Амальгама
Определение амальгамы, получение и применение, функции амальгамы
Информация об амальгаме, получение и применение амальгамы, состав и функции сплава
Содержание
Содержание
Амальгама в стоматологии
— функции компонентов амальгамного сплава
— помещение для работы
Определение
Амальгама — жидкие или твёрдые сплавы ртути с другими металлами. Также амальгама может быть раствором ведущих себя аналогично металлам ионных комплексов (например, аммония).
Амальгама — профессиональное название одного из пломбировочных материалов, в свойствах которого используется способность ртути растворять некоторые металлы.
Амальгамой называется сплав одного или более металлов с ртутью.
Амальгамы — так называются соединения (сплавы) ртути с другими металлами; отсюда — амальгамировать, соединять со ртутью, покрывать (с поверхности) металлические предметы ртутью.
Амальгама является смесью ртути и других металлов. При комнатной температуре, ртуть является жидкостью и легко вступает в реакцию с такими металлами, как серебро, олово и медь, в процессе чего образуются твердые материалы.
Свойства
В зависимости от соотношения компонентов, природы металла и температуры представляют собой гомогенные системы (жидкие или твердые растворы, твердые интерметаллиды) или гетерогенные.
Растворимость (ат. %) металлов в ртути при 250 С составляет: In-70,3, Tl-43,7, Cd-10,1, Zn-6,4, Pb-1,9, Bi-1,6, Sn-1,2, Ga-3,6 Mg-3,0, Au-0,13, Ag-0,078, Al-1,5*10-2, Mn-3,7*10-3, Cu-7,4*10-3, Ni-1,5*10-5, Ti-2,1*10-5, Zr-2,3*10-6, Co-1,1*10-7, Fe-1,0*10-7, Pt-3,1*10-7.
Так, с Mg ртуть образует MgHg2, MgHg, Mg5Hg3, Mg2Hg, Mg5Hg2, Mg3Hg. Tемператуpa плавления меркуридов выше, чем у ртути, а иногда даже выше, чем у второго компонента. Например, для LiHg она составляет 596 °С. Не образуют меркуридов, например, Zn, Al, Ga, Pb, Bi, Sb.
При нагревании амальгама ртуть испаряется. Из амальгамов металлов с высокой температурой кипения ртуть можно удалить нагреванием практически полностью. Т.к. растворенный металл в жидкой амальгаме измельчается до атомного состояния и на поверхности сплава не образуется плотная оксидная пленка металла, большинство амальгамов химически очень активно. Так, алюминий в амальгаме, в отличие от компактного металла, быстро реагирует с О2 воздуха при комнатной температуре.
Амальгамы низкоплавких металлов (Ga, In, Tl, Sn, Cd и др.) легко образуются при их нагревании с ртутью. Щелочные металлы взаимодействуют с Hg со значительным выделением тепла, поэтому при получении амальгамов их добавляют к ртути небольшими порциями. Золото, на поверхности которого отсутствует оксидная пленка, при соприкосновении с ртутью мгновенно образует амальгаму, которую можно удалить действием HNO3.
При нагревании амальгам купрума, серебра, золота и др. отгоняется ртуть. Железо не образует амальгамы, поэтому ртуть можно перевозить в стальных сосудах.
Получение
Образованию амальгамов большинства металлов препятствует оксидная пленка на их поверхности. Поэтому для приготовления амальгама часто используют электрохимическое выделение металла на ртутном катоде, снятие защитной пленки с помощью различных реагентов, реакции вытеснения металлами ртути из растворов ее солей и др.
Так, амальгам алюминия образуется при действии обработанного соляной кислотой А1 на раствор Hg(NO3)2.
Жидкий металл: подводные камни. Взгляд глазами химика
Написать эту статью меня сподвиг пост NotSlow Не так страшен жидкий металл. Там все просто: подстраховался от замыкания, нанес тонким слоем, прикрутил и радуйся низким температурам. Но так ли все хорошо на самом деле?
Для начала нужно выяснить, что это за жидкий металл такой. Среди чистых металлов единственный, который может быть жидким при комнатной температуре — это ртуть. В здравом уме никто сейчас не станет применять ртуть в качестве термоинтерфейса из-за ее крайней токсичности и испаряемости. Два других становятся жидкими уже при температуре человеческого тела — это цезий и галлий. Цезий — это «фтор наоборот» по своей химической активности, он возгорается и взрывается от малейших следов воздуха и влаги и даже разрушает стекло. Остается галлий (на КПДВ именно он). При комнатной температуре галлий все же твердый, однако с некоторыми другими легкоплавкими металлами он образует эвтектики, плавящиеся при 20,5°С (галлий-олово) и даже 15,3 °С (галлий-индий). Еще ниже — в районе 5 °С — плавится тройная эвтектика галлий-индий-олово (62, 25 и 13% соответственно). Имеющиеся в продаже термоинтерфейсы типа «жидкий металл» — это как раз и есть сплавы на основе этих трех элементов, возможно с некоторыми дополнительными присадками.
Исходя из этого, ясны и подводные камни. Первый из них — это абсолютная несовместимость галлийсодержащих сплавов с алюминием!
Во времена, когда уроки химии в школе непременно сопровождались демонстрацией опытов, был среди них и опыт по амальгамированию алюминия. Алюминий покрывали слоем ртути и он тотчас начинал бурно окисляться, рассыпаясь прямо на глазах. Ртуть защищала алюминий от образования оксидного слоя и он образовывался уже на поверхности амальгамы, но не был способен остановить окисление, так как на поверхности жидкости он не удерживался сплошным слоем, растрескивался, и в трещинах открывалась свежая, неокисленная поверхность амальгамы.
Ровно так же действует и галлиевый сплав с той только разницей, что он способен буквально пропитывать алюминий насквозь, проникая в межкристаллитные промежутки. Алюминий, пропитанный жидким галлием, не только окисляется на глазах, но еще и крошится в руках.
Так что ЖМ следует держать от алюминия подальше. И это касается не только алюминиевых радиаторов: случайная капелька «жидкого металла» может уничтожить и корпус ноутбука, если тот из алюминиевого сплава, и любую другую алюминиевую деталь. Хотя бы корпус какого-нибудь конденсатора. Причем капелька эта является классическим катализатором — делает свое черное дело, не расходуясь сама.
Но и медь к галлию небезразлична. На рисунке выше я привел T-x диаграмму системы медь-галлий (из справочника «Диаграммы состояния двойных металлических систем» под ред. Лякишева), на которой видно бесчисленное множество интерметаллических соединений. Как только галлий вступит в контакт с медью, они тут же начинают образовываться. Жидкий галлий (к его сплавам это тоже относится) вообще очень охотно смачивает и металлы, и неметаллы, а явное химическое сродство этому крайне способствует. Так что «жидкий металл» будет просто впитываться в медь, образуя на границе между металлами корку интерметаллидов. Последние не являются металлами с физической точки зрения, они тугоплавки, хрупки и обладают плохой тепло- и электропроводностью, но главное — «жидкий металл» будет расходоваться на их образование и просто уйдет из зазора. Многие из тех, кто пробовал в деле ЖМ, сообщают, что со временем он перестает работать, и сняв радиатор, они обнаружили, что жидкий металл «испарился». Испариться он не мог — заметное давление пара у его компонентов появляется только свыше тысячи градусов — он просто впитался в медь, прореагировал с ней. Устранить это явление помогает никелевое покрытие на меди, хоть оно и является дополнительным препятствием для тепла.
Кстати, впитываемость галлия и его сплавов в металлы еще касается паяных соединений — помните про ту маленькую капельку, которая может разрушить алюминиевый корпус? Так вот, такая же капелька, попавшая на припой, сделает и его хрупкой, а пайку ненадежной. В какой-то момент это «сработает». Поэтому лично я бы держал «жидкий металл» как можно дальше от любой электроники.
И последнее, о чем следовало бы написать: «жидкий металл», увы, небезвреден. Галлий по некоторым данным сравним по токсичности с мышьяком, второй его компонент, индий — также является токсичным тяжелым металлом. В отличие от ртути сплавы на основе галлия все же абсолютно нелетучи при обычной температуре, так что отравиться их парами не получится, однако из-за своей способности легко прилипать ко всему на свете эти сплавы невероятно мазучие. Испачкать ими, к примеру, руки — легче легкого, а отмыть их до конца очень сложно. Потом это все попадет в рот. Поэтому — работаем с «жидким металлом» и всем, что с ним контактировало только в резиновых перчатках и отдельно от еды, питья и курения. И да, никогда не делайте так, как на КПДВ!
Сама реакция и отходы от нее содержат ртуть, поэтому необходимы особые меры безопасности и методы утилизации. В качестве более экологически чистой альтернативы для достижения того же результата синтеза часто можно использовать гидриды или другие восстанавливающие агенты. Другой экологически чистой альтернативой является сплав алюминия и галлия, который аналогичным образом делает алюминий более химически активным, не позволяя ему образовывать оксидный слой.
СОДЕРЖАНИЕ
Реактивность
Алюминий в воздухе обычно защищен слоем собственного оксида толщиной в молекулы. Этот слой оксида алюминия служит защитным барьером для самого нижележащего алюминия и предотвращает химические реакции с металлом. При контакте с ним ртуть не причиняет вреда. Однако если элементарный алюминий обнажится (даже в результате недавней царапины), ртуть может соединиться с ним, образуя амальгаму. Этот процесс может продолжаться далеко за пределами непосредственно открытой металлической поверхности, потенциально вступая в реакцию с большей частью объемного алюминия, прежде чем он окончательно завершится.
Сообщается, что присутствие воды в растворе необходимо; электроны богатая амальгама будет окисляться алюминием и уменьшить H + из воды, создавая гидроксид алюминия (Al (OH) 3 ) и водород газа (Н 2 ). Электроны алюминия восстанавливают ион ртути Hg 2+ до металлической ртути. Затем металлическая ртуть может образовывать амальгаму с открытым металлическим алюминием. Затем амальгамированный алюминий окисляется водой, превращая алюминий в гидроксид алюминия и высвобождая свободную металлическую ртуть. Образовавшаяся ртуть затем проходит эти последние два этапа, пока запас металлического алюминия не иссякнет.
Получение амальгам прямым растворением металлов в ртути
Этот способ был известен с древних времен и до сих пор является одним из наиболее распространенных. Растворение металлов в ртути на воздухе, в атмосфере инертного газа или под слоем органической ншдкоети необходимо производить в вытяжном шкафу, специально оборудованном для работы со ртутью. Для нагревания, перегонки ртути и амальгам, а также легко воспламеняющихся жидкостей, применяемых при получении амальгам, необходимо использовать электрические печи, в которых должно быть исключено возгорание или разбрызгивание жидкостей в случае разрушения реакционных сосудов.
Непременным условием безопасной работы при приготовлении амальгам является применение перчаток, защитных очков плп плексигласовых щитков
Как правило, амальгамы щелочных металлов получают на воздухе, опуская кусочки металла в ртуть, налитую в колбу пли фарфоровый стакан.
В результате бурной реакции ртути с щелочным металлом происходят иногда небольшие взрывы, при этом ртуть сильно разбрызгивается, а иногда даже выплескивается из колбы или стакана. Приготовление амальгам таким способом, рекомендуемым в некоторых руководствах, недопустимо в лабораторных условиях, так как это противоречит элементарным требованиям техники безопасности.
Амальгамы щелочных металлов должны готовиться либо в герметизированных сосудах, исключающих загрязнение окружающего пространства каплями ртути и ее парами, либо нод слоем защитной жидкости.
Способы получения амальгамы натрия, путем прямого растворения ртути описаны во многих работах.
Г. Голлеман э для приготовления амальгамы натрия, содержащей 1,3 вес. % щелочного металла, рекомендует в толстостенную колбу емкостью 500 мл поместить 9 г натрия, очищенного от окиснон иленки, и залить его сухим толуолом в количестве 15—20 мл. Затем, осторояшо нагревая, натрии расплавить, и в расплав по каплям из делительной воронки приливать 750 г ртути, периодически взбалтывая колбу.
Вначале, при взаимодействии ртути с жидким натрием, реакция протекает очень бурно, но после добавления 2—3 мл ртути она протекает более спокойно, и скорость приливания ртути можно увеличить.
Ртуть добавляют с такой скоростью, чтобы толуол, покрывающий амальгаму, постоянно кипел и к концу процесса полностью испарился. Пары толуола предохраняют амальгаму от окисления кислородом воздуха. Полученную амальгаму сливают в ампулы и последние запаивают. Амальгаму можно также хранить в склянках с притертыми пробками, на которые надевают тонкие резиновые заглушки.
При комнатной температуре полученная амальгама полужидкая, а при нагревании до 50° С — жидкая.
Иногда для повышения выхода продукта при органическом синтезе применяют более концентрированные твердые амальгамы, содержащие 2—3% натрия. Физер 8 использовал для получения таких амальгам прибор, изо браненный на рис. 4.1. В этом случае 10 г очищенного сухого натрия разрезают на небольшие кусочки и помещают в круглодониую трехгорлую колбу 3 емкостью 250 мл.
В течение некоторого временя через колбу пропускают сухой, очищенный азот. После этого к натрию из капельной воронки 1, содержащей 25 мл ртути, в колбу отливают 10 мл ртути, и колбу нагревают до тех пор, пока не начнется реакция. Вслед за этим состепенно при-ливают остальное количество ртути, слегка подогревая колбу. После тщательного перемешивания горячую жидкую амальгаму выливаю на чистую фарфоровую плитку, и как только она начнет аатверде вить — разбивают на куски.
Куски амальгамы храпят в банках с резиновыми пробками mm в склянках с притертыми пробками без доступа воздуха. Приготовленная твердая амальгаму может быть использована для ко лучения менее концентрированных амальгам. Вслыпие количества твердой амальгамы натрия могут быть получены под слоем защитной жидкости. В этом случае хорошо очищенного от окисных пленоь металлического натрия помещают в эмалированный сосуд и заливают парафиновым маслом, количество которого должно быть таким, чтобы натрии находился под парафиновым маслом на глубине не менее 1 см. Сосуд на-гревают до расплавления натрия, после чего из капельной воронки к расплавленному натрию постепенно прилн вают 122 мл ртути при непрерывном перемешивании.
После того как процесс растворения закончится (на что требуется — несколько минут), основную массу парафинового масла сливают, горячую жидкую амальгаму выливают в фарфоровую чашку и, покачивая ее, охлаждают, а после затвердевания амальгаму разбивают на кусочки желаемой величины.
Полученные таким способом кусочки амальгамы обрабатывают петролейным эфиром или бензолом для удаления парафинового масла, высушивают и хранят в запаянных ампулах пли в склянках с при тертыми пробками без доступа воздуха. Бразев п Хаузер при получении 5%-иой амальгамы натрия использовали для отсасывания литровую жаропрочную колбу. Колбу закрывали резиновой пробкой с двумя отверстиями, в одно из которых вставляли капельную воронку, а в другое — трубку для отвода инертного газа. В склянку помещали 138 г натрия и 300 мл минерального масла. Через боковой отвод склянки пропускали азот и нагревали склянку до расплавления натрия. После этого в склянку через капельную воронку в течение 1—2 мин приливали 2622 г ртути, энергично взбалтывая содержимое склянки.
При этом происходила бурная экзотермическая реакция, и склянка сильно разогревалась. Для предохранения от ожогов необходимо работать в толстых перчатках и взбалтывать содержимое склянки над большим противнем для сохранения реакционной массы в случае разрушения склянки.
Приливать ртуть надо быстро, так как в противном случае амальгама частично затвердевает и для получения однородного расплава ее необходимо снова нагревать до высокой температуры. После тщательного перемешивания минеральное масло с расплавленной амальгамы сливали и последнюю, пока она находилась еще в жидком состоянии, выливали в неглубокий стальной противень. Затвердевшую амальгаму разбивали иа мелкие куски, промывали петро-лейным эфиром и хранили под слоем петролейного эфира, либо в тщательно закупоренных банках.
Амальгамы калия, рубидия и цезия также можно получать растворением. Например, Н. С. Курнаков и Г. Ю. Жуковский получали таким способом амальгамы рубидия и цезия. Ио амальгаму лития так получать нельзя, поскольку литий при комнатной температуре практически не взаимодействует со ртутью, а при нагревании растворяется в ртути с огромным выделе-нием тепла, сопровождающимся взрывом1а* 15. Как указывает Б. А. Смирнов 15, при прямом растворений лития в ртути, нагретой до 250—280° С, несмотря иа все меры предосторожности, происходит бурная реакция, сопровождающаяся сильным испарением ртути и разбрызгиванием амальгамы.
Амальгамы щелочных металлов, приготовленные на воздухе или под защитыым слоем органических веществ, всегда содержат окислы и загрязнены органическими примесями, что недопустимо при проведении многих исследовании.
Для получения амальгам щелочных металлов, не содержащих загрязнений, следует приготавливать их в вакууме, употребляя тщательно очищенные ртуть н щелочные металлы, а для создания высокого вакуума применять ртутные вакуумные насосы.
Обязательным при работе с амальгамами щелочных металлов в оптимальных условиях является применение цельнопаянных установок и приборов, не имеющих вакуумных крапов, шлифов, резиновых уплотнений и т. п.
Амальгаму алюминия можно получить следующим способом 5: 100 г алюминиевой фольги толщиною около 0,05 мм разрезают на узкие полоски, помещают их в колбу и заливают таким количеством 10%-ного раствора едкого патра, чтобы раствор полностью покрыл фольгу. Содержимое колбы пагревают па водяной бане до начала бурного выделения водорода. Спустя не-сколько минут после этого раствор щелочи сливают, протравленную фольгу промывают водой и спиртом, обливают 2%-ным раствором сулемы и выдерживают в течение 2-х мин. Затем раствор сливают, полученную амальгаму промывают водой, спиртом и эфиром, под которым и хранят ее до употребления.
Для получения 8%-ной амальгамы о л о в а навеску гранулированного олова заливают необходимым количеством ртути н нагревают на водяпой бане под слоем соляной кислоты. Твердая амальгама олова, содержащая 68% олова, может быть получена 4 при нагревании на песчаной бане 6,5 вес. ч ртути, в которую постепенно добавляют 14 вес. ч. оловянной стружки. Приготовление амальгамы ведут в герметичной аппаратуре, исключающей попадание паров ртути в лабораторное помещение. По окончании реакции смесь охлажданн и, в момент затвердевания амальгамы, ее разбивают сте-клянной палочкой на куски.
Жидкую 3%-ную амальгаму свинца получают 4 из свинца, обработанного соляной кислотой для удаления окисной пленки, промытого и высушенного, который нагревают с рассчитан-пым количеством ртути. Полученную амальгаму промывают водою и хранят иод слоем слабой соляной кислоты.
Для получения жидкой амальгамы висмута берут
3 г чистого висмута, заливают его 100 г ртути, добавляют в реакционный сосуд небольшое количество разбавленной соляной кислоты н нагревают содержимое сосуда на водяний бане. После растворения висмута получившуюся амальгаму охлаждают, промывают водой и с помощью делительной воронки отделяют от твердых частиц. Приготовленную амальгаму хранят под слоем слабой соляной кислоты.
АМАЛЬГАМЫ
При нагр. амальгам ртуть испаряется. Из амальгам металлов с высокой т-рой кипения ртуть можно удалить нагреванием практически полностью. Т.к. растворенный металл в жидкой амальгаме измельчается до атомного состояния и на пов-сти сплава не образуется плотная оксидная пленка металла, большинство амальгам химически очень активно. Так, алюминий в амальгаме, в отличие от компактного металла, быстро реагирует с О2 воздуха при комнатной т-ре.
Амальгамы низкоплавких металлов (Ga, In, Tl, Sn, Cd и др.) легко образуются при их нагревании с ртутью. Щелочные металлы взаимод. с Hg со значит. выделением тепла, поэтому при получении амальгам их добавляют к ртути небольшими порциями. Золото, на пов-сти к-рого отсутствует оксидная пленка, при соприкосновении с ртутью мгновенно образует амальгаму, к-рую можно удалить действием HNO3.
Образованию амальгам большинства металлов препятствует оксидная пленка на их пов-сти. Поэтому для приготовления амальгам часто используют электрохим. выделение металла на ртутном катоде, снятие защитной пленки с помощью разл. реагентов, р-ции вытеснения металлами ртути из р-ров ее солей и др. Так, амальгама алюминия образуется при действии обработанного соляной к-той А1 на р-р Hg(NO3)2. Приготовление амальгам (кроме амальгам благородных металлов) целесообразно проводить в инертной атмосфере или под слоем защитной жидкости, т.к. растворенные в ртути металлы легко окисляются О2 воздуха.
При действии амальгамы натрия на конц. р-ры солей аммония и при электролизе этих р-ров с ртутным катодом образуется амальгама аммония, в к-рой нейтральная частица NH 0 4 ведет себя как атом металла. При комнатной т-ре эта амальгама быстро разлагается с выделением NH3 и Н2.
===
Исп. литература для статьи «АМАЛЬГАМЫ» : Козин Л. Ф., Физико-химические основы амальгамной металлургии, А.-А., 1964; его же, Амальгамная металлургия, К., 1970; его же, Амальгамная пирометаллургия, А.-А., 1973; Козловский М. Т., Зебрева А.И., Гладышев В. П., Амальгамы и их применение, А.-А., 1971. С.И. Дракин.
Страница «АМАЛЬГАМЫ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.
