Biologische Effekte von Zn, Cd, Hg

Biologische Effekte von
Zn, Cd, Hg
Mischa Pabst, Kai Lippert
Inhaltsverzeichnis
• Die 2. Nebengruppe des Periodensystems
• Industrielle Verwendungszwecke von den Elementen
• Wie gelangen Zn, Cd und Hg in die Umwelt ?
• Der Weg der Schwermetalle durch die Nahrungskette
• Funktion der Metalle im Körper
Unterschiede der Metalle
• Krankheiten
• Minamata
Die 12. Gruppe des
Periodensystems
• Elemente: Zink, Cadmium, Quecksilber, Ununbium
• Alle sind gräulich, silberig glänzend und weich
• Diese Übergangsmetalle sind alle als niedrigschmelzend
einzustufen
• In ihren chemischen Eigenschaften zeigen sie eine
gewisse Ähnlichkeit mit den Erdalkalimetallen, sind
jedoch deutlich edeler als selbige
• Atomradius und Dichte nehmen von Zn nach Hg zu,
ebenso die Neigung zur Komplexbildung und die
Toxizität
• Das jeweilige d-Orbital ist vollständig besetzt, nur die
beiden Elektronen des s-Orbitals stehen zur Verfügung,
maximale Oxidationsstufe +2
Zink
Namensgebung:
Entdeckung:
- Die ersten Hinweise gehen auf
Untersuchungen babylonischer
Waffen in das 3. Jahrtausend vor
Christus zurück
- eine gezielte Gewinnung und
Verarbeitung lässt sich jedoch erst
um 600 n. Chr. Nachweisen
- heute zählt es zu den wichtigsten
Nichteisenmetallen
(Lat.) zincum (Zahn. Zacke)
Vorkommen:
Mittelalterlicher Ausdruck für
das zackige Aussehen einiger
Erze
Kommt mit 0,02 Gewichtsprozent
in der Erdkruste am häufigsten
von den 3 Metallen vor
Schmelzpunkt: 419°C
Hauptförderländer sind USA,
Kanada, China
ZnS
Cadmium
Namensgebung:
(grch.) cadmia
Cadmia ist der grch. Begriff für
Zinkerz (Galmai), der Grund ist,
das die beiden Elemente häufig
zusammen gefunden werden
Schmelzpunkt: 321°C
Entdeckung:
- Im Vergleich zu Zn und
Hg wurde Cd erst spät
entdeckt
- 1817 zufällig entdeckt
von den dt. Chemiker
Friederich Stromeyer
und Carl Hermann bei
der Untersuchung von
Zinkpräparaten
Vorkommen:
Kommt mit 0,00003
Gewichtsprozent am
seltensten von den 3 Metallen
vor
Quecksilber
Entdeckung:
- In China war Hg schon
2500 v. Chr. bekannt in
Reinform und als
Zinnober (HgS)
Vorkommen:
Namensgebung:
(grch. –lat.) hydragyrum
quecsilbar zu germanisch
kwikw = lebendig
„lebendiges Silber“
Schmelzpunkt: -39°C
(das einzige bei RT flüssige Me)
Mit 0,00005 Gewichtsprozent
nicht ganz so selten wie Cd, aber
ebenfalls sehr selten
Kann von den 3 Metallen als
einziges Element in der Natur in
Reinform vorliegen (selten)
Hauptförderländer sind Spanien,
Slowenien, Türkei
Industrielle Prozesse von Zn
Nützliche Eigenschaften:
Niedriges Redoxpotential –0,763V, niedriger Schmelzpunkt 419°C, Mohshärte 2,5
• Rostschutz für Eisenwerkstoffe (Korrosionsschutz)
• edlere Metalle können aus ihren Salzen durch Reduktion
elementar abgeschieden werden z.B.
CuCl2 · 2 H2O + Zn ==> Cu + ZnCl2 + 2 H2O
• als negative Elektrode in galvanischen Zellen
(Trockenbatterie)
• Leicht zu legieren mit anderen Metallen z.B. mit Titan
„Titanzink“ ist deutlich stabiler als normales Zink und ist
deswegen ein beliebter Baustoff im Dachdecker- und
Sanitärbereich
Industrielle Prozesse von Cd
(ähnliche Eigenschaften, wie Zink)
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Rostschutz für Eisenwerkstoffe (Vercadmen)
Nickel-Cadmium-Akkus
Herstellung von Halbleitern
Cadmiumoxid als Leuchtstoffe in Schwarz-WeißFernsehröhren sowie Zusatz in Blau- und Grünphosphor
von Farbröhren
Regelstäbe in der Nukleartechnik
Spektrale Empfindlichkeit gleicht der des menschlichen
Auges. Nutzung in Belichtungsmessern.
Cd-Stearat als Stabilisator in Kunststoffen beispielsweise
in PVC (unempfindlich gegen Licht)
Cadmiumtellurid als infrarotempfindlicher Sensor für
Kameras (focal plane arrays)
Industrielle Prozesse von Hg
Nützliche Eigenschaften: niedriger Schmelzpunkt –39°C, neigt zur
Komplexbildung
im Gegensatz zu Zn und Cd hat Hg auch eine große Bedeutung im
Oxidationszustand +1
• Thermometer:
Die thermische Ausdehnung des Quecksilbers ist recht
hoch und zwischen 0 °C und 100 °C direkt proportional
zur Temperatur. Außerdem benetzt Quecksilber Glas nicht
• Barometer
• Amalgamverfahren zur Goldgewinnung
• Chloralkali-Elektrolyse
• Quecksilberdampflampen
Wie gelangen die Schwermetalle
in die Umwelt?
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Natürliche Emission durch vulkanische Aktivitäten im
und über dem Wasser
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1.
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Unnatürliche Hauptemittenten sind:
Müllverbrennungsanlagen
Metallverhüttungsanlagen
Anlagen Chloralkali-Elektrolyse
Anlagen der Goldgewinnung (Amalgamverfahren)
Kernkraftwerke
Frühere Benutzung von Pestiziden in der Landwirtschaft
(seit 1980 verboten)
Der Weg der Schwermetalle
durch die Nahrungskette
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Schwermetalle verschmutzen sowohl Luft als auch Wasser
Direkte Aufnahme durch das Genussmittel Tabak
Direkte Aufnahme über das Trinkwasser
Indirekte Aufnahme über Nahrungsmittel aus Getreide, das in
verseuchten Gebieten angepflanzt wird oder mit verseuchtem
Wasser bewässert wird (Ölsaaten)
• Über Pflanzen (insbesondere Pilze)
• Indirekte Aufnahme über Fleisch von Tieren, die direkt oder über
verseuchtes Futtermittel kontaminiert werden (Innereien)
• Indirekte Aufnahme in den menschlichen Organismus durch Fisch
und andere Meerestiere, die in verunreinigten Gewässern leben
Zink
Zn ist nach Fe wichtigstes Spurenelement
Zn wurde in den 30er Jahren in Peptiden entdeckt
Zur Zeit sind ca. 300 Enzyme mit Zn bekannt
4 allgemeine Aufgabenbereiche im Körper :
katalytisch, strukturell, regulierend und nichtkatalytisch
Besonders wichtig bei der Umsetzung der genetischen Information
Replikation, Transkription, Translation
Replikation
Transkription
Translation
Zn bildet sehr viele labile Komplexe weil Koordinationszahlen von
2-8 auftreten
Vorteile : Schneller Auf- bzw. Abbau von Komplexen der zu dem
wenig Energie erfordert
hohe Ligandenaustauschrate
sehr hohe Lewis acidität
Zn nimmt viele verschieden Aufgaben im Körper war :
Thermolysin wirkt als thermischer Schutz der DNA und
erleichtert gleichzeitig die Rekombination der DNA
(strukturelle und regulierende Aufgabe)
Stabilisierung von Sekundär- bzw. Tertiärstrukturen von Enzymen
Thermolysin mit aktivem Zentrum
Cadmium
Cd hat keine Funktion im Körper, es behindert die DNA-Reparatur
in der Zelle
Krebs
Cd kann wie ein Hormon wirken und den Körper massiv
beeinflussen
In der Natur gibt es ein Molekül, dass Cd und andere Schwermetalle
komplexieren kann bei (Pflanzen Phytochelatin (PC), bei
Säugetieren Metallothionein )
Phytochelatin
Quecksilber
Zählt zu den stärksten nicht organischen Giften
Keine Funktion im Körper !
Blockiert Enzyme
Wirkt direkt auf das ZNS
150-300 mg sind tödlich
Zinkmangel
• Der Tagesbedarf des essentiellen Zinks liegt
zwischen 5-40mg pro Tag (Erwachsener mit
70kg = 2,3mg)
• Hautveränderungen
• Wachstumsverzögerungen
• Veränderungen am Knochenbau
• Verlust der Geschmacksempfindungen
• Störung des Immunsystems
Zinkvergiftung
• Der MAK-Wert in Deutschland liegt bei
5mg/m³ für ZnO-Rauch
• Wirkliche Vergiftungen durch Zink sind
nicht bekannt (keine Langzeitschäden)
• Einatmen von ZnO kann das sog.
Gießfieber verursachen, das nach 24h
wieder verschwindet (Ausscheidung)
• Orale Aufnahme führt zu akuter
vorübergehender Übelkeit, Atemnot,
Schwindel, Durchfall etc.
Cadmiumvergiftung
• Die durchschnittliche Aufnahmemenge pro Tag liegt
bei etwa 0,01- 0,035mg (bei Rauchern doppelt so hoch)
• Der MAK-Wert für Cadmium ist 50µg/m³ der
Trinkwassergrenzwert liegt bei 6ppb
• Cd akkumuliert sich in Organen wie Leber und Nieren
• Die biologische Halbwertszeit beträgt 10-35 Jahre
• Wegen seiner ähnlichen Eigenschaften wie Zink
blockiert es quasi alle wichtigen Enzymfunktionen, die
sich mit Zn verbinden lassen
• Symptome sind Mutationen am Knochenbau oder
Osteoporose, Blutarmut, gelbgefärbte Zahnhälse etc.
Quecksilbervergiftung
• Der MAK-Wert für gasförmiges Hg liegt 0,1mg/m³
• Die Weltgesundheitsorganisation WHO gibt für Quecksilber
(gesamt) einen PTWI-Wert (Provisional Tolerable Weekly
Intake) von 5 µg pro kg Körpergewicht an
• EG Höchstgehaltsgrenzen für Quecksilber in
Fischereierzeugnissen liegt bei max. 0,5 mg/kg. Für andere
Lebensmittel ist der Grenzwert 0,05 mg/kg, für Trinkwasser bei
1 µg/l
• Hg ist das toxischste und zugleich gefährlichste der 3 Elemente,
weil es schon bei RT verdampft und schwerere Dämpfe als Luft
bildet (hoher Dampfdruck)
• Das Metall wird schlecht im Körper abgebaut. Es ist besonders
schädlich für Menschen in der Entwicklungsphase
• Über die Blutbahn reichert es sich im Hirn, Rückenmark, Leber,
Nieren, Schilddrüse und Hoden an
• Es schädigt somit das ZNS und alle betroffenen Organe
Minamata
Japanische Stadt
Mitte der 50er Jahre wurden quecksilberhaltige Abwässer in
der Bucht verklappt.
Eine Chemie- Fabrik leitet Methylquecksilberiodid ins Wasser
Es kam zu nervenleiden sowohl bei Menschen und Tieren
Ca. 10.000 Menschen wurden geschädigt
Ca. 3.000 starben an direkten Folgen einer
Quecksilbervergiftung
Quellen
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Thieme Lexikon
http://www.m-ww.de
Rutherford
http://de.wikipedia.org
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