Амальгама

Амальгама — это сплав ртути с одним или несколькими другими металлами. В зависимости от пропорций компонентов амальгамы могут находиться в жидком, пастообразном или твёрдом состоянии. Свойства амальгамы, такие как температура плавления, твёрдость и химическая активность, существенно отличаются от свойств исходных металлов. Амальгамы известны с древности и находят применение в различных областях — от добычи золота до стоматологии и электрохимии.

История

Способность ртути растворять другие металлы была известна ещё в античности. Древнегреческие и римские авторы, в частности Плиний Старший, описывали использование ртути для извлечения золота из руд. В Средние века амальгамирование применялось алхимиками, которые считали ртуть одним из первоэлементов. В XVI веке немецкий учёный Георгий Агрикола в своём труде «О горном деле и металлургии» подробно описал процесс получения золота с помощью амальгамы.

В XVIII—XIX веках амальгамация стала основным методом извлечения благородных металлов (золота и серебра) из руд в промышленных масштабах. Этот метод, известный как «патио-процесс» (для серебра) и «ртутное амальгамирование» (для золота), широко применялся в испанских колониях в Америке. В XIX веке амальгамы начали использоваться в стоматологии: в 1819 году французский химик Огюст Траво предложил серебряную амальгаму для пломбирования зубов. В XX веке с развитием электрохимии и металлургии амальгамы стали применяться в производстве хлора и щелочей, а также в качестве электродов в химических источниках тока.

Физико-химические свойства

Амальгамы образуются в результате растворения металлов в ртути. Процесс может протекать как при комнатной температуре (для легкоамальгамируемых металлов, таких как натрий, калий, золото), так и при нагревании. Свойства амальгамы зависят от соотношения ртути и металла-растворителя.

Типы амальгам по агрегатному состоянию

• Жидкие амальгамы — содержат высокую долю ртути (более 80-90 %). Примеры: амальгама натрия, амальгама калия. Они представляют собой подвижные жидкости, похожие на ртуть, но с изменённой реакционной способностью.
• Пастообразные амальгамы — промежуточное состояние, при котором амальгама теряет текучесть, но остаётся пластичной. Характерны для серебряных и медных амальгам, используемых в стоматологии.
• Твёрдые амальгамы — образуются при высоком содержании металла (например, амальгама золота с содержанием золота более 10-15 %). Они могут быть хрупкими или, наоборот, обладать высокой твёрдостью.

Химическая активность

Амальгамы часто обладают пониженной химической активностью по сравнению с чистым металлом. Например, натрий в чистом виде бурно реагирует с водой, выделяя водород, тогда как амальгама натрия реагирует с водой значительно медленнее. Это свойство используется в химической технологии для проведения контролируемых реакций. В то же время амальгамы благородных металлов (золота, серебра) химически инертны.

Классификация

Амальгамы классифицируют по нескольким признакам.

По составу

• Бинарные амальгамы — сплав ртути с одним металлом (например, амальгама серебра, амальгама цинка).
• Многокомпонентные амальгамы — содержат два и более металла, растворённых в ртути. Типичный пример — стоматологическая амальгама, которая может включать серебро, олово, медь и цинк.

По применению

• Технические амальгамы — используются в промышленности (например, амальгама натрия в производстве хлора).
• Стоматологические амальгамы — применяются в зубопротезировании.
• Лабораторные амальгамы — используются в химических исследованиях и в качестве электродов.

Применение

Добыча золота и серебра

Амальгамация — один из старейших методов извлечения благородных металлов из руд. Рудный материал измельчают и смешивают с ртутью. Ртуть смачивает частицы золота или серебра, образуя амальгаму, которая затем отделяется от пустой породы. Амальгаму нагревают, ртуть испаряется (и конденсируется для повторного использования), а золото или серебро остаётся в чистом виде. В настоящее время этот метод практически вытеснен цианированием из-за высокой токсичности ртути и экологических рисков, однако в кустарной добыче в некоторых странах (например, в Индонезии, Бразилии, странах Африки) он применяется до сих пор.

Стоматология

Стоматологическая амальгама — один из самых распространённых пломбировочных материалов в XX веке. Она представляет собой сплав ртути с серебром, оловом, медью и цинком. Амальгама обладает высокой прочностью, износостойкостью и долговечностью (срок службы пломбы может достигать 10–15 лет и более). Однако в конце XX — начале XXI века её использование сократилось из-за опасений по поводу токсичности ртути. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) и национальные стоматологические ассоциации признают амальгаму безопасной при правильном применении, но в ряде стран (например, в Швеции, Норвегии, Дании) её использование ограничено или запрещено. В России стоматологическая амальгама допускается к применению, но уступает по популярности композитным материалам.

Электрохимия

Амальгамы используются в качестве электродов в электрохимических процессах. Например, амальгама натрия применяется в промышленном производстве хлора и гидроксида натрия (каустической соды) методом электролиза раствора хлорида натрия с ртутным катодом. Этот процесс, известный как «ртутный метод», позволяет получать чистый хлор и щёлочь, но из-за экологической опасности ртути в большинстве стран заменён мембранным методом.

Амальгама цинка используется в качестве анода в некоторых типах гальванических элементов, например, в элементах Вестона (нормальный элемент) для точных измерений напряжения.

Химический синтез

Амальгамы щелочных металлов (натрия, калия) применяются в органическом синтезе как восстановители. Благодаря пониженной реакционной способности по сравнению с чистыми металлами, они позволяют проводить реакции в мягких условиях. Например, амальгама натрия используется для восстановления альдегидов и кетонов до спиртов, а также для получения некоторых металлоорганических соединений.

Производство зеркал

В прошлом амальгама олова использовалась для изготовления зеркал. На стеклянную поверхность наносили тонкий слой оловянной амальгамы, которая после застывания образовывала отражающий слой. Этот метод был известен с XVI века, но в XIX веке был вытеснен химическим серебрением, а затем алюминированием.

Токсичность и экологические аспекты

Основную опасность при работе с амальгамами представляет ртуть, которая является токсичным веществом. Пары ртути при вдыхании могут вызывать хроническое отравление, поражающее нервную систему, почки и лёгкие. Поэтому производство и применение амальгам, особенно в промышленных масштабах, требует строгих мер безопасности: герметизации оборудования, вентиляции, использования средств индивидуальной защиты.

Стоматологические амальгамы считаются безопасными для пациентов, так как ртуть в связанном состоянии (в виде интерметаллических соединений) выделяется в ничтожных количествах. Однако при удалении старых амальгамовых пломб образуются пары ртути, что требует особых мер предосторожности. Утилизация отходов, содержащих амальгаму, должна проводиться в соответствии с экологическими нормативами.

В 2013 году была принята Минаматская конвенция по ртути — международное соглашение, направленное на сокращение использования ртути и её соединений. Конвенция предусматривает поэтапный отказ от производства и использования стоматологической амальгамы, а также ограничение применения ртути в горнодобывающей промышленности. Россия подписала и ратифицировала Минаматскую конвенцию.

Интересные факты

• Амальгама золота может быть жидкой при комнатной температуре, если содержание золота не превышает 10–15 %. Это свойство используется в ювелирном деле для золочения.
• В XIX веке амальгаму предлагали использовать для консервации пищевых продуктов, но этот метод не получил распространения из-за токсичности.
• Амальгама натрия является сильным восстановителем и используется в лабораторной практике для получения малоактивных металлов из их оксидов.
• В древнем Китае амальгаму применяли для амальгамирования бронзовых зеркал, чтобы придать им блеск.

Источники

• Амальгама // Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1.
• Амальгама // Большая советская энциклопедия. — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969—1978.
• Стоматологическая амальгама: свойства, применение, безопасность // Стоматология. — 2015. — № 4.
• Минаматская конвенция о ртути. — ООН, 2013.
• Greenwood N. N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. — 2nd ed. — Butterworth-Heinemann, 1997.