Ртуть

Иное название этого понятия — «Mercury»; см. также другие значения.

80 Золото ← Ртуть → Таллий Cd ↑ Hg ↓ Cn 80Hg
Внешний вид простого вещества
Тяжёлая жидкость серебристо-белого цвета
Свойства атома
Имя, символ, номер	Ртуть / Hydrargyrum (Hg), 80
Атомная масса (молярная масса)	200,59 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Xe] 4f14 5d10 6s2
Радиус атома	157 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	149 пм
Радиус иона	(+2e) 110 (+1e) 127 пм
Электроотрицательность	2,00 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	Hg←Hg2+ 0,854 В
Степени окисления	+2, +1
Энергия ионизации (первый электрон)	1 006,0 (10,43) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	13,546 (@ +20 °C) г/см³
Температура плавления	234,28 K
Температура кипения	629,73 K
Теплота плавления	2,295 кДж/моль
Теплота испарения	58,5 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	27,98 Дж/(K·моль)
Молярный объём	14,8 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	ромбоэдрическая
Параметры решётки	ahex=3,464 сhex=6,708 Å
Отношение c/a	1,94
Температура Дебая	100,00 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 8,3 Вт/(м·К)

80	Ртуть
Hg 200,59
4f145d106s2

Ртуть — элемент побочной подгруппы второй группы шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 80. Обозначается символом Hg (лат. Hydrargyrum). Простое вещество ртуть (CAS-номер: 7439-97-6) — переходный металл, при комнатной температуре представляет собой тяжёлую серебристо-белую жидкость, пары которой чрезвычайно ядовиты. Ртуть — один из двух химических элементов (и единственный металл), простые вещества которых при нормальных условиях находятся в жидком агрегатном состоянии (второй элемент — бром).

История

Астрономический символ планеты Меркурий

Ртуть известна с древних времен. Нередко её находили в самородном виде (жидкие капли на горных породах), но чаще получали обжигом природной киновари. Древние греки и римляне использовали ртуть для очистки золота (амальгамирование), знали о токсичности самой ртути и её соединений, в частности сулемы. Много веков алхимики считали ртуть главной составной частью всех металлов и полагали, что если жидкой ртути возвратить твердость при помощи серы или мышьяка, то получится золото. Выделение ртути в чистом виде было описано шведским химиком Георгом Брандтом в 1735 г. Для представления элемента как у алхимиков, так и в нынешнее время используется символ планеты Меркурий. Но принадлежность ртути к металлам была доказана только трудами Ломоносова и Брауна, которые в декабре 1759 года смогли заморозить ртуть и установить её металлические свойства: ковкость, электропроводность и др.

Происхождение названия

Русское название ртути происходит от праславянского причастия *rьtǫtь, связанного с лит. rìsti «катиться». Символ Hg заимствован от устаревшего латинского алхимического названия этого элемента Hydrargyrum (греч. хидраргирос — жидкое серебро).

Нахождение в природе

Ртуть — относительно редкий элемент в земной коре со средней концентрацией 83 мг/т. Однако ввиду того, что ртуть слабо связывается химически с наиболее распространёнными в земной коре элементами, ртутные руды могут быть очень концентрированными по сравнению с обычными породами. Наиболее богатые ртутью руды содержат до 2,5 % ртути. Основная форма нахождения ртути в природе — рассеянная и только 0,02 % её заключено в месторождениях. Содержание ртути в различных типах изверженных пород близки между собой (около 100 мг/т). Из осадочных пород максимальные концентрации ртути установлены в глинистых сланцах (до 200 мг/т). В водах Мирового океана содержание ртути 0,1 мкг/л. Важнейшей геохимической особенностью ртути является то, что среди других халькофильных элементов она обладает самым высоким потенциалом ионизации. Это определяет такие свойства ртути, как способность восстанавливаться до атомарной формы (самородной ртути), значительную химическую стойкость к кислороду и кислотам.

Ртуть присутствует в большинстве сульфидных минералов. Особенно высокие её содержания (до тысячных и сотых долей процента) устанавливаются в блёклых рудах, антимонитах, сфалеритах и реальгарах. Близость ионных радиусов двухвалентной ртути и кальция, одновалентной ртути и бария определяет их изоморфизм во флюоритах и баритах. В киновари и метациннабарите сера иногда замещается селеном или теллуром; содержание селена часто составляет сотые и десятые доли процента. Известны крайне редкие селениды ртути — тиманит (HgSe) и онофрит (смесь тиманита и сфалерита).

Ртуть является одним из наиболее чувствительных индикаторов скрытого оруденения не только ртутных, но и различных сульфидных месторождений, поэтому ореолы ртути обычно выявляются над всеми скрытыми сульфидными залежами и вдоль дорудных разрывных нарушений. Эта особенность, а также незначительное содержание ртути в породах, объясняются высокой упругостью паров ртути, возрастающей с увеличением температуры и определяющей высокую миграцию этого элемента в газовой фазе.

В поверхностных условиях киноварь и металлическая ртуть растворимы в воде даже при отсутствии сильных окислителей, но при их наличии (Fe₂(SO₄)₃, озон, пероксид водорода) растворимость этих минералов достигает десятков мг/л. Особенно хорошо растворяется ртуть в сульфидах едких щелочей с образованием, например, комплекса HgS • nNa₂S. Ртуть легко сорбируется глинами, гидроокислами железа и марганца, глинистыми сланцами и углями.

В природе известно около 20 минералов ртути, но главное промышленное значение имеет киноварь HgS (86,2 % Hg). В редких случаях предметом добычи является самородная ртуть, метациннабарит HgS и блёклая руда — шватцит (до 17 % Hg). На единственном месторождении Гуитцуко (Мексика) главным рудным минералом является ливингстонит HgSb₄S₇. В зоне окисления ртутных месторождений образуются вторичные минералы ртути. К ним относятся прежде всего самородная ртуть, реже метациннабарит, отличающиеся от таких же первичных минералов большей чистотой состава. Относительно распространена каломель Hg₂Cl₂. На месторождении Терлингуа (Техас) распространены и другие гипергенные галоидные соединения — терлингуаит Hg₂ClO, эглестонит Hg₄Cl.

Месторождения

Ртуть считается редким металлом.

Крупнейшее в мире ртутное месторождение находится в Испании (Альмаден). Известны месторождения ртути в Закавказье (Дагестан, Армения), Таджикистане, Словении, Киргизии, Украине (Горловка, Никитовский ртутный комбинат).

В России находятся 23 месторождения ртути, промышленные запасы составляют 15,6 тыс. тонн (на 2002 год), из них крупнейшие разведаны на Чукотке — Западно-Палянское и Тамватнейское.

В окружающей среде

Содержание ртути в ледниках за 270 лет

До индустриальной революции осаждение ртути из атмосферы составляло около 4 нанограммов на литр льда. Природные источники, такие как вулканы, составляют примерно половину всех выбросов атмосферной ртути. За оставшуюся половину ответственна деятельность человека. В ней основную долю составляют выбросы в результате сгорания угля главным образом в тепловых электростанциях — 65 %, добыча золота — 11 %, выплавка цветных металлов — 6,8 %, производство цемента — 6,4 %, утилизация мусора — 3 %, производство соды — 3 %, чугуна и стали — 1,4 %, ртути (в основном для батареек) — 1,1 %, остальное — 2 %.

Одно из тяжелейших загрязнений ртутью в истории случилось в японском городе Минамата в 1956 году, что привело к более чем трём тысячам жертв, которые либо умерли, либо сильно пострадали от болезни Минамата.

Изотопы ртути

Природный изотопный состав ртути

Изотоп	196	198	199	200	201	202	204
Концентрация, (%)	0,146	10,02	16,84	23,13	13,22	29,80	6,85

Получение

Ртуть получают обжигом киновари (cульфида ртути(II)): Уравнение реакции:

$~\mathsf{HgS+O_2 \longrightarrow Hg+SO_2\uparrow}$

Пары ртути конденсируют и собирают. Этот способ применяли ещё алхимики древности.

На протяжении многих столетий в Европе основным и единственным месторождением ртути был Альмаден в Испании. В Новое время с ним стала конкурировать Идрия во владениях Габсбургов (современная Словения). Там же появилась первая лечебница для поражённых отравлением парами ртути рудокопов. В 2012 г. ЮНЕСКО объявило промышленную инфраструктуру Альмадена и Идрии памятником Всемирного наследия человечества.

Надписи во дворце древнеперсидских царей Ахеменидов (VI—IV века до н. э.) в Сузах говорят, что ртутную киноварь доставляли сюда с Зеравшанских гор и использовали в качестве краски.

Физические свойства

Металлическая ртуть

Переливание ртути из сосуда в сосуд

Ртуть — единственный металл, который находится в жидком состоянии при комнатной температуре. Обладает свойствами диамагнетика. Образует со многими металлами жидкие и твёрдые сплавы — амальгамы. Стойкие к амальгамированию металлы: V, Fe, Mo, Cs, Nb, Ta, W.

Плотность ртути при нормальных условиях — 13 500 кг/м³.

Температура в °С	ρ, 103 кг/м3	Температура в °С	ρ, 103 кг/м3
0	13,5951	50	13,4723
5	13,5827	55	13,4601
10	13,5704	60	13,4480
15	13,5580	65	13,4358
20	13,5457	70	13,4237
25	13,5335	75	13,4116
30	13,5212	80	13,3995
35	13,5090	90	13,3753
40	13,4967	100	13,3514
45	13,4845	300	12,875

Химические свойства

Характерные степени окисления

Степень окисления	Оксид	Гидроксид	Характер	Примечания
+1	Не получен	<Hg2(OH)2>*	Слабоосновный	Склонность к диспропорционированию
+2	HgO	<Hg(OH)2>**	Очень слабое основание, иногда — амфотерный

'*Гидроксид не получен, существуют только соответствующие соли
'**Гидроксид существует только в очень разбавленных (<10⁻⁴моль/л) растворах.

Диаграмма Пурбе системы Hg-HgO

Для ртути характерны две степени окисления: +1 и +2. В степени окисления +1 ртуть представляет собой двухъядерный катион Hg₂²⁺ со связью металл-металл. Ртуть — один из немногих металлов, способных формировать такие катионы, и у ртути они — самые устойчивые.
В степени окисления +1 ртуть склонна к диспропорционированию. Оно протекает при нагревании:

$\mathsf{Hg_2^{2+} \rightarrow Hg + Hg^{2+}}$

подщелачивании:

$\mathsf{Hg_2^{2+} + 2OH^- \rightarrow Hg + HgO + H_2O}$

добавлении лигандов, стабилизирующих степень окисления ртути +2.

Из-за диспропорционирования ни оксид, ни гидроксид ртути (I) получить не удаётся.

На холоду ртуть +2 и металлическая ртуть, наоборот, конпропорционируют. Поэтому, в частности, при реакции нитрата ртути (II) со ртутью получается нитрат ртути (I):

$\mathsf{Hg + Hg(NO_3)_2 \rightarrow Hg_2(NO_3)_2}$

В степени окисления +2 ртуть образует катионы Hg²⁺, которые очень легко гидролизуются. При этом гидроксид ртути Hg(OH)₂ существует только в очень разбавленных (<10⁻⁴моль/л) растворах. В более концентрированных растворах он дегидратируется:

$\mathsf{Hg^{2+} + 2OH^- \rightarrow HgO + H_2O}$

В очень концентрированной щелочи оксид ртути частично растворяется с образованием гидроксокомплекса:

$\mathsf{HgO + OH^- + H_2O \rightarrow [Hg(OH)_3]^-}$

Ртуть в степени окисления +2 образует уникально прочные комплексы со многими лигандами, причём как жесткими, так и мягкими по теории ЖМКО. С иодом (-1), серой (-2) и углеродом она образует очень прочные ковалентные связи. По устойчивости связей металл-углерод ртути нет равных среди других металлов, поэтому получено огромное количество ртутьорганических соединений.

Из элементов IIБ группы именно у ртути появляется возможность разрушения очень устойчивой 6d¹⁰ — электронной оболочки, что приводит к возможности существования соединений ртути (+4) но они крайне малоустойчивы, поэтому эту степень окисления, скорее, можно отнести к курьёзной, чем к характерной. В частности, при взаимодействии атомов ртути и смеси неона и фтора при температуре 4К получен HgF₄.

Свойства простого вещества

Ртуть — малоактивный металл (см. ряд напряжений). Она не растворяется в растворах кислот, не обладающих окислительными свойствами, но растворяется в царской водке :

$\mathsf{3Hg + 2HNO_3 + 12HCl \rightarrow 3H_2[HgCl_4] + 2NO\uparrow + 4H_2O}$

и азотной кислоте:

$\mathsf{Hg + 4HNO_3 \rightarrow Hg(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O}$

Также с трудом растворяется в серной кислоте при нагревании, с образованием сульфата ртути:

$\mathsf{Hg + 2H_2SO_4 \rightarrow HgSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O}$

При растворении избытка ртути в азотной кислоте на холоде образуется нитрат Hg₂(NO₃)₂.

При нагревании до 300 °C ртуть вступает в реакцию с кислородом:

$~\mathsf{2Hg+O_2 \xrightarrow{300^\circ C} 2HgO}$

При этом образуется оксид ртути(II) красного цвета. Эта реакция обратима: при нагревании выше 340 °C оксид разлагается до простых веществ.

$~\mathsf{2HgO \xrightarrow{>340^\circ C} 2Hg+O_2\uparrow}$

Реакция разложения оксида ртути исторически является одним из первых способов получения кислорода.
При нагревании ртути с серой образуется сульфид ртути(II):

$~\mathsf{Hg+S \xrightarrow{t^\circ C} HgS}$

Ртуть также реагирует с галогенами (причём на холоде — медленно).

Ртуть можно окислить также щелочным раствором перманганата калия:

$\mathsf{Hg + 2KMnO_4 + 3KOH \rightarrow K[Hg(OH)_3] + 2K_2MnO_4}$

и различными хлорсодержащими отбеливателями. Эти реакции используют для удаления металлической ртути.

Словенский город Идрия — крупнейший в Европе центр добычи ртути с XV века

Применение ртути и её соединений

Медицина

В связи с высокой токсичностью ртуть почти полностью вытеснена из медицинских препаратов. Её соединения (в частности, мертиолят) используются как консервант для вакцин.. Сама ртуть сохраняется в медицинских термометрах (один медицинский термометр содержит до 2 г ртути).
Однако вплоть до 1970-х годов соединения ртути использовались в медицине очень активно:

• хлорид ртути (I) (каломель) — слабительное;
• меркузал и промеран — сильные мочегонные;
• хлорид ртути (II), цианид ртути (II), амидохлорид ртути и жёлтый оксид ртути(II) — антисептики (в том числе в составе мазей).

Амальгаму серебра применяют в стоматологии в качестве материала зубных пломб.
Ртуть-203 (T_1/2 = 53 сек) используется в радиофармакологии.

Техника

• Ртуть используется как рабочее тело в ртутных термометрах (особенно высокоточных), так как (а) обладает довольно широким диапазоном, в котором находится в жидком состоянии, (б) её коэффициент термического расширения почти не зависит от температуры и (в) обладает сравнительно малой теплоёмкостью. Сплав ртути с таллием используется для низкотемпературных термометров.
• Парами ртути заполняют люминесцентные лампы, поскольку пары светятся в тлеющем разряде. В спектре испускания паров ртути много ультрафиолетового света и чтобы преобразовать его в видимый, стекло люминесцентных ламп изнутри покрывают люминофором. Без люминофора ртутные лампы являются источником жесткого ультрафиолета (254 нм), в каковом качестве и используются. Такие лампы делают из кварцевого стекла, пропускающего ультрафиолет, поэтому они называются кварцевыми.
• Ртуть и сплавы на её основе используются в герметичных выключателях, включающихся при определённом положении.
• Ртуть используется в датчиках положения.
• В некоторых химических источниках тока (например, ртутно-цинковых), в эталонных источниках напряжения (Нормальный элемент Вестона).
• Ртуть также иногда применяется в качестве рабочего тела в тяжелонагруженных гидродинамических подшипниках.
• Ртуть ранее входила в состав некоторых биоцидных красок для предотвращения обрастания корпуса судов в морской воде. Сейчас запрещается использовать такого типа покрытия.
• Иодид ртути используется как полупроводниковый детектор радиоактивного излучения.
• Фульминат ртути («Гремучая ртуть») издавна применяется в качестве инициирующего ВВ (Детонаторы).
• Бромид ртути применяется при термохимическом разложении воды на водород и кислород (атомно-водородная энергетика).
• Перспективно использование ртути в сплавах с цезием в качестве высокоэффективного рабочего тела в ионных двигателях.
• До середины 20 века ртуть широко применялась в барометрах и манометрах.
• Ртутные вакуумные насосы были основными источниками вакуума в 19 и начале 20 веков.
• Ранее ртуть использовали для золочения поверхностей методом амальгамирования, однако в настоящее время от этого метода отказались из-за токсичности ртути.
• Соединения ртути использовались в шляпном производстве для выделки фетра.

Металлургия

• Металлическая ртуть применяется для получения целого ряда важнейших сплавов.
• Ранее различные амальгамы металлов, особенно амальгамы золота и серебра, широко использовались в ювелирном деле, в производстве зеркал.
• Металлическая ртуть служит катодом для электролитического получения ряда активных металлов, хлора и щелочей. Сейчас вместо ртутных катодов используют электролиз с диафрагмой.
• Ртуть используется для переработки вторичного алюминия (см. амальгамация)
• Ртуть хорошо смачивает золото, поэтому ей обрабатывают золотоносные глины для выделения из них этого металла. Эта технология распространена, в частности, в Амазонии.

Химическая промышленность

• Соли ртути использовали в качестве катализатора промышленного получения ацетальдегида из ацетилена (реакция Кучерова), однако в настоящее время ацетальдегид получают прямым каталитическим окислением этана или этена.
• Реактив Несслера используется для количественного определения аммиака.

Сельское хозяйство

Высокотоксичные соединения ртути, такие как хлорид ртути(I) (каломель), хлорид ртути (II) (сулема), мертиолят и другие используют для протравливания семенного зерна и в качестве пестицидов.

Токсикология ртути

Ядовиты только пары́ и растворимые соединения ртути. Металлическая ртуть не оказывает воздействия на организм. Пары могут вызвать тяжёлое отравление. Ртуть и её соединения (сулема, каломель, цианид ртути) поражают нервную систему, печень, почки, желудочно-кишечный тракт, при вдыхании — дыхательные пути (а проникновение ртути в организм чаще происходит именно при вдыхании её паров, не имеющих запаха). По классу опасности ртуть относится к первому классу (чрезвычайно опасное химическое вещество). Опасный загрязнитель окружающей среды, особенно опасны выбросы в воду, поскольку в результате деятельности населяющих дно микроорганизмов происходит образование растворимой в воде и токсичной метилртути. Ртуть — типичный представитель кумулятивных ядов.

• Органические соединения ртути (метилртуть и др.) в целом намного более токсичны, чем неорганические, прежде всего из-за их липофильности и способности более эффективно взаимодействовать с элементами ферментативных систем организма.

Гигиеническое нормирование концентраций ртути

Предельно допустимые уровни загрязнённости металлической ртутью и её парами:

• ПДК в населённых пунктах (среднесуточная) — 0,0003 мг/м³
• ПДК в жилых помещениях (среднесуточная) — 0,0003 мг/м³
• ПДК воздуха в рабочей зоне (макс. разовая) — 0,01 мг/м³
• ПДК воздуха в рабочей зоне (среднесменная) — 0,005 мг/м³
• ПДК сточных вод (для неорганических соединений в пересчёте на двухвалентную ртуть) — 0,005 мг/мл
• ПДК водных объектов хозяйственно-питьевого и культурного водопользования, в воде водоёмов — 0,0005 мг/л
• ПДК рыбохозяйственных водоёмов — 0,00001 мг/л
• ПДК морских водоёмов — 0,0001 мг/л

Демеркуризация

Очистка помещений и предметов от загрязнений металлической ртутью и источников ртутных паров называется демеркуризацией. В быту широко применяется демеркуризация с помощью серы. Так, например, если разбился градусник, раньше предлагали тщательно собрать все шарики ртути медицинской грушей (спринцовкой) в стеклянную банку с герметичной крышкой, а щели и неровности засыпать порошком серы (S). Сера вступает в химическую реакцию со ртутью при комнатной температуре, образуя нерастворимое и потому не ядовитое твердое вещество — сульфид ртути. Однако этот метод исключительно малоэффективен. Сера со ртутью легко реагирует только при тщательном растирании в ступке. Если насыпать на тяжелую ртуть легкий порошок серы, реакция практически не будет идти. Или пойдет чрезвычайно медленно. На самом деле следует тщательнейшим образом собрать все видимые (при ярком свете лампы!) капельки ртути в герметично закрывающуюся емкость. Для сбора крупных капель можно использовать пипетку с тонким носиком, а более мелкие капли нужно собрать амальгамированной (покрытой тончайшим слоем ртути) медной проволокой, которую нужно перед этим тщательно зачистить, чтобы ртуть смочила медь (лучше всего для этой цели подходит азотная кислота, в которую нужно на одну — две секунды опустить конец проволоки). Подойдет и оловянный припой. Налипшую ртуть следует стряхивать в ту же емкость, которую потом нужно сдать на утилизацию — туда же, куда сдают перегоревшие люминесцентные и энергосберегающие лампы, которые тоже содержат ртуть. Невидимые глазом, а также попавшие в щели капельки следует залить раствором хлорного железа FeCl₃, который превратит ртуть в неиспаряющуюся и малоядовитую каломель Hg₂Cl₂. В крайнем случае следует залить это место раствором «марганцовки» или йодной настойкой. Пол на следующий день нужно тщательно вымыть.

См. также

• Красная ртуть
• Болезнь Минамата
• Отравления ртутью
• Ртутная лампа
• Бром

Ссылки

• Ртуть на Webelements
• Ртуть в Популярной библиотеке химических элементов
• Кристаллохимия редких ртутных минералов
• Ртуть, физико-химические свойства и области применения на сайте «Горной энциклопедии»
• Месторождения ртути в открытой Геоэнциклопедии.