Ртуть

РТУТЬ – химический элемент II группы периодической системы элементов, атомный номер 80, относительная атомная масса 200,6.

Это единственный жидкий при комнатной температуре металл, замерзает лишь при сильном морозе. Это было обнаружено лишь в 18 в. – в 1736 в Иркутске при сильном морозе «замерзание» термометра наблюдал французский астроном и географ Ж.-Н.Делиль. (Он был приглашен в Петербург на место директора астрономической обсерватории при основании Российской Академии наук в 1725 и прожил в России до 1747. В Сибирь же он ездил для наблюдения прохождения Меркурия перед диском Солнца и для определения географического положения некоторых пунктов.) Искусственно же заморозить ртуть с помощью охлаждающей смеси (из льда и концентрированной азотной кислоты) удалось лишь в 1759 другому петербургскому академику И.А.Брауну (его пригласили в Российскую академию в 1746).

Ртуть – один из семи металлов, известных с древнейших времен. Несмотря на то, что ртуть относится к рассеянным элементам и в природе ее очень мало (7·10^–6% в земной коре, примерно столько же, сколько и серебра), она встречается в свободном состоянии в виде вкраплений в горные породы. Кроме того, ее очень легко выделить из основного минерала – сульфида (киновари), при обжиге которого идет реакция HgS + O₂  Hg + SO₂. Пары ртути легко конденсируются в блестящую, как серебро, жидкость. Ее плотность настолько велика (13,6 г/см³), что ведро со ртутью обычный человек даже не оторвет от пола.

Необычные свойства жидкого металла удивляли еще древних. Греческий врач Диоскорид, живший в I веке н.э., дал ей название hydrargyros (от «хюдор» – вода и «аргирос» – серебро); отсюда и латинское название hydrargirum. Близкое по значению название – Quecksilber (т.е. «подвижное серебро») сохранилось в немецком языке (интересно, что quecksilberig по-немецки означает «непоседливый»). Аналогичным было и старинное английское название ртути – quicksilver («быстрое серебро»). По-болгарски ртуть – живак: действительно, шарики ртути блестят, как серебро и очень быстро «бегают» – как живые. Современное английское (mercury) и французское (mercure) названия ртути произошли от имени латинского бога торговли Меркурия. Меркурий был также вестником богов, и его обычно изображали с крылышками на сандалиях или на шлеме. Вероятно, по понятиям древних, бог Меркурий бегал так же быстро, как переливается ртуть. Ртути соответствовала планета Меркурий, которая быстрее всех передвигается по небосводу.

О ртути знали древние индийцы, китайцы, египтяне. Ртуть и ее соединения использовались в медицине (в том числе и для лечения... заворота кишок), из киновари делали красные краски. Но были и довольно необычные «применения». Так, в середине 10 в. мавританский король Абд ар-Рахман III построил дворец близ Кордовы в Испании, во внутреннем дворике которого был фонтан с непрерывно льющейся струей ртути (до сих пор испанские месторождения ртути – самые богатые в мире, по ее добыче Испания занимает ведущее положение). Еще оригинальнее был другой король, имя которого история не сохранила: он спал на матрасе, который плавал в бассейне из... ртути! В то время о сильной ядовитости ртути и ее соединений, видимо, не подозревали. Причем ртутью травились не только короли, но и многие ученые, в числе которых был Исаак Ньютон (одно время он очень интересовался алхимией), да и в наши дни небрежное обращение со ртутью нередко приводит к печальным последствиям.

Сейчас ядовитость ртути общеизвестна. Из всех ее соединений особенно опасны легкорастворимые соли, например, хлорид HgCl₂ (сулема – раньше ее широко использовали как антисептик); смертельная доза сулемы при попадании в желудок составляет от 0,2 до 0,5 г. Опасна и металлическая ртуть, особенно при регулярном ее поступлении в организм. Но это – малоактивный металл, с желудочным соком не реагирует и выводится из желудка и кишечника почти полностью. В чем же ее опасность? Оказывается, ртуть легко испаряется, а ее пары, попадая в легкие, полностью задерживаются там и вызывают впоследствии отравление организма, хотя и не такое быстрое, как соли ртути. При этом происходят специфические биохимические реакции, окисляющие ртуть. Ионы ртути прежде всего реагируют с SH-группами белковых молекул, среди которых – важнейшие для организма ферменты. Ионы Hg²⁺ реагируют также с белковыми группами –СООН и NH₂ с образованием прочных комплексов – металлопротеидов. А циркулирующие в крови нейтральные атомы ртути, попавшие туда из легких, также образуют соединения с белковыми молекулами. Нарушение нормальной работы белков-ферментов приводит к глубоким нарушениям в организме, и прежде всего – в центральной нервной системе, а также в почках.

Другой возможный источник отравления – органические производные ртути. Эти чрезвычайно ядовитые производные образуются в результате так называемого биологического метилирования. Оно происходит под действием микроорганизмов, например, плесени и характерно не только для ртути, но и для мышьяка, селена, теллура. Ртуть и ее неорганические соединения, которые широко используются на многих производствах, со сточными водами попадают на дно водоемов. Обитающие там микроорганизмы превращают их в диметилртуть (CH₃)₂Hg, которая относится к числу наиболее ядовитых веществ. Диметилртуть далее легко переходит в водорастворимый катион HgCH₃⁺. Оба вещества поглощаются водными организмами и попадают в пищевую цепочку; сначала они накапливаются в растениях и мельчайших организмах, затем – в рыбах. Метилированная ртуть очень медленно выводится из организма – месяцами у людей и годами у рыб. Поэтому концентрация ртути вдоль биологической цепочки непрерывно увеличивается, так что в рыбах-хищниках, которые питаются другими рыбами, ртути может оказаться в тысячи раз больше, чем в воде, из которой она выловлена. Именно этим объясняется так называемая «болезнь Минамата» – по названию приморского города в Японии, в котором за несколько лет от отравления ртутью умерло 50 человек и многие родившиеся дети имели врожденные уродства. Опасность оказалась так велика, что в некоторых водоемах пришлось приостановить лов рыбы – настолько она оказалась «нашпигованной» ртутью. Страдают от поедания отравленной рыбы не только люди, но и рыбы, тюлени.

Для ртутного отравления характерны головная боль, покраснение и набухание десен, появление на них характерной темной каймы сульфида ртути, набухание лимфатических и слюнных желез, расстройства пищеварения. При легком отравлении через 2–3 недели нарушенные функции восстанавливаются по мере выведения ртути из организма (эту работу выполняют в основном почки, железы толстых кишок и слюнные железы).

Если поступление ртути в организм происходит малыми дозами, но в течение длительного времени, наступает хроническое отравление. Для него характерны прежде всего повышенная утомляемость, слабость, сонливость, апатия, головные боли и головокружения. Как видно, эти симптомы очень легко спутать с проявлением других заболеваний или даже с недостатком витаминов. Поэтому распознать такое отравление непросто. Из других проявлений ртутного отравления следует отметить психические расстройства. Раньше их называли «болезнью шляпников», так как для размягчения шерсти, из которой изготовляли фетровые шляпы, использовали нитрат ртути Hg(NO₃)₂. Это расстройство описано в книге Льюиса Кэррола Алиса в стране чудес на примере одного из персонажей – Сумасшедшего Шляпника.

Опасность хронического отравления ртутью возможна во всех помещениях, в которых металлическая ртуть находится в соприкосновении с воздухом, даже если концентрация ее паров очень мала (предельно допустимой в рабочем помещении считается концентрация паров 0,01 мг/м³, а в атмосферном воздухе – в 30 раз меньше). Даже профессиональные химики бывают удивлены, узнав с какой скоростью испаряется ртуть и сколько ее может накопиться в воздухе. При комнатной температуре давление паров над ртутью равно 0,0012 мм ртутного столба – в миллион раз меньше атмосферного. Но и такое малое давление означает, что в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится 30 триллионов атомов ртути или 13,4 мг/м³, т.е. в 1300 раз больше, чем предельно допустимая концентрация! А так как силы притяжения между атомами ртути малы (именно поэтому этот металл жидкий), испаряется ртуть довольно быстро. Отсутствие цвета и запаха у паров ртути приводит к тому, что многие недооценивают опасность. Чтобы сделать этот факт очевидным, провели такой опыт. В чашечку налили немного ртути, так что образовалась лужица диаметром около 2 см. Эту лужицу присыпали специальным порошком. Если такой порошок осветить невидимыми ультрафиолетовыми лучами, он начинает ярко светиться. Если под порошком находится ртуть, на ярком фоне видны темные движущиеся «облачка». Особенно отчетливо это явление наблюдается, когда в комнате имеется небольшое движение воздуха. Объясняется опыт просто: ртуть в чашечке непрерывно испаряется, и ее пары свободно проходят сквозь тонкий слой флуоресцирующего порошка. Пары ртути обладают способностью сильно поглощать ультрафиолетовое излучение. Поэтому в тех местах, где над чашечкой поднимались невидимые «ртутные струйки», ультрафиолетовые лучи задерживались в воздухе и не доходили до порошка. В этих местах и были видны темные пятна.

В последующем этот опыт усовершенствовали так, что его могли наблюдать сразу много зрителей в большой аудитории. Ртуть на этот раз находилась в обычной склянке без пробки, откуда ее пары свободно выходили наружу. За склянкой поставили экран, покрытый таким же порошком, а перед ней – ультрафиолетовую лампу. При включении лампы экран начал ярко светиться, и на светлом фоне отчетливо были видны движущиеся тени. Это означало, что в этих местах ультрафиолетовые лучи задержались выходящими из склянки парами ртути и не смогли достичь экрана.

Если открытую поверхность ртути покрыть водой, скорость ее испарения очень сильно снижается. Происходит это потому, что ртуть очень плохо растворяется в воде: в отсутствие воздуха в одном литре воды может раствориться только 0,06 мг ртути. Соответственно очень сильно должна уменьшиться и концентрация паров ртути в воздухе помещений при условии их вентиляции. Это было проверено на заводе по переработке ртути. В одном из опытов 100 кг ртути налили в два одинаковых лотка, один из них залили слоем воды толщиной около 2 см и оставили на ночь. На утро замерили концентрацию паров ртути в 10 см над каждым лотком. Там, где ртуть залили водой, ее было в воздухе 0,05 мг/м³ – чуть больше чем в остальном помещении (0,03 мг/м³). А над свободной поверхностью ртути прибор зашкалил...

Но если ртуть настолько ядовита, почему ее десятилетиями использовали зубные врачи для изготовления пломб? Специальный ртутный сплав (амальгаму) изготовляли непосредственно перед тем, как поставить пломбу, добавляя ртуть к сплаву, содержащему 70% серебра, 26% олова и немного меди и цинка, после чего смесь тщательно растирали. В готовой пломбе после отжима излишка жидкой ртути ее оставалось примерно 40%. После затвердевания пломба состояла из трех различных кристаллических фаз, состав которых приблизительно соответствует формулам Ag₂ Hg₃, Ag₃ Sn и Sn_x Hg, где х принимает значения от 7 до 9. Эти интерметаллические соединения при температуре человеческого тела твердые, нелетучие и совершенно безопасные.

А вот лампы дневного света представляют определенную опасность: каждая из них содержит до 0,2 г жидкой ртути, которая, если трубку разбить, начнет испаряться и загрязнять воздух.

Возбужденные атомы ртути излучают свет с длинами волн в основном 254, 303, 313 и 365 нм (УФ-область), 405 нм (фиолетовые лучи), 436 нм (синие), 546 нм (зеленые) и 579 нм (желтые). Спектр излучения светящихся паров ртути зависит от давления в колбе. Когда оно мал ó, ртутная лампа остается холодной, горит бледно-синим светом, почти все ее излучение сосредоточено в невидимой линии 254 нм. Так светят бактерицидные лампы. Если повысить давление паров, линия 254 нм практически исчезнет (это излучение будут поглощать пары самой ртути), а интенсивность других линий заметно возрастет, сами линии расширятся, а между ними появится ощутимый «фон», который становится преобладающим в ксеноновых лампах сверхвысокого давления (примерно 3 атм), которые заполнены парами ртути и ксеноном. Одна такая лампа мощностью 10 кВт может осветить, например, большую привокзальную площадь.

Ртутные лампы среднего и высокого давления (10–100 кПа или 0,1–1 атм) часто называют «кварцевыми», потому что их корпус изготовлен из тугоплавкого кварцевого стекла, пропускающего УФ-лучи. Их применяют для физиотерапии и искусственного загара. Излучение ртутных ламп сильно отличается от солнечного. Когда в центре Москвы появились первые ртутные лампы, их свет был очень неестественным – зеленовато-синеватым. Он сильно искажал цвета: губы прохожих казались черными. Чтобы приблизить излучение паров ртути к естественному свету, ртутные лампы низкого давления изготовляют в виде трубок, на внутренние стенки которых нанесен специальный люминофор (см. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ. СВЕЧЕНИЕ ВЕЩЕСТВ).

Дома ртуть может оказаться в мелодичном дверном звонке, в лампах дневного света, в медицинском термометре или тонометре старого типа. Пролитую в помещении ртуть надо собирать самым тщательным образом. Особенно много паров образуется в том случае, если ртуть рассыпалась на множество мельчайших капелек, которые забились в различные щели, например, между плитками паркета. Поэтому все эти капельки необходимо собрать. Лучше всего это сделать с помощью оловянной фольги, к которой ртуть легко прилипает, или же промытой азотной кислотой медной проволочкой. А те места, где ртуть еще могла бы задержаться, заливают 20%-ным раствором хлорного железа. Хорошая профилактическая мера против отравления парами ртути – тщательно и регулярно, в течение многих недель или даже месяцев, проветривать помещение, где была пролита ртуть.

Ртуть обладает многими интересными особенностями, которые раньше использовали для эффектных лекционных опытов. Например, она хорошо растворяется в расплавленном белом фосфоре (он плавится при 44° С), а при охлаждении этого необычного раствора ртуть выделяется в неизменном состоянии. Еще одна красивая демонстрация была связана с тем, что при охлаждении ртуть затвердевает, а ее твердые кусочки при соприкосновении слипаются так же легко, как и жидкие ее капли. Если же охладить ртуть очень сильно, например, жидким азотом, до температуры – 196° С, вставив в нее предварительно палочку, то после замерзания ртути получался своеобразный молоток, которым лектор легко забивал гвоздь в доску. Конечно, всегда оставался риск, что от такого «молотка» отколются маленькие кусочки, которые потом доставят массу неприятностей. Другой опыт был связан с «лишением» ртути ее способности с легкостью разбиваться на мельчайшие блестящие шарики. Для этого ртуть подвергали действию очень малых количеств озона. При этом ртуть теряла свою подвижность и налипала тонкой пленкой на содержащий ее сосуд. Сейчас, когда ядовитость ртути хорошо изучена, такие опыты не проводят.

А вот избавиться от ртути в термометрах пока не удается. Во-первых, она позволяет проводить измерения в большом температурном интервале: замерзает при –38,9° С, кипит при 356,7° С, а путем повышения давления над ртутью верхний предел легко поднять еще на сотни градусов. Во-вторых, чистая ртуть (а очистить ее сравнительно легко) не смачивает стекло, поэтому отсчеты температуры получаются более точными. В-третьих, и это очень важно, с повышением температуры ртуть расширяется более равномерно, чем другие жидкости. Наконец, у ртути малая удельная теплоемкость – нагреть ее почти в 30 раз легче, чем воду. Так что ртутный термометр, помимо прочих достоинств, обладает и малой инерционностью.

Высокая плотность ртути позволяет в обычном медицинском термометре «держать температуру» после ее измерения. Для этого используется принцип разрывания столбика ртути в тонкой перетяжке капилляра между резервуаром и шкалой. В отличие от обычных термометров, при измерении температуры тела ртуть поступает в капилляр не равномерно, а скачками, «выстреливая» периодически мельчайшими капельками через сужение в капилляре (это хорошо видно через сильную лупу). Заставляет ее это делать повышение давления в резервуаре при подъеме температуры – иначе ртуть через перетяжку не пройдет. Когда резервуар начинает охлаждаться, столбик ртути разрывается и часть ее остается в капилляре – ровно столько, сколько ее там было у больного под мышкой (или в другом месте, как это принято в разных странах). Резко встряхивая термометр после измерения температуры, мы сообщаем тяжелому столбику ртути ускорение, в десятки раз превышающее ускорение свободного падения. Развиваемое при этом давление «загоняет» ртуть обратно в резервуар.

Несмотря на ядовитость, полностью избавиться от применения ртути и ее соединений пока не удается, и во всем мире ежегодно добывают тысячи тонн этого металла. Ртуть находит очень широкое применение во многих производствах. Металлическую ртуть используют в электрических контактах – переключателях; для заполнения вакуумных насосов, выпрямителей, барометров, термометров, в производстве хлора и едкого натра (ртутные катоды); при изготовлении сухих элементов (в них содержится оксид ртути, либо амальгама цинка и кадмия).