Ртуть и ее соединения

Ртуть (лат. Hudrargyrum) – химический элемент II группы периодической системы Менделеева; атомный номер 80, атомная масс 200,59. Конфигурация внешнего электронного уровня – 5 d10 6s2. Ртуть - химически стойкий элемент и занимает по отношению к кислороду место, близкое к благородным металлам, ртуть на воздухе не изменяется - не окисляется кислородом, не реагирует с другими компонентами атмосферы

Ртуть - элемент редкий и рассеянный, его содержание примерно 4,5*10-6 % от массы земной коры. Но известна ртуть с глубокой древности. Человек познакомился с ртутью, выделив при нагревании главного минерала ртути - ярко-красной киновари HgS. Иногда встречается в природе самородная ртуть, образовавшаяся из той же киновари.

Ртуть - тяжелый металл (плотность 13,52 г/см3) серебристо-белого цвета, жидкий при обычных условиях. Температура плавления ртути (- 38,9) °С, Температура кипения - (+357,25) °С. Природная ртуть состоит из семи стабильных изотопов,

Ртуть - металл своеобразный. Это очевидно, хотя бы потому, что ртуть -единственный металл, находящийся в жидком состоянии в нормальных условиях. Причастность ртути к славному клану металлов, долгое время было под сомнением. Даже Ломоносов колебался, можно ли считать ртуть металлом, несмотря на то, что и в жидком состоянии она обладает почти полным комплексом металлических свойств: тепло- и электропроводностью, металлическим блеском.

Ещё любопытная деталь: «миллиметр ртутного столба» - не единственная физическая единица, связанная с элементом № 80. Одно из определений Ома, единицы электрического сопротивления, - «это сопротивление столба ртути длиной 106,3 см и сечения 1 мм2».

Ртуть оказала науке огромные услуги. На сколько бы прогресс техники и естественных наук без измерительных приборов – термометров, манометров, барометров и других, действие которых основано на необыкновенных свойствах ртути.

Историческая справка.

Ртуть известна с доисторических времен. История не сохранила имени древнего металлурга, впервые получившего ртуть, - это было слишком давно, за много веков до нашей эры. Известно только, что в Древнем Египте металлическую ртуть и её главный минерал, киноварь (HgS), использовали ещё в III тысячелетии до н. э. Индусы узнали ртуть во II - 1 вв до н. э. У древних китайцев киноварь пользовалась особой славой, и не только как краска, но и как лекарственное средство. Плиний свидетельствует также, что римляне умели превращать киноварь в ртуть. У Теофраста (300 лет до н. э. ) упоминается о получении металлической ртути растиранием киновари с уксусом в бронзовых ступках. Киноварь (природная HgS) греки и римляне применяли как краситель, лекарственное и косметическое средство, а ртуть для амальгамации (растворения) золота и при золочении.

Греческий Диоскорид (1 в. н. э,), нагревая киноварь в железном сосуде с крышкой, получил ртуть в виде паров, которые конденсировались на холодной внутренней поверхности крышки. Продукт реакции был назван hydragyros (от греч. Hydro - вода и argyros - серебро), - жидким серебром, откуда произошли латинские, hydrargyrum, а также argentum vivum - живое серебро.

«Все металлы - из ртути. » В этом были убеждены алхимики древности и средневековья. Так, великий таджикский врач и химик Авиценна (980 -1037 гг. н. э. ) тоже считал, что металлы произошли от ртути и серы.

Происхождение русского названия ртути не установлено. Алхимики считали ртуть главной составной частью всех металлов. «Фиксация» ртути (переход в твердое состояние) признавалась первым условием ее превращения в золото. Твёрдую ртуть впервые получили в декабре 1759 петербургские академики И. А. Браун и М. В. Ломоносов. Ученым удалось заморозить ртуть в смеси из снега и концентрированной азотной кислоты. В опытах Ломоносова отвердевшая ртуть оказалась ковкой, как свинец. Известие о «фиксации» ртуть произвело сенсацию в ученом мире того времени; оно явилось одним из наиболее убедительных доказательств того, что ртуть такой же металл, как и все прочие.

Распространение в природе.

Ртуть принадлежит к числу весьма редких элементов, её средние содержание в земной коре (кларк) близко к 4,5. 10-6 %. Приблизительно в таких количествах она содержится в горных породах вулканического происхождения. Важную роль в геохимии ртути играет её миграция в газообразном состоянии и в водных растворах.

В земной коре ртуть преимущественно рассеяна; крупнейшие месторождения находятся на европейском материке (Испания, Италия, Югославия, только 0,02 % всей ртути). Осаждается из горячих подземных вод, образуя ртутные руды (содержание ртути в них составляет несколько процентов), Известно 35 ртутных минералов; главнейший из них - киноварь HgS.

В биосфере ртуть в основном рассеивается и лишь в незначительных, количествах накапливается глинами и илами.

Самородная ртуть, встречающаяся в природе, образуется: при окислении киновари в сульфат и разложении последнего; при вулканических извержениях (редко); гидротермальным путём (выделяется из водных растворов).

Получение ртути

Получают ртуть окислительным обжигом руд или рудных концентратов при высокой температуре по реакции

HgS + 02 = Hg + S02

Образовавшаяся металлическая ртуть в виде пара поступает в конденсационную систему, где охлаждается. Жидкая ртуть стекает в приёмники. Газы, образовавшиеся при обжиге, проходят несколько стадий очистки, но извлечь микроскопические капельки ртути из смеси не удается даже при повторной дистилляции. Это одна из экологических проблем металлургии ртути. Металлическая ртуть широко используется в химической промышленности:

Возможно также гидрометаллургическое извлечение ртути из руд и концентратов - растворением HgS в сернистом натрии с последующим вытеснением ртути алюминием.

Разработаны способы извлечения ртуть электролизом сульфидных растворов.

Применение

Ртуть очень широко применяется

•как жидкий катод в производстве едких щелочей и хлора электролизом, в качестве катализатора при синтезе уксусной кислоты,

•как катализатор, при получении многих органических соединений (синтетической уксусной кислоты из ацетилена)

•как катализатор в атомной энергетике;

•для производства взрывчатых веществ;

•при изготовлении научных приборов (барометры, термометры, манометры, вакуумные насосы, нормальные элементы, полярогра-фы, капиллярные электрометры и др. ),

•для производства ртутных выпрямителей, ламп дневного света, кварцевых ламп;

•в металлургии для амальгамации золота и серебра;

•в медицине (каломель, сулема, ртутьорганические соединения)

•в сельском хозяйстве (органические соединения ртути) в качестве протравителя семян и гербицидов,

•как компонент краски морских судов (для борьбы с обрастанием их организмами).

Ртуть древнейший, удивительный и «нестареющий» металл, находит все новые применения.

Ртуть и ее соединения токсичны, поэтому работа с ними требует принятия необходимых мер предосторожности.

Отравления

Отравления ртутью и ее соединениями возможны на ртутных рудниках и заводах, при производстве некоторых измерительных приборов, ламп, фармацевтических препаратов.

Основной опасность представляют пары металлической ртути выделение которых с открытых поверхностей возрастает при повышении температуры воздуха. При вдыхании ртуть попадает в кровь. В организме ртуть циркулирует в крови, соединяясь с белками; частично откладывается в печени, в почках, селезенке, ткани мозга и др. Токсическое действие связано с нарушением деятельности головного мозга (в первую очередь, гипоталамуса). Из организма ртуть выводится через почки, кишечник, потовые железы и

Острые отравления ртути и её парами встречаются редко. При хронических отравлениях наблюдаются эмоциональная неустойчивость, раздражительность, снижение работоспособности, нарушение сна, дрожание пальцев рук, снижение обоняния, головные боли. "характерный признак отравления - появление по краю дёсен каймы сине-черного цвета; поражение дёсен (разрыхленность, кровоточивость) может привести к гингивиту и стоматиту. При отравлениях органическими соединениями ртуть (диэтилмеркурфосфа-том, диэтилртутью, этилмеркурхлоридом) преобладают признаки одновременного поражения центральной нервной (энцефало-полиневрит) и сердечно-сосудистой систем, желудка, печени, почек.

При хроническом отравлении ртутью и её соединениями появляется металлический привкус во рту, сильное слюнотечение, легкая возбудимость, ослабление памяти. Ртуть действует на человеческий организм в целом, в том числе и на психику. Имеется предположение, что ртутная интоксикация вызывает вспышки необузданного гнева. Иван Грозный, например, часто пользовался ртутными мазями против боли в суставах и, возможно, его повышенная возбудимость результат отравления ртутью. Патологоанатомы, исследовавшие прах грозного царя, отметили повышенное содержание ртути в костях.

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами

Тяжелые металлы - металлы с удельным весом более 4,5 г/см3. Существуют тяжелые металлы, необходимые, в малых количествах, для жизни человека (цинк, железо, марганец, медь) и токсичные для организма (кадмий, мышьяк, ртуть, свинец). Тяжелые металлы входят в состав земной коры, но и попадают в окружающую среду в результате отрицательного воздействия человеческого фактора. Загрязнение почв тяжелыми металлами имеет разные источники:

• отходы металлообрабатывающей промышленности;

• промышленные выбросы;

• продукты сгорания топлива;

• автомобильные выхлопы отработанных газов;

• средства химизации сельского хозяйства. Самыми токсичными тяжёлыми металлами являются ртуть и свинец. Предприятия цветной металлургии выбрасывают в атмосферу - свинца (Ул объма его промышленных выбросов) и ртути (более 1/3 выбросов ртути всей промышленностью России). В почвенном покрове вблизи городов с металлургическими предприятиями обнаружены количества тяжелых металлов, значительно превышающие ПДК. Например, город Ревда Свердловской области (содержание свинца до 5 ПДК, ртути до 7 ПДК). В таблице 1 приведены ПДК (предельно допустимые концентрации - максимальная концентрация примеси, за определенный момент времени, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает вредного воздействия на него и окружающую среду в целом)тяжелых металлов

Таблица 1 Санитарные нормы допустимых концентраций.

Показатель ПДК, ПДК загряз ПДК в водоемах для Рекомендации ВОЗ

мг/кг, нения воз общественного и по безвредной для почвы с духа (среднесуточное) бытового использования, человека концентрации веществ в учетом мг/м3 мг/дм3 питьевой воде фона мг/дм3

Ртуть 2,1 О. ОООЗ*) 0,0005 0,001

Свинец 32,0 0,0003**) 0,03 0,05

Кадмий 0,01 0,001 0,005

*) - ртуть металлическая

**) - кроме тетраэтилсвинца

Техногенное поступление металлов в почву, закрепление их в плодородных горизонтах почвы неравномерно. Распределение тяжелых металлов по поверхности почвы определяется многими факторами. Оно зависит от источников загрязнения, метеорологических особенностей региона, геохимических факторов от их массы частиц и физико-химических свойств. Чем тяжелее частицы, тем быстрее они оседают.

Тяжелые металлы и их соединения попадая в почву претерпевают ряд превращений, рассеиваются или накапливаются в зависимости от условий, свойственных данной территории, перераспределяются и сортируются живыми организмам, могут либо перерабатываться природными процессами, и не вызывать существенных изменений в природе, либо сохраняться и накапливаться, губительно влияя на все живое.

Промышленные выбросы, выхлопные газы транспортных средств, несовершенная утилизация отработанных продуктов, орошение сточными водами, отходы, остатки и выбросы при эксплуатации шахт и промышленных площадок, применение пестицидов и т. д. приводят к увеличению концентраций тяжелых металлов в почве.

Пока тяжелые металлы прочно связаны с составными частями почвы и труднодоступны, их отрицательное влияние на почву и окружающую среду незначительным. Если почвенные условия позволяют перейти тяжелым металлам в почвенный раствор, появляется опасность загрязнения почв, возникает вероятность проникновения их в растения, а также в организм человека и животных, потребляющие эти растения. Кроме того, тяжелые металлы могут быть загрязнителями растений и водоемов в результате использования сточных ила вод. Отрицательное влияние тяжелых металлов зависит от их подвижности, т. е. растворимости.

Тяжелые металлы в основном характеризуются переменной валентностью, низкой растворимостью их гидроокисей, высокой способностью образовывать комплексные соединения и, естественно, катионной способностью.

Тяжелые металлы в почвенном растворе встречаются как в ионной так и в связанной формах, которые находятся в определенном равновесии. Миграция (перемещение) тяжелых металлов в почвах может происходить с жидкостью и суспензией при помощи корней растений или почвенных микроорганизмов. Миграции растворимых соединений происходит вместе с почвенным раствором (диффузия) или путем перемещения самой жидкости.

Вымывание глин и органического вещества приводит к миграции всех связанных с ними металлов. Миграция летучих веществ в газообразной форме, например, диметилртути, носит случайный характер, и этот способ перемещения не имеет особого значения. Тяжелые металлы могут быть адсорбированы микроорганизмами, которые в свою очередь, способны участвовать в миграции соответствующих металлов.

Дождевые черви и другие организмы могут содействовать миграции тяжелых металлов механическим или биологическим путями, перемешивая почву или накапливая металлы в свои ткани.

Из всех видов миграции самая важная - миграция в жидкой фазе, потому что большинство металлов попадает в почву в растворимом виде или в виде водной суспензии и все взаимодействия между тяжелыми металлами и жидкими составными частями почвы происходит на границе жидкой и твердой фаз.

Тяжелые металлы в почве через трофическую цепь поступают в растения, а затем потребляются животными и человеком. Почвы с высокой адсорбционной способностью соответственно и высоким содержанием глин, а также органического вещества могут удерживать эти элементы, особенно в верхних горизонтах. Это характерно для карбонатных почв и почв с нейтральной реакцией. В этих почвах количество токсических соединений, которые могут быть вымыты в грунтовые воды и поглощены растениями, значительно меньше, чем в кислых песчаных почвах. Песчаные почвы, которые характеризуются низкой поглотительной способностью, как и кислые почвы очень слабо удерживают тяжелые металлы, за исключением молибдена и селена. Поэтому они легко адсорбируются растениями, особенно грибами, причем некоторые из них даже в очень малых концентрациях обладают токсичным воздействием. Выращенные (культурные) шампиньоны содержат 0,014-1,56 мг ртути на 1 кг сырой массы. Значение ПДК, установленное ВОЗ для попадания ртути в организм с пищей, - 5 мкг на 1 кг массы тела за неделю. Из них 3,3 мкг в форме метил-ртути. Таким образом, можно проследить по цепям питания движение и токсическое действие тяжелых металлов на растения, животных и человека.

Среди наиболее токсичных элементов прежде всего следует назвать ртуть, которая представляет наибольшую опасность в форме сильно токсичного соединения - метилртути. Ртуть попадает в атмосферу при сжигании каменного угля и при испарении вод из загрязненных водоемов. С воздушными массами она может переноситься и откладываться в отдельных районах. За период 1953-1969 гг. были зарегистрированы тяжелые отравления сотен людей в районе бухты Минамата в Японии. Ртуть-содержащие сточные воды, попав в эту бухту, стали причиной высоких концентраций метил-ртути в рыбе. 121 человек умер.

Свинец также обладает способностью передаваться по цепям питания, накапливаясь в тканях растений, животных и человека. Доза свинца, равная 100 мг/кг сухого веса корма, считается летальной для животных.

Цинк и медь менее токсичны, чем свинец и ртуть. В небольших количествах эти металлы полезны для растений, почв. В качестве микродобавок их используют в производстве минеральных удобрений и питательных растворов. Избыточное их количество в отходах металлургической промышленности загрязняет почву и угнетающе действует на рост микроорганизмов, понижает ферментативную активность почв, снижает урожай растений.

Пестициды - это в основном органические соединения с малым молекулярным весом и различной растворимостью в воде. При внесении в почву они или разлагаются и перемещаются в растения или окружающую среду, или накапливаются, некоторые из них могут существовать много лет спустя после внесения.

При поверхностном стоке, вызываемом осадками или орошением, пестициды передвигаются, скапливаясь в углублениях почвы. Продолжительность разложения пестицидов микроорганизмами может колебаться от нескольких дней до нескольких месяцев, а иногда и десятков лет, в зависимости от специфики действующего вещества, видов микроорганизмов, свойств почв. Разложение действующих веществ пестицидов осуществляется бактериями, грибами и высшими растениями.

Выявление загрязнения почв тяжелыми металлами производят прямыми методами отбора почвенных проб на изучаемых территориях и их химического анализа на содержание тяжелых металлов. Также используют для этих целей косвенные методы: анализ распространения и поведения растений, беспозвоночных и микроорганизмов - индикаторов.

Отбирают образцы почв и растительности. Расстояние от источника загрязнения для выявления ореола загрязнения может значительно колебаться

Выявление уровня токсичности тяжелых металлов непросто. Для почв с разными механическими составами и содержанием органического вещества этот уровень будет неодинаков. В настоящее время предпринимают попытки определить ПДК тяжелых металлов в почве. В качестве тест-растений используют ячмень, овес и картофель. Токсичным уровень считался тогда, когда происходит снижение урожайности на 5-10 %. Защита почв от загрязнения тяжелыми металлами базируется на совершенствовании производства. Например, на производство 1 т хлора по одной технологии расходуют 45 кг ртути, а по другой - 14-18 кг. Необходимо исследовать возможности применения замкнутых технологических систем, организации безотходных производств. Безотходным является такое производство, в котором всё исходное сырьё превращается в ту или иную продукцию. В Японии, Франции, ФРГ и Великобритании одна из японских фирм запатентовала способ фиксирования тяжелых металлов меркапто-8-триазином. При использовании этого препарата кадмий, свинец, медь, ртуть и никель прочно фиксируются в почве в виде нерастворимой и недоступной для растений форме. Почвенный покров создает оптимальную экологическую обстановку для жизни, труда и отдыха людей, от него зависят чистота и состав атмосферы, наземных и подземных вод. Современная экологическая ситуация вызывает необходимость оценивать последствия любой деятельности, связанной вмешательством в природную среду. Необходима экологическая экспертиза каждого технического проекта.

Ещё Ф. Жолио-Кюри предупреждал: «Нельзя допустить, чтобы люди направляли на своё собственное уничтожение те силы природы, которые они сумели открыть и покорить»