Жидкий металл при нормальных условиях

Обновлено: 15.05.2024

Если вы — представитель моего поколения и еще помните, что такое «ждать неделю, пока будет этот фильм по РТР» — то, вероятно, вас в детстве тоже интересовал вопрос «Как уничтожить Т-1000». Еще в школе друг сказал мне: «Тебе показали первого Терминатора, чтобы ты понял второго». Сейчас уже не могу сказать с уверенностью, но, наверное, именно терминатор Т-1000 впервые подтолкнул меня к мысли о том, что химия – это надстройка над физикой, а серебристые ковкие и плавкие металлы на самом деле очень разные. Но Т-1000, конечно, не просто жидкий металл. Он воплощает, как минимум, три технологических вектора, о которых мы и поговорим ниже: 1) создание миметических полисплавов («mimetic polyalloy»), 2) химические, электропроводные и теплопроводные свойства жидкого металла, 3) роевая робототехника в экстремально миниатюрном представлении. В этой статье (и, надеюсь, в комментариях тоже) мы постараемся не вдаваться в натяжки и сюжетные ходы франшизы, которая, все-таки, является художественным произведением, а не техническим заданием – и обсудим, какие технологии из проекта Т-1000 по капельке перетекают в реальность.

Остается лишь догадываться, из чего именно состоял Т-1000, так как Т-800 в сцене у телефонной будки и по пути в психиатрическую клинику Пескадеро описывает эту машину Джону Коннору лишь в самых общих чертах. Т-1000 состоит из сплава с адаптивными свойствами, который может не только принимать разнообразную форму, но и имитировать живые ткани и синтетические вещества, а также регулировать собственную плотность и вязкость. Скорее всего, минимальная фундаментальная единица (капелька) Т-1000 очень невелика. Возможно, каждая молекула Т-1000 сохраняет способность к самоорганизации и свойства всей машины. Сам сплав Т-1000, вероятно, состоит из неблагородных (переходных?) металлов, не легирован вольфрамом, молибденом или рением, так как теряет мобильность и становится хрупким при температуре около −196 °C (жидкий азот):

Кроме того, в пятой серии франшизы «Терминатор: Генезис» показано, что Т-1000 хорошо горит не только в расплаве, как в «Терминатор: Судный день», но и в кислоте (кстати, Т-800 выставляет Т-1000 под кислотный дождь, при этом Т-1000 сгорает начисто, а рука Т-800 лишь немного дымится):

Образ Т-1000 помогает задуматься о двух технологических изысках: во-первых, об удивительной функциональной универсальности жидкого металла (или сплава) и, во-вторых, о пределах миниатюризации роботов, которые могли бы координировать свои действия по принципу роя, сближаясь при этом по свойствам с клеточной культурой. Кстати, небиологическая живая система, представляющая собой рой роботов, была описана еще в романе Лема «Непобедимый», но там она не клеточная, а состоит из макроскопических металлических «букашек», то есть ближе именно к рою, но не к сплаву. Молекулы Т-1000 явно проявляют своеобразное «чувство кворума», к которому я здесь еще вернусь. Но хватит пока фантастики; рассмотрим, какие результаты в производстве жидкометаллических сплавов достигнуты на настоящий момент.

Физические свойства и инженерный потенциал жидкого металла

Металлы, остающиеся в жидком состоянии при комнатной температуре, обладают некоторыми уникальными преимуществами. В частности, они могут менять морфологию и двигаться, если воздействовать на них различными энергетическими полями, например, электрическими, магнитными или менять градиент концентрации. При динамическом движении (которое кажется автономным) иногда даже легко поверить, что металл ведет себя как живой. Но кроме жидких металлических сплавов сейчас разрабатываются и другие функциональные жидкости, роль которых в различных дисциплинах становится все важнее. Функциональная жидкость – это среда с совсем иными свойствами, нежели молекулярный раствор (скажем, водный или органический), что позволит запустить новые механизмы синтеза функциональных материалов. Функциональные жидкости можно воспроизводить с высоким разрешением, если непосредственно «писать» ими или использовать в микроинъекциях, благодаря их замечательной текучести. Такие материалы могли бы легко самозалечиваться, чем очень пригодились бы при создании гибких роботов, и, в то же время, могли бы легко разбрызгиваться и снова собираться. Такая возможность была бы очень важна в биомедицинских контекстах, например, при доставке лекарств. Многие жидкометаллические вещества сосуществуют в твердом и жидком агрегатном состоянии, поэтому могли бы запасать энергию при таком фазовом переходе, что совершенно невозможно при работе с неизменно жесткими материалами. Основные классы веществ такого рода – это жидкие металлы, ионные жидкости и жидкие кристаллы.

Жидкие металлы (сплавы) – это новый класс материалов, состоящих из постпереходных металлов. Их сплавы имеют исключительно низкие точки плавления. Например, температура плавления галлия (Ga) составляет 29,8°C – то есть, он тает в руках. Первая научно-популярная книга Сэма Кина по химии называется «Исчезающая ложка» и отсылает именно к салонному химическому приколу XIX века. Галлий внешне похож на алюминий, поэтому, если изготовить из него чайную ложку, то в горячем чае она растворится. Но галлий остается в жидком состоянии при температуре до -80°C, если заливать его в специальные трубочки. Соответственно, галлий может использоваться в качестве наполнителя для точных термометров в очень широком диапазоне. На основе галлия можно получать сплавы, демонстрирующие уникальное фазоразделение, объясняемое разницей в температурах плавления компонентов этих сплавов. Если искусственно варьировать давление и насыщенность среды электронами, жидкие сплавы можно превращать в отличные растворы для реакций. Например, существует жидкий сплав галинстан или ингас (GaInSn), состоящий примерно из 68,5% галлия, 21,5% индия и 10% олова. При добавлении в него небольшого количества гадолиния (Gd) данная смесь спонтанно намагничивается и проявляет термомагнитные свойства. Подобные сплавы на основе галлия сочетают электромагнитные и теплопроводные свойства металла с текучестью, поэтому в будущем хорошо подошли бы для создания гибкой электроники, в частности, носимой — так как сплавы галлия биосовместимы и нетоксичны. Из явных недостатков галлиевых сплавов на Хабре отмечена несовместимость галлия с алюминием и плохая совместимость с медью, которые повсеместно применяются в приборостроении и электронике.

Галлиевые микромашины

Микро/наномоторы (MNMT) разрабатываются для выполнения тонких операций в микро- и наномасштабе, в частности, внутри человеческого тела. Кроме упомянутой выше доставки лекарств и другой полезной нагрузки, такие машины могут применяться при лечении опухолей, обеззараживании, точной хирургии. Применение подобных машин основано на преобразовании химической или физической энергии в кинетическую. Производительность MNMT в наибольшей степени зависит от собственных свойств того материала, из которых они изготовлены. Изначально большинство таких машин изготавливалось из золота, платины и металлических оксидов (ZnO, Cu₂O), поскольку в пероксиде водорода им можно придать ускорение при помощи химического градиента. Но в биомедицине такое химическое топливо оказалось токсичным для человека, а сами машины – слишком жесткими и негибкими. Они легко повреждают и рвут тонкие канальцы, которые в организме повсюду. Для снижения токсичности и улучшения биосовместимости таких машин проектируются модели на основе полимеров и биогибридные машины. В целом такие модели нестабильны и быстро распадаются. Именно поэтому наилучшим компромиссным решением кажутся машины из жидкого металла.

При температуре, близкой к комнатной, в жидком состоянии находятся несколько металлов: цезий, точка плавления = 28.5 °C, франций = 27 °C, рубидий = 39.3 °C, ртуть = −38.8 °C и галлий 29.8 °C. При этом ртуть очень токсична, цезий и рубидий – слишком химически активные, а франций, к тому же, радиоактивен и встречается в следовых количествах. По сравнению со всеми этими веществами токсичность галлия минимальна, кроме того, его сплавы с индием и оловом стабильны с химической точки зрения. Особыми свойствами галлиевых сплавов, наряду с упомянутыми выше, являются фототермические и фотодинамические характеристики, а также реагирование на внешние стимулы и каталитические свойства. Поэтому из галлиевого сплава потенциально можно изготовить аппаратный аналог нейрона. Также такие машины могут применяться в микрогидродинамике, томографии, обнаружении раковых клеток, устранении сосудистой эмболии.

Но вернемся к тому, что управляемость галлия (а также его сплавов) повышается в узких трубочках. В таких ограниченных пространствах сплав остается в жидком состоянии, а также реагирует на магнитные и электрические воздействия, и даже на свет. Именно поэтому галлиевые сплавы перспективны для производства микромашин. В настоящее время одна из основных сложностей при проектировании таких устройств – добиться, чтобы они автономно двигались в узких каналах к месту назначения и по прибытии выполняли относительно сложные задачи, хотя бы доставку активного вещества. В таких каналах галинстановые микромашины двигались бы гораздо быстрее твердых аналогов и даже могли бы ускоряться и менять направление движения под действием магнитного поля. Чем уже канал, тем быстрее может двигаться в нем галинстановая машина; установлено, что такое явление обусловлено электроосмосом. В качестве сил, обеспечивающих движение жидкой микромашины в узком канале, известны, например, ускорение при помощи водородных пузырьков, давления, ионного градиента, ультразвука, ионного и магнитного поля. Доказано, что в щелочном растворе (NaOH) жидкометаллические галлиевые машины под действием электрического поля движутся к катоду. Их можно ускорить, если расширять каналы, по которым они движутся, и направлять, деформируя эти каналы нужным образом.

Тем не менее, такое движение не вполне полноценно, поскольку требует постоянного внешнего воздействия и осуществимо только в лабораторных условиях. Ситуация осложняется тем, что наноразмерные машины вынуждены преодолевать поверхностное натяжение жидкости, которое при их масштабах существенно ограничивает движение. Поэтому следующее поколение жидких наномашин должно не только самостоятельно извлекать энергию для движения, но и обрастать защитным слоем, который позволит им дольше функционировать в растворах с меняющимся кислотно-щелочным балансом.

Самодвижущиеся микромашины

Синтетические самопитаемые моторы, способные спонтанно преобразовывать химическую энергию в механическую активность, тем самым обеспечивая автономную локомоцию, отлично подошли бы для создания миниатюрных роботов с функциями сенсоров или детекторов. На основе галинстана сконструированы микродвигатели миллиметровых и сантиметровых размеров. Такие машины плавают в круглой чашке Петри либо в узких каналах с разной структурой, развивая скорость до нескольких сантиметров в секунду, причем сохраняют работоспособность до 1 часа без внешнего источника энергии. Металл легко деформируется и восстанавливает форму, но, кроме того, двигатель проявляет "биомиметические" свойства, сближающие его с моллюском. Подобно тому, как моллюск поглощает кремний, обрастая раковиной, галлий амальгамируется алюминием. Активность этого процесса зависит от нескольких факторов, в том числе, объема двигателя и содержания алюминия в растворе (для такого обрастания применяются растворы хлорида натрия или карбоната натрия). В щелочном растворе (например, гидроксида натрия) алюминиевый слой разъедается, выделяются пузырьки водорода, которые также обеспечивают движение микромашины. Тем не менее, в имеющихся на данный момент галлиевых микромашинах такое движение остается подобным броуновскому, то есть, неуправляемым. Чтобы придать нужный вектор такому движению, микромашины все-таки нужно направлять извне – например, при помощи лазера. Естественно, чтобы машина реагировала на лазер, в ней должны быть светочувствительные элементы. Комбинация галлиевых сплавов со светочувствительными соединениями, например, с диоксидом титана, подводит нас к следующему интересному аспекту: оказывается, жидкометаллическая поверхность может проявлять черты «аппаратного нейрона».

Тактильные жидкометаллические компоненты и мышцы для роботов

На основе жидкого металла робота можно оснастить светочувствительными и тактильными функциями. Так, показана возможность встроить в растяжимый силиконовый носитель сеть канальцев, наполненных жидким сплавом – и добиться, чтобы при нагревании этот материал менял цвет. Аналогичное изменение цвета происходит в ответ на механическое давление. Эта примитивная логика подобна той, по которой осьминог меняет цвет, реагируя на внешние раздражители. Кожа осьминога пронизана большим количеством нервов, и для него изменение окраски – это камуфляж; мягкий робот, в свою очередь, может менять цвет в зависимости от совершаемого действия. Доказано, что изменение цвета кожи у осьминога не регулируется мозгом; это именно реакция нейронов на входящий сигнал. Материалы, из которых изготавливаются мягкие роботы, электропроводимостью не обладают, а вот жидкометаллические капли – напротив, проводят как электричество, так и тепло. Галийсодержащая начинка может реагировать и на силу схвата, и на форму объекта, захваченного роботом. Можно уже на этапе изготовления детали для робота подмешать в полимер галлий-индиевый сплав. Исходно он концентрируется в виде капелек, но в ответ на механическое воздействие капли выстраиваются в сетку, подобно нейронам. Если в полимерном материале возникают трещины или дыры, то «нейронная сеть» спонтанно перегруппируется, и материал сохраняет электропроводимость. Более того, из жидкометаллического эластомера можно изготавливать мускулоподобные структуры, которые не только меняют и удерживают форму, необходимую для работы, но и при нагревании возвращаются в исходное состояние. Если воздействовать на галлиевую составляющую такого материала электричеством, то он меняет форму так, как того требует оператор.

Чувство кворума

Наконец, возвращаемся к замечанию о том, что жидкометаллические машины – это почти рой; они могут действовать слаженно, если обладают датчиками для этой цели. Многоагентные системы такого рода могут коллективно выполнять сложные задачи, в частности, что-нибудь строить или искать. Прямые и косвенные методы координации позволяют роботам обмениваться информацией, динамически подстраиваясь под меняющиеся ситуации. У такого поведения есть хорошо известный (микро)биологический аналог, так называемое «чувство кворума» в бактериальных пленках. Оказываясь в питательной среде или окружив конкретную клетку, бактерии обмениваются химическими сигналами, благодаря которым вся колония или биопленка решает общую задачу. Такой механизм межклеточной коммуникации позволяет каждой бактерии оценивать размер популяции (сколько нас тут) и действовать в соответствии с этой информацией.

Наноразмерные роботы, обладающие подобным роевым интеллектом, могли бы воспроизводить подобное поведение в точном производстве или медицине. Кстати, бактерии, объединенные чувством кворума, зачастую представляют дополнительную опасность, поэтому микробиология внимательно изучает как раз подавление этого механизма (quorum quenching). Рассмотрим, как перенести этот механизм на рой роботов, в частности, как аппаратно реализовать аналог сигнальных молекул (автоиндукторов).

Заключение

Здесь я не решусь фантазировать о том, какого размера могла бы быть минимальная капля Т-1000, обладающая всеми свойствами его полисплава и, соответственно, являющаяся полноценным роботом. Вероятно, это может быть связано с минимальными возможными размерами транзистора (об этом рассказано в статье, перевод которой может появиться в блоге @Sivchenko_translate). В любом случае, этот небольшой экскурс в физику жидкого металла хорошо сужает круг гипотез, объясняющих многие свойства Т-1000, в частности, его термическую и химическую слабость. Было бы интересно предположить, что эта модель могла бы быть легирована скандием или молибденом для приобретения достаточной тугоплавкости и остроты режущих кромок. Основное отличие большинства описанных образцов от Т-1000 – в том, что для их функционирования нужна среда-носитель, а энергетический запас жидкометаллического робота пока также оставляет желать лучшего (робот требует регулярной или постоянной подпитки). Сейчас я полагаю, что на примере Т-1000 мы видим аппаратную реализацию сложной нейронной сети и наноразмерного роя роботов одновременно, что лишний раз заставляет задуматься, куда способны завести нас наши технологии.

Жидкий металл: подводные камни. Взгляд глазами химика

Написать эту статью меня сподвиг пост NotSlow Не так страшен жидкий металл. Там все просто: подстраховался от замыкания, нанес тонким слоем, прикрутил и радуйся низким температурам. Но так ли все хорошо на самом деле?

Для начала нужно выяснить, что это за жидкий металл такой. Среди чистых металлов единственный, который может быть жидким при комнатной температуре — это ртуть. В здравом уме никто сейчас не станет применять ртуть в качестве термоинтерфейса из-за ее крайней токсичности и испаряемости. Два других становятся жидкими уже при температуре человеческого тела — это цезий и галлий. Цезий — это «фтор наоборот» по своей химической активности, он возгорается и взрывается от малейших следов воздуха и влаги и даже разрушает стекло. Остается галлий (на КПДВ именно он). При комнатной температуре галлий все же твердый, однако с некоторыми другими легкоплавкими металлами он образует эвтектики, плавящиеся при 20,5°С (галлий-олово) и даже 15,3 °С (галлий-индий). Еще ниже — в районе 5 °С — плавится тройная эвтектика галлий-индий-олово (62, 25 и 13% соответственно). Имеющиеся в продаже термоинтерфейсы типа «жидкий металл» — это как раз и есть сплавы на основе этих трех элементов, возможно с некоторыми дополнительными присадками.

Исходя из этого, ясны и подводные камни. Первый из них — это абсолютная несовместимость галлийсодержащих сплавов с алюминием!

Во времена, когда уроки химии в школе непременно сопровождались демонстрацией опытов, был среди них и опыт по амальгамированию алюминия. Алюминий покрывали слоем ртути и он тотчас начинал бурно окисляться, рассыпаясь прямо на глазах. Ртуть защищала алюминий от образования оксидного слоя и он образовывался уже на поверхности амальгамы, но не был способен остановить окисление, так как на поверхности жидкости он не удерживался сплошным слоем, растрескивался, и в трещинах открывалась свежая, неокисленная поверхность амальгамы.

Ровно так же действует и галлиевый сплав с той только разницей, что он способен буквально пропитывать алюминий насквозь, проникая в межкристаллитные промежутки. Алюминий, пропитанный жидким галлием, не только окисляется на глазах, но еще и крошится в руках.
Так что ЖМ следует держать от алюминия подальше. И это касается не только алюминиевых радиаторов: случайная капелька «жидкого металла» может уничтожить и корпус ноутбука, если тот из алюминиевого сплава, и любую другую алюминиевую деталь. Хотя бы корпус какого-нибудь конденсатора. Причем капелька эта является классическим катализатором — делает свое черное дело, не расходуясь сама.

Но и медь к галлию небезразлична. На рисунке выше я привел T-x диаграмму системы медь-галлий (из справочника «Диаграммы состояния двойных металлических систем» под ред. Лякишева), на которой видно бесчисленное множество интерметаллических соединений. Как только галлий вступит в контакт с медью, они тут же начинают образовываться. Жидкий галлий (к его сплавам это тоже относится) вообще очень охотно смачивает и металлы, и неметаллы, а явное химическое сродство этому крайне способствует. Так что «жидкий металл» будет просто впитываться в медь, образуя на границе между металлами корку интерметаллидов. Последние не являются металлами с физической точки зрения, они тугоплавки, хрупки и обладают плохой тепло- и электропроводностью, но главное — «жидкий металл» будет расходоваться на их образование и просто уйдет из зазора. Многие из тех, кто пробовал в деле ЖМ, сообщают, что со временем он перестает работать, и сняв радиатор, они обнаружили, что жидкий металл «испарился». Испариться он не мог — заметное давление пара у его компонентов появляется только свыше тысячи градусов — он просто впитался в медь, прореагировал с ней. Устранить это явление помогает никелевое покрытие на меди, хоть оно и является дополнительным препятствием для тепла.

Кстати, впитываемость галлия и его сплавов в металлы еще касается паяных соединений — помните про ту маленькую капельку, которая может разрушить алюминиевый корпус? Так вот, такая же капелька, попавшая на припой, сделает и его хрупкой, а пайку ненадежной. В какой-то момент это «сработает». Поэтому лично я бы держал «жидкий металл» как можно дальше от любой электроники.

И последнее, о чем следовало бы написать: «жидкий металл», увы, небезвреден. Галлий по некоторым данным сравним по токсичности с мышьяком, второй его компонент, индий — также является токсичным тяжелым металлом. В отличие от ртути сплавы на основе галлия все же абсолютно нелетучи при обычной температуре, так что отравиться их парами не получится, однако из-за своей способности легко прилипать ко всему на свете эти сплавы невероятно мазучие. Испачкать ими, к примеру, руки — легче легкого, а отмыть их до конца очень сложно. Потом это все попадет в рот. Поэтому — работаем с «жидким металлом» и всем, что с ним контактировало только в резиновых перчатках и отдельно от еды, питья и курения. И да, никогда не делайте так, как на КПДВ!

Ртуть

Ртуть (Hg, от лат. Hydrargyrum ) — элемент шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 80, относящийся к подгруппе цинка (побочной подгруппе II группы). Простое вещество ртуть — переходный металл, при комнатной температуре представляющий собой тяжёлую серебристо-белую жидкость, пары которой чрезвычайно ядовиты, контаминант. Ртуть — один из двух химических элементов (и единственный металл), простые вещества которых при нормальных условиях находятся в жидком агрегатном состоянии (второй такой элемент — бром). Название на английском - Mercury.

Тяжёлый жидкий металл серебристо-белого цвета

Содержание

1 История

1.1 Происхождение названия

2.1 Месторождения

7.1 Характерные степени окисления
7.2 Свойства металлической ртути

8.1 Медицина
8.2 Техника
8.3 Металлургия
8.4 Химическая промышленность
8.5 Сельское хозяйство

9.1 Гигиеническое нормирование концентраций ртути
9.2 Демеркуризация
9.3 Запрет использования содержащей ртуть продукции

История

Ртуть известна с древних времён. 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 твёрдость при помощи серы или мышьяка, то получится золото. Выделение ртути в чистом виде было описано шведским химиком Георгом Брандтом в 1735 году. Для представления элемента как у алхимиков, так и в настоящее 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 в твёрдом состоянии: ковкость, электропроводность и др.

Происхождение названия

Русское название ртути происходит от праслав. *rьtǫtь , связанного с лит. rìsti «катиться». Символ Hg заимствован от латинского алхимического названия этого элемента hydrargyrum (от др.-греч. ὕδωρ «вода» и ἄργυρος «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 обычных условиях киноварь и металлическая ртуть не растворимы в воде, но в присутствии некоторых веществ (Fe₂(SO₄)₃, озон, пероксид водорода) растворимость в воде этих минералов достигает десятков мг/л. Особенно хорошо растворяется ртуть в сульфидах щелочных металлов с образованием, например, комплекса HgS•nNa₂S. Ртуть легко сорбируется глинами, гидроксидами 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.

Одно из крупнейших в мире ртутных месторождений находится в Испании (Альмаден). Известны месторождения ртути на Кавказе (Дагестан, Армения), в Таджикистане, Словении, Киргизии (Хайдаркан — Айдаркен), Донбассе (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

До индустриальной революции осаждение ртути из атмосферы составляло около 4 нанограммов на 1 кубический дециметр льда. Природные источники, такие, как вулканы, составляют примерно половину всех выбросов атмосферной ртути. Причиной появления остальной половины является 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

Природная ртуть состоит из смеси 7 стабильных изотопов: 196 Hg (распространённость 0,155 %), 198 Hg (10,04 %), 199 Hg (16,94 %), 200 Hg (23,14 %), 201 Hg (13,17 %), 202 Hg (29,74 %), 204 Hg (6,82 %). Искусственным путём получены радиоактивные изотопы ртути с массовыми числами 171—210.

Получение

Ртуть получают обжигом киновари (сульфида ртути II) или металлотермическим методом:

HgS + O₂ ⟶ Hg + SO₂↑ HgS + Fe ⟶ FeS↓ + Hg

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.

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

РТУТЬ — «кровь дракона» в лампах и реакторах

Удивительный жидкий металл, который так любили алхимики и называли его «кровь дракона», «меркурий», живое или жидкое серебро. Может, не так неправы были алхимики, когда стремилась превратить «живое серебро» в золото. Ведь в таблице Менделеева элементы ртуть и золото стоят рядом. Их атомные структуры различаются всего на один электрон.

Философский камень в пиаре ртути

История ртути неразрывно связана с развитием алхимии. Ученые упорно искали «философский камень», способный превращать любой металл в золото. В этих исследованиях они истратили тонны ртути. Философского камня не нашли, но очень продвинули вперед минералогию, химию и многие смежные науки.

Познавательно: Торричелли, ученик Галилея, изобрел ртутный барометр. Прибор настолько точен, что им до сих пор оборудуют метеостанции, по нему проверяют работу других барометров.

Свойства

Ртуть — удивительный элемент. Он относится к металлам, но при нормальных условиях представляет собой тяжелую жидкость.

«Живое серебро» — металл малоактивный, в реакции с растворами кислот не вступает, но с царской водкой реагирует, как и с азотной и серной кислотами.

Характеристики ртути вызывают удивление:

При взаимодействии ртути с металлами жидкий металл образует двухъядерные катионы (Hg22+). Это редчайшее для металлов свойство.

Этот легкоплавкий металл при замораживании всего до 39°С затвердевает. Из него можно даже сковать колечко, но носить его не получится — на пальце металл «растает».

Свойства атома
Название, символ, номер	Ртуть / Hydrargyrum (Hg), 80
Атомная масса (молярная масса)	200,592(3)[1] 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	234,32 K (-38,83 °C)[2]
Температура кипения	629,88 K (356,73 °C)[2]
Уд. теплота плавления	2,295 кДж/моль
Уд. теплота испарения	58,5 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	27,98[3] Дж/(K·моль)
Молярный объём	14,81 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)
Номер CAS	7439-97-6

Металл имеет высокую плотность — 13,5 г/см3. Ведро, с налитой в него ртутью, не под силу поднять человеку — настолько оно тяжелое.

Плотность ртути при нормальных условиях — 13 546 кг/м3, при других температурах — в таблице ниже:

Температура в °С	Плотность (ρ), 103 кг/м3	Температура в °С	Плотность (ρ), 103 кг/м3
13,5950	50	13,4725
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

Месторождения

Уникальное, старейшее и крупнейшее в мире месторождение ртутных руд находится в Испании, в местности Альмаден. Добычу жидкого серебра там вели еще до новой эры.

Кроме этого, запасами ртути обладают:

Дагестан;
Словения;
Армения;
Киргизия;
Чукотка.

Самородная ртуть происхождением из киноварных руд.

Рассказ И. Ефремова «Озеро горных духов» получил неожиданное продолжение. В 2018 году на Аляске, под вечной мерзлотой обнаружили огромное озеро ртути. Ее там больше, чем общих запасов жидкого металла на планете. Пока мерзлота держит металл, опасности нет. Стоит растаять льдам — «живое смертоносное серебро» попадет в океан. Это будет глобальная экологическая катастрофа, а возможно, и конец жизни на Земле.

Применение

Ртуть широко применяется в разных сферах жизни:

В сельском хозяйстве (как гербицид, для протравки семян).
В медицине (лекарственные препараты).
Как катализатор в изготовлении уксусной кислоты.
Для изготовления приборов (термометры, полярографы, барометры, вакуумные насосы).
Люминесцентные лампы, выпрямители.
В качестве пигмента.
«Гремучая ртуть» применяется в качестве детонатора.
В атомно-водородной энергетике, чтобы разделить воду на водород и кислород.

В первых реакторах на БН (быстрых нейтронах) теплоносителем была ртуть.

Познавательно: в прошлом веке ртуть использовали в манометрах и барометрах. Поэтому долгое время давление измеряли в миллиметрах ртутного столба.

Польза «крови дракона» несомненна в разных отраслях промышленности. Однако она перечеркивается высокой токсичностью металла и его соединений.

Жидкое серебро в нашем доме

Почти в каждом доме есть ртутный градусник, и разбить его очень просто. Ртуть окажется на полу, это создаст опасность для здоровья.

Как правильно собрать шарики ртути:

Ртуть легко «прилипает» к оловянной фольге.
Если в доме есть азотная кислота — смочите в ней медную проволочку, и собирайте ртутные шарики в емкость (лучше стеклянную).
Попытайтесь собрать шарики шприцем без иглы.
Мелкие частички можно собирать скотчем.
Обработайте место разлива раствором марганцовки или хлорной извести.

Нельзя собирать разлившийся металл веником или пылесосом.

Познавательно: если вы купили термометр, а в нем красная жидкость — не думайте, что это легендарная красная ртуть. Это просто спиртовой, а не ртутный термометр.

Почем «кровь дракона»

Цена металлической ртути от 5 тыс. рублей за килограмм.

Соединения ртути имеют разную цену в зависимости от чистоты. ЧДА (чистый для анализа) — самые дорогие.

Мне 42 года и я специалист в области минералогии. Здесь на сайте я делюсь информацией про камни и их свойства — задавайте вопросы и пишите комментарии!

Жидкие металлы

При обычных температурах большинство металлов находятся в твердом состоянии. Чтобы сделать их жидкими, необходимо расплавить. Единственным природным исключением является ртуть. Остальные жидкие металлы - это искусственные сплавы.

Свойства жидких металлов

С жидкостями такие металлы роднит вязкость, диффузия и поверхностное натяжение. Однако сжимаемость у них значительно меньше. К тому же, как любой металл, они отражают электромагнитные волны. Плюс к этому, жидкие металлы унаследовали от представителей своей группы высокую тепло - и электропроводность и прочие «металлические» особенности.

Сочетание хорошей теплопроводности и значительной теплоемкости некоторых жидких металлов нашли для них применение в качестве теплоносителей. К примеру, натрий и калий используются в ядерных реакторах для охлаждения.

Для создания сплавов (с температурой плавления ниже 40 0 С) используются натрий, калий, олово, цинк, ртуть, галлий и прочие легкоплавкие металлы в различных пропорциях. Основным минусом таких соединений является высокая химическая активность или даже ядовитость, что серьезно сужает сферу их применения.

Но эта сложность была преодолена, и разработаны нетоксичные сплавы, в состав которых входит галлий:

Сплав

Температура плавления (С 0 )

галлий 95 %, цинк 5 %

галлий 82 %, олово 12 %, цинк 6 %

галлий 61 %, индий 25 %, олово 13 %, цинк 1 %

Применение жидких металлов

Термоинтерфейс, для простоты называемый «термопастой» - это термопроводящее вещество, располагающееся между поверхностью, нуждающейся в охлаждении и устройством, отводящим тепло.

Используются термопасты в радиоэлектронных устройствах, измерительной технике, бытовых компьютерах.

Требования к термопастам предъявляются серьезные. Они должны:

иметь минимальное тепловое сопротивление;
не изменять консистенции при работе или хранении;
сохранять стабильность в рабочем температурном диапазоне;
иметь устойчивость к коррозии и окислению;
быть негорючими и нетоксичными;
легко наноситься и, при необходимости, смываться;
в отдельных случаях необходимы еще и хорошие электроизоляционные свойства.

Высокий коэффициент теплопроводности жидких металлов позволяет с успехом их использовать в качестве термопаст.

Жидкий металл вместо термопасты

В компьютерах термопаста применяется для регулирования тепловыделения чипов на печатных платах. Чем мощнее процессор, тем большее тепло он выделяет при работе.

Чтобы избежать перегрева и выхода из строя процессора, поверх него устанавливается кулер - охлаждающий механизм. Между этими устройствами неизбежно возникает воздушная прослойка, которая снижает эффективность отвода тепла. Ликвидировать досадное неудобство как раз и призваны термопасты.

Одним из наиболее прогрессивных теплопроводящих материалов, полностью состоящий из жидких металлов, является продукт, созданный компанией «Coollaboratory» - Coollaboratory Liquid Pro.

Внешне он напоминает ртуть, но при этом абсолютно нетоксичен. В нем полностью отсутствуют твердые частицы и неметаллические добавки (оксиды, силикон и прочие).

У этого жидкого металла есть только одно неудобство: он разработан специально для высококачественных кулеров из меди и серебра. Алюминий, используемый в дешевых кулерах, не обладает достаточной устойчивостью при взаимодействии с Coollaboratory Liquid Pro.

Зато к несомненным плюсам нового жидкометаллического термоинтерфейса относится впечатляющая теплопроводность, в десятки раз превосходящая классические аналоги.

Читайте также: