§ 61. Ртуть

Определения и обозначения

Ртуть — химический элемент Hg и простое вещество, металл с атомным номером 80. Она находится в 12-й группе и 6-м периоде периодической системы; внешний электронный слой атома имеет конфигурацию 6s². При обычных условиях ртуть — жидкий металл, что отличает её от почти всех других металлов и важно для понимания её свойств и применения.

Амальгама — сплав ртути с другим металлом. Ртуть может растворять или связывать некоторые металлы, образуя такие смеси; с железом она амальгаму практически не образует. Амальгамы применяли, например, при извлечении золота и в стоматологических материалах, хотя сегодня использование ртути ограничивают из-за её токсичности.

Киноварь — минерал, состоящий главным образом из сульфида ртути(II) HgS. Это главная природная руда ртути: металл обычно получают именно из неё, а не из самородной ртути. Название «сульфид ртути(II)» показывает, что в этом соединении ртуть имеет степень окисления +2.

Ртуть(I) — степень окисления +1, характерная для соединений с двухатомной частицей Hg₂²⁺. Два атома ртути в ней связаны друг с другом, а общий заряд частицы равен +2. Поэтому ртуть(I) нельзя представлять как отдельные ионы Hg⁺; соединения ртути(II), напротив, содержат ртуть со степенью окисления +2.

Как это устроено

При комнатной температуре ртуть жидкая, потому что взаимодействие между её атомами в металле сравнительно слабое. Для перехода твёрдого вещества в жидкость требуется мало энергии, поэтому температура плавления ртути составляет около −39 °C. В отличие от большинства металлов, она не образует при обычных условиях твёрдого куска, а собирается в блестящие подвижные капли; при этом металл плотный и хорошо проводит электрический ток.

В природе ртуть встречается прежде всего в киновари, а небольшие количества могут находиться в самородном виде и в рассеянном состоянии в минералах и горных породах. Киноварь стала главным источником металла, потому что ртуть в ней сосредоточена в устойчивом соединении, которое можно переработать нагреванием. Содержание ртути в рудах неодинаково, поэтому добыча и переработка связаны с отделением минерала от пустой породы.

При получении металла киноварь обжигают в присутствии кислорода. Сначала сульфид ртути окисляется: сера переходит в диоксид серы SO₂, а ртуть освобождается и при нагревании превращается в пар. Затем пары охлаждают и собирают жидкий металл; суммарное уравнение процесса — 2HgS + 3O₂ → 2Hg + 2SO₂. Кислород нужен для окисления серы, а не для образования оксида ртути в итоговом продукте.

Ртуть реагирует с некоторыми неметаллами: при соединении с серой образуется HgS, а с кислородом при нагревании может образоваться оксид ртути(II). С рядом металлов она образует амальгамы, но взаимодействует не со всеми одинаково. Ртуть расположена в ряду активности после водорода, поэтому не вытесняет его из неокисляющих кислот, таких как соляная; азотная кислота и горячая концентрированная серная кислота действуют как окислители и могут растворять ртуть.

В соединениях ртути чаще всего проявляются степени окисления +1 и +2. Соединения ртути(I) содержат частицу Hg₂²⁺, а соединения ртути(II) — атомы ртути со степенью окисления +2; это различие влияет на формулы и свойства веществ. Многие соединения ртути токсичны, а пары металлической ртути могут попадать в организм при дыхании. Поэтому с ртутью работают только с соблюдением специальных правил, а проливы не убирают обычным пылесосом или веником.

Ртуть: свойства, получение и применение

Таблица помогает сопоставить свойства ртути с её поведением в природе и реакциях. Для уравнений важно проверять не только формулы веществ, но и число атомов каждого элемента. Строки о применении и опасности напоминают, что использование ртути ограничено требованиями безопасности.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение реакции ртути с серой и определите степень окисления ртути в продукте. Нужно сначала установить состав продукта: ртуть образует с серой сульфид HgS. Затем по заряду сульфид-иона определяют степень окисления металла.

1. Сера в сульфидах имеет степень окисления −2.
2. Соединение HgS нейтрально, значит, ртуть должна иметь степень окисления +2.
3. Записываем уравнение: Hg + S → HgS. Коэффициенты равны 1 и не записываются.

Ответ: Hg + S → HgS; степень окисления ртути — +2.

Задача 2. Запишите уравнение получения ртути при обжиге киновари в кислороде. Киноварь — HgS, а продуктами являются металлическая ртуть и SO₂. Сначала записываем формулы, затем подбираем коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента совпадало слева и справа.

1. Исходная схема: HgS + O₂ → Hg + SO₂.
2. Ставим коэффициент 2 перед HgS и Hg, чтобы уравнять ртуть и серу: 2HgS + O₂ → 2Hg + 2SO₂.
3. Справа теперь четыре атома кислорода, поэтому слева ставим 2 перед O₂? Проверяем: четыре атома кислорода содержатся в двух молекулах O₂.
4. Итог: 2HgS + 2O₂ → 2Hg + 2SO₂. Сокращаем коэффициенты на 2: HgS + O₂ → Hg + SO₂.

Ответ: HgS + O₂ → Hg + SO₂. В этой записи уже уравнены все атомы: по одному Hg и S, по два O с каждой стороны.

Задача 3. При обжиге 23,2 г HgS получили 18,0 г ртути. Рассчитайте практический выход. Сначала найдём, сколько ртути могло бы образоваться теоретически, если бы весь сульфид прореагировал, затем сравним это значение с реально полученной массой.

1. По уравнению HgS + O₂ → Hg + SO₂ соотношение веществ HgS и Hg равно 1:1.
2. Молярная масса HgS приблизительно равна 200,6 + 32,1 = 232,7 г/моль. Доля ртути в сульфиде равна 200,6 / 232,7.
3. Теоретическая масса ртути: 23,2 × 200,6 / 232,7 ≈ 20,0 г.
4. Выход: 18,0 / 20,0 × 100% = 90%.

Ответ: практический выход ртути составляет 90%.

Типичные ошибки

Ошибка: считать ртуть газом или твёрдым веществом при комнатной температуре. Так могут подумать, потому что большинство металлов твёрдые, а пары ртути невидимы. Проверьте условия задачи: жидкая ртуть — металл, а газообразное состояние относится к её парам.

Ошибка: полагать, что ртуть вытесняет водород из любой кислоты. Эту мысль переносят с более активных металлов, забывая о положении ртути в ряду активности. Проверьте тип кислоты: с неокисляющей, например HCl, ртуть обычно не выделяет H₂, тогда как окислительная кислота может вступить с ней в реакцию.

Ошибка: записывать соединения ртути(I) как содержащие отдельные ионы Hg⁺. Такое упрощение возникает из-за привычки связывать степень окисления +1 с зарядом одного иона. Для проверки запишите частицу Hg₂²⁺: два атома в сумме дают заряд +2, то есть каждый имеет степень окисления +1.

Ошибка: считать пары ртути безвредными, потому что жидкий металл испаряется медленно. Низкая летучесть не означает отсутствия паров, а их вдыхание опасно. Если ртуть пролилась, не используйте пылесос и веник: изолируйте место и следуйте специальным правилам безопасности.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в свойствах ртути, нужно уметь находить элемент в периодической системе, определять степени окисления и распознавать окислительно-восстановительные реакции. Это помогает объяснить получение металла из HgS и различать соединения Hg(I) и Hg(II). Тема пригодится при изучении переходных металлов, их соединений и способов извлечения металлов из руд. Токсичность ртути связывает химию с правилами лабораторной безопасности, охраной здоровья и экологическими последствиями загрязнения.

Что запомнить

• Символ ртути — Hg; при обычных условиях это жидкий металл.
• Главная руда ртути — киноварь HgS.
• Ртуть получают обжигом киновари в кислороде.
• С неокисляющими кислотами ртуть обычно не выделяет водород.
• Ртуть образует амальгамы с рядом металлов.
• Соединения и пары ртути токсичны.