Плотность ртути и её свойства¶

Плотность ртути — физическая величина, характеризующая массу ртути в единице объёма; при нормальных условиях (температура 0 °C, давление 101,325 кПа) составляет примерно 13 595 кг/м³, или 13,595 г/см³. Это одна из ключевых характеристик единственного металла, находящегося в жидком состоянии при комнатной температуре, и одна из самых высоких плотностей среди жидкостей вообще.

¶Физическая сущность

Плотность определяется как отношение массы вещества к его объёму:

ρ = m / V

Для ртути (химический символ Hg, атомный номер 80) высокая плотность обусловлена большой атомной массой (200,59 а. е. м.) и плотной упаковкой атомов в жидкой фазе. Атомы ртути связаны металлической связью, но из-за релятивистских эффектов, сжимающих 6s-орбиталь, связь оказывается слабой, что и делает металл жидким при обычных температурах — при этом межатомные расстояния остаются малыми.

Плотность ртути примерно в 13,6 раза больше плотности воды и примерно в 1,6 раза больше плотности свинца (11,34 г/см³). Один литр ртути весит около 13,6 кг.

¶Зависимость от температуры

Как и у большинства веществ, плотность ртути уменьшается при нагревании. Приближённые значения:

Температурная зависимость используется на практике: по изменению объёма ртути судят о температуре. Именно на этом основан принцип действия ртутного термометра.

¶Агрегатные состояния и аномалии

При охлаждении ниже −38,83 °C ртуть затвердевает, превращаясь в твёрдый металл. Плотность твёрдой ртути при температуре плавления составляет около 14,19 г/см³ — то есть при затвердевании плотность возрастает, что отличает ртуть от воды, лёд которой легче жидкой фазы. При кипении (356,73 °C) ртуть переходит в пар; плотность насыщенного пара при этой температуре во много раз меньше плотности жидкости.

¶Методы измерения

Плотность ртути определяют несколькими способами:

• Пикнометрический метод — измерение массы точно известного объёма жидкости;
• Гидростатическое взвешивание — по выталкивающей силе, действующей на тело, погружённое в ртуть;
• Ареометрический метод — с помощью специальных ареометров, хотя из-за высокой плотности и токсичности применение ограничено;
• Расчётный метод — по известной массе и геометрически измеренному объёму.

Для точных измерений учитывают температуру, чистоту металла и наличие примесей (например, растворённых металлов, образующих амальгамы).

¶Практическое значение

Высокая плотность ртути лежит в основе ряда приборов и технологий.

Барометры. Ртутный барометр, изобретённый Эванджелистой Торричелли в 1643 году, использует вес столба ртути для измерения атмосферного давления. При нормальном атмосферном давлении высота столба составляет 760 мм — отсюда внесистемная единица «миллиметр ртутного столба».

Манометры и дифманометры. Ртутные приборы применяются для измерения давления и разности давлений, в том числе в лабораторных условиях.

Термометры. Ртутные термометры использовались для измерения температур от −35 до +350 °C; в настоящее время их применение сокращается из-за токсичности.

Разделение веществ. Благодаря высокой плотности ртуть применяется в лабораторной практике для разделения смесей, а также в некоторых технологиях обогащения.

Защита от излучения. Ртуть и её соединения рассматривались как компонент экранов, однако из-за токсичности эта область применения ограничена.

¶Токсичность и обращение

Ртуть и её пары высокотоксичны. Плотность сама по себе не определяет опасность, но влияет на поведение металла: пролитая ртуть собирается в капли, которые легко растекаются и забиваются в щели. Пары ртути тяжелее воздуха примерно в 7 раз, поэтому они накапливаются в нижней части помещений. Предельно допустимая концентрация паров ртути в воздухе рабочей зоны в России составляет 0,01 мг/м³ (для населённых мест — 0,0003 мг/м³).

При разливе ртуть собирают механически (грушей, амальгамированной медью, специальными сорбентами), помещение проветривают, поверхности обрабатывают демеркуризаторами.

¶Сравнение с другими веществами

Для наглядности плотность ртути сопоставляют с плотностью распространённых веществ:

Среди металлов ртуть уступает по плотности золоту, платине, осмию, иридию, но превосходит большинство других. Среди жидкостей при нормальных условиях она занимает одно из первых мест.

¶Исторические сведения

Ртуть известна с древности; её использовали в металлургии, медицине и алхимии. Высокая плотность позволяла применять металл в приборах задолго до понимания его токсичности. Торричелли в 1643 году впервые связал высоту ртутного столба с атмосферным давлением, что положило начало научной метеорологии и вакуумной технике. В XIX–XX веках ртуть широко использовалась в термометрах, барометрах, выпрямителях, лампах и химических процессах; постепенно применение сокращается из-за санитарных ограничений.

Источники: справочники по физике и химии, таблицы физических величин, материалы по охране труда и промышленной санитарии, исторические работы по метрологии.