Бром

Бром — химический элемент 17-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы седьмой группы) четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 35. Обозначается символом Br (от лат. Bromum). При нормальных условиях представляет собой тяжёлую, едкую, красно-бурую жидкость с резким, удушливым запахом. Является единственным неметаллом, остающимся жидким при комнатной температуре. Относится к галогенам, обладает высокой химической активностью.

История открытия

Бром был открыт в 1826 году французским химиком Антуаном Жеромом Баларом. Он исследовал маточные рассолы соляных промыслов Монпелье (средиземноморское побережье Франции) в поисках новых веществ. При пропускании хлора через раствор маточного рассола Балар заметил появление интенсивной жёлто-красной окраски. После экстракции и очистки он выделил красно-бурую жидкость с характерным запахом. Первоначально Балар предложил название «мурид» (от лат. muria — рассол), однако Французская академия наук утвердила название «бром» (от др.-греч. βρῶμος — зловоние, дурной запах), подчеркнув его резкий запах.

Независимо от Балара, в 1825—1826 годах бром был получен немецким химиком Карлом Якобом Лёвигом, который обрабатывал крепкий щёлок из соляных источников хлором и извлекал образующийся продукт эфиром. Однако Лёвиг не опубликовал своё открытие своевременно, и приоритет остался за Баларом.

Нахождение в природе

Бром — редкий элемент. Его кларк (среднее содержание в земной коре) составляет около 1,6×10⁻⁴ % по массе. В природе бром встречается преимущественно в виде рассеянных соединений, часто сопровождая хлор.

Основные природные источники брома:

• Морская вода — содержит в среднем 65 мг/л брома в виде бромид-ионов Br⁻. Общее количество брома в Мировом океане оценивается в 1×10¹⁵ тонн.
• Рассолы соляных озёр — в некоторых замкнутых водоёмах (например, Мёртвое море, озеро Эльтон) концентрация бромидов значительно выше, достигая 4—5 г/л.
• Подземные рассолы — воды нефтяных и газовых месторождений часто содержат значительные количества брома (до 1—2 г/л и выше).
• Соединения в осадочных породах — бром входит в состав некоторых минералов (бромаргирит AgBr, эмболит Ag(Cl,Br)), но промышленного значения они не имеют.

Изотопный состав

В природе бром представлен двумя стабильными изотопами: ⁷⁹Br (50,69 %) и ⁸¹Br (49,31 %). Известно более 30 искусственных радиоактивных изотопов с массовыми числами от 67 до 98 и периодами полураспада от долей секунды до нескольких часов. Наиболее долгоживущий из них — ⁷⁷Br (период полураспада 57 часов).

Физические свойства

При нормальных условиях бром — тяжёлая (плотность 3,105 г/см³ при 20 °C) красно-бурая жидкость с резким запахом. Температура плавления −7,25 °C, температура кипения +58,8 °C. При охлаждении ниже температуры плавления образует хрупкие кристаллы ромбической сингонии тёмно-красного цвета. Пары брома имеют жёлто-бурый цвет, тяжелее воздуха (плотность пара по воздуху около 5,5), токсичны и сильно раздражают слизистые оболочки.

Бром ограниченно растворим в воде (3,58 г на 100 г воды при 20 °C), образуя «бромную воду» — раствор жёлто-оранжевого цвета. Значительно лучше растворяется в органических растворителях: сероуглероде, хлороформе, четырёххлористом углероде, диэтиловом эфире. Растворы брома в этих растворителях имеют окраску от жёлтой до красновато-коричневой в зависимости от концентрации.

Химические свойства

Бром является сильным окислителем, но по активности уступает хлору и фтору. Его электроотрицательность по Полингу — 2,96. В соединениях проявляет степени окисления от −1 до +7.

Взаимодействие с простыми веществами

• С металлами — реагирует энергично, часто с воспламенением, образуя бромиды (NaBr, MgBr₂, AlBr₃). Реакция с алюминием протекает с выделением большого количества тепла.
• С неметаллами — взаимодействует с водородом (при нагревании), фосфором (с воспламенением), серой. С кислородом непосредственно не реагирует.
• С галогенами — с хлором и фтором реагирует, образуя соединения с положительной степенью окисления брома (BrCl, BrF₃, BrF₅). С йодом образует смешанные галогениды (IBr).

Взаимодействие со сложными веществами

• С водой — обратимая реакция с образованием бромоводородной и бромноватистой кислот: Br₂ + H₂O ⇄ HBr + HBrO. Реакция сильно смещена влево.
• Со щелочами — при комнатной температуре образуются бромид и гипобромит (соль бромноватистой кислоты), при нагревании — бромид и бромат.
• С органическими веществами — бром легко присоединяется по кратным связям (реакция бромирования алкенов), а при нагревании или на свету замещает атомы водорода в алканах и ароматических соединениях (реакция замещения).

Получение

Промышленное получение брома основано на окислении бромид-ионов, содержащихся в природных рассолах и морской воде. Основной метод — вытеснение брома хлором:

2Br⁻ + Cl₂ → Br₂ + 2Cl⁻

Процесс включает несколько стадий:

1. Подкисление исходного рассола серной кислотой.
2. Обработка рассола хлором в специальных колоннах.
3. Отдувка выделившегося брома водяным паром или воздухом.
4. Конденсация паров брома и его очистка (ректификация).

В России основным источником брома служат подземные рассолы нефтяных месторождений и воды соляных озёр (озеро Эльтон, озеро Баскунчак). Крупные производители брома в мире — США, Израиль (Мёртвое море), Китай, Иордания.

Применение

Бром и его соединения находят широкое применение в различных отраслях промышленности и науки.

В химической промышленности

• Синтез органических соединений — бром используется для получения бромидов, броморганических соединений, красителей, фармацевтических препаратов.
• Огнезащитные составы (антипирены) — броморганические соединения (тетрабромбисфенол А, декабромдифениловый эфир) добавляют в пластмассы, текстиль, строительные материалы для снижения горючести. В последние годы использование некоторых бромсодержащих антипиренов ограничивается из-за их токсичности и способности накапливаться в окружающей среде.

В фотографии

Бромид серебра (AgBr) — светочувствительное соединение, исторически являвшееся основой фотографических эмульсий для плёнок и фотобумаги. С развитием цифровой фотографии применение бромида серебра в этом качестве резко сократилось.

В медицине

• Седативные средства — бромиды натрия и калия (бромиды) в XIX — первой половине XX века широко применялись как успокаивающие и противосудорожные средства. В современной медицине их использование ограничено из-за низкой эффективности и побочных эффектов (бромизм).
• Дезинфицирующие средства — бромсодержащие соединения (например, бромхлор-5,5-диметилгидантоин) используются для обеззараживания воды в бассейнах и системах водоснабжения.

В аналитической химии

Бром и его соединения применяются для качественного и количественного анализа (броматометрия, определение непредельных соединений по присоединению брома).

В других областях

• Нефтедобыча — бромиды кальция и цинка используются в качестве тяжёлых жидкостей для глушения скважин.
• Производство аккумуляторов — бром участвует в электрохимических процессах в проточных редокс-батареях (цинк-бромные аккумуляторы).

Токсикология и биологическая роль

Бром и его пары чрезвычайно токсичны. Предельно допустимая концентрация (ПДК) паров брома в воздухе рабочей зоны — 0,5 мг/м³. При контакте с кожей жидкий бром вызывает сильные химические ожоги. Вдыхание паров приводит к раздражению слизистых оболочек, кашлю, головокружению, в тяжёлых случаях — к отёку лёгких и смерти. При попадании внутрь вызывает тяжёлое отравление.

Биологическая роль брома для человека и животных изучена недостаточно. Считается, что бром в микроколичествах может участвовать в регуляции работы щитовидной железы и центральной нервной системы, однако его дефицит в организме не описан. Избыток брома (бромизм) проявляется угнетением нервной системы, кожными высыпаниями, нарушением пищеварения.

Интересные факты

• Название элемента происходит от греческого слова «вонь» из-за его резкого запаха.
• Бром — один из двух элементов (наряду с ртутью), которые являются жидкостью при комнатной температуре.
• В XIX веке бром активно использовали как успокаивающее средство, добавляя его соли в солдатский паёк для снижения полового влечения и агрессии.
• Бромная вода (раствор брома в воде) используется как качественный реактив на непредельные углеводороды — при их наличии раствор обесцвечивается.

Источники

1. Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1.
2. Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов: в 2 т. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
3. Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. — М.: Мир, 1969. — Ч. 2.
4. Некрасов Б. В. Основы общей химии. — 3-е изд., испр. и доп. — М.: Химия, 1973. — Т. 1.
5. Реми Г. Курс неорганической химии. — М.: Иностранная литература, 1963. — Т. 1.
6. ГОСТ 12.1.005-88. Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.
7. Данные Международного агентства по изучению рака (IARC) по бромсодержащим антипиренам.