Сурьма: характеристика металлоида¶

Сурьма — химический элемент 15-й группы (по старой классификации — пятой группы главной подгруппы) пятого периода периодической системы Д. И. Менделеева, с атомным номером 51 и атомной массой 121,76. Обозначается символом Sb (от лат. Stibium). Простое вещество сурьма — это хрупкий серебристо-белый металлоид с синеватым оттенком, известный человечеству с глубокой древности.

¶Положение в периодической системе и свойства

Сурьма занимает промежуточное положение между металлами и неметаллами. В химических соединениях она проявляет степени окисления −3, +3 и +5, причём наиболее характерными являются +3 и +5. Электронная конфигурация внешнего уровня — 4d¹⁰5s²5p³.

¶Физические свойства

Сурьма — кристаллическое вещество с выраженной слоистой структурой. Она обладает следующими ключевыми характеристиками:

• Плотность — 6,684 г/см³ (при 20 °C);
• Температура плавления — 630,5 °C;
• Температура кипения — 1634 °C;
• Твёрдость по шкале Мооса — 3 (хрупкая, легко истирается в порошок);
• Электропроводность — низкая, сурьма является полупроводником с шириной запрещённой зоны около 0,1 эВ.

При охлаждении расплавленной сурьмы наблюдается аномалия: она расширяется при затвердевании, подобно воде и висмуту. Известны две аллотропные модификации: металлическая (серая, устойчивая при обычных условиях) и взрывчатая (образуется при электролизе растворов).

¶Химические свойства

При комнатной температуре сурьма устойчива на воздухе, но при нагревании выше 600 °C сгорает с образованием оксида Sb₂O₃. С галогенами реагирует непосредственно, образуя тригалогениды. В соляной и разбавленной серной кислотах сурьма не растворяется, но взаимодействует с азотной кислотой с образованием сурьмяной кислоты или её оксидов. С щелочами при сплавлении образует антимонаты.

Характерное свойство — способность образовывать сурьмянистый водород (стибин, SbH₃), крайне ядовитый газ с неприятным запахом, который разлагается при нагревании с выделением металлической сурьмы.

¶История и происхождение названия

Сурьма известна с древности: в Вавилоне её использовали для изготовления сосудов, а в Древнем Египте природный минерал стибнит (Sb₂S₃) применяли для косметических целей — подведения глаз (чёрная краска «стиби»). Латинское название Stibium происходит от греческого «стиби» — так называли сурьмяный блеск.

Металлическую сурьму впервые описал в Европе в конце XVI века немецкий металлург и писатель Георгий Агрикола, который также установил её отличие от свинца. Русское название «сурьма» происходит от тюркского «сюрме» — так называли порошок для чернения бровей.

¶Минералы и месторождения

Сурьма встречается в природе в виде более 100 минералов, однако промышленное значение имеют лишь несколько:

• Стибнит (Sb₂S₃) — сурьмяный блеск, главный рудный минерал;
• Валентинит (Sb₂O₃) — продукт окисления стибнита;
• Сенармонтит — ещё одна оксидная форма;
• Буланжерит, тетраэдрит — сложные сульфиды с примесью свинца, меди, серебра.

Крупнейшие месторождения сурьмяных руд расположены в Китае (провинция Хунань, месторождение Сикуаншань), России (Якутия, Забайкалье), Боливии, Таджикистане, ЮАР. Китай является безусловным лидером по добыче и производству сурьмы, обеспечивая более 70 % мирового объёма.

¶Получение

Сурьму получают преимущественно пирометаллургическим способом из сульфидных руд. Процесс включает несколько стадий:

1. Обогащение руды флотацией с получением концентрата (содержание Sb 30–50 %);
2. Обжиг концентрата с переводом сурьмы в оксид Sb₂O₃;
3. Восстановление оксида углём (коксом) при высокой температуре с получением черновой сурьмы;
4. Рафинирование черновой сурьмы электролитическим или пирометаллургическим способом.

Альтернативный метод — осадительная плавка, при которой сульфид сурьмы восстанавливается железным скрапом. Также применяется гидрометаллургический способ с выщелачиванием руды растворами щелочей и последующим электролизом.

¶Применение

Сурьма — стратегически важный металл, используемый в различных отраслях промышленности:

¶Сплавы

Около половины производимой сурьмы идёт на производство сплавов. Главный потребитель — свинцово-сурьмяные сплавы для аккумуляторных батарей (содержание Sb 1–6 %), которые отличаются повышенной твёрдостью и стойкостью к коррозии. Также сурьма входит в состав типографских сплавов (гарт), подшипниковых баббитов, сплавов для оболочек кабелей.

¶Полупроводниковая промышленность

Сурьма используется как легирующая добавка (донорная примесь) при производстве германиевых и кремниевых полупроводниковых приборов. Интерметаллиды сурьмы (InSb, GaSb) применяются в оптоэлектронике и инфракрасной технике.

¶Огнезащитные составы

Триоксид сурьмы Sb₂O₃ — важный компонент антипиренов (замедлителей горения), которые добавляют в полимеры, текстиль, строительные материалы. В сочетании с галогенсодержащими соединениями он эффективно подавляет горение.

¶Прочие области

• Производство стекла (обесцвечивание и осветление);
• Керамика и эмали (глушители — придают белый цвет);
• Пиротехника (зелёный цвет пламени);
• Фармацевтика (производные сурьмы — противолямблиозные и противолейшманиозные препараты);
• Каучуковая промышленность (вулканизация).

¶Биологическая роль и токсичность

Сурьма не относится к эссенциальным (жизненно необходимым) элементам для человека. Её соединения токсичны: при хроническом отравлении поражаются лёгкие, желудочно-кишечный тракт, кожа. ПДК сурьмы в воздухе рабочей зоны составляет 0,2–0,5 мг/м³ в зависимости от соединения. Стибин (SbH₃) — один из наиболее опасных токсикантов, вызывающий гемолиз эритроцитов.

¶Интересные факты

• В Средневековье сурьму использовали алхимики, считая её символом «звериного начала» — на гравюрах её изображали в виде волка.
• В Древнем Египте порошок из стибнита использовали не только в косметике, но и как лекарственное средство для лечения глазных болезней.
• Сурьма — один из немногих металлов, которые расширяются при затвердевании, что позволяет получать качественные отливки сложной формы.
• В состав некоторых бронзовых зеркал эпохи Хань (Китай, II век до н. э.) входило до 20 % сурьмы.

¶Источники

1. Химическая энциклопедия: в 5 т. / гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4.
2. Реми Г. Курс неорганической химии. — М.: Мир, 1972. — Т. 1.
3. Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов: в 2 т. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
4. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство сурьмы / под ред. Н. В. Гудимы. — М.: Металлургия, 1978.