Полезные свойства и применение ртути
Ртуть, благодаря своим удивительным свойствам, занимает особое место среди других металлов и широко используется в науке и технике.
Свойство ртути оставаться в жидком состоянии в интервале температур от 357,25 до —38,87° С является уникальным. При невысоких температурах ртуть инертна по отношению ко многим агрессивным жидкостям и газам, в том числе и к кислороду воздуха. Она практически не взаимодействует с концентрированной серной и соляной кислотами; ее используют при работе, например, с такими ядовитыми и агрессивными веществами, как бороводороды.
Ртуть применяется в электротехнике, металлургии, в медицине, химии, в строительном деле, сельском хозяйстве и многих других областях; особенно значительна ее роль в лабораторной практике.
Общеизвестно применение ртути в манометрах, вакуумметрах, термометрах, в многочисленных конструкциях затворов, прерывателей, высоко вакуумных насосах, всевозможных реле, терморегулирующих устройствах и пр.
Металлическую ртуть используют в качестве балластной, термостатирующей и уплотняющей жидкости, а пары ртути — как защитную атмосферу при нагревании металлов.
Ртуть широко применяют при электрохимических исследованиях и нормальных элементах Кларка и Вестона, обладающих стабильными значениями ЭДС, в электрометрах Липпмана, которые используются для изучения строения двойного электрического слоя, зависимости коэффициента трения от потенциала, межфазного поверхностного натяжения, смачиваемости и других явлений, в ртутно-сульфатных, ртутно-фосфатных, ртутно-окисных и ртутно-иодистых электродах сравнения, применяемых для измерения электродных потенциалов.
В 1922 г. Я. Гейровский разработал полярографический метод анализа с применением ртутного капельного электрода. Этим методом можно определять малые концентрации веществ (10-3— 10-4 моль/л), причем замена в полярографическом анализе ртути амальгамами, использование метода «амальгамной полярографии с накоплением», позволяют расширить возможности полярографии и повысить точность измерения на 3—4 порядка.
Ртуть и амальгамы успешно используют при амперометрическом и. потенцпометрическом титровании кулонометрическом анализе, а также при электролизе на ртутном катоде.
Ртуть часто применяют в качестве вспомогательного вещества при изучении металлических систем. Например, с ее помощью были уточнены диаграммы состояния бинарных сплавов никель — цинк, никель — олово, железо — марганец, хром — цинк и др.Она применяется в качестве растворителя для получения полупроводниковых материалов, в частности, для выращивания при низких температурах из насыщенных ртутных растворов a-олова монокристаллов серого олова. Пластинки, изготовленные из серого олова, обладают большой чувствительностью к инфракрасному излучению - позволяют обнаруживать электромагнитные волны длиною до 15 мкм.
Ртутные контакты используют для прецизионного определения удельного сопротивления кремния.
С помощью ртути изучают явления смачивания, пластификации и охрупчивания цинка, олова, меди, свинца, золота, латуни, алюминия, стали и титановых сплавов металловедении ртуть применяют для травления, для изучения диффузии.
Ее широко применяют для определения пористости активированных углей, силикагелей, керамических изделий и металлических покрытий. Известны поромегры, работающие при давлениях до 3500 aт и позволяющие определять поры диаметром до нескольких А.
Ртуть используют также для точной калибровки мерной посуды, бюреток, пипеток и пикнометров, для определения диаметра капиллярных трубок, в качестве компрессионной жидкости при определении газов в биологических жидкостях, в газоанализаторах различных систем, волюмометрах и т. д.
Сравнительно низкое давление пара при температурах, превышающих 500° С, дает возможность применять ртуть в качестве рабочего тела в энергетических установках, использующих для нагревания тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде, а также в мощных бинарных установках промышленного типа, в которых для генерации электрической энергии на первой ступени используют ртутно-паровые турбины, а на второй — турбины, работающие на водяном паре46-Б2. Коэффициент полезного действия бинарных установок превосходит КПД любых тепловых двигателей и даже таких совершенных конструкций, на двигатели внутреннего сгорания.
В ядерных реакторах, наряду с водою все шире начинают применять для отвода тепла жидкометаллические теплоносители, включая и ртуть. При этом значительно повышается КПД атомных установок и устраняются трудности, связанные с применением воды и водяного пара под высоким давлением.
Ртуть в качестве теплоносителя часто используют в химической промышленности, например, в процессе сульфирования нафталина, для дистилляции 2-нафтола, для разгонки смазочных масел, при получении ангидрида фталевой кислоты, при проведении крекинг-процесса и пр. В этом случае создается возможность проводить процессы при температурах до 800° С и одновременно обеспечивать равномерный нагрев всей реакционной массы. Ртуть также может служить катализатором, например, при получении уксусной кислоты.
В металлургии известен способ литья по расправляемым ртутным моделям. Отдельные части модели, изготовленные из замороженной ртути, легко свариваются в результате соприкосновения и небольшого сдавливания, что облегчает изготовление составных и сложных моделей; при последующем плавлении моделей из твердой ртути ее объем меняется очень незначительно, что позволяет вводить весьма небольшие допуски на размеры отливок. Таким способом можно получать прецизионные отливки исключительно сложных конфигураций и, в частности, детали для газовых турбин самолетов.
Небольшое давление паров ртути при обычных температурах было использовано также при создании различных ртутных ламп, среди которых первое место принадлежит лампам дневного света (ЛД, ЛДЦ, ЛБ, ЛХБ, ЛТБ и пр.).
Ртутные лампы низкого давления (—10-3 мм рт. ст. при 20— 40° С), изготовленные из кварцевого или увиолевого стекла, являются источниками резонансного излучения с длиною волны, равной 2537 и 1849 А. Они применяются в качестве бактерицидных и люминесцентных ламп. Бактерицидные ртутные лампы (БУВ-15, БУВ-30 и др.) работают в коротковолновой области ультрафиолетового излучения и применяются для стерилизации пищевых продуктов, воды, воздуха помещений и др. Люминесцентные ртутные лампы (ЭУВ-15, ЭУВ-30) работают в средневолновой части спектра ультрафиолетовых излучений и предназначены для лечебных целей.
Ртутные лампы низкого давления используют также для изучения спектров комбинационного рассеяния, для облучения ультрафиолетовыми лучами шкал различных приборов, ручек указателей н других приспособлений, покрытых светосоставом.
В ртутных лампах высокого давления (давление паров ртути 0,3—12 aт) интенсивное излучение происходит в ультрафиолетовой и синефиолетовой части спектра. Они используются для светокопировальных работ (ИГАР-2), для освещения производственных помещений, улиц и автомагистралей (ДРЛ); для физиотерапии, спектроскопии и люминесцентного анализа, в фотохимии; для копировальных работ используют также ртутно-кварцевые лампы РКС-2,5.
Ртутные лампы сверхвысокого давления (давление паров ртути в них достигает десятков и даже сотен атмосфер) работают при температурах до 1000° С.
Сочетание, в таких лампах светящейся дуги с огромной световой отдачей и яркостью позволяет использовать ртутные лампы сверхвысокого давления в прожекторах, спектральных приборах и в проекционной аппаратуре. Интенсивное излучение в фиолетовой и синей части спектра таких ламп используют для фотосинтеза, в люминесцентной микроскопии, для декоративных целей (светящиеся краски) и т. д.
Для повышения интенсивности излучения в желаемой области спектра в ртутных лампах часто вместо металлической ртути используют амальгамы цинка, кадмия и других металлов или добавляют в ртутные лампы галлоидные соединения таких металлов, как таллий, .натрий, индий и др.
Наряду с ртутными лампами не утратили своего значения также ртутные выпрямители электрического тока, которые не имеют себе равных по долговечности и простоте эксплуатации. Лишь в последнее время в технологии получения некоторых химических веществ, например, при производстве хлора и каустической соды, ртутные вентили начинают постепенно вытесняться кремниевыми выпрямителями, позволяющими использовать для электролиза выпрямленный ток до 25 000 а.
Ртуть находит также применение в электронной промышленности. Пары ртути используют в газотронах (ГР1-0.25/1.5; ВГ-236, ВГ-129), применяемых в передатчиках большой и средней мощности, в газонаполненных тиратронах и триодах. Ртуть применяют в ультразвуковых генераторах с пьезокварцевыми датчиками, в генераторах для высокочастотного нагрева и в других электронных приборах.
Ртуть широко применяют в вакуумной технике. Со времени изобретения Геде ртутных диффузионных насосов, усовершенствованных Лэнгмюром, прошло немногим более 50 лет. Эти насосы оказались незаменимыми при получении сверхвысокого вакуума (10-13 мм рт. ст.). Ртутные диффузионные насосы успешно применяют для создания вакуума в линейных ускорителях элементарных частиц, в устройствах, имитирующих условия космического пространства; в установках термоядерного синтеза, для откачки некоторых приборов, использующих фотоэмиссию.
Ртутным насосам отдают предпочтение при создании вакуума в чувствительных масспектрографах, в течеискателях, использующих водород, и других приборах.
Эти многочисленные применения ртутных насосов объясняются тем, что ртуть обладает важными преимуществами по сравнению с органическим или силиконовыми маслами, используемыми в паро-масляных диффузионных насосах. Одно из этих преимуществ заключается в том, что ртуть, являясь простым веществом, не разлагается на составные части и не загрязняет в такой мере стенки откачиваемых приборов, как ингредиенты жидкостей, используемых в паромасляных насосах.
Способность ртути давать амальгамы (истинные или коллоидные растворы металлов в ртути), даже несмотря на незначительную растворимость в ней большинства металлов, имеет исключительное значение. Б последние годы в связи с широким использованием амальгам была создана новая отрасль промышленности, названная амальгамной металлургией. С помощью амальгам осуществляется комплексная переработка полиметаллического сырья, получают тонкоднеперсные металлические порошки, многокомпонентные сплавы заданных составов, чистые и сверхчистые металлы, содержание примесей в которых не превышает 10-6—10-8 вес. %. В некоторых случаях степень рафинирования металла оказывается настолько значительной, что существующие методы анализа не в состоянии обнаружить примесей в конечном продукте. Методом амальгамной металлургии можно получать металлы любой чистоты, в зависимости от чистоты исходных материалов — химических реактивов, воды, аппаратуры и т. д.
При нагревании амальгам до высокой температуры происходит отгонка ртути, и в результате получают металл в виде мелкодисперсных пирофорных порошков или компактной массы, содержащей ничтожные следы ртути. Эта особенность амальгам используется в порошковой металлургии; с помощью технологических приемов удается получать многокомпонентные сплавы любых концентраций из тугоплавких металлов или металлов, один из которых имеет низкую температуру плавления, а другой — превышающую 1500— 2000° С.
Многие металлы и сплавы, включая и такие практически нерастворимые в ртути, как сталь, платина, титан, пермаллой и другие, при удалении с их поверхности окисной или адсорбированной пленки покрываются тонким слоем ртути. Это свойство также нашло применение в лабораторной практике и в промышленности. Например, его используют при получении каустической соды и хлора методом электролиза водных растворов хлоридов щелочных металлов на ртутном катоде, предварительно амальгамируя днища стальных электролизеров. Амальгамирование до настоящего времени используют в золотодобывающей промышленности для отделения золота от породы с последующей отгонкой ртути, хотя в последнее время этот способ, имеющий многовековую историю, заменяется более прогрессивным способом цианирования.
В электрохимии и аналитической химии, при полярографическом анализе часто применяют амальгамированные платиновые электроды и т. д.
Амальгамы щелочных и щелочноземельных металлов, цинка, алюминия и других элементов используют в препаративной химии для восстановительных реакций. Например, амальгамы щелочных металлов служат для получения водорода и каустической соды при взаимодействии с водою, для восстановления кислорода до перекиси водорода, двуокиси углерода до формиатов и оксалатов. Окислы азота, при взаимодействии с амальгамами щелочных металлов, восстанавливаются до соответствующих нитритов, окислы хлора — до хлоритов соответствующих щелочных металлов, двуокись серы — до гидросульфита. Известны также способы получения гидридов щелочных металлов, мышьяка и германия, а также других элементов. С помощью амальгам можно восстанавливать в различных средах ноны металлов до свободных металлов, производить разделение редкоземельных элементов, а также их выделение.
Амальгамы используют также для восстановления органических соединений: для гидрирования кратных углерод-углеродных связей, для восстановления гидроксильных, карбонильных и карбоксильных групп, для восстановления галогено- и азотсодержащих групп, для получения ртутноорганических соединений.
В промышленности эти амальгамы применяют для получения алкоголятов щелочных металлов, которые затем используют при изготовлении различных красителей и лечебных препаратов — сульфамидов, барбитуратов и витаминов; для восстановления ароматических ннтросоединений до аминов, которые в свою очередь используют при изготовлении всевозможных азокрасителей; для получения шестиатомных спиртов (d-сорбита и d-маннита) путем восстановлении d-глюкозы и d-маннозы. Полученные спирты применяют при производстве специальных сортов бумаги, витамина С, эфиров, искусственных смол; амальгаму натрия используют для получения d-рибозы, которая служит исходным продуктом при синтезе витамина В2.С помощью амальгам щелочных металлов получают салициловый альдегидов, пинакон который является исходным продуктом при синтезе диметилбутадиенового каучука, глиоксиловую кислоту используемую при синтезе душистых веществ, например, ванилина, при получении галогенсодержащих олефинов и многих других веществ.
Не менее широко применяют амальгамы для получения перекиси натрия, хлорида и гидросульфата натрия и т. д.