Schwermetalle

Übersicht

H																	He
Li	Be											B	C	N	O	F	Ne
Na	Mg											Al	Si	P	S	Cl	Ar
K	Ca	Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
Rb	Sr	Y	Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
Cs	Ba	*	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
Fr	Ra	**	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn
		*	La	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu
		**	Ac	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr

Mit der Bezeichnung Schwermetalle wird willkürlich eine Gruppe von Metallen zusammengefasst. Durch das Fehlen einer eindeutigen wissenschaftlich akzeptierten Definition des Begriffes „Schwermetall“^[1][2] gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Definitionen in der Literatur.^[3] Eine Studie der IUPAC^[4] fand mindestens 38 Definitionen des Begriffes, der angefangen von der Dichte, dem „Atomgewicht“ oder der Ordnungszahl bis zu den chemischen Eigenschaften oder der Toxizität reicht. Folglich unterscheiden sich Listen von „Schwermetallen“ von einem Satz von Richtlinien zu einem anderen; dabei werden oft auch Halbmetalle wie z. B. Arsen mit eingeschlossen.^[1] Der Begriff wird oft ohne Angabe der Metalle, auf die er sich bezieht, verwendet. Die IUPAC empfiehlt daher, den Begriff künftig nicht mehr zu verwenden. In der Öffentlichkeit gelten oft alle mit dem Begriff „Schwermetall“ bezeichneten Stoffe als toxische Substanzen.^[1] Insbesondere die Verwendung des Begriffs in diesem Sinn ist äußerst problematisch, da viele der damit bezeichneten Elemente für den Menschen essentiell sind. Aus den oben aufgeführten Gründen ist die Bezeichnung aller anderen Metalle als Leichtmetalle ebenso undefiniert.^[5]

Begrifflichkeit

In der Technik fallen unter den Begriff Schwermetall auch Legierungen mit hoher Dichte.

Zu den „Schwermetallen“ werden üblicherweise unter anderem die Edelmetalle sowie Bismut, Eisen, Kupfer, Blei, Zink, Zinn, Nickel, Cadmium, Chrom und Uran gerechnet.

Der Abbau von „Schwermetallen“ geht häufig mit einer hohen Belastung der Böden einher. An Stellen im Harz, im Siegerland und der Aachener Umgebung hat sich beispielsweise auf den durch Erzbergbau belasteten Böden azonale Vegetation spezifischer Pflanzengesellschaften ausgebildet. Dort bilden die Galmeipflanzen Schwermetallrasen aus.

4. Periode Dichte [g/cm³]         Vanadium   6,11 Chrom   7,14 Mangan   7,47 Eisen   7,874 Cobalt   8,90 Nickel   8,908 Kupfer   8,92 Zink   7,14 Gallium   5,904 Germanium *   5,323 Arsen *   5,72

5. Periode Dichte [g/cm³]     Zirconium   6,511 Niob   8,570 Molybdän 10,28 Technetium 11,50 Ruthenium 12,37 Rhodium 12,45 Palladium 12,023 Silber 10,49 Cadmium   8,65 Indium   7,31 Zinn   7,31 Antimon *   6,697 Tellur *   6,25

6. Periode Dichte [g/cm³]     Hafnium 13,31 Tantal 16,65 Wolfram 19,25 Rhenium 21,03 Osmium 22,59 Iridium 22,56 Platin 21,45 Gold 19,32 Quecksilber 13,55 Thallium 11,85 Blei 11,34 Bismut   9,78 Polonium   9,20

7. Periode Dichte [g/cm³] Radium   5,50 Rutherfordium   Dubnium   Seaborgium   Bohrium   Hassium   Meitnerium   Darmstadtium   Roentgenium   Copernicium   Ununtrium   Ununquadium   Ununpentium   Ununhexium

Lanthanoide Dichte [g/cm³] Lanthan   6,146 Cer   6,689 Praseodym   6,64 Neodym   6,800 Promethium   7,264 Samarium   7,353 Europium   5,244 Gadolinium   7,901 Terbium   8,219 Dysprosium   8,551 Holmium   8,80 Erbium   9,05 Thulium   9,321 Ytterbium   6,965 Lutetium   9,841

Actinoide Dichte [g/cm³] Actinium 10,07 Thorium 11,72 Protactinium 15,37 Uran 18,97 Neptunium 20,48 Plutonium 19,74 Americium 13,67 Curium 13,51 Berkelium 13,25 Californium 15,10 Einsteinium 13,5 Fermium   Mendelevium   Nobelium   Lawrencium

* Halbmetalle

Herkunft

Geologen gehen davon aus, dass der Großteil der Schwermetalle in der Erdkruste von Asteroiden stammt. Vor 4,5 Mrd. Jahren – als der Erdmantel noch flüssig war – sanken die Schwermetalle zum Erdmittelpunkt und bildeten den Erdkern. Bewiesen wird diese Vermutung durch eine Studie mit Wolfram, welches aus Grönland stammt. In der Gesteinsprobe fand sich 13 mal häufiger das Isotop ¹⁸²W als in Gesteinsproben anderer Orte. Matthias Willbold von der University of Bristol, der Erstautor der Studie sagt: „Die meisten der Edelmetalle, auf denen unsere Wirtschaft und viele wichtige industrielle Prozesse basieren, kamen durch einen glücklichen Zufall auf unseren Planeten - als die Erde von rund 20 Trillionen Tonnen Asteroidenmaterial getroffen wurde“.^[6][7]

Eigenschaften

Essentielle Schwermetalle

Manche Schwermetalle sind in kleinen Mengen lebenswichtig für den Menschen, sie werden dann als Spurenelemente bezeichnet. Dazu gehören: Chrom, Eisen, Cobalt, Kupfer, Mangan, Molybdän, Nickel, Vanadium, Zink und Zinn.

Gesundheitsschädliche Schwermetalle

Viele Schwermetalle sind für den menschlichen Organismus gesundheitsschädlich oder giftig, da sie nicht abgebaut werden können. Sie werden meist über die Nahrungskette aufgenommen und gelangen so in den menschlichen Körper.

Blei

Blei besitzt eine kumulative Wirkung und wirkt bei der Aufnahme durch Nahrung und Atemluft schon in geringen Spuren als chronisches Gift. Es reichert sich in Knochen, Zähnen und im Gehirn an und beeinträchtigt die Funktionsfähigkeit des Nervensystems. Besonders Kinder sind gefährdet, sie zeigen oft Intelligenz-, Lern- und Konzentrationsstörungen. Auch die Immunabwehr kommt bei Bleivergiftungen zu Schaden, daraus folgt eine erhöhte Infektanfälligkeit.

Die größte Quelle für Bleivergiftung war in Westeuropa bis in die achtziger Jahre Benzin, dem Tetraethylblei zugesetzt wurde, um die Klopffestigkeit zu erhöhen. Seit der Wiedervereinigung wird auch in Ostdeutschland ausschließlich bleifreies Benzin verwendet, so dass seitdem auch dort die Blutwerte für Blei bei der Bevölkerung zurückgehen. Weltweit wird allerdings noch in Afrika und weiten Teilen Asiens verbleites Benzin verwendet, mit den entsprechenden gesundheitlichen Folgen.

Seit 1973 wurden in Deutschland keine Bleirohre mehr als Wasserleitung im Haus verbaut. Praktisch frei von Bleirohren ist der gesamte süddeutsche Raum: seit über hundert Jahren wurden dort keine Bleirohre mehr verlegt. Der Grenzwert für Blei im Leitungswasser liegt seit dem 1. Dezember 2003 bei 0,025 Milligramm pro Liter und ab 1. Dezember 2013 bei 0,01 Milligramm pro Liter.^[8]

Cadmium

Cadmium und seine Verbindungen sind bereits in geringen Konzentrationen giftig. Es hat sich im Tierversuch als krebserzeugend erwiesen und ist erbgut- und fruchtschädigend. Der Körper eines Erwachsenen enthält ca. 30 mg Cadmium, ohne dass es für den Aufbau von Körpersubstanzen benötigt wird. Es gehört zu den nichtessentiellen Elementen. Die orale Aufnahme von löslichen Cadmium-Salzen kann Erbrechen und Störungen im Verdauungstrakt, Leberschädigungen und Krämpfe verursachen. Die Inhalation von Cadmium-Dämpfen ruft Reizungen der Atemwege und Kopfschmerzen hervor. Chronische Vergiftungen äußern sich durch den Ausfall des Geruchsvermögens, Gelbfärbung der Zahnhälse, Blutarmut und Wirbelschmerzen, in fortgeschrittenem Stadium durch Knochenmarkschädigungen und Osteoporose. Cadmium ist vermehrt in Verruf gekommen seit dem Auftreten der oft tödlich endenden Itai-Itai-Krankheit in Japan, die mit schweren Skelettveränderungen einhergeht. Die Anreicherung von Cadmium in der Leber und vor allem in der Niere ist besonders bedenklich. Bei Rauchern wurden etwa doppelt so hohe Gehalte von Cadmium wie bei Nichtrauchern festgestellt. Die Durchschnittliche Belastung mit Cadmium durch Rauchen beträgt 0,002 mg bis 0,004 mg pro Tag. Mit der Nahrung nimmt der Mensch täglich etwa 0,01 mg bis 0,035 mg Cadmium auf. Laut WHO liegt der kritische Grenzwert pro Tag bei 0,01 mg pro kg Körpermasse. Die biologische Halbwertszeit beim Menschen beträgt etwa 10 bis 35 Jahre.

Quecksilber

siehe auch Quecksilbervergiftung

Metallisches Quecksilber kann als Quecksilberdampf über die Lunge in den Körper aufgenommen werden. Es reizt die Atem- und Verdauungswege, kann zu Erbrechen mit Bauchschmerzen führen und auch Schäden an Nieren und am Zentralnervensystem hervorrufen.

Kupfer

Kupferverbindungen verursachen beim Verschlucken Schwäche, Erbrechen und Entzündungen im Verdauungstrakt. Akute Vergiftungen sind beim Menschen selten, da zwangsläufig Erbrechen ausgelöst wird. Kupfer im Abfall von Müllverbrennungsanlagen begünstigt als Katalysator die Entstehung stark giftiger polychlorierter Dioxine und Furane.

Kupfer gelangt durch Wasserleitungen aus Kupfer ins Trinkwasser^[9]. Die Trinkwassernormen der WHO und der EU erlauben einen maximalen Kupfergehalt von 2 mg pro Liter. Die deutsche Trinkwasserverordnung übernahm diesen Wert.^[10]

Ein Kupfergehalt von zwei Milligramm pro Liter verleiht dem Wasser bereits einen metallischen Geschmack, fünf Milligramm pro Liter machen es ungenießbar. Nach derzeitigem Wissen wird eine mittlere Belastung des Trinkwassers mit zwei Milligramm Kupfer pro Liter als gesundheitlich unbedenklich angesehen. Gefährdet sind insbesondere Säuglinge und Kleinkinder. Stark kupferhaltiges Trinkwasser kann bei Säuglingen und Kleinkindern zur frühkindlichen Leberzirrhose führen.^[8]

Kupferrohre sollten nicht für die Trinkwasserinstallation verwendet werden, wenn das Wasser einen niedrigen pH-Wert hat. Dies gilt besonders für Hausbrunnen, weil dieses Wasser vielfach nicht aufbereitet wird. Bei Kupferleitungen kann sich besonders bei älteren Rohren, wenn das Wasser im Härtebereich 4 und der pH-Wert unterhalb von 7,3 liegt, zuviel Kupfer lösen. Von diesen Ausnahmen abgesehen ist das Trinkwasser aber deutlich besser als sein Ruf und kann unbedenklich auch von Kindern reichlich getrunken werden.^[8]

Plutonium

Die für einen Menschen tödliche Dosis liegt wahrscheinlich im zweistelligen Milligrammbereich. Viel gefährlicher als die chemische Wirkung ist aber seine Radioaktivität, die Krebs verursachen kann. Zur Entstehung von Krebs reicht vermutlich eine Menge in der Größenordnung einiger Mikrogramm. Aus dieser Abschätzung wurde das weit verbreitete Missverständnis über die besondere Gefährlichkeit von Plutonium abgeleitet. Da die ausgesendete α-Strahlung durch die auf der Haut befindlichen Partikel aus abgestorbener Hornhaut abgeschirmt wird, ist Plutonium nur bei Inkorporation (beispielsweise die Inhalation von plutoniumhaltigem Staub) gesundheitsschädlich.

Verwendung

Schwermetalle werden in vielen Bereichen, zumeist aber für die Metallveredelung verwendet. Dadurch erhalten die ausgewählten Materialien spezielle Eigenschaften. Folgende Anwendungsgebiete sind heute aufgrund ihrer gesundheitsgefährdenden Wirkung verboten:

• Blei in PVC und Trinkwasserleitungen
• Blei in Lötzinn ist nach der RoHS-Richtlinie nicht mehr erlaubt (mit wenigen Ausnahmen, siehe weiter unten).
• Cadmium in der Kosmetik, Pflanzenschutz und PVC, früher auch in Akkumulatoren
• Quecksilber in Holzschutzmitteln, Imprägnierstoffen, Antifoulingfarben sowie zur Wasseraufbereitung

Weiterhin verwendete Schwermetalle

• Blei im Lötzinn bei medizinischen Geräten, Überwachungs- bzw. Kontrollinstrumente, Luft- und Raumfahrt und im militärischen Bereich sowie für Reparaturen
• Chrom und Nickel für Stahl, letzteres auch für Akkumulatoren
• Blei für Akkumulatoren (=aufladbare Batterien), Kabelummantelungen, Pigmenten, Legierungen sowie beim Strahlenschutz
• Quecksilber in geringen Mengen in Leuchtstofflampen und Energiesparlampen, in Thermometern, in der Apparatetechnik und zur Amalgam-Plombenherstellung
• Cadmium für Akkumulatoren (Nickel-Cadmium und Silber-Cadmium), als Korrosionsschutz für Eisen und ähnliche Metalle (durch elektrolytische Abscheidung oder physikalische Gasphasenabscheidung erzeugte Cadmium-Überzüge schützen bereits in einer Dicke von 0,008 mm gegen Korrosion), Cadmium-Pigmente und Cadmiumseife als Stabilisatoren für PVC, Cadmium-Legierungen und in der Kerntechnik als Regelstäbe in Reaktoren (Cadmium 113 hat einen besonders großen Wirkungsquerschnitt für thermische Neutronen).

Anwendung in der Medizin

• Lanthan dient als Lanthancarbonat (Phosphatbinder) zur Behandlung der Hyperphosphatämie bei niereninsuffizienten Patienten.^[11]
• Gadolinium wird komplexgebunden als Kontrastmittel bei der Magnetresonanztomographie eingesetzt, etwa das Gadopentetat-Dimeglumin. Es besteht die Gefahr einer nephrogenen systemischen Fibrose (NSF) bei niereninsuffizienten Patienten.^[12][13]

Literatur

• Jerome Nriagu: A History of Global Metal Pollution., in Science, 272/1996, S. 223–4.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c} Nickel Magazine, Juli 2006
2. ↑ Hodson ME, Heavy metals—geochemical bogey men?, in Environmental Pollution, 129/2004, S. 341–343
3. ↑ Duffus JH, Definitions of heavy metal: Survey of current usage (April 2001).
4. ↑ Duffus JH, ‚Heavy metals‘ – a meaningless term?, in International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), Pure and Applied Chemistry, 74/2002, S. 793–807
5. ↑ Das Standardwerk Holleman/Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie hingegen nennt Leichtmetalle alle Metalle mit einer Dichte < 5 g/cm³ und folgerichtig alle mit einer höheren Dichte Schwermetalle.
   A.F. Holleman und N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage, S. 1141, Berlin 2007, Walter de Gruyter, ISBN 978-3-11-017770-1.
6. ↑ Meteoriten ließen Edelmetalle auf die Erde regnen, Bericht im Spiegel online vom 8. September 2011.
7. ↑ The tungsten isotopic composition of the Earth’s mantle before the terminal bombardment, Beitrag bei Nature vom 8. September 2011 (Englisch).
8. ↑ ^{a b c} aid infodienst Ernährung, Landwirtschaft, Verbraucherschutz e. V. mit Förderung durch das Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz
9. ↑ Kupfer und Wasser: Reaktionen, Umwelt- und Gesundheitseffekte
10. ↑ Vergleich der Trinkwassernormen der WHO (2006), der EU (1998) und Deutschlands (2001)
11. ↑ Fukagawa M., Harman C. (2005): Is Lanthanum carbonate safer and more effective than calcium carbonate for hyperphosphatemia in dialysis patients?, Nat. Clin. Pract. Nephrol., November 2005, 1(1):20-1
12. ↑ Murphy KJ et.al., Adverse reactions to gadolinium contrast media: a review of 36 cases, in American Journal of Roentgenology, 167/1996, S.847–9.
13. ↑ Thomsen HS et.al., Is there a causal relation between the administration of gadolinium-based contrast media and the development of nephrogenic systemic fibrosis (NSF)?, in Clinical Radiology, 61/2006, S.905–6.