Ртуть (латинское Hydrargerum - жидкое серебро, обозначается символом Hg) - элемент с атомным номером 80 и атомным весом 200,59. Является элементом побочной подгруппы второй группы, шестого периода периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Ртуть при обычных условиях - жидкий, блестящий серебристо-белый тяжелый металл, испаряющийся уже при комнатной температуре. Пары ртути бесцветны и весьма ядовиты! Вообще, ртуть - единственный металл, находящийся при комнатной температуре в жидком состоянии.
Водород легко образует ковалентные связи - химические связи, в которых пары электронов распределяются между атомами - с большинством неметаллических элементов. В результате большая часть водорода, найденного на Земле, находится в соединениях, чаще всего в воде, а также углеводородах и углеводах.
Йод представляет собой галоген. Галогены представляют собой неметаллические элементы, которые являются высокореактивными, потому что они не имеют электрона в своей внешней оболочке атомов. Йод - это сине-черное твердое вещество, которое становится фиолетовым газом при комнатной температуре. Йод редок на Земле, но соединения йода, в форме солей, мы находим в морской воде. Нам нужен йод для правильной работы щитовидной железы, поэтому йодные соединения часто вводятся в качестве пищевых добавок. Йод также используется в химической промышленности.
В природе восьмидесятый элемент представлен семью стабильными изотопами с массовыми числами: 196 (0,2 %), 198 (10,0 %), 199 (16,8 %), 200 (23,1 %), 201 (13,2 %), 202 (29,8 %), 204 (6,9 %). Известно одиннадцать радиоактивных изотопов ртути, из которых практическое значение приобрели только ртуть-203 (период полураспада 46,9 суток) и ртуть-205 (период полураспада 5,5 минуты). Их применяют при аналитических определениях ртути и изучении ее поведения в технологических процессах.
Железо является переходным металлом. Эти металлы обычно плотные, блестящие и создают хорошие электрические проводники. Наряду с никелем и кобальтом железо является одним из трех встречающихся в природе металлов, которые являются магнитными при комнатной температуре. Железо является четвертым наиболее распространенным элементом в земной коре, но он легко реагирует с кислородом, поэтому его чаще всего называют минералами оксида железа. Железо получают из этих руд, нагревая их до тех пор, пока они не расплавятся, процесс, называемый плавлением.
Ртуть наряду с золотом, серебром, свинцом, медью, оловом и железом относится к элементам, известным человечеству с глубокой древности. Поэтому нам не известно имя человека, который первым получил данный металл. Известно лишь то, что произошло это очень давно - за много веков до нашей эры. Так в Древнем Египте металлическую ртуть и ее главный минерал, киноварь, использовали еще в III тысячелетии до н.э. Самородная ртуть была известна за 2000 лет до н. э. народам Древней Индии и Древнего Китая (у древних китайцев киноварь пользовалась особой славой, и не только как краска, но и как лекарственное средство). Этот металл был известен и в Древнем Риме, о чем говорит «Естественная история» Плиния Старшего. В Средневековье алхимики считали ртуть прародительницей всех металлов. Твердую ртуть, путем заморозки, впервые получили в декабре 1759 года петербургские академики И. А. Браун и М. В. Ломоносов.
Из-за его склонности к ржавчине он часто окрашивается или покрывается. Железо обычно смешивают с другими металлами в сплавах, чтобы сделать его более сильным или более устойчивым к ржавлению или тому и другому. Сплавы включают чугун и сталь. Железо также является важным элементом в телах всех живых существ. Если людям не хватает железа в рационе, они могут страдать от состояния дефицита железа, анемии.
Свинец - плохой металл, также называемый «металлом после перехода». Как и другие бедные металлы, свинец мягкий. Он блестящий серебристо-синий, но быстро реагирует с кислородом на воздухе, чтобы стать тускло-серым. Элементный свинец встречается редко на Земле: свинец чаще всего получается из минералов свинцового соединения, таких как галенит.
Ртуть широко используется в химической промышленности: в качестве катода при электролитическом производстве гидроксида натрия и хлора, как катализатор при получении многих органических соединений и при растворении урановых блоков (в атомной энергетике). Этот элемент применяется при изготовлении ламп дневного света, кварцевых ламп, манометров, термометров и прочих научных приборов. В горном деле ртутью пользуются для отделения золота от неметаллических примесей. В металлургии ртуть применяется для получения целого ряда важнейших сплавов, ведь восьмидесятый элемент обладает способностью растворять в себе многие металлы, образуя с ними частью жидкие, частью твердые сплавы, называемые амальгамами. Не смотря на высокую токсичность ртуть используется в медицине (каломель, сулема, ртутьорганические и другие соединения) и сельском хозяйстве (органические соединения ртути) в качестве протравителя семян и гербицида.
Свинец - самый тяжелый нерадиоактивный элемент. Его плотность делает его полезным в качестве щита от рентгеновских лучей и гамма-лучей, например, в свинцовых фартуках, которые надеваются для защиты других частей тела во время рентгеновских лучей. Свинец также используется в пулях, автомобильных батареях, балластах и весах, строительстве и электронике. Свинец является ядовитым для людей и животных и поэтому больше не используется в трубах и красках.
Литий является щелочным металлом. Эти металлы реагируют с водой с образованием щелочных растворов. При комнатной температуре и давлении щелочные металлы обычно мягкие, блестящие и бледно-серые. Литий - самый легкий металл и наименее плотный твердый элемент. Это хороший проводник тепла и электричества. Как и все щелочные металлы, литий является легковоспламеняющимся и очень реактивным. Он так легко связывается с другими элементами, что литий-металл никогда не встречается в природе, а получается из составных минералов и солей в морской воде, горных породах и глине.
Пары ртути и ее соединения весьма ядовиты и могут вызвать тяжелое отравление. Основную опасность представляют пары металлической ртути, выделение которых с открытых поверхностей возрастает при повышении температуры воздуха. Накапливаясь в организме, ртуть и ее соединения поражают внутренние органы, дыхательные пути, нервную систему, систему кроветворения, головной мозг. Восьмидесятый элемент относится к первому классу опасности, то есть ртуть - чрезвычайно опасное химическое вещество. Поэтому при всех работах с ртутью необходимо быть очень осторожными: не следует держать открытыми сосуды с ртутью, все работы с ней необходимо проводить на эмалированных или железных подносах. Для удаления пролитой ртути необходимо пользоваться специальными реактивами - демеркуризаторами, например, порошок серы, 20 % раствор FeCl3, подкисленная соляная кислота и другие.
Магний является щелочноземельным металлом. Как и другие щелочноземельные металлы, магний представляет собой блестящий серебристый металл при комнатной температуре и давлении. Тем не менее, он быстро окунается под воздействием воздуха. Магний химически очень реактивен, поэтому он никогда не встречается в природе в элементарной форме, но его можно получить из солей магния, растворенных в морской воде. Он горит ярким белым светом, что делает его полезным для аварийных вспышек и фейерверков.
Низкая плотность магния делает его пригодным для легких сплавов, в частности алюминия, для строительства, транспортных средств и электроники. Магний также используется в фармацевтических препаратах, например, в продуктах, которые борется с кислотой или запор желудка.
Биологические свойства
Содержание восьмидесятого элемента в живых организмах составляет порядка 10-6 %. Существуют естественные и искусственные источники поступления ртути в окружающую среду. К первым (природным) составляющим относятся: дегазация земной коры, вулканические и геотермические выбросы, рудные месторождения. Ко вторым (антропогенным) составляющим можно отнести - выделение ртути при сжигании природного топлива, использовании в промышленности и сельском хозяйстве ртутьсодержащих приборов и химических соединений, выбросы промышленных и бытовых отходов. Поступая в атмосферу при совокупной эмиссии естественных и антропогенных источников, ртутные пары, являясь в семь раз тяжелее воздуха, переходят из газообразной фазы в твердую и выпадают вместе с атмосферными осадками. Таким образом, ртуть попадает в почву и водные источники. Вследствие усилившихся техногенных выбросов в атмосферу и гидросферу ртуть из естественного компонента природной среды, участвующего во всех круговоротах, превратилась в весьма опасный компонент для здоровья человека и живого вещества.
Меркурий является переходным металлом. Ртуть редка в земной коре, но ее можно добывать из руд, таких как киноварь. Меркурий имеет самую низкую температуру плавления любого металла, что делает его жидким при комнатной температуре. Он используется в некоторых термометрах, хотя опасения по поводу его токсичности уменьшили это использование. Ртуть может растворять многие другие металлы - помимо железа, платины и нескольких других - для образования амальгамов; серебро, олово и медные амальгамы используются для зубных пломб.
Пары ртути используются в люминесцентных лампах. Трубка, покрытая люминофором, заполнена парами ртути. Когда электричество проходит через пар, оно производит ультрафиолетовое излучение, которое делает люминофор люминесценции. Неон - благородный газ, также называемый «инертным» или «неактивным» газом. Как и другие благородные газы, это беспарный бесцветный газ при комнатной температуре и давлении. Благородные газы имеют максимальное количество электронов во внешней оболочке их атомов. Это делает их стабильными и нереактивными - они редко связаны с другими элементами.
Накопление ртути в растениях напрямую зависит от типа почв и концентрации данного элемента в них - по мере повышения концентрации в почве содержание ртути в надземных и корневых органах растений увеличивается. Высокий уровень гуминовых кислот снижает количество опасного металла, усваиваемого растениями, за счет образования ртутьорганических комплексов, которые в свою очередь под воздействием микроорганизмов разлагаются до металлической ртути, которая вновь испаряется в атмосферу. Корни высших растений - определенный барьер, в них происходит накопление восьмидесятого элемента. Ртуть, содержащаяся в атмосферном воздухе, улавливается и удерживается высшими споровыми и хвойными растениями. В растениях ртуть вызывает ингибирование клеточного дыхания, понижение ферментативной активности.
Неон является пятым наиболее распространенным элементом во Вселенной, но составляет лишь крошечную часть земной атмосферы. Неоновый может быть получен только при перегонке жидкого воздуха, что делает его дорогостоящим. Наиболее широко известное использование неонов в неоновых знаках: электричество проходит через герметичную стеклянную трубку, заполненную неоновым газом. Неоновые атомы возбуждаются и выделяют фотоны красного света. Смесь различных благородных газов может иметь разные цвета.
Никель является переходным металлом. Наряду с железом и кобальтом никель является одним из трех природных металлов, которые являются магнитными при комнатной температуре. Никель твердый, легко оформившийся и серебристо-золотистый. Никель медленно реагирует с кислородом, поэтому его часто используют для коррозионно-стойких покрытий и сплавов, таких как нержавеющая сталь. Медный медно-никелевый сплав часто используется в монетах. Он также используется в химической промышленности в качестве катализатора гидрирования.
Животные накапливают ртуть, следуя сложной пищевой цепи. Поступающая в водную экосистему ртуть аккумулируется и трансформируется в каждом последующем звене водной пищевой цепи, достигая максимального содержания на ее вершине: от простейших и бактерий к фито- и зоопланктону, затем к водным беспозвоночным организмам, от них к рыбам. Далее из водоемов ртуть по цепочке переходит к рыбоядным птицам, животным и человеку. Для всех животных процесс влияния ртути на организм идентичен: стимуляция отдельных биологических процессов, характерная для начальных этапов накопления ртути водными животными, постепенно переходит в фазу угнетения важных для жизни и воспроизводства функций, а главное, резко снижает жизнеспособность потомства. Более всего токсичному воздействию ртути подвержены самцы.
Никель получается из руд, таких как пентландит, сульфид железа-никеля. Азот - это неметалл, который является газом при комнатной температуре. Бесцветный, без запаха и безвкусный азот составляет более трех четвертей. Азот производится промышленно путем перегонки жидкого воздуха. При комнатной температуре азот сочетается с очень небольшим количеством других элементов, но азотные соединения необходимы для живых организмов.
Азот широко используется в химической промышленности: например, аммиак, соединение азота и водорода, используется в удобрениях, очистителях и фармацевтических препаратах. При очень низкой температуре азот становится жидкостью и может быть использован для быстрого замораживания материалов.
Интоксикация человека по большей части происходит через дыхательные пути, что объясняется высокой летучестью ртути. Проникающая в организм посредством вдыхания элементарная ртуть и ее неорганические соединения, усваивается на 80-85 %. В ЖКТ человека элементарная ртуть практически не всасывается, неорганические соединения этого металла усваиваются на 8-15 %, а метилртуть (которой очень богата рыба) поглощается полностью. Многие формы ртути способны проникать в организм человека через кожу.
Фосфор - неметаллический элемент. Твердый при комнатной температуре имеет несколько различных аллотропов, включая белый, красный, фиолетовый и черный фосфор. Белый фосфор светится при воздействии кислорода. Фосфор обладает высокой реакционной способностью, поэтому он встречается только в виде соединений в фосфатных минералах. Они используются для производства удобрений, моющих средств и спичек. Когда на поверхность его ящика попадает безопасное совпадение, покрытое красным фосфором и измельченным стеклом, трение создает достаточное количество тепла, чтобы превратить очень небольшое количество красного фосфора на головку спички в белый фосфор, который загорается при контакте с воздухом.
Чем же опасен восьмидесятый элемент? Дело в том, что ртуть относится к числу тиоловых ядов, нарушающих белковый обмен и ферментативную деятельность организма. Для человека этот металл ядовит в любом своем состоянии, его токсическое влияние весьма разнообразно. Кроме отравления, ртуть, как и ее соединения, губительно влияет на половые железы и эмбрионы, вызывая аномалии развития и уродства, а также генетические мутации. При отравлении восьмидесятым элементом происходит тяжелейшее поражение нервной системы, что влечет за собой ухудшение зрения, слуха, расстройство речи, нарушения в работе выделительной системы, мышечным расстройствам и т. д. Страшнее всего, что данные явления практически не обратимы, требуют длительного лечения и могут проявляться спустя длительное время.
Калий является щелочным металлом. При комнатной температуре и давлении эти металлы обычно мягкие, блестящие и бледно-серебристые. Калий реагирует бурно с водой, выделяя достаточное количество тепла для воспламенения водорода, выделяющегося в реакции, который горит сиреневым пламенем. Калий также сильно реагирует на кислород в воздухе, образуя перекись калия, превращая металл в тускло-серый цвет. Калий настолько реактивен, что металл никогда не встречается в природе; вместо этого он получается из составных минералов и солей в морской воде и горных породах.
При воздействии паров ртути возможны острые (проявляются быстро, обычно при относительно больших дозах - более 0,1 мг/м3) и хронические (влияние малых доз ртути в течение достаточно длительного периода - не более сотых долей мг/м3) отравления. Острые отравления характерны в основном для производств, связанных с ртутью (металлургия, хлорная промышленность).
Калий - жизненно важный минерал, необходимый для функционирования клеток человеческого организма, который накапливается в клетках растений, поэтому свежий овощи и фрукты являются хорошим источником его. Калий использовался для извлечения из золы растений, давая название его солей: «калий». Растения, растущие в поле, быстро истощают почву калия, следовательно, потребность в удобрениях, содержащих соединения калия. Нитрат калия, один из основных ингредиентов пороха, используется в ракетных пропеллентах и порохах, а также удобрениях.
Радий - один из щелочноземельных металлов. Мари и Пьер Кюри обнаружили, что радий в Радии серебристо-белый, но он быстро реагирует с азотом в воздухе, образуя черный слой нитрида радия. Радий имеет 33 изотопа. Все они радиоактивны, что означает, что их атомы нестабильны и, вероятно, разрушаются. Как они это делают, ядра теряют энергию, излучая частицы или лучи. Радий настолько радиоактивен, что он убивает живые клетки, и его использование ограничивается проверкой на наличие дефектов в металлических частях машин или конструкций.
Хронические отравления типичны для непроизводственных условий, при которых источники ртутного загрязнения, существующие в помещениях, носят скрытый характер, влияют на людей постоянно или в течение очень длительного времени и всегда требуют специальных усилий для своего выявления и последующей ликвидации. Так, например, в быту основным источником ртутного загрязнения чаще всего является медицинский термометр: при нарушении его целостности ртуть растекается по помещению мелкими каплями, вследствие интенсивного испарения в течение нескольких секунд концентрация паров ртути в воздухе устанавливается на уровне 10-20 ПДК. В таких случаях необходимо срочно проветрить помещение и произвести демеркуризацию, в противном случае - даже через несколько лет в помещении может наблюдаться повышенный уровень содержания паров ртути в воздухе.
Радий присутствует в крошечных количествах в урановых рудах. Кремний - полуметалл, также называемый металлоидом. Как и другие полуметаллы, кремний металлический по внешнему виду, но слишком хрупкий, чтобы использовать сам по себе для строительства или инструментов. Кремний не встречается в природе, но более 90% земной коры состоит из силикатных минералов. Силикатные минералы широко используются в гравии, цементе, стекле и керамике. Силиконы, используемые для посуды, адгезивов и контактных линз, - это резиноподобные полимеры, состоящие из атомов кремния, углерода, водорода и кислорода.
Известно, что главный ртутный минерал - это киноварь HgS - камень, покрытый алыми вкраплениями. С этим минералом связан один любопытный случай: геологи уже давно проводят опыты по поиску различных полезных ископаемых, используя при этом собак. Группе подопытных животных надлежало найти среди прочих минералов киноварь, собаки быстро справились с поставленной задачей, однако продолжали поиск, в итоге дополнительно распознав HgS в розовом кальците. Первоначально эксперты недоумевали над общей ошибкой животных, однако, проведя тщательный анализ «ложной киновари» внутри розового кальцита обнаружили вкрапления HgS!
Кремний занимает центральное место в электронной промышленности, поскольку его используют в качестве полупроводникового материала. Серебро - переходный металл. Он мягкий, серо-белый и блестящий. Он является наиболее отражающим элементом, а также имеет самую высокую электрическую и теплопроводность любого металла. Эти свойства делают его чрезвычайно полезным для целого ряда целей: от ювелирных изделий и посуды до электрических проводников, зеркал и солнечных батарей. Соединения серебра используются в фотографической пленке, медицинских инструментах и дезинфицирующих средствах.
Один из древнейших рудников Средней Азии - рудник Хайдаркан («Великий рудник») в Ферганской долине (Киргизия) разрабатывался много столетий, об этом говорят многочисленные археологические находки. Однако ученые установили, что в XIII-XIV веках добыча ртути прекратилась, что связано с нашествием Чингисхана, в результате которого были уничтожены крупные торгово-ремесляные центры, а жителям пришлось перейти к кочевому образу жизни.
Известно, что в средние века многие влиятельные особы благосклонно относились к алхимии и даже создавали у себя при дворе крупные лаборатории для алхимиков. Услугами последних пользовались английский король Генрих VI, император «Священной Римской империи» Рудольф II и многие другие европейские правители. Современная наука не опровергает того факта, что один химический элемент может превратиться в другой - на этом основано получение некоторых искусственных радиоактивных элементов, однако это никак не относится к алхимии - в средние века люди не могли получить из меди золото. В то же время, историческим фактом остаётся то, что после смерти императора Рудольфа II осталось большое количество золота и серебра в слитках - порядка шести тонн золота и девяти тонн серебра - эти цифры превышают весь национальный запас «Священной Римской империи» на то время. Кроме того, это золото отличается от того, которое использовалось в империи для чеканки монет более высокой пробой и малым содержанием примесей - просто невероятный факт, учитывая технические возможности того времени!
Ранее нередко амальгамирование использовали при золочении медных куполов соборов. Именно таким способом был позолочен купол Исаакиевского собора. Гигантский (диаметром 26 метров) купол из медных листов покрыли более ста килограммами червонного золота, для этого поверхность меди тщательно обезжиривали, шлифовали и полировали, а затем покрывали амальгамой - раствором золота в ртути. Далее листы нагревали на специальных жаровнях до тех пор, пока ртуть не испарялась, а на листе при этом оставалась тонкая (толщиной несколько микрон) пленка золота. Однако данное производство было поистине губительно для рабочих, занимавшихся позолотой - более 60 человек погибло в страшных мучениях, отравившись парами ртути. «Спецодежда» того времени - стеклянные колпаки - просто была не в силах защитить человека от ядовитых паров.
Древние врачеватели при завороте кишок больному вливали в желудок некоторое количество ртути (200-250 граммов). Считалось, что ртуть благодаря большому весу и подвижности должна была пропутешествовать по хитросплетениям кишок и расправить своей тяжестью их перекрутившиеся части.
Известно, что при обработке ртутных руд в печах потери восьмидесятого элемента весьма значительны (нередко превышают половину всего количества получаемой ртути). Часть металла улетучивается в атмосферу, часть остается в обожженной руде, часть скапливается в кладке печей, проникает в почву на значительную глубину. Так, при демонтаже печи в Новом Альмадене в 1863 году из почвы под печью было извлечено153 тонны жидкого металла!
Ртуть - очень агрессивна по отношению к различным конструкционным материалам, что приводит к коррозии и даже разрушению производственных объектов и транспортных средств. Например, в семидесятых годах прошлого века весьма актуальна была проблема ртутного загрязнения самолетов, в конструкции которых попадала ртуть, вызывающая жидкометаллическое охрупчивание алюминиевых сплавов. Приходилось довольно часто отправлять самолеты в капитальный ремонт и порой даже списывать с эксплуатации!
История
Ртуть, как ранее упоминалось, входит в число семи металлов древности. Этот элемент был известен, как минимум, за 1500 лет до н. э., тогда его получали из киновари. В Древнем Египте, Месопотамии, Древней Греции, Индии и Китае использовали ртуть. Обнаруженные историками надписи во дворце древнеперсидских царей Ахеменидов (VI- IV века до н. э.) в Сузах говорят о том, что киноварь, которую в те времена использовали главным образом как краситель, доставляли сюда с Зеравшанских гор, расположенных на территории современных республик Таджикистана и Узбекистана. Все говорит о том, что ртуть добывали здесь еще в середине первого тысячелетия до н. э.
Этот элемент упоминается в трудах многих древних ученых, в том числе Аристотеля, Витрувия, Плиния Старшего и Теофраста, а Диоскорид (I век н. э) описал получение ртути из киновари путем нагревания последней с углем. Именно от греков ртуть получила свое латинское название hydrargirum, происходящее от греческого наименования жидкого металла «серебряная вода» или «жидкое серебро» (от греч. hydor - вода и argyros - серебро). Считалось, что этот металл - первородное вещество, необходимое в операциях священного тайного искусства по изготовлению препаратов, продлевающих жизнь и именуемых пилюлями бессмертия.
Позднее алхимики считали ртуть основой (прародителем) металлов, близкой к золоту и поэтому называли меркурием (Mercurius), по имени ближайшей к солнцу (золоту) планеты Меркурий. По другой версии это название было дано металлу еще в Древнем Риме за способность капелек ртути быстро «бегать» по гладкой поверхности, чем она, по мнению римлян, напоминала хитрого, ловкого и изворотливого бога Меркурия - покровителя торговли и воровства. Причем первоначально данная теория появилась у арабских химиков, которые считали ртуть - матерью металлов, а серу (сульфур) их отцом.
Позднее западноевропейские алхимики адаптировали данную теорию: «...с помощью теплоты лед растворяется в воду, значит, он из воды; металлы растворяются в ртути, значит, ртуть - первичный материал этих металлов». Таким образом, средневековым химикам было необходимо лишь получить нечто, названное ими «философским камнем» (Lapis Philosophorum), что будет способно перевести первичный материал в золото. Столь интересная теория дала толчок развитию химии и добыче ртути, которая возросла в средние века. Все усилия алхимиков сводились к так называемой фиксации ртути, то есть к превращению ее в твердое вещество. По мнению алхимиков, получающееся при этом чистое серебро (философское) легко превращалось в золото. Как нам известно, все попытки были безуспешны - многие алхимики были повешены, как фальшивомонетчики, а саму науку католическая церковь предала проклятию и официально запретила.
Впервые в твердом виде ртуть была получена лишь в 1759 году. Петербургским академикам И. А. Брауну и М. В. Ломоносову удалось заморозить ртуть в смеси из снега и концентрированной азотной кислоты. Известие о «фиксации» ртути произвело сенсацию в ученом мире того времени, ведь это не удавалось сделать химикам на протяжении многих веков, а, кроме того, данный факт говорил о том, что ртуть - такой же металл, как и все прочие.
В эллинистическом Египте и у греков употреблялось название «скифская вода», что позволяет думать о вывозе ртути в какой-то период времени из Скифии. Как упоминалось ранее, латинское название ртути «hydrargirum» имеет греческие корни и означает «жидкое серебро». Подвижность ртути вызвала к жизни другое латинское название - «живое серебро» (argentum vivum). Аналогично немецкое слово «quecksilber» происходит от нижнесаксонского «quick» (живой) и «silber» (серебро). Английское «mercury» и французское «mercure» имеют средневековое - алхимическое происхождение. Что интересно таких (алхимических) тайных, мистических имен (по большей части арабского происхождения) ртуть имеет великое множество: azoth или azoq, zaibac, zeida, zaibar (saibar), ventus albus и другие.
Происхождение русского и некоторых славянских названий металла (чешская «rtut"», «rdut"», словенская «ortut"», польская «rtec», «trtec») неясно. На этот счет существует несколько мнений: по одной из версий «ртуть» связана с литовским «ritu» (качу, катаю) или «rìsti» (катиться), которое, в свою очередь, происходит от праславянского или индоевропейского причастия бежать, катиться. В дополнение к данной версии можно прибавить и чисто славянское словообразование названия «ртуть» от «руду», «рудру» или «руда», обозначающих красный цвет, кровь, красную краску и вообще красное. Это сопоставление основывается на красной окраске киновари - минерала, из которого получали ртуть. Другая версия происхождения славянского названия ртути говорит о заимствовании из тюркского языка слова «utarid», которым обозначалась планета Меркурий, кроме того, подобное наименование жидкого металла встречается и у алхимиков - «tarith». Интересно, что болгарское обозначение ртути - «живак» - и азербайджанское - «дживя» - заимствованы, вероятнее всего, от славян.
Нахождение в природе
Ртуть - довольно редкий элемент в Земной коре, ее среднее содержание (кларк) близко к 8,3 10-6 % по массе. Однако, ртути почти в семнадцать раз больше, чем золота или платины, среднее содержание которых составляет 5∙10-7 % по массе. Средняя концентрация восьмидесятого элемента 83 мг/т, для сравнения - средняя концентрация хрома 83 г/т. Наибольшая концентрация данного металла характерна для осадочных пород (глины и сланцы) в среднем 4 10-5 %. В изверженных горных породах содержание ртути почти в десять раз ниже: 4,5∙10-6 % по массе. Тем не менее, в виду того, что ртуть слабо связывается химически с наиболее распространёнными в земной коре элементами, ртутные руды могут быть весьма концентрированными по сравнению с обычными породами. Наиболее богатые ртутью руды содержат до 2,5 % этого металла.
Основная форма нахождения ртути в природе - рассеянная и только 0,02 % её заключено в месторождениях. Учеными подсчитано, что масса ртути, сосредоточенная в поверхностном слое земной коры мощностью в один километр, составляет сто миллиардов тонн. Современные данные свидетельствуют о высоком содержании ртути в мантии Земли, в результате дегазации которой, а также естественного процесса испарения ртути из земной коры (горных пород, почв, вод), наблюдается явление, получившее название «ртутного дыхания Земли». Процессы эти идут постоянно, но активизируются при извержениях вулканов, землетрясениях, геотермальных явлениях.
Поступление ртути в окружающую среду в результате такой природной эмиссии составляет порядка 3000 тонн в год. В водах Мирового океана средняя концентрация восьмидесятого элемента значительно ниже, по разным оценкам она составляет от 0,01 мкг/л до 0,03 мкг/л. Известно более ста ртутных и ртутьсодержащих минералов, важнейшим из которых является - киноварь HgS с содержанием ртути 86 % и более. К второстепенным рудным минералам можно отнести метациннабарит (β-сульфид ртути), самородную ртуть (в виде мельчайших капелек), ливингстонит (HgSb4S7), кордероит (Hg3S2Cl2), тиманит (HgSe), колорадоит (HgTe) и блеклые ртутьсодержащие руды. Самородная ртуть образуется несколькими путями - при окислении киновари в сульфат и разложении последнего, при вулканических извержениях (редко) и гидротермальным путем (выделяется из водных растворов). Комплексные ртутные руды содержат сурьму, медь, свинец, цинк, вольфрам и даже золото с серебром. К вредным примесям относится мышьяк.
Ртутные руды образуются обычно низкотемпературными (250-100° C) слабоконцентрированными (3-5 г/л) гидротермальными растворами; в более редких случаях - перегретыми газово-жидкими эманациями, насыщенными парами ртути. Однако ртуть концентрируется не только в ртутных минералах, рудах и вмещающих их горных породах. В повышенных концентрациях ртуть содержится в рудах многих других полезных ископаемых (полиметаллических, медных, железных и др.). Установлено накопление ртути в бокситах, некоторых глинах, горючих сланцах, известняках и доломитах, в углях, природном газе, нефти.
Всего в мире обнаружено более пяти тысяч ртутных месторождений, рудных участков и рудопроявлений, получивших самостоятельное название; из них в разное время разрабатывались - часть продолжает разрабатываться - около полутысячи. Однако, подавляющая часть ртути (более 80 %) получена на 8 крупнейших месторождениях: Альмаден (Испания), Идрия (Словения), Монте-Амиата (Италия), Уанкавелика (Перу), Нью-Альмаден и Нью-Идрия (США), Никитовка (Украина), Хайдаркан (Киргизия). Причем, некоторые из перечисленных месторождений очень древние - в сочинениях Плиния Старшего упоминается, что Рим ежегодно вывозил из Испании 4,5 тонны ртути. В Никитовском месторождении (Донбасс) на различной глубине (до 20 метров) были обнаружены древние горные выработки, в которых можно было найти и орудия труда - каменные молотки. Рудник Хайдаркан («Великий рудник») в Ферганской долине (Киргизия) также сохранил многочисленные следы древних работ: крупные выработки, металлические клинья, светильники, глиняные реторты для обжига киновари, большие отвалы образующихся при этом огарков. В России ртутные месторождения разрабатываются на Северном Кавказе, Чукотке, Камчатке, Алтае и в Якутии.
Применение
Благодаря своему уникальному свойству - отличающему ртуть среди прочих металлов - жидкое состояние, восьмидесятый элемент широко применяется при изготовлении научных приборов: манометров, барометров, термометров, вакуумных насосов, полярографов и многих других. Так ртутные выпрямители до последнего времени были наиболее важным и мощным, наиболее широко применяемым в промышленности типом выпрямителей электрического тока. Даже в наше время, несмотря на то, что их постепенно вытесняют более экономичные и безвредные полупроводниковые выпрямители, выпрямители на ртутной основе до сих пор используются во многих электрохимических производствах и на транспорте с электрической тягой.
Другое уникальное свойство ртути - способность растворять некоторые металлы, образуя твердые или жидкие растворы - амальгамы. Так, например, амальгамы олова, серебра и кадмия, химически инертны и тверды при температуре человеческого тела, но легко размягчаются при нагревании, благодаря чему из них возможно изготовление зубных пломб. Амальгама натрия широко применяется в качестве восстановителя, используемого хлорной промышленностью. При выработке хлора и едкого натра методом электролиза поваренной соли используют катоды из металлической ртути. Хлорная промышленность - один из самых массовых потребителей металлической ртути. Амальгаму таллия, затвердевающую только при –60 °C, применяют в специальных конструкциях низкотемпературных термометров. Ранее зеркала покрывали не серебром, а амальгамой, в состав которой входило 70 % олова и 30 % ртути. Кроме того, в прошлом амальгамацию использовали при извлечении золота из руд. Однако в двадцатом веке этот процесс уступил более совершенному методу - цианированию. В тоже время, не все металлы способны растворяться ртутью, к таким относятся железо и его аналоги (кобальт и никель). Не амальгамируются также кремний, тантал, вольфрам, рений, бериллий, ванадий, молибден, марганец и титан. Получается, что все основные легирующие элементы не подвержены воздействию ртути, это свойство переносится и на стали, легированные данными металлами.
Используется и, казалось бы, столь опасное свойство ртути - испаряться уже при комнатной температуре. Ранее эта способность восьмидесятого элемента использовалась для нанесения золотых покрытий на неблагородные металлы. Однако, вследствие высокой ядовитости ртутных паров, этот метод был заменен более безопасным электрохимическим способом золочения. В наше время ртутные пары все шире используются в нефтеперерабатывающей промышленности (очистка нефти): они помогают очень точно регулировать температуру процессов, что крайне важно для нефтепереработки. Вакуумные установки широко применяются в современной промышленности. И здесь ртуть не только как заполнитель трубок вакуумметра, но и как рабочее тело. Современные ртутные диффузионные насосы дают огромное разрежение: стомиллионные доли миллиметра ртутного столба. Ртуть также иногда применяется в качестве рабочего тела в тяжелонагруженных гидродинамических подшипниках. Парами ртути наполняются ртутно-кварцевые и люминесцентные лампы. Когда через ртутные пары проходит электрический ток, они испускают видимое голубое свечение и много ультрафиолетовых лучей. Закономерно, что чем выше температура паров ртути, тем интенсивнее излучение ультрафиолетовых лучей в ртутно-кварцевой лампе. Лампы дневного света - это разрядные трубки, в которых находятся инертные газы и пары ртути.
Широкое применение нашли и соединения ртути, самое известное из которых - киноварь HgS. С древних времен этот минерал использовался для получения красной краски. Сулема HgCl2 (сильный яд) используется для протравливания семян, дубления кожи, при крашении тканей, как катализатор в органическом синтезе, в медицине в качестве дезинфицирующего средства. Кроме того, это соединение крайне необходимо в гальванопластике, в производстве оловянных и цинковых сплавов тонкой структуры, в процессах гравирования и литографии, даже в фотографии. Хлорид ртути Hg2Cl2 или каломель используется в медицине, как слабительное средство. Ртуть и ее соединения используются в военной промышленности - «гремучая ртуть» Hg(ONC)2 - первое известное технике инициирующее взрывчатое вещество.
Производство
Главнейшим источником для получения ртути в технике служит минерал киноварь HgS.
Различают два основных способа извлечения ртути из этого минерала:
1) Киноварь обжигается с железом, известью и прочими подобными материалами, способными «притянуть» серу от HgS, например HgS + Fe → Hg + FeS; выделившаяся ртуть улетучивается и собирается в конденсационных приборах.
2) Киноварь подвергается обжигу на воздухе и сера выделяется из нее в виде сернистого газа: HgS + O2 → Hg + SO2.
Первый из представленных способов наиболее простой и наиболее старый. Еще в древности самым первым способом получения ртути был обжиг киновари с последующей концентрацией паров восьмидесятого элемента на холодных предметах, в частности, на свежесрубленных зеленых листьях деревьев. Позднее стали использовать реторты из керамики и чугуна. Данный способ нашел широкое распространение в средние века. Различие заключалось лишь в размерах и формах конденсационных сосудов. Обычно операция производилась в железных или чугунных ретортах, которые по несколько штук вмазывали в одну общую печь. Реторты плотно соединялись с «холодильниками» (в основном металлическими), которым придавалось различное устройство (в виде труб, вытянутых бутылей и т. п.), в «холодильники» обычно заливалось некоторое количество воды. Либо каждая реторта имела свой конденсационный сосуд, либо на несколько реторт был один «холодильник». Для конденсации могли использовать и железный ящик, который устанавливали вверх дном в другой ящик - более широкий с наклонным дном, которое заполняли водой, во второй ящик также устанавливали сифон для слива ртути.
Второй способ - обжиг ртутных руд - тоже производится различными способами: в крытых кучах (Röststadeln), в муфельных печах. Начиная с 1842 года, ртуть из руд извлекается в отражательных печах, а с 1857 года - в каскадных. В XX веке к ним присоединились механические многоподовые, а также вращающиеся трубчатые печи. Наиболее совершенный способ добычи ртути из HgS - обжигание руды в шахтных печах непрерывного действия. Однако, это касается киновари, содержащей 86,2 % ртути, но в остальных рудах, которые, кстати, считаются богатыми, содержание восьмидесятого элемента не превышает 8 %. В бедных рудах (из которых также идет добыча ртути) жидкого металла не более 0,12 %. Такие руды перед обжигом приходится обогащать.
Возможно также гидрометаллургическое извлечение ртути из руд и концентратов растворением киновари в сернистом натрии с последующим вытеснением ртути алюминием. Разработаны способы извлечения ртути электролизом сульфидных растворов.
При обработке ртутных руд в печах всеми вышеописанными способами потери металла очень значительны: часть ртути (незначительная) уносится газами в атмосферу, часть остается в обожженной руде, значительное количество ее проникает в каменные стенки, при этом часть ее улетучивается, часть скапливается в них или проникает в почву на значительную глубину. Нередко потери превышают 50 % всего количества получаемого металла; даже при самой тщательной выработке потеря редко спускается ниже 6 %.
Несмотря на то, что газы, образующиеся при обжиге, проходят несколько стадий очистки (пылеуловительные камеры, холодильные камеры из нержавеющего металла или из монель-металла), конденсируется не столько металлическая ртуть, сколько так называемая ступпа - тонкодисперсная смесь, состоящая из мельчайших капелек ртути и мелкой пыли сложного химического состава. В ступпе есть соединения, как самой ртути, так и других элементов. Ее подвергают отбивке, стремясь разрушить пылевые пленки, мешающие слиянию микроскопически малых капелек жидкого металла. Ту же цель преследует и повторная дистилляция. Ртуть, собранная при отбивке ступпы, проходит фильтрацию, после чего, как правило, по физическим свойствам она соответствует марке Р-3. Дальнейшие схемы очистки ртути различны (обработка щелочами, кислотами, высокотемпературная перегонка и др.) и позволяют получать ртуть более высоких марок.
Многие крупные ртутные месторождения мира были открыты по следам древних работ. Во второй половине XIX века основными центрами ртутной промышленности были Испания, Италия и США. В России масштабная добыча и систематическое производство ртути началось с открытием в 1879 Никитовского месторождения в Донбассе. В настоящее время первое место в мировом производстве ртути принадлежит Испании, где добыча комбинированным способом осуществляется в основном на месторождении Альмаден и на соседнем, недавно открытом месторождении Энтредичо (производственная мощность до 1 млн. т руды в год). В США добыча и производство ртути осуществляются на месторождении Мак-Дёрмитт в штате Невада. Мощность карьера 150-300 тысяч тонн руды в год. В Турции существуют небольшие предприятия по добыче руд - шахты «Конья», «Халикёй» и ряд других (их мощность 150-300 тысяч тонн руды в год). Совсем недавно в число крупных поставщиков ртути на внешний рынок выдвинулся Алжир.
Физические свойства
Ртуть при нормальных условиях - серебристо-белая блестящая жидкость, которая заметно испаряется уже при комнатной температуре, пары ртути ядовиты! Восьмидесятый элемент - единственный металл, находящийся при комнатной температуре в жидком состоянии, ведь температура плавления ртути (tпл) -38,89 °С, то есть, чтобы перевести восьмидесятый элемент в твердое состояние, его необходимо заморозить. Как известно, впервые ртуть была заморожена в 1759 году петербургскими академиками И. А. Брауном и М. В. Ломоносовым.
В твердом состоянии она представляет собой серебристо-синеватый металл, напоминающий по внешнему виду свинец. Поэтому, если залить ртуть в форму, имеющую очертания молотка, а затем быстро охладить до затвердевания, например, жидким азотом, то таким ртутным молотком можно с успехом забить гвоздь в доску, только делать это необходимо быстро, ведь такой инструмент весьма недолговечен и может растаять на глазах. Твердая ртуть кристаллизуется в ромбической сингонии с параметрами решетки а = 3,463A, с = 6,706A. Плотность твердой ртути 14,193 г/см3 (при температуре -38,9 °С). При повышении температуры плотность ртути уменьшается, так при 0° С плотность ртути составляет 13,5951 г/см3, при 20 °С - 13,5457 г/см3, при 25 °С - 13,5336 г/см3, при 75 °С - 13,4118 г/см3, при 100 °С - 13,3515 г/см3. Критическая температура фазового перехода 1 460 °С (температура, при которой плотность и давление насыщенного пара становится максимальными, а плотность жидкости, находящейся в динамическом равновесии с паром, становится минимальной).
В своем обычном состоянии ртуть - самая тяжелая из всех известных жидкостей (при нормальных условиях, ведь теоретически можно при температуре 3 500-4 000 °С расплавить вольфрам, осмий с иридием, и они также превратятся в тяжелые жидкости) в ней будут тонуть лишь некоторые тяжелые тугоплавкие металлы, зато железный болт, например, будет плавать на поверхности ртутной ванны. Однако, в связи с тем, что ртуть весьма ядовита, вышеприведенные эксперименты можно проводить лишь в специально оборудованных научных лабораториях. Плотность жидкой ртути настолько велика, что литровая бутылка с этим металлом весит больше, чем ведро с водой. Температура кипения ртути также невелика, многие металлы при этой температуре далеки от точки плавления, в то время, как восьмидесятый элемент при 356,58 °С уже кипит.
В 1911 году голландским ученым Гейке Камерлинг-Оннесом было сделано важное открытие при исследовании электропроводности ртути при низкой температуре. В своих опытах ученый уменьшал температуру, и когда она достигла 4,12°K, сопротивление ртути, до этого последовательно уменьшавшееся, вдруг исчезло совсем: электрический ток проходил по ртутному кольцу не затухая. Таким образом, было открыто явление сверхпроводимости, и ртуть стала первым сверхпроводником. В дальнейшем подобные свойства были обнаружены и у других чистых веществ и соединений. Критическая температура сверхпроводимости для ртути в α-форме 4,153К, для β-формы 3,95К, для γ-формы 3,74К. Удельное электрическое сопротивление ртути 94,07∙10-8 Ом∙м или 94,07∙10-6 Ом∙см (при 0 °С). Ртуть диамагнитна, ее атомная магнитная восприимчивость (при 18 °С) составляет 0,19∙10-6.
Температурный коэффициент линейного расширения для ртути при 0-100 °С составляет 1,826∙10-4; теплопроводность 8,247 Вт/(м∙К) при 20 °С или 0,0197 кал/(см∙сек∙°С). Удельная теплоемкость при 0 °С 0,139 кдж/(кг∙К) или 0,03336 кал/(г∙°С), при 200 °С 0,133 кдж/(кг∙К) или 0,0139 кал/(г∙°С). Сжимаемость ртути 39,5 10-6 МПа-1. Коэффициент Пельтье для спая железо-ртуть 6,9 мДж/К (при 291,4 К), 5,8 мДж/К (при 372,6 К) и 6,32 мДж/К (при 455,3 К); постоянная Холла при 293 К и магнитной индукции 1,0-1,24Тл составляет (7,46-7,6) 10-10 м3/Кл.
Химические свойства
Конфигурация внешних электронов атома ртути 5d106s2, в соответствии с чем при химических реакциях образуются катионы Hg2+ и Hg2+2. Теоретически ртуть проявляет степень окисления +2 и +1. Однако одновалентной ртути нет, несмотря на то, что существуют такие соединения, как черная закись Hg2O или каломель Hg2Cl2. Здесь ртуть лишь формально одновалентна - во всех подобных соединениях содержится группировка из двух атомов ртути: –Hg2– или –Hg–Hg–. Следовательно, ртуть двухвалентна и в этих соединениях, но одна единица валентности каждого атома ртути затрачивается здесь на связь с другим атомом ртути.
Восьмидесятый элемент химически малоактивен вследствие высокой энергии ионизации его атомов. В сухом воздухе (или кислороде) ртуть при комнатной температуре сохраняет свой блеск неограниченно долго. При продолжительном нагревании до температуры, близкой к температуре кипения (300-350 °С), ртуть соединяется с кислородом воздуха, образуя красный оксид ртути (II) (или окись ртути) HgO, который при более сильном нагревании снова распадается на ртуть и кислород. HgO также образуется при осторожном нагревании нитратов Hg(NO3)2 или Hg2(NO3)2. Известен и другой оксид ртути Hg2O - неустойчивое вещество черного цвета. Ртуть покрывается пленкой оксидов при комнатной температуре во влажном воздухе, а также при действии озона. При нормальных условиях ртуть не реагирует с H2, но с атомарным H образует газообразный гидрид HgH. Другой гидрид HgH2 получают реакцией иодида ртути (II) HgI2 с Li в диэтиловом эфире. Сам HgI2 выпадает в виде красивого оранжево-красного осадка при действии раствора иодида калия на соли ртути:
Hg2+ + 2I- → HgI2↓
Одна из особенностей ртути заключается в том, что для нее неизвестны гидроксиды. В тех случаях, когда можно было бы ожидать их образования, получаются безводные оксиды. Так, при действии щелочей на растворы солей ртути (I) получается буровато-черный осадок оксида ртути (I):
Hg2+2 + 2OH- → Hg2O↓ +H2O
Таким же образом из растворов солей ртути (II) щелочи осаждают оксид ртути (II):
Hg2+ + 2OH- → HgO↓ + H2O
Образующийся осадок имеет желтый цвет, но при нагревании переходит в красную модификацию оксида ртути (II).
Соляная и разбавленная серная кислота, а также щелочи не действуют на ртуть. Легко растворяет этот металл азотная кислота и царская водка. Концентрированная серная кислота растворяет ртуть при нагревании.
Ртуть не реагирует с сухими НСl, HF, H2S, NH3, PH3 и AsH3 ниже 200 °С; с НВr, HI, H2Se, тонкоизмельченной S взаимодействует уже при 18-25 °С. Причем сульфид ртути (киноварь) HgS - вещество ярко-красного цвета встречается в природе. Искусственно получается в виде вещества черного цвета прямым соединением серы с ртутью (gentv растирания Hg с серным цветом при комнатной температуре) или действием сероводорода на растворы солей ртути (II). При нагревании без доступа воздуха черный сульфид ртути превращается в красное кристаллическое видоизменение - киноварь.
С галогенами (хлором, иодом) ртуть соединяется при нагревании, образуя почти недиссоциирующие, в большинстве ядовитые соединения типа HgX2. Например, сулема HgCl2 или хлорид ртути (II). Обычно эту соль получают, нагревая сульфат ртути (II) с хлоридом натрия:
HgSO4 + 2NaCl → Na2SO4 + HgCl2
Водный раствор сулемы практически не проводит электрического тока. Таким образом, это соединение – одна из немногих солей, которые почти не диссоциируют в водном растворе на ионы.
Ртуть обладает способностью растворять в себе многие металлы, образуя с ними частью жидкие, частью твердые сплавы, называемые амальгамами. При этом нередко получаются химические соединения ртути с металлами. Они мало чем отличаются от обычных сплавов, лишь при избытке ртути представляют собой полужидкие смеси. Соединения, получающиеся в результате амальгамирования, легко разлагаются ниже температуры их плавления с выделением избытка ртути. Амальгамированию подвержены металлы, смачиваемые ртутью. Железо и стали, легированные углеродом, кремнием, хромом, никелем, молибденом и ниобием, не амальгамируются. Поэтому ртуть можно перевозить в стальных сосудах. В тоже время восьмидесятый элемент весьма агрессивен по отношению к различным конструкционным материалам, что приводит к коррозии и разрушению производственных объектов и транспортных средств.
Практически все соли Hg2+ слабо растворимы в воде. К хорошо растворимым относится нитрат Hg(NO3)2, получаемый при действии разбавленной холодной азотной кислоты на избыток ртути:
6Hg + 8HNO3 → 3Hg2(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Известны соли окисной ртути цианистой и роданистой кислот, а также ртутная соль гремучей кислоты Hg(ONC)2 так называемых гремучая ртуть. При действии аммиака на соли образуются многочисленные комплексные соединения, например HgCl-2NH3 (плавкий белый преципитат) и HgNH2Cl (неплавкий белый преципитат).
Существует большое количество ртутьсодержащих органических соединений, в которых атомы металла связаны с атомами углерода. Такие связи весьма устойчивы - не разрушаются ни водой, ни слабыми кислотами, ни основаниями.
СОЕДИНЕНИЯ РТУТИ. Первым из них, несомненно, следует назвать HgS. Благодаря ей человек познакомился с ртутью много веков назад. Способствовали этому и ее ярко-красный цвет, и простота получения ртути из киновари. Кристаллы киновари иногда бывают покрыты тонкой свинцово-серой пленкой. Это - метациннабирит, о нем ниже. Достаточно, однако, провести по пленке ножом, и появится ярко-красная черта.В природе сернистая встречается в трех модификациях, отличающихся кристаллической структурой.
Помимо общеизвестной киновари с плотностью 8,18, существуют еще и черный метациннабарит с плотностью 7,7 и так называемая бета-киноварь (ее плотность 7,2). Русские мастера, приготовляя в старину из киноварной руды красную краску, особое внимание обращали на удаление из руды «искр» и «звездочек». Они не знали, что это аллотропические изменения той же самой сернистой ртути; при нагревании без доступа воздуха до 386° С эти модификации превращаются в «настоящую» . Некоторые соединения ртути меняют окраску при изменении температуры.
Таковы красная окись ртути HgO и медно-ртутный иодид HgI 2 2CuI.Все соли ртути ядовиты, и это требует большой осторожности при работе с ними. Сталкиваться же с соединениями ртути приходится людям разных профессий. Ртутная соль хромовой кислоты, например,- замечательная зеленая краска по керамике. Сильный яд сулема HgCl 2 но она крайне нужна в гальванопластике, в производстве оловянных и цинковых сплавов тонкой структуры, в процессах гравирования и литографии, даже в фотография. Некоторые соли ртути, в том числе и сулема, применяются в сухих электрических батареях.Промышленный катализ тоже не обходится без соединений ртути. Один из способов получения уксусной кислоты и этилового спирта основан на реакции, открытойрусским ученым М. Г. Кучеровым.
Сырьем служит ацетилен. В присутствии катализаторов - солей двухвалент-ной ртути - он реагирует с водяным паром и превращается в уксусный альдегид. Окисляя это вещество, получают уксусную кислоту, восстанавливая - спирт. Те же соли помогают получать из нафталина фталевую кислоту — — важный продукт основного органического синтеза.Резко возрастает потребление ртути в годы войны. Жидкий металл необходим для производства «гремучей ртути» Hg (ONC) 2 первого известного технике инициирующего взрывчатого вещества.
Хотя сейчас на вооружении имеются и другие подобные ВВ (азид свинца, например), «гремучая ртуть» продолжает оставаться одним из важнейших материалов для заполнения капсюлей детонаторов.Ядовитость соединений ртути ограничивает их применение, но иногда это свойство может оказаться полезным. Ртутными красками покрывают днища кораблей, чтобы они не обрастали ракушками. Иначе корабль снижает скорость, перерасходуется топливо. Самая известная из красок такого типа делается на основе кислой ртутной соли мышьяковистой кислоты HgHAsO 4 . Правда, в последнее время для этой цели применяют и синтетические красители, в составе которых ртути нет.
Хотя все ртутные соли ядовиты, многие из них используются медициной, и, пожалуй, это одно из самых древних их применений. Сулема - яд, но и одно из первых антисептических средств. Цианид ртути использовали в производстве антисептического мыла. Желтую окись ртути *до сих пор применяют при лечении глазных и кожных заболеваний. Каломель Hg 2 Gl 2 , в молекуле которой по сравнению с молекулой сулемы есть один «лишний» атом ртути,- общеизвестное слабительное средство.
Медицина использует также фосфорнокислые соли ртути, ее сульфат, иодид и другие. В наше время большинство неорганических соединений ртути постепенно вытесняются из медицины ртутными же органическими соединениями, неспособными к легкой ионизации и поэтому не столь токсичными и меньше раздражающими ткани. Органические антисептики на основе соединений ртути пригодны даже для обработки слизистых оболочек. Они дают не меньший лечебный эффект, чем неорганические соединения. Медицина применяет не только соединения, но и самую ртуть и ее пары. Начиная обследование, врач в первую очередь использует «градусник» - ртутный термометр.
Ртутные манометры работают в аппаратах для измерения кровяного давления. В каждой больнице, в физиотерапевтических кабинетах поликлиник ультрафиолетовые лучи, полученные от ртутно-кварцевых ламп, глубоко прогревают ткани, помогают лечить катары, воспаления, даже туберкулез - ведь ультрафиолет губителен для многих микроорганизмов. Ртуть - древнейший, удивительный и, можно сказать, «нестареющий» металл. Известный с незапамятных времен, он и в современной технике, в медицине, в быту находит все новые применения.
У ДРЕВНИХ НАРОДОВ. История не сохранила имени древнего металлурга, первым получившего ртуть,- это было слишком давно, за много веков до нашей эры. Известно только, что в Древнем Египте металлическую ртуть и ее главный минерал, использовали еще в III тысячелетии до н. э. Индусы узнали ртуть во II-I вв. до н. э. У древних китайцев киноварь пользовалась особой славой, и не только как краска, но и как лекарственное средство. Ртуть и киноварь упоминаются в «Естественной истории» Плиния Старшего: значит, о них знали и римляне. Плиний свидетельствует также, что римляне умели превращать киноварь в ртуть. Все - из ртути… В этом были убеждены алхимики древности и средневековья. Разницу в свойствах металлов ониобъясняли присутствием в металле одного из четырех элементов Аристотеля. (Напомним, что этими элементами были; огонь, воздух, и земля.) Характерно, что подобных взглядов придерживались и многие видные ученые далекого прошлого. Так, великий таджикский врач и химик Авиценна (980-1037 гг. н. э.) тоже считал, что все произошли от ртути и серы.
РАССКАЗЫВАЕТ ЛАВУАЗЬЕ. «В эту реторту я ввел 4 унции очень чистой ртути, затем путем всасывания посредством сифона, который я ввел под колокол, я поднял ртуть до определенного уровня и тщательно отмерил этот уровень полоской приклеенной бумаги, точно наблюдая при этом показания барометра и термометра. Закончив таким образом все приготовления, я зажег огонь в печке и поддерживал его почти без перерыва 12 дней, причемртуть нагревалась до температуры, необходимой для ее кипения.В течение всего первого дня не произошло ничего примечательного: ртуть, хотя и кипевшая, находилась в состоянии непрерывного испарения и покрывала внутренние стенки реторты капельками, сначала очень мелкими, но постепенно увеличивающимися при достижении известного объема падавшими от собственной тяжести на дно реторты и соединявшимися с остальной ртутью. На второй день я начал замечать плавающие на поверхности ртути небольшие красные частички, которые в течение четырех или пяти дней увеличивались в количестве и объеме, после чего перестали увеличиваться и остались в абсолютно неизменном виде.
По прошествии 12 дней, видя, что окаливание ртути нисколько больше не прогрессирует, я потушил огонь и дал остыть прибору. Объем воздуха, содержащегося как в реторте, так и в ее шейке и в свободной части колокола… был до опыта равен приблизительно 50 куб. дюймам. По окончании операции тот же объем при том же давлении и той же температуре оказался равным всего лишь 42-43 дюймам; следовательно, произошло уменьшение приблизительно на одну шестую. С другой стороны, тщательно собрав образовавшиеся на поверхности красные частицы и отделив их, насколько было возможно, от жидкой ртути, в которой они плавали, я нашел их вес равным 45 гранам… Воздух, оставшийся после этой операции и уменьшавшийся вследствие прокаливания в нем ртути до пяти шестых своего объема, не был годен больше ни для дыхания, ни для горения; животные, вводимые в него, умирали в короткое время, горящие же предметы потухали в одно мгновение, как если бы их погружали в воду.
С другой стороны, я взял 45 гранов образовавшегося вовремя опыта красного вещества и поместил его в маленькую стек-лянную реторту, к которой был присоединен прибор, приспособленный для приема могущих выделиться жидких и воздухообразных продуктов; зажегши огонь в печке, я заметил, что по мере того как красное вещество нагревалось, его цвет становился все более интенсивным. Когда затем реторта начала накаляться, красное вещество начало мало-помалу уменьшаться в объеме и через несколько минут оно совершенно исчезло; в то же время в небольшом приемнике собралось 41 1 / 2 грана жидкой ртути, а под колокол прошло 7-8 куб. дюймов упругой жидкости, гораздо более способной поддерживать горение и дыхание животных, чем атмосферный возду..Я дал ему сначала название в высшей степени легко вдыхаемого или весьма удобовдыхаемого воздуха: впоследствии это название было заменено названием «жизненный» или «живительный воздух».Антуан Лоран Лавуазье.«Анализ атмосферного воздуха». «Записки Французской академии наук», 1775.
РТУТЬ И ОТКРЫТИЯ ДЖОЗЕФА ПРИСТЛИ. Но не Лавуазье был первым ученым, получившим из красной окиси ртути. Карл Шееле еще в 1771 г. разложил это вещество на ртуть и «огненный воздух», а выдающийся английский химик Джозеф Пристли первым в мире исследовал . 1 августа 1774 г., разложив окисел нагреванием, Пристли внес в полученный «воздух» горящую свечу и увидел, что пламя приобрело необычную яркость. В этом воздухе свеча сгорала быстрее. Ярко вспыхнув, сгорали в нем и раскаленные кусочки каменного угля, и железные проволочки… За этим опытом последовали другие, и в итоге Пристли определил важнейшие качества «дефлогистонированного воздуха».Джозеф Пристли сделал еще много важных открытий, и почти во всех его работах использовалась ртуть. Это она помогла Пристли открыть газообразный хлористый . Взаимодействие поваренной соли с серной кислотой и до Пристли наблюдали многие химики. Но все они пытались собрать образующийся газ над водой, и получалась . Пристли заменил воду ртугью.. Таким же образом он получил чистый газообразный аммиак из нашатырного спирта. Затем оказалось, что два открытых им газа - NH 3 и НСl - способны вступать в реакцию между собой и превра-щаться в белые мелкие кристаллы. Так впервые в лабораторныхусловиях был получен хлористый аммоний. Сернистый газ тожебыл открыт Пристли и тоже был собран над ртутью.
ВЫРУЧИЛ РТУТНЫЙ КАТОД. В 1807 г., разлагая щелочи электрическим током, выдающийся английский ученый Дэви впервыеполучил элементарные и . Его опыты повторил крупнейший шведский химик Берцелиус, но источник тока - вольтовстолб, которым он располагал, был слишком слаб, и воспроизвести результаты Дэви Берцелиусу поначалу не удалось. Тогда он решил в качестве катода использовать ртуть и… получил с меньшими затратами энергии. А тем временем Дэви пытался выделить с помощью электричества и щелочноземельные . При этом он пережег свою огромную батарею и об этой неудаче написал Берцелиусу. Тот посоветовал ему воспользоваться ртутным катодом, и в 1808 г. Дэви получил амальгаму кальция, из которой выделить металл уже не составляло труда. В том же году (и тем же способом) Дэви выделил в элементарном виде , и .
ПЕРВЫЙ СВЕРХПРОВОДНИК. Спустя почти полтора столетия после опытов Пристли и Лавуазье ртуть оказалась сопричастна еще к одному выдающемуся открытию, на этот раз в области физики. В 1911 г. голландский ученый Гейке Камерлинг-Оннес исследовал электропроводность ртути при низкой температуре. С каждым опытом он уменьшал температуру, и когда она достигла 4,12° К, сопротивление ртути, до этого последовательно уменьшавшееся, вдруг исчезло совсем: электрический ток проходил по ртутному кольцу, не затухая. Так было открыто явление сверхпроводимости, и ртуть стала первым сверхпроводником. Сейчас известны десятки сплавов и чистых металлов, приобретающих это свойство при температуре, близкой к абсолютному нулю.
ЧЕМ -ТО ПОХОЖА НА ВОДУ. Не только жидкое состояние «роднит» ртуть с водой. Теплоемкость ртути, как и воды, с ростом температуры (от точки плавления до +80° С) последовательно уменьшается и лишь после определенного температурного «порога» (после 80° С) начинает медленно расти. Если охлаждать ртуть очень медленно, ее, как и воду, можно переохладить. В переохлажденном состоянии жидкая ртуть существует при температуре ниже -50° С, обычно же она замерзает при -38,9° С. Кстати, впервые ртуть была заморожена в 1759 г. петербургским академиком И. А. Брауном.
ОДНОВАЛЕНТНОЙ РТУТИ НЕТ! Это утверждение многим покажется неверным. Ведь еще в школе учат, что, подобно меди, ртуть может проявлять валентности 2+ и 1+. Широко известны такие соединения, как черная закись Hg 2 O или каломель Hg 2 Cl 2 . Но ртуть здесь лишь формально одновалентна. Как показали исследования, во всех подобных соединениях содержится группировка из двух атомов ртути: -Hg 2 - или -Hg-Hg-. Оба атома двухвалентны, но одна каждого из них затрачена на образование цепочки, подобной углеродным цепям многих органических соединений. Ион Hg 2+ 2 нестоек, нестойки и соединения, в которые он входит, особенно гидроокись и карбонат закисной ртути. Последние быстро разлагаются на Hg и HgO и соответственно Н 2 O или СО 2 .
ЯД И ПРОТИВОЯДИЕ. Пары ртути и ее соединения действительно весьма ядовиты. Жидкая ртуть опасна прежде всего своей летучестью: если хранить ее открытой в лабораторном помещении, то в воздухе соз- дастся парциальное давление ртути 0,001 мм. Это много, тем болел что предельно допустимая концентрация ртути в промышленных помещениях 0,01 мг на кубический метр воздуха. Степень токсического действия металлической ртути определяется прежде всего тем, какое количество ее успело прореагироватьв организме, прежде чем ее вывели оттуда, т. е. опасна не сама ртуть, а ее соединения.Острое отравление солями ртути проявляется в расстройстве кишечника, рвоте, набухании десен. Характерен упадок сердечнойдеятельности, пульс становится редким и слабым, возможны обмороки. Первое, что необходимо сделать в такой ситуации, это вызвать у больного рвоту. Затем дать ему молока и яичных белков. Ртуть выводится из организма в основном почками.При хроническом отравлении ртутью и ее соединениями появляются металлический привкус во рту, рыхлость десен, сильное слюнотечение, легкая возбудимость, ослабление памяти. Опасность такого отравления есть во всех помещениях, где ртуть находится в контакте с воздухом. Особенно опасны мельчайшие капли разлитой ртути, забившиеся под плинтусы, линолеум, мебель, в щели пола. Общая поверхность маленьких ртутных шариков велика, и испарение идет интенсивнее. Поэтому случайно разлитую ртуть необходимо тщательно собрать. Все места, в которых могли задержаться малейшие капельки жидкого металла, необходимо обработать раствором FeCl 3 , чтобы связать ртуть химически.
РТУТЬ В КОСМОСЕ. Космические аппараты нашего времени требуют значительных количеств электроэнергии. Регулировка работы двигателей, связь, научные исследования, работа системы жизнеобеспечения - все это требует электричества… Пока основными источниками тока служат аккумуляторы и солнечные батареи. Энергетические потребности космических аппаратов растут и будут расти. Космическим кораблям недалекого будущего понадобятся электростанции на борту. В основе одного из вариантов таких станций - ядерный турбинный генератор. Во многом он подобен обычной тепловой электростанции, но рабочим телом в нем служит не водяной пар, а ртутный. Разогревает его радиоизотопное горючее. Цикл работы такой установки замкнутый: ртутный пар, пройдя турбину, конденсируется и возвращается в бойлер, где опять нагревается и вновь отправляется вращать турбину.
ИЗОТОПЫ РТУТИ. Природная ртуть состоит из смеси семи стабильных изотопов с массовыми числами 196, 198, 199, 200, 201, 202 и
204.
Наиболее распространен самый тяжелый изотоп: его доля - почти 30%, точнее, 29,8. Второй по распространенности-изотопртуть -200
(23,13%). А меньше всего в природной смеси ртути-196 -
всего
0,146%.
