(teški) metali – prvi dio, definicije

Nekoć plodna polja Francuske na području rovova prvog svjetskog rata uništena su za sljedećih šest stotina i više godina. Prvi svjetski rat bio je rat otrovima – kemija je toliko napredovala da se mogla zloupotrijebiti. Nastalo je područje Zone rouge (crvene zone) gdje se i danas ne može živjeti. Na nekim mjestima arsen čini preko petnaest posto mase tla i niti najotpornije biljke tamo ne rastu.
Korištenje metala i njihovih kemijskih spojeva kao lijeka ili otrova nije započelo u prvom svjetskom ratu. Pročitajte pomalo tužnu priču o Giulia Tofana iz koje možemo više naučiti o odnosu društva prema ženama no o samim otrovima. No dvadeseto stoljeće i događaji poput masovnog trovanja kemijskim spojem metil-živom u gradu Minamata u Japanu usmjerili su pažnju javnosti prema metalima u ljudskom organizmu.

U međuvremenu na internetu i društvenim mrežama nastao je pravi kaos informacija. Metali su postali čarobna riječ bezbrojnih zdravstvenih mesija, a pridaju im se doslovce magična svojstva ili svojstvo inteligencije da se, primjerice, sakriju kada se trebaju dijagnosticirati ili je pun Mjesec. O metalima pričaju ljudi koji ne znaju što su to teški metali, a što su metaloidi.

Što su to metali?

Čini li vam se ovo pitanje prebanalno? Da vas netko pita, kako biste objasnili što je to metal? Najčešće se sjetimo željeza, armatura i sjekire i lijepo metalnog sjaja ili plemenitih metala nakita. Ipak, takve asocijacije ne definiraju metal. Pogledajmo prvo što ne definira metal.

Nije svaki metal tvrd ili krut na sobnoj temperaturi. Živa je u tekućem stanju. Natrij je toliko mekan da ga možete rezati nožem. Svjesni smo da željezo hrđa (oksidira), bakar dobiva zelenu patinu, ali metale doživljavamo prilično stabilnima. No neki su vrlo nestabilni (reaktivni). Već spomenuti natrij ili kalij su toliko nestabilni da odmah reagiraju s vodom i kisikom u zraku, pa se čuvaju u otapalima poput parafina.

Metali se definiraju po svojstvima njihovih elektrona. Stvaraju posebnu vrstu veze koju nazivamo metalna veza, a u kemijskim spojevima imaju tendenciju da gube elektrone (postanu pozitivno nabijeni). Primjerice, u kuhinjskoj soli, natrijevom kloridu, natrij (metal) postaje Na+, a klor Cl-. Relativno dobro provode toplinu i električnu struju, većina ima određeni sjaj kad su svježe prerezani. Tko voli ući dublje u područje, pozabavit će se Fermijevim nivoima (površinama) u definiciji metala, no ostavit ćemo to radije po strani.

Metali su duktilni (rastezljivi) – pod pritiskom se ne lome odmah već savijaju (deformiraju). Zahvaljujući tom svojstvu imate aluminijsku foliju u domaćinstvu. Zlato toliko voli pritisak da mogu nastati vrlo tanki listići zlata debljine samo nekoliko stotina atoma*.

Što su metaloidi/polumetali?

Metaloidi su elementi koji imaju neka svojstva metala i neka svojstva nemetala. To su bor, silicij, germanij, arsen, antimon i telurij. U udžbenicima i na internetu katkad nađete u ovoj skupini polonij i vrlo rijetki astat, ali i selen. Neki drugi elementi u određenim uvjetima mogu pokazivati metalima slična svojstva, ali nećemo komplicirati. Ostanimo za sada na osnovnom spisku. Električna svojstva metaloida koriste se u elektronskoj industriji.
Kako javnost najviše zanima biološki učinak metala, istaknimo prisustvo arsena u ovoj skupini. Arsen nije pravi metal.

Što su to teški metali?

Gustoća

Pojam teških metala je gotovo besmislen termin. Tijekom vremena, brojni autori su probali definirati teške metale i u striktnoj definiciji, teški metal ne označava biološko svojstvo, već gustoću. Drugim riječima, koliko je težak neki „komad“ odnosno volumen metala. Teški metal je po tome – „težak“, odnosno ima veću gustoću. No, koliko? Neki su postavili težinu od 5 grama na jedan kubični centimetar (kockica 1x1x1 cm). Neki su postavili niže, na 4 grama po kubičnom centimetru, neki na 4,5, neki na 5,5. Ne postoji konsenzus i, što je najbitnije, postavlja se pitanje koji je uopće smisao, osim iz transportnih ili građevinskih/konstrukcijskih razloga, dijeliti metale na taj način. Željezo je po tome zasigurno teški metal, čija je centimetarska kockica težine 7,87 grama, dok je natrij manje gust od vode, kockica je teška 0,97 grama. To znači da natrij pluta na vodi, no ne sugeriram to probati, jer on gori na vodi. Aluminij sa svojih 2,69 g/cm3 je laki metal. Titanij bi neki stavili u teške, a neki u lake zbog svojih 4,5 grama/cm3.

Atomski broj i relativna atomska masa

Svaki metal je građen od protona, neutrona i elektrona. Što je veći broj protona, veći je atomski broj. Teške metale se pokušalo definirati, osim po gustoći, po većem atomskom broju. No, što je to „veći“? Neki su predložili – sve više od kalcija koji ima 20 protona. Bakar ima 29. Neki su predložili čudnovatu skupinu omeđenu arsenom, bizmutom hafnijem i titanijem (vidite periodni sustav). Drugi su predložili sve metale od skandija (21 proton) sve do uranija.

Postoji prijedlog da se definiraju prema (relativnoj) masi atoma, no tu ulazimo do još čudnijih definicija. Prema mišljenju nekih autora, teši su svi koji imaju relativnu masu atoma veću od natrija. Tu dolazimo do nonsensa da bi magnezij bio teški metal. Drugi kreativni kemičari su predložili da se teški metali definiraju kao svi oni veće broja protona od natrija, a koji reagiraju s mastima i grade sapune. Priznajem da mi je to najzabavnija definicija, no prepuna je slabih točaka.

Druge definicije metala

Nekima je kemija ostala mučna zbog onih čudnih kućica, orbitala, u kojima prebivaju elektroni. Da se razumijemo, čim netko spomene „kućicu s elektronima“ jedan kvantni kemičar si prikrati život. To ne odgovara stvarnosti. „Kućice“ prihvaćamo zbog jednostavnosti učenja. Stoga se metali dijele na vrste orbitala gdje se nalaze „zadnji“ elektroni. Natrij je tipičan s metal (s orbitale), željezo d metal (d orbitale), a olovo p metal (p orbitale).

U bespućima kemijskih internet stranica mogu vas zbuniti pojmovi heavy metal (teški metal) u odnosu na hard metal (tvrdi metal) i soft metal (mekan metal). Naime, u jednom aspektu to nema veze s tvrdoćom metala kao materijalom. Tvrd metal je natrij koji je tako mekan da ga režemo nožem, dok je srebro mekan metal premda je tvrđi od natrija. U engleskom jeziku to se odnosi na kemijsko svojstvo koliko se ponaša kao tzv. Lewisova kiselina ili lužina, a pojmove kiselog i lužnatog poznajete. Ovakav pristup metalima ima skraćenicu HSAB – hard and soft (Lewis) acids and bases. Kemičarima je to vrlo korisno zbog kemijskih reakcija, no većini ljudi je nelogičan. Spominjem isključivo zbog naziva koje srećete na internetu.

Biološka svojstva

Nekoliko autora predložilo je da se u definicije teških metala uključi njihova toksičnost/sigurnost. O problemu tih definicija čitajte u sljedećem nastavku.

Zaključak

(Teški) metali se danas spominju na sve strane. Budite oprezni kada oni koji o njima pričaju ne razumiju složenost njihove definicije s kemijskog aspekta.

Fotografija: Himalaja. U znanju nema preskakanja. Što bi rekli na latinskom: Ab ovo.

*Ponovite slavni Rutherfordov eksperiment otkrića strukture atoma 1911. godine. Hvala ti, zlato.

Za dodatno čitanje
J. Am. Chem. Soc. 85 (22): 3533–3539.
Pure Appl.Chem., Vol.74, No.5, pp.793–807, 2002.