Metalle

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Metalle sind ein wichtiger chemischer Werkstoff und Grundlage vieler verschiedener Verbindungen. 80 % der chemischen Elemente im Periodensystem gehören den Metallen an. Alle die, die links stehen. Legt man eine Diagonale von Bor nach Astat im Periodensystemhat man die Grenze zwischen den Metallen und den Nichtmetallen.
Der Begriff "Metall" wird immer dann verwendet wenn die Verbindung (auch Legierungen etc.) 4 charakteristische Eigenschaften aufweisen:

  • hohe elektrische Leitfähigkeit (die mit steigender Temperatur abnimmt)
  • hohe Wärmeleitfähigkeit
  • Duktilität (Verformbarkeit) und
  • metallischer Glanz (Spiegelglanz)

Da es nun ja wirklich sehr viele Metalle gibt können diese noch weiter unterteilt werden. Hier zieht man die Dichte heran und unterteilt in Leichtmetalle (< 5 g/cm3), Schwermetalle (< 10 g/cm3) und Schwermetalle (> 10 g/cm3).


Chemische Eigenschaften von Metallen[Bearbeiten]


Metalle in der Natur[Bearbeiten]

Metalle kommen eigentlich überall in der Natur vor. Nicht nur gediegen, also elementar, sondern auch in Form von Erzen. Auch Vulkanausbrüche und Waldbrände setzen eine Menge Metall, meistens in Form von Oxiden frei.
Durch den Menschen wird aber auch ein Haufen Metall in die Umwelt geblasen. Die Verbrennung von fossilen Brennstoffen oder Müll (z.B. Blei als Antiklopfmittel). Aber auch der Bergbau und die Metallverarbeitende Industrie hauen große Mengen raus (Cadmium als flüchtiges Gas bei der Metallgewinnung). Manchmal werden sie auch erwünscte in der Umwelt freigesetzt: in Form von Düngemitteln oder Pestiziden. Haufig sind diese Verbindungen flüchtig oder wasserlöslich so dass sie auf verschiedenen Wegen über den kompletten Planeten verteilt werden. (In der Arktis lässt sich mit Bohrkernen der Bleiverbrauch der Zivilisation nachvollziehen)
Metalle die über die Luft in Richtung Meer transportiert werden, werden als atmophil bezeichnet. Es handelt sich häufig um B-Metalle, also weiche Säuren nach dem HSAB-Prinzip.
Werden die Metalle eher durch Flüsse in Richtung Meer transportiert, werden sie als lithophil bezeichnet. Dies sind in der Regel A-Metalle wie Aluminium, Chrom, Cobalt und Mangan (harte Säuren nach HSAB-Prinzip).

Metalle im menschlichen Körper[Bearbeiten]

Nicht nur in der Technik und für Alltagsgegenstände sind Metalle wichtig. Auch der menschliche Körper und dessen Funktionen sind auf Metalle angewiesen.
Circa 2% des menschlichen Körpers sind Metalle. Ein Großteil stellen die Metalle Natrium, Kalium, Magnesium und Calcium dar. Die restlichen Metalle werden als sog. Spurenelemente bezeichnet: Eisen, Cobalt, Kupfer etc. Die Wissenschaft ist sich momentan noch uneins, ob die sog. Ultraspurenelemente wie Molybdän, Selen, Mangan usw. wirklich zu den essentiellen Spurenelementen zählen oder nicht. Der grund für diese Unstimmigkeiten liegt in der Schwierigkeit diese Thesen zu beweisen. Um Mangelerscheinungen zu erzeugen muss die Ernährung wirklich frei von diesen Elementen sein. Und genau da liegt das Problem. Viele Elemente können nicht restlos aus der Nahrung entfernt werden.

Zink ist ein Cofaktor vieler Enzyme und Proteine. Diese sind häufig bei der DNA-Replikation und DNA-Reparatur (hier v.a. zinkfingerstruturen) von großer Bedeutung. Eisen ist ein Cofaktor in Cytochromen. Im Hämoglobin ist Eisen für den Sauerstofftransport essentiell. Die Eigenschaft des Eisens sowohl als 2-fach oder auch als 3-fach positives Ionen auftreten zu können. Ermöglicht ihm die Teilnahme an Redoxreaktionen. Cobalt ist ein Cofaktor im Vitamin B12. Dieses Vitamin ist, vereinfacht ausgedrückt, relevant für die Zellteilung, die Blutbildung sowie die Funktion des Nervensystems. Kupfer ist Bestandteil der Superoxid-Dismutase, welche an der Beseitigung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) beteiligt ist.


Für den Menschen relevante Metalle[Bearbeiten]


Toxikologie der Metalle[Bearbeiten]

Alle Metalle, auch diejenigen die für den Menschen relevant sind, sind ab einer gewissen Menge schädlich. Man denke hier an Paracelsus. Besonders Schwermetalle (As, Be, Cd, Cr, Ni, aber auch Fe, Mn und Zn) sind aufgrund ihrer Kanzerogenität und ihrer Reaktionen mit körpereigenem Material von Interesse. Schwermetalle haben eine große Affinität zu Thiolgruppen (-SH) von Proteinen und Aminosäuren. Auch ihre Neigung Komplexe zu bilden kann sowohl für eine Vergiftungsreaktion als auch für eine Entgiftung sorgen.

Um die Giftigkeit von Metallen zu charakterisieren wird häufig der LD50-Wert herangezogen. Da die unterschiedlichen Metalle jedoch in breiten Grenzen variieren benötigt man einen pragmatischer Ansatz. Die "potentielle Toxizität" (pT50) erlaubt einen Vergleich der Toxizitäten. Der pT50 reicht von 1 = praktisch nicht toxisch bis 4 = hoch toxisch. Thalliumsulfat erreicht einen Wert von ca. 4. Also hoch toxisch. Ein weiters potentes Gift ist Botulinustoxin. Dies erreicht sogar einen Wert von Rund 16. Es ist faszinierend, das die ärztliche Verabreichung von Botox erlaubt ist, während die Verwendung von Thalliumsulfat als Rattengift verboten wurde. Nicht weil es die Ratten so qualvoll tötet, sondern um dem Suizid von Menschen vorzubeugen.

Die Toxizität der Metalle ist von Metall zu Metall unterschiedlich. Auch die Art der Verbindung ist entscheident für die Bioverfügbarkeit. elementares Quecksilber wird beispielsweise nicht im Magen-Darm-Trakt resorbiert. Da es aber eine leicht flüchtige Verbindung ist, wird sie über die Lunge leicht aufgenommen. Quecksilbersalze werden jedoch im Magen-Darm-Trakt resorbiert.
Es sind vor allem die löslichen Salze die Probleme bereiten. in der Biochemie wird häufig die Blockierung eines Systems durch Schwermetalle ausgenutzt um biochemische Reaktionen aufzuklären.
ein weiteres Problem in der Toxikologie der Metalle ist die Tatsache, dass es soooooo viele gibt und selbst innerhalb einer Elementart können unterschiedliche Oxidationsstufen zu vollkommen anderen Symptomen führen. Wird in diesem Zusammenhang von einem "kritischen Organ" gesprochen heißt dies keinesfalls, das dies das einzige betroffene Organ ist. Es wird hier i.d.R. das empfindlichste angegeben.

Ein weiteres toxikologisches Problem bereitet die Tatsache, das Metalle nicht zerstörbar sind. Andere chemische Verbindungen können durch den Körper in kleine ungefährliche Moleküle wie Wasser oder Kohlenstoffdioxid zerlegt werden. Bei Metallen ist dies nicht möglich. Sie können nur durch radioaktiven Zerfall "verkleinert" werden, wenn dies der Fall ist hat man jedoch meist noch ganz andere Probleme.

Grundsätzlich kann man jedoch davon ausgehen, dass je kleiner die Partikel und je wasserlöslicher die Substanz ist, desto toxischer ist sie und desto leichter wird sie aufgenommen.

Toxikologie der Halbmetalle[Bearbeiten]


Literatur[Bearbeiten]

  • Mortimer, C "Chemie" 9.Aufl. 2007
  • Fuhrmann, G.F. "Toxikologie für Naturwissenschaftler - Einführung in die Theoretische und Spezielle Toxikologie" 1.Aufl. (2006)