金屬元素與人體健康

1、金屬元素與人體健康X王玉光（內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)學(xué)院旅經(jīng)系）摘 要：隨著人們健康意識(shí)逐漸增強(qiáng)，營(yíng)養(yǎng)素與人體健康的關(guān)系越來(lái)越引起人們的關(guān) 注。本文從金屬元素的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)論述了金屬元素與人體健康的關(guān)系。關(guān)鍵詞：金屬；結(jié)構(gòu)；健康在已發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素中，金屬元素約占80%。上 個(gè)世紀(jì)60年代，一些化學(xué)家為了對(duì)金屬作更深入的 研究，將金屬劃分為A型、B型和過(guò)渡型三類。A型 金屬是指前三個(gè)短周期的金屬,A型金屬離子主要 特征是離子不含d軌道電子，離子呈球型對(duì)稱結(jié)構(gòu)， 所以極化力小，在人體中重要的常量元素鉀、鈉、鈣、 鎂等均屬于這一類。A型金屬形成配合物的穩(wěn)定性 規(guī)律，基本上可以用靜電作用模型加以解釋即這些 金屬離子配合

2、物的穩(wěn)定性與金屬離子或配體所帶電 荷數(shù)的平方比金屬離子或配體的半徑大小有正相關(guān) 關(guān)系。A型金屬普遍特性是對(duì)配體中電負(fù)性較大的 O、F的親和性大于配體中S和其他鹵素親和性。A 型金屬的水合物非常穩(wěn)定，不易形成氨合物和氰化 物。碳酸鹽、磷酸鹽、氫氧化物等化合物是二價(jià)入型 金屬重要的難溶物質(zhì)，還可以與有機(jī)化合物中含氧 官能團(tuán)（如羰基、羧基）形成弱的配合物。B型金屬離子含有d軌道電子（d軌道電子處于 充滿狀態(tài)），最外層的價(jià)電子有的全失、有的部分失 去。B型金屬與A型金屬相比較有了軌道的電子 容易變形，所以極化力強(qiáng)，其典型的離子有一價(jià)的銀 離子、二價(jià)的鋅離子、二價(jià)的鉛離子和二價(jià)錫離子 等。B型金屬離子比

3、A型金屬離子更容易形成穩(wěn)定 的配合物，而且配位鍵起著重要作用，僅靠解釋A型 金屬的靜電模型是不夠的，影響配合物的穩(wěn)定性還 與金屬離子和配體中配位原子的電負(fù)性有關(guān)。一般 金屬離子電負(fù)性高而配體中配位原子電負(fù)性彳氐形 成的配合物穩(wěn)定性相對(duì)就高。如第二副族的鋅、鎘、 汞隨著原子序數(shù)的增加電負(fù)性逐漸增強(qiáng)其配合物 的穩(wěn)定性一般也隨著原子序數(shù)的增加而增強(qiáng)。還如 鹵素離子隨著原子序數(shù)的增加電負(fù)性逐漸減弱，其 配合物的穩(wěn)定性一般在逐漸增強(qiáng)（ 鹵化銀的穩(wěn)定性 AgI大于AgBr大于AgCl ）。B型金屬離子還有一個(gè) 顯著的特點(diǎn)，可直接與碳形成有機(jī)配合物，而且穩(wěn)定 性也較高，對(duì)人體健康構(gòu)成了極大的威脅。過(guò)渡金屬離

4、子的電子構(gòu)型是介于A型金屬離子 和B型金屬離子之間的一種狀態(tài)d軌道含有1至9個(gè)電子，過(guò)渡金屬離子不僅有空軌道，而且各軌道的 能量也比較接近，具備了形成配合物的基本條件。同 時(shí)過(guò)渡金屬離子的半徑小、核電荷數(shù)較高中心原子 對(duì)配位體極化作用較強(qiáng)，使其比A型金屬離子和B 型金屬離子更易形成配合物。影響過(guò)渡金屬離子配 合物穩(wěn)定性的因素也遠(yuǎn)比對(duì)A型金屬離子和B型金 屬離子復(fù)雜的多。一般第一系列比第二系列更接近 A型金屬離子的性質(zhì)，同一系列從左到右隨著原子 序數(shù)的增加性質(zhì)更接近于B型金屬離子。靜電作用 對(duì)過(guò)渡金屬離子配合物的穩(wěn)定性影響非常大第一 列過(guò)渡金屬二價(jià)金屬離子隨著原子序數(shù)的增加原子 半徑遞減，由此造

5、成的強(qiáng)靜電效應(yīng)使過(guò)渡金屬配合 物的穩(wěn)定性增加。特別有趣的是，人體中各種金屬的含量多少與 這種金屬在地殼表面的豐度相對(duì)一致。而且金屬上 述分類方法與金屬對(duì)人體健康的影響方面也表現(xiàn)出 某種規(guī)律性。A型金屬K、Na、Ca、Mg這四種金屬元 素在營(yíng)養(yǎng)學(xué)被稱為常量金屬元素。（常量元素是指： 以人體重0. 01%為界計(jì)，小于的為微量元素，大于的 為常量元素；如以需求標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，每人每日需求量在 100毫克以下的當(dāng)屬微量元素，超過(guò)100毫克的為常 量元素。）這四個(gè)金屬元素是人體重要的必需營(yíng)養(yǎng) 素，在調(diào)節(jié)人體體液酸堿平衡；細(xì)胞內(nèi)外滲透壓的平 衡；維持神經(jīng)、肌肉的興奮性；形成骨骼等硬組織，支 撐身體，維持有力運(yùn)動(dòng)

6、形式；肌肉的收縮；使血的凝 固和酶活化發(fā)揮重要生理功能。再看金屬微量元素 它們幾乎都是過(guò)渡型金屬，主要包括Fe、Mn、Co、 Cu、Zn、Mo、V、Ni、Cr、Li等。過(guò)渡金屬離子雖然它 們?cè)谌梭w體內(nèi)存在的量很低，每種金屬微量元素的 標(biāo)準(zhǔn)量不足人體總重量的萬(wàn)分之一，卻在低濃度下 具有非常重要生物學(xué)功能。它能影響人體免疫功能 胎兒的生長(zhǎng)發(fā)育；還與癌癥的發(fā)病率等有關(guān)。過(guò)渡金30內(nèi)蒙古石油化工2009年第13期X 收稿日期：2009- 02- 19屬離子與A型金屬離子相比，不僅易于配位體中的 O形成穩(wěn)定的配合物，而且與配位體中的N、S也可 形成很穩(wěn)定的配合物。人體經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程形 成了一套維持這

7、些金屬微量元素的體內(nèi)平衡機(jī)制， 體內(nèi)缺乏和過(guò)度攝入都會(huì)導(dǎo)致人體生理功能發(fā)生異 常，缺乏會(huì)使人體生理功能出現(xiàn)障礙，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致 疾病的發(fā)生甚至死亡；過(guò)量時(shí)，首先出現(xiàn)臨界毒性， 之后達(dá)到致死毒性。尤其體內(nèi)微量元素過(guò)量比缺乏 更難對(duì)付，缺乏時(shí)適量補(bǔ)充很容易恢復(fù)正常，而過(guò)量 后清除起來(lái)往往非常困難。任何營(yíng)養(yǎng)素都有一個(gè)最 佳范圍，基本原則是“少了不行，多了有害”。B型金 屬元素在營(yíng)養(yǎng)學(xué)上認(rèn)為是一些與正常人體生命活動(dòng) 無(wú)關(guān)的人體非必需金屬元素，而其中二價(jià)汞離子、二 價(jià)鎘離子、二價(jià)鉛離子等微小的量進(jìn)入人體就會(huì)對(duì) 身體健康產(chǎn)生嚴(yán)重毒害作用。發(fā)生在上個(gè)世紀(jì)中葉 日本震驚世界的水俁病和骨痛病惡性中毒事件以及 羅馬

8、帝國(guó)的滅亡的罪魁禍?zhǔn)拙褪沁@三種離子。其中 “水俁病”就是由于甲基汞中毒引起的。汞及其化合 物廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，如：電鍍、儀表、化工、制 藥、涂料、化妝品、另外有機(jī)汞拌種或在農(nóng)作物生長(zhǎng) 期施用有機(jī)汞農(nóng)藥均可污染環(huán)境進(jìn)入人體的汞主 要來(lái)源與受污染的食品。由工廠排出的工業(yè)廢水、廢 氣、廢渣中含有一定量的無(wú)機(jī)汞離子，這些無(wú)機(jī)汞在 環(huán)境中在有機(jī)物的作用下轉(zhuǎn)化成有機(jī)汞（主要是甲 基汞）。而且還發(fā)現(xiàn)，生活在汞含量在0. 0001mg / L 水中的浮游生物體內(nèi)汞的含量可達(dá)0. 001- 0.002mg / L,并且隨著食物鏈的級(jí)別而逐漸升高，生物 體內(nèi)汞的含量也呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，大型食肉動(dòng)物體內(nèi) 汞含量竟高

9、達(dá)水中的數(shù)萬(wàn)倍甚至更高。這種現(xiàn)象稱 之生物累積作用。這種存在形態(tài)的改變和生物累積 作用是重金屬對(duì)人體健康造成危害的兩個(gè)重要特 征。環(huán)境中的輕微污染，就可能對(duì)人類健康構(gòu)成巨大 危害。汞在胃腸道吸收與其汞存在形式有關(guān)。金屬 汞很少由腸道吸收，故其經(jīng)口毒性較小。二價(jià)無(wú)機(jī)汞 化合物在胃腸道中的吸收率為1. 4% %15.6% ,平 均為7. 0%左右。吸收后經(jīng)血液轉(zhuǎn)運(yùn)，約以相等的量 分布于紅細(xì)胞和血漿中，一般與血紅蛋白血漿蛋白 的巰基結(jié)合。二價(jià)無(wú)機(jī)汞化合物一般不易通過(guò)胎盤 屏障，主要由尿和糞便排出。無(wú)機(jī)汞作用的靶器官主 要是肝臟和腎臟及神經(jīng)系統(tǒng)，嚴(yán)重中毒者神經(jīng)系統(tǒng) 遭到破壞。口腔炎和意向性震顫是汞中毒

10、典型癥狀。 長(zhǎng)期與汞接觸的人群有牙齒松動(dòng)、脫落，嘔吐、口水 增多等癥狀，神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)能出現(xiàn)癥狀主要表現(xiàn)為手 指、舌尖甚至眼連瞼明顯震顫、尤其以手的震顫最為 厲害。早期為微小震顫，隨著病情加重震顫越來(lái)越厲 害。有機(jī)汞吸收較高，如甲基汞的吸收率為95%。因 甲基汞脂溶性很高，通過(guò)脂肪易于擴(kuò)散進(jìn)入組織細(xì) 胞中，也主要蓄積與人體的肝臟和腎臟，并且通過(guò)血 腦屏障進(jìn)入腦組織。大腦組織中的一些成分對(duì)甲基 汞具有特殊的親和力，其濃度是血液濃度36倍。 汞的存在形式不同，其毒性也不同。無(wú)機(jī)汞一般主要 引起急性中毒，有機(jī)汞多引起慢性中毒。有機(jī)汞在 人體內(nèi)的生物半衰期平均為70天左右，而在大腦內(nèi) 的半衰期為230天左

11、右。甲基汞的毒性大多認(rèn)為是 其在機(jī)體內(nèi)與含有巰基酶相結(jié)合 這些酶包括過(guò)氧 化酶、葡萄糖脫氫酶、細(xì)胞色素氧化酶、琥珀酸氧化 酶、琥珀酸脫氫酶等。它們與甲基汞結(jié)合后成為酶的 抑制劑使酶失去活性，從而破壞了細(xì)胞新陳代謝的 基本功能。慢性甲基汞中毒的病理?yè)p害主要為細(xì)胞 變性、壞死周圍神經(jīng)髓鞘脫失。中毒表現(xiàn)起初為疲 乏、無(wú)力、頭暈、失眠，而后感覺(jué)異常，出現(xiàn)手指、足 趾、舌和口唇等末稍處麻木，嚴(yán)重者出現(xiàn)共濟(jì)失調(diào)、 發(fā)抖、視力范圍變小、聽力喪失、精神紊亂最嚴(yán)重者 可因瘋狂痙攣而導(dǎo)致死亡?！肮峭床　本褪怯啥r(jià)鎘 對(duì)食品的污染引起的。鎘對(duì)食品的污染主要是工業(yè) 廢水的排放造成的。含鎘工業(yè)廢水污染水體，在經(jīng)水 生生

12、物的累積作用，使水產(chǎn)品中鎘的含量顯著增加。 用含鎘的污水灌溉農(nóng)田亦可污染土壤再經(jīng)農(nóng)作物 吸收是食品中鎘的殘留量大大增高。用含鎘金屬的 容器存放酸性食品或飲料時(shí)，導(dǎo)致大量的鎘溶出 造 成對(duì)食品的污染。日本某鎘污染嚴(yán)重地區(qū) 稻米平均 含量為1. 41mg / kg,（而非污染區(qū)一般含量為0.08mg / kg）,貝類含量竟高達(dá)420mg / kg （而非污染區(qū) 為0. 05mg/ kg ）。食品被鎘污染后，含鎘量有很大的 差別，海產(chǎn)品和動(dòng)物食品（尤其是腎臟）高于植物性 食品，一般植物性食品以谷類、根莖類含量較高。鎘 對(duì)人體健康的危害主要為鎘進(jìn)入人體以消化道吸收 為主，吸收率為5%左右，低蛋白、低鈣

13、、低鐵的膳食 有利于鎘的吸收，發(fā)現(xiàn)維生素D也可促進(jìn)鎘的吸收。 吸收的鎘經(jīng)血液運(yùn)至全身。血液中的鎘一部分與紅 細(xì)胞結(jié)合，一部分與血漿蛋白結(jié)合。這些結(jié)合的鎘主 要分布在肝臟和腎臟，因此肝臟和腎臟是慢性鎘中 毒的靶器官。鎘的半衰期為12年左右。鎘對(duì)腎臟的 危害作用主要在于有毒的鎘的化合物蓄積在腎的表 皮中導(dǎo)致輸尿管排出蛋白尿。一般當(dāng)腎表皮鎘的含 量達(dá)到200mmg / kg左右時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)腎管機(jī)能失 調(diào)。鎘污染造成最嚴(yán)重的事件就是“骨痛病”。1955 年日本富山縣神通川流域一種奇怪的疾病，因?yàn)椴?人患病后全身非常疼痛難以忍受整日喊痛不止因 此取名痛痛病（也稱骨痛?。?。經(jīng)調(diào)查確定，位于該地 區(qū)上游有一

14、個(gè)開采鉛鋅礦，排放含鎘的煙氣和顆粒。 多年來(lái)，來(lái)自這個(gè)工廠的鎘被帶到下游地區(qū)污染了 土壤和水源，致使當(dāng)?shù)鼐用耖L(zhǎng)期食用被鎘污染的稻 米和被鎘污染的水源而引起鎘慢性中毒。此病的2009年第13期王玉光 金屬元素與人體健康31水飽和蒸汽壓的入13七0時(shí)。方程常數(shù)的比較X劉暉1 ,張洪濤2,肖紅1(1.西安石油大學(xué)，陜西西安710065, 2.蘭州石化公司丙烯酸廠，甘肅蘭州730060)摘 要：本文用國(guó)內(nèi)廣泛使用的重要文獻(xiàn)包括手冊(cè)、專著、教科書等中提供的多套水蒸 汽 Antoine 方程常數(shù)，在各自標(biāo)明的適用范圍內(nèi)計(jì)算了水的飽和蒸汽壓 以水和水蒸汽性質(zhì)國(guó)際協(xié)會(huì)發(fā) 布的水和水蒸汽性質(zhì)工業(yè)公式(IAPWS

15、- IF1997)的計(jì)算結(jié)果為基準(zhǔn)，考察了各套常數(shù)計(jì)算水蒸氣壓的 準(zhǔn)確度，給出了計(jì)算偏差大小和分布。分析表明,用這些文獻(xiàn)中所給出的常數(shù)計(jì)算水的飽和壓力 有的 計(jì)算偏差整體偏高,有的在其適用范圍內(nèi)計(jì)算準(zhǔn)確度很不均勻，在溫度區(qū)間端部附近計(jì)算偏差較大。文 中最后給出了水的飽和蒸汽壓Antoine常數(shù)的推薦意見，以便工程計(jì)算使用。關(guān)鍵詞：水蒸汽；飽和蒸汽壓;Antoine方程；偏差分析水蒸汽是化工、煉油工業(yè)中廣泛應(yīng)用的重要工質(zhì)，飽和蒸汽壓是其重要熱力性質(zhì)之一。準(zhǔn)確的蒸汽 壓數(shù)據(jù)是工藝過(guò)程設(shè)計(jì)、控制和運(yùn)行時(shí)必不可少的。在各種飽和水蒸汽壓方程中,Antoine方程是應(yīng)用 最普遍的，眾多文獻(xiàn)都提供了水的An

16、toine方程常 數(shù)。由于各文獻(xiàn)年代不同，擬合Antoine方程常數(shù)時(shí) 所依據(jù)的飽和水蒸汽壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不同，因此不同 文獻(xiàn)中所給出的方程常數(shù)的適用范圍、計(jì)算準(zhǔn)確度 各異，故有必要對(duì)這些常數(shù)加以對(duì)比分析。為此本文 對(duì)國(guó)內(nèi)使用較廣泛的重要文獻(xiàn)包括手冊(cè)、專著、教科 書等中提供的多套水的Antoine方程常數(shù)，在各自 標(biāo)明的適用范圍內(nèi)計(jì)算了水的飽和蒸汽壓 并將計(jì) 算結(jié)果與水和水蒸汽性質(zhì)國(guó)際協(xié)會(huì)發(fā)布的水和水蒸 汽性質(zhì)工業(yè)公式(IAPWS - IF1997)的計(jì)算結(jié)果作 了比較。1 Antoine 方程及常數(shù)Antoine方程的常用形式為lnP= ABT + C= ABt+ 273. 14+ C(1)lg

17、P= ab t+ c(2)潛伏期一般為5年左右，甚至更長(zhǎng)，幾乎不可逆轉(zhuǎn)。其主要病理是鎘對(duì)腎功能損害使腎中的維生素。的活化過(guò)程被抑制，不能正常新陳代謝，進(jìn)而導(dǎo)致骨膠原肽鏈上的羥基輔氨酸不能轉(zhuǎn)化為醛基妨礙了 骨膠原的正常固化成熟而使骨質(zhì)軟化。另外鎘的離 子半徑與鈣的離子半徑比較接近鎘含量較高時(shí)還會(huì)阻礙鈣的吸收，破壞骨質(zhì)。鉛是有毒的元素。它能 抑制血紅蛋白的合成，致使卟啉代謝發(fā)生障礙，引起 中毒。早期中毒，危害人的腦神經(jīng)，類似于神經(jīng)衰弱 癥狀，判斷力差，記憶力減退，興奮抑制兩過(guò)程失去 平衡，自制能力衰退等。據(jù)科學(xué)畫報(bào)1988年第1期 報(bào)導(dǎo)，古羅馬多暴君，嗜好殺戮、征戰(zhàn)和斗獸。原因固 然在于奴隸主階級(jí)的本性，但也與他們過(guò)度接觸鉛 經(jīng)常飲用鉛嚴(yán)重污染的葡萄酒有關(guān)。鉛進(jìn)入機(jī)體后 對(duì)神經(jīng)、造血、消化、腎臟、心血管和內(nèi)分泌等多個(gè)系 統(tǒng)產(chǎn)生危害。目前常見的鉛中毒大多屬于輕度慢性 鉛中毒，主要病變是鉛對(duì)體內(nèi)金屬離子和酶系統(tǒng)產(chǎn) 生影響而引起植物神經(jīng)紊亂、貧血、免疫力低下等。 科學(xué)家曾對(duì)暴力犯罪者的頭發(fā)進(jìn)行化驗(yàn)