, el níquel, el germanio y el estaño también son siderófilos desde la perspectiva de toda la Tierra. [110]
  15. ^ Se cree que el calor que escapa del núcleo sólido interno genera movimiento en el núcleo externo, que está hecho de aleaciones de hierro líquido. El movimiento de este líquido genera corrientes eléctricas que dan lugar a un campo magnético. [129]
  16. ^ Los metales pesados ​​que se encuentran de forma natural en cantidades demasiado pequeñas para ser extraídos económicamente (Tc, Pm, Po, At, Ac, Np y Pu) se producen en cambio mediante transmutación artificial . [131] Este último método también se utiliza para producir metales pesados ​​a partir del americio. [132]
  17. ^ Los sulfuros de los metales del grupo 1 y 2, y el aluminio, se hidrolizan con agua; [147] los sulfuros de escandio, [148] itrio [149] y titanio [150] son ​​insolubles.
  18. ^ Por ejemplo, los hidróxidos de potasio , rubidio y cesio tienen solubilidades superiores a 100 gramos por 100 gramos de agua [152], mientras que los de aluminio (0,0001) [153] y escandio (<0,000 000 15 gramos) [154] se consideran insolubles.
  19. ^ El berilio tiene un punto de fusión que se describe como "alto", de 1560 K; el escandio y el titanio se funden a 1814 y 1941 K. [159]
  20. ^ El zinc es un metal blando con una dureza de Mohs de 2,5; [160] el cadmio y el plomo tienen índices de dureza más bajos, de 2,0 y 1,5. [161] El zinc tiene un punto de fusión "bajo" de 693 K; el cadmio y el plomo se funden a 595 y 601 K. [162]
  21. ^ Se aplicó cierta violencia y abstracción de detalles al esquema de clasificación para mantener el número de categorías a un nivel manejable.
  22. ^ La piel se ha vuelto en gran parte verde debido a la formación de una pátina protectora compuesta de antlerita Cu 3 (OH) 4 SO 4 , atacamita Cu 4 (OH) 6 Cl 2 , brochantita Cu 4 (OH) 6 SO 4 , óxido cuproso Cu 2 O y tenorita CuO. [198]
  23. ^ Para los lantánidos, este es su único uso estructural, ya que de lo contrario son demasiado reactivos, relativamente caros y, en el mejor de los casos, moderadamente fuertes. [210]
  24. ^ Welter [212] clasifica los metales utilizados en acuñación de monedas como metales preciosos (por ejemplo, plata, oro, platino); metales pesados ​​de muy alta durabilidad (níquel); metales pesados ​​de baja durabilidad (cobre, hierro, zinc, estaño y plomo); y metales ligeros (aluminio).
  25. ^ Emsley [213] estima una pérdida global de seis toneladas de oro al año debido al lento desgaste de los anillos de boda de 18 quilates.
  26. ^ Las láminas de plomo expuestas a los rigores de los climas industriales y costeros durarán siglos [176]
  27. ^ Los electrones que impactan en el ánodo de tungsteno generan rayos X; [245] el renio le otorga al tungsteno una mejor resistencia al choque térmico; [246] el molibdeno y el grafito actúan como disipadores de calor. El molibdeno también tiene una densidad que es casi la mitad de la del tungsteno, lo que reduce el peso del ánodo. [244]

Fuentes

Citas

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Further reading

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Formation

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Uses

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  • Media related to Heavy metals at Wikimedia Commons
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