Ртуть - уникальный металл с рекордно высокой плотностью среди жидких веществ. Откройте завораживающий мир свойств этого таинственного элемента вместе с нами. Узнайте историю открытия ртути, изучите ее физические и химические особенности, влияние на окружающую среду и здоровье человека. Раскройте секрет необычайно высокого удельного веса жидкой ртути. Научитесь безопасно обращаться с этим опасным металлом.
История открытия ртути и происхождение названия
Ртуть была известна человечеству с глубокой древности. Первые упоминания о ней датируются примерно 1500 годом до нашей эры в древнем Египте и Китае. Иногда ртуть находили в самородном виде, но чаще получали обжигом природной киновари - минерала, содержащего сернистую ртуть. Древние использовали соединения ртути для окрашивания тканей и в медицине, а также применяли сам металл для извлечения золота и серебра.
Латинское название Hydrargyrum переводится как "водяное серебро" и подчеркивает два уникальных свойства этого элемента - быть единственным жидким металлом и иметь относительно высокую отражательную способность, напоминающую серебро.
Современные английское и французское названия mercury и mercure произошли от имени древнеримского бога торговли Меркурия. Алхимики верили, что ртуть является одной из основных составляющих всех металлов и из нее можно получить золото.
Физические свойства ртути
Ртуть обладает уникальным комплексом физических характеристик, которые и определяют ее неповторимость.
- Жидкое агрегатное состояние при комнатной температуре и давлении.
- Высочайшая для жидкости плотность в 13595 кг/м3.
- Высокий коэффициент расширения при нагревании.
- Хорошая теплопроводность 29 Вт/(м·К).
- Низкая вязкость.
Рассмотрим подробнее каждое из этих свойств.
Агрегатные состояния и кристаллическая структура
Температура плавления ртути составляет минус 38,87°C, что достаточно низко. Но температура кипения всего 357°C, что объясняет летучесть этого металла даже при комнатной температуре.
В твердом состоянии при температурах ниже минус 79°C ртуть образует объемно-центрированную тетрагональную кристаллическую решетку. Выше минус 79°C кристаллы ртути имеют ромбоэдрическую структуру. Плотность твердой ртути достигает 14193 кг/м3.
Плотность
Плотность ртути при комнатной температуре составляет 13595 кг/м3. Это самая высокая плотность среди всех жидких элементов и простых веществ вообще. Для сравнения, плотность воды 1000 кг/м3, а плотность свинца, находящегося при комнатной температуре в твердом состоянии, всего 11340 кг/м3. Именно благодаря аномально высокой плотности капли ртути не смачивают поверхности и шарикуются.
С ростом температуры плотность ртути понижается. Так при 100°C она составляет 13534 кг/м3, а при 600°C уменьшается до 11740 кг/м3.
Теплоемкость и теплопроводность
Теплоемкость ртути составляет 140 Дж/(кг·К) при комнатной температуре. Это очень высокое значение, позволяющее эффективно использовать ртуть в термометрах.
Коэффициент теплопроводности ртути также довольно велик и равен примерно 29 Вт/(м·К). Ртуть относится к самым теплопроводным жидким металлам.
Температурное расширение
Коэффициент теплового расширения (КТР) ртути имеет рекордно высокое значение 181·10-6 1/К. Это в 7 раз больше, чем у стекла, и почти в 2 раза выше, чем у чистого алюминия. Сильное расширение при нагревании используется в ртутных термометрах и других терморегулирующих устройствах.
| Температура, °C | Плотность ртути, кг/м3 |
| 0 | 13595 |
| 20 | 13546 |
| 100 | 13534 |
Как видно из таблицы, с ростом температуры плотность ртути плавно снижается.
Химические свойства и реакционная способность
Химическая активность ртути умеренная. Она взаимодействует с кислородом, хлором, серой и некоторыми другими неметаллами. При этом образуются оксид ртути(II) HgO, хлорид ртути(II) HgCl2, сульфид ртути(II) HgS и другие бинарные соединения, в которых ртуть проявляет степень окисления +2.
С водородом, азотом и благородными газами реакции не идут. Ртуть неокисляема разбавленными кислотами и щелочами, кроме азотной кислоты.
Интересный факт: ртуть растворяет многие металлы с образованием жидких амальгам, кроме железа, вольфрама, молибдена и тантала.
Таким образом, несмотря на металлические свойства, ртуть в химических реакциях в основном проявляет положительную степень окисления +2, что характерно для неметаллов.
Получение ртути
Основным способом промышленного производства ртути является обжиг ее основной руды - минерала киновари HgS. Процесс ведут при температуре около 600°С без доступа воздуха:
HgS → Hg + SO2↑
При этой температуре ртуть переходит в парообразное состояние и конденсируется в специальных холодильниках. Дополнительно ее очищают фильтрованием, промывкой и перегонкой. Такая ртуть содержит около 99.9% основного вещества.
Для получения сверхчистой ртути (99.999%) используют метод электролиза на ртутных электродах. Этот метод дорогой, но позволяет достичь предельной чистоты.
В настоящее время около 75% всей добываемой ртути используется для производства хлора и 42% каустической соды методом электролиза хлоридов щелочных металлов на ртутном катоде.
Плотность ртути в зависимости от температуры
Как уже упоминалось ранее, плотность ртути сильно зависит от температуры. С повышением температуры плотность ртути плавно снижается. Это связано с увеличением амплитуды тепловых колебаний атомов и уменьшением сил межатомного взаимодействия.
В таблице приведены значения плотности ртути при различных температурах:
| Температура, °C | Плотность, кг/м3 |
| 0 | 13595 |
| 100 | 13534 |
| 200 | 13304 |
| 300 | 13038 |
| 400 | 12744 |
| 500 | 12428 |
| 600 | 12092 |
Из таблицы видно, что в интервале температур от 0 до 600°С плотность ртути понижается более чем на 11%. Это очень существенное изменение для металлов. Например, для свинца в похожем температурном интервале плотность уменьшается лишь на 1%.
Таким образом, температурная зависимость плотности - еще одна уникальная особенность ртути, которую можно использовать на практике, например при измерении температуры.
Давление насыщенного пара
Еще одной важной характеристикой ртути является давление насыщенного пара. Это максимальное давление паров ртути, которое может создаваться над ее поверхностью при данной температуре.
Давление насыщенного пара ртути довольно высокое и сильно возрастает с температурой. Это одна из причин интенсивного испарения ртути уже при комнатных условиях.
| Температура, °C | Давление, Па |
| 20 | 1,9 |
| 100 | 37 |
| 200 | 230 |
Из таблицы видно, что с ростом температуры на 80°C давление насыщенного пара ртути возрастает почти в 100 раз!
Токсичность
К сожалению, наряду с уникальными физико-химическими свойствами, ртуть обладает очень высокой токсичностью.
Пары ртути опасны при вдыхании. Они хорошо проникают через альвеолы легких в кровь, где взаимодействуют с белками и ферментами, нарушая их нормальное функционирование.
Особенно чувствительны к воздействию ртути центральная нервная система и почки. Отравление ртутью (меркуриализм) проявляется в потере аппетита, слабости, нарушении сна, памяти и эмоциональной нестабильности.
Экологические проблемы
Высокая токсичность и способность к биоаккумуляции делают ртуть одним из наиболее опасных загрязнителей окружающей среды.
Основные источники поступления ртути в биосферу:
- Сжигание каменного угля на тепловых электростанциях
- Неконтролируемый сброс отходов целлюлозно-бумажными комбинатами
- Нелегальная добыча золота с помощью амальгам
Ртуть накапливается в пищевых цепочках, в результате чего ее концентрация в тканях хищных рыб может в миллионы раз превышать фоновый уровень. Это опасно для человека при употреблении в пищу.
Способы утилизации
Из-за высокой токсичности и опасности накопления в биосфере необходима безопасная утилизация изделий и отходов, содержащих ртуть. Существует несколько основных способов:
- Химическая нейтрализация связыванием серой с образованием нерастворимого сульфида ртути(II) HgS
- Термическое обезвреживание - нагрев при температуре выше 600°С с переводом паров ртути в безопасные нерастворимые соединения
- Захоронение отходов ртути на специализированных полигонах в герметичной упаковке
Таким образом можно предотвратить попадание токсичной ртути в окружающую среду и минимизировать ее вредное воздействие на экосистемы и здоровье человека.
Применение ртути
Несмотря на высокую токсичность, уникальные физические и химические свойства ртути находят применение в различных областях.
Производство хлора и щелочей. Около 75% всей добываемой ртути используется в электролизерсах для производства хлора, каустической соды и едких щелочей. В этом процессе ртуть выполняет функцию катода.
Измерительные приборы
Высокий коэффициент температурного расширения, теплопроводность и несмачиваемость позволяют эффективно использовать ртуть в различных измерительных устройствах:
- Медицинские градусники
- Комнатные и промышленные термометры
- Терморегуляторы
- Ртутные манометры и датчики давления
Электротехническое оборудование
Ртуть применяется для производства герконов, ртутных выпрямителей, люминесцентных и энергосберегающих ламп. Особенно широко ртуть использовалась в мощных высоковольтных выпрямителях для электролиза алюминия.
Другие области
Соединения ртути находят применение:
- В зубных амальгамах
- Для зеркал и отражающих покрытий
- В аналитической химии и физике
Однако из-за экологических проблем использование ртути постепенно сокращается и заменяется безопасными альтернативами.
Перспективы
Несмотря на уникальные свойства, дальнейшее применение ртути будет сокращаться из-за ее высокой токсичности. Уже сейчас использование ртути и ее соединений регулируется жесткими международными нормами и соглашениями, направленными на охрану здоровья людей и окружающей среды.
Заменители
В большинстве областей уже найдены менее токсичные заменители:
- Датчики давления и температуры на основе галлия и других жидких металлов
- Мембранные электролизеры вместо ртутного электролиза
- Литиевые источники тока взамен ртутных элементов
Приняты законодательные инициативы по полному запрету ртути к 2030 году в производстве пластмасс, электроники и других отраслях промышленности.
Новые технологии утилизации
Разрабатываются современные высокоэффективные технологии для улавливания, извлечения, нейтрализации и безопасного хранения ртути из различных отходов, что позволит предотвратить ее попадание в окружающую среду:
- Сорбенты на основе наноструктурированного углерода
- Мембранные методы фильтрации
- Биосорбция с использованием бактерий
В статье рассматривается уникальный жидкий металл ртуть, который обладает рекордной для жидкости плотностью 13595 кг/м3 при комнатной температуре.
