265 лет назад физик Йозеф Адам Браун впервые получил твердую ртуть, окончательно доказав право этого вещества называться металлом. До 2020 года ртутные градусники были самым популярным видом термометра в России, а потом были сняты с производства как опасные. О свойствах этого загадочного вещества и мерах предосторожности в работе с ним, рассказывает учёный Южного федерального университета.
«Правда ли, что ртуть можно собрать руками, и это не опасно?» — именно такой вопрос задала подписчица ЮФУ в социальных сетях Надежда Маницкая.
Отвечает доктор физико-математических наук, директор НИИ физики ЮФУ Илья Вербенко.
Ртуть — переходный металл, который при комнатной температуре представляет собой тяжёлую серебристо-белую жидкость. Это единственный металл, который находится в жидком состоянии при комнатной температуре. Ртуть широко применяется при изготовлении научных приборов, в ртутных лампах, термометрах, переключателях, выпрямителях.
Также известно, что ртуть — опасный загрязнитель окружающей среды, относится к 1-му классу опасности, а её испарения вызывают у человека тяжелые отравления. В большинстве стран запрещено свободное обращение с ртутью.
При этом многие жители постсоветского пространства вспоминают, что в детстве случайно или даже намеренно разбивали ртутные термометры, играли с «шариками», и отравление обходило их стороной. Отсюда и вопрос: не преувеличена ли опасность ртути?
«Правда ли, что ртуть можно собрать руками? Можно! Правда ли, что это не опасно? Опасно! Существует старый принцип: подобное растворяется в подобном, в науке он часто выражается через энергию поверхностного натяжения, и в случае контакта человеческой кожи и ртути работает в полной мере. Ртуть — металл, и с большой «настороженностью» относится ко многим неметаллическим субстанциям, в том числе и к человеческой коже, образуя максимально компактную форму шарика, защищая себя от нас и нас от себя», — объяснил Илья Вербенко.
Это значит, что обычное прикосновение к шарику ничем не грозит, испачкаться ртутью очень сложно. Проблемы могут возникнуть, если кожа повреждена.
«Вымыть ртуть, попавшую в рану, вряд ли удастся, а взаимодействие с кровью приведет к образованию солей ртути, и грозит серьезным отравлением. Опасны и пары ртути, возникновению которых будет способствовать наше тепло. Так что, чем бы вы ни собирали шарики ртути: бумагой, шприцом, скотчем или, что нежелательно, голыми руками, главное — беречь органы дыхания», — подчеркнул Илья Вербенко.
Опасен также контакт ртути и с некоторыми металлами: например, с золотом ртуть взаимодействует крайне охотно уже при комнатной температуре, образуя амальгаму. Это явление может необратимо испортить ювелирное изделие.
Долгое время учёные сомневались в том, можно ли причислить к металлам жидкость, пусть и обладающую такими металлическими свойствами, как тепло, электропроводность и металлический блеск. Окончательный вердикт помог вынести российский учёный 18 века.
В конце 1759 года в Петербурге стояли сильные морозы, которые доходили до –37°С. В эти дни в Петербурге академик Российской академии наук Йозеф Браун, с 1748 года живший в России, впервые заморозил ртуть искусственным методом. С помощью охлаждающих смесей он сумел понизить температуру до –56°С и таким образом получить твердую ртуть, которую можно было, по словам академика, «ковать, рубить и пилить».
О своей работе Браун рассказал на публичном заседании Академии наук в докладе «О удивительной стуже, искусством произведенной, от которой ртуть замерзла». Открытие замерзания ртути, сообщения о котором появились во множестве научных журналов, произвело настоящую сенсацию в учёном мире. Спустя несколько десятилетий, в 1785 году, петербургскими академиками была определена точная температура замерзания ртути — минус 39°С.
«Конечно, обнаружению подобного эффекта способствовал климат России, но для направленного проведения научного эксперимента ученому потребовался охлаждающий элемент. Йозеф Браун использовал в качестве такового ледяную баню, заправленную азотной кислотой, работа которой основана на Криоскопическом законе Рауля и подобна таянью льда на тротуаре под действием рассыпанной соли», — рассказал Илья Вербенко.
Особенность ртути в том, что это не совсем обычный металл. Притяжение между некоторым атомами в ней явно сильнее, чем между остальными, а её электронная структура почти самодостаточна, что приводит к уменьшению силы взаимодействия между фрагментами металла и позволяет тепловому движению разрушить наиболее слабые связи, обеспечивая возможность поступательного движения частиц. Таким образом, возникает жидкость, способная свободно менять свою форму.
Илья Александрович напомнил еще об одном эксперименте с ртутью, ставшем отправной точкой другого открытия, которое положило начало одному из самых удивительных направлений современной физики.
«В 1911 году норвежец Хейке Камерлинг-Онес помещал уже хорошо замороженную ртуть в жидкий гелий и пытался определить, как будут столь низкие температуры влиять на её электропроводность. Для чистоты эксперимента он измерял величину тока при помощи магнитной рамки и вычислял сопротивление по закону Ома. Сопротивление, как и положено для металла, уменьшалось, но вдруг при 4,2 К исчезло полностью. Исследователь отключил источник тока вообще и замкнул «ртутную цепь», но ток продолжал течь и без источника и не уменьшался. Последующие эксперименты не позволили зафиксировать значимого снижения тока в подобной цепи ни через час, ни через день, ни даже через годы. Явление движения тока без сопротивления получило название сверхпроводимости», — поделился Илья Вербенко.
Сверхпроводимость связана с эффектом возникновения пар электронов, так называемых Куперовских пар, которые, в отличие от образующих их частиц — электронов — способны перемещаться в рамках содержащей их среды без изменения энергии, хотя и имеют заряд, а значит, способны переносить электрический ток.
Использование ртути в науке столь многогранно, что по этой теме написаны сотни монографий. Ртуть уникальна и незаменима в качестве материала инструментов электрохимии, её используют в полупроводниковой технике и для создания сплавов с особыми свойствами.
«Соблюдение элементарных мер безопасности в лаборатории сводит риск для здоровья человека к минимуму. Грамотная организация процессов промышленной переработки также могла бы свести к минимуму разрушительное воздействие этого интересного элемента на окружающую среду и привнести очередную порцию чудес науки в нашу жизнь», — подытожил Илья Вербенко.