金属元素与人体健康

金属元素与人体健康

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王玉光

( 内蒙古财经学院旅经系)

摘要: 随着人们健康意识逐渐增强, 营养素与人体健康的关系越来越引起人们的关注。本文从金

属元素的结构特点论述了金属元素与人体健康的关系。

关键词: 金属; 结构; 健康

在已发现的化学元素中, 金属元素约占80% 。上

个世纪60 年代, 一些化学家为了对金属作更深入的

研究, 将金属划分为A 型、B 型和过渡型三类。A 型

金属是指前三个短周期的金属, A 型金属离子主要

特征是离子不含d 轨道电子, 离子呈球型对称结构,

所以极化力小, 在人体中重要的常量元素钾、钠、钙、

镁等均属于这一类。A 型金属形成配合物的稳定性

规律, 基本上可以用静电作用模型加以解释, 即这些

金属离子配合物的稳定性与金属离子或配体所带电

荷数的平方比金属离子或配体的半径大小有正相关

关系。A 型金属普遍特性是对配体中电负性较大的

O、F 的亲和性大于配体中S 和其他卤素亲和性。A

型金属的水合物非常稳定, 不易形成氨合物和氰化

物。碳酸盐、磷酸盐、氢氧化物等化合物是二价A 型

金属重要的难溶物质, 还可以与有机化合物中含氧

官能团( 如羰基、羧基) 形成弱的配合物。

B 型金属离子含有d 轨道电子( d 轨道电子处于

充满状态) , 最外层的价电子有的全失、有的部分失

去。B 型金属与A 型金属相比较有了d 轨道的电子

容易变形, 所以极化力强, 其典型的离子有一价的银

离子、二价的锌离子、二价的铅离子和二价锡离子

等。B 型金属离子比A 型金属离子更容易形成稳定

的配合物, 而且配位键起着重要作用, 仅靠解释A 型

金属的静电模型是不够的, 影响配合物的稳定性还

与金属离子和配体中配位原子的电负性有关。一般

金属离子电负性高而配体中配位原子电负性低, 形

成的配合物稳定性相对就高。如第二副族的锌、镉、

汞随着原子序数的增加电负性逐渐增强, 其配合物

的稳定性一般也随着原子序数的增加而增强。还如

卤素离子随着原子序数的增加电负性逐渐减弱, 其

配合物的稳定性一般在逐渐增强( 卤化银的稳定性

AgI 大于AgBr 大于AgCl ) 。B 型金属离子还有一个

显著的特点, 可直接与碳形成有机配合物, 而且稳定

性也较高, 对人体健康构成了极大的威胁。

过渡金属离子的电子构型是介于A 型金属离子

和B 型金属离子之间的一种状态, d 轨道含有1 至9

个电子, 过渡金属离子不仅有空轨道, 而且各轨道的

能量也比较接近, 具备了形成配合物的基本条件。同

时过渡金属离子的半径小、核电荷数较高, 中心原子

对配位体极化作用较强, 使其比A 型金属离子和B

型金属离子更易形成配合物。影响过渡金属离子配

合物稳定性的因素也远比对A 型金属离子和B 型金

属离子复杂的多。一般第一系列比第二系列更接近

A 型金属离子的性质, 同一系列从左到右随着原子

序数的增加性质更接近于B 型金属离子。静电作用

对过渡金属离子配合物的稳定性影响非常大, 第一

列过渡金属二价金属离子随着原子序数的增加原子

半径递减, 由此造成的强静电效应使过渡金属配合

物的稳定性增加。

特别有趣的是, 人体中各种金属的含量多少与

这种金属在地壳表面的丰度相对一致。而且金属上

述分类方法与金属对人体健康的影响方面也表现出

某种规律性。A 型金属K、Na、Ca、Mg 这四种金属元

素在营养学被称为常量金属元素。( 常量元素是指:

以人体重0. 01% 为界计, 小于的为微量元素, 大于的

为常量元素; 如以需求标准计算, 每人每日需求量在

100 毫克以下的当属微量元素, 超过100 毫克的为常

量元素。) 这四个金属元素是人体重要的必需营养

素, 在调节人体体液酸碱平衡; 细胞内外渗透压的平

衡; 维持神经、肌肉的兴奋性; 形成骨骼等硬组织, 支

撑身体, 维持有力运动形式; 肌肉的收缩; 使血的凝

固和酶活化发挥重要生理功能。再看金属微量元素,

它们几乎都是过渡型金属, 主要包括Fe、Mn、Co 、Cu、Zn、Mo、V、Ni、Cr、Li 等。过渡金属离子虽然它们在人体体内存在的量很低, 每种金属微量元素的

标准量不足人体总重量的万分之一, 却在低浓度下

具有非常重要生物学功能。它能影响人体免疫功能;

胎儿的生长发育; 还与癌症的发病率等有关。过渡金

30 内蒙古石油化工2009 年第13 期X 收稿日期: 2009- 02- 19

属离子与A 型金属离子相比, 不仅易于配位体中的

O 形成稳定的配合物, 而且与配位体中的N、S 也可

形成很稳定的配合物。人体经过漫长的进化过程形

成了一套维持这些金属微量元素的体内平衡机制,

体内缺乏和过度摄入都会导致人体生理功能发生异

常, 缺乏会使人体生理功能出现障碍, 严重时会导致

疾病的发生甚至死亡; 过量时, 首先出现临界毒性,

之__________后达到致死毒性。尤其体内微量元素过量比缺乏更难对付, 缺乏时适量补充很容易恢复正常, 而过量

后清除起来往往非常困难。任何营养素都有一个最

佳范围, 基本原则是“少了不行, 多了有害”。B 型金属元素在营养学上认为是一些与正常人体生命活动

无关的人体非必需金属元素, 而其中二价汞离子、二价镉离子、二价铅离子等微小的量进入人体就会对

身体健康产生严重毒害作用。发生在上个世纪中叶

日本震惊世界的水俣病和骨痛病恶性中毒事件以及

罗马帝国的灭亡的罪魁祸首就是这三种离子。其中“水俣病”就是由于甲基汞中毒引起的。汞及其化合物广泛应用于工农业生产, 如: 电镀、仪表、化工、制药、涂料、化妆品、另外有机汞拌种或在农作物生长期施用有机汞农药均可污染环境, 进入人体的汞主

要来源与受污染的食品。由工厂排出的工业废水、废气、废渣中含有一定量的无机汞离子, 这些无机汞在环境中在有机物的作用下转化成有机汞( 主要是甲

基汞) 。而且还发现, 生活在汞含量在0. 0001mg / L 水中的浮游生物体内汞的含量可达0. 001- 0.

002mg / L, 并且随着食物链的级别而逐渐升高, 生物体内汞的含量也呈现递增趋势, 大型食肉动物体内

汞含量竟高达水中的数万倍甚至更高。这种现象称

之生物累积作用。这种存在形态的改变和生物累积

作用是重金属对人体健康造成危害的两个重要特

征。环境中的轻微污染, 就可能对人类健康构成巨大危害。汞在胃肠道吸收与其汞存在形式有关。金属

汞很少由肠道吸收, 故其经口毒性较小。二价无机汞化合物在胃肠道中的吸收率为1. 4% %—15. 6% , 平

均为7. 0%左右。吸收后经血液转运, 约以相等的量

分布于红细胞和血浆中, 一般与血红蛋白血浆蛋白

的巯基结合。二价无机汞化合物一般不易通过胎盘

屏障, 主要由尿和粪便排出。无机汞作用的靶器官主要是肝脏和肾脏及神经系统, 严重中毒者神经系统

遭到破坏。口腔炎和意向性震颤是汞中毒典型症状。长期与汞接触的人群有牙齿松动、脱落, 呕吐、口水增多等症状, 神经系统机能出现症状主要表现为手指、舌尖甚至眼连睑明显震颤、尤其以手的震颤最为厉害。早期为微小震颤, 随着病情加重震颤越来越厉害。有机汞吸收较高, 如甲基汞的吸收率为95% 。因甲基汞脂溶性很高, 通过脂肪易于扩散进入组织细

胞中, 也主要蓄积与人体的肝脏和肾脏, 并且通过血

脑屏障进入脑组织。大脑组织中的一些成分对甲基

汞具有特殊的亲和力, 其浓度是血液浓度3—6 倍。

汞的存在形式不同, 其毒性也不同。无机汞一般主要引起急性中毒, 有机汞多引起慢性中毒。有机汞在

人体内的生物半衰期平均为70 天左右, 而在大脑内

的半衰期为230 天左右。甲基汞的毒性大多认为是