Сурьма является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 51 и условным обозначением Sb. В свободном виде сурьма представляет собой полуметалл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком, грубозернистого строения.
Открытие
Сурьма является очень древним химическим элементом, который известен человечеству с давних времен. Сегодня доподлинно невозможно оценить насколько он древний, но известно, что сульфид сурьмы (Sb2S3) был признан в додинастическом Египте как косметическое средство. Его сегодня принято называть «кохль» и известно, что это косметическое средство, которое использовалось для подводки глаз и первое его использование датируется третьим тысячелетием до нашей эры. При этом данное косметическое средство является не единственным доказательством древности сурьмы, так как был обнаружен еще один очень древний артефакт. Он представляет собой фрагмент вазы или какого-то другого предмета сделанного из сурьмы и датируется третьим тысячелетием до нашей эры. Его обнаружили в Теллохе, Халдея, которая сегодня является частью современного Ирака.
Впоследствии сурьма часто описывалась в алхимических рукописях, включая «Summa Perfectionis» Псевдо-Гебера, написанную примерно в XIV веке. Описание процедуры выделения сурьмы позже приводится в книге «De la pirotechnia» Ванноччо Бирингуччо 1540 года, предшествующей более известной книге Агриколы 1556 года « De re metallica». В этом контексте Агриколе часто ошибочно приписывают открытие металлической сурьмы. Книга «Currus Triumphalis Antimonii» («Триумфальная колесница сурьмы»), описывающая получение металлической сурьмы, была опубликована в Германии в 1604 году. Утверждалось, что она была написана бенедиктинским монахом, писавшим под именем Василий Валентин в XV веке. Если бы она была подлинной, что достаточно маловероятно, она предшествовала бы Бирингуччо. В 1789 году А. Лавуазье включил сурьму в список химических элементов под названием antimoine.
Характеристики
| Физические характеристики | |
|---|---|
| Состояние при Н.У. | Твердое |
| Температура плавления | 630,63 ° С |
| Точка кипения | 1635 °С |
| Плотность при Н.У. | 6,694 г/см 3 |
| Твердость по шкале Мооса | 3.0 |
| Критическая точка | — |
| Мол. теплота плавления | 20,08 кДж/моль |
| Мол. теплота испарения | 195,2 кДж/моль |
| Мол. теплоемкость | 25,2 Дж/(моль·К) |
| Молярный объем | 18,4 см 3 ·моль -1 |
| Химические характеристики | |
|---|---|
| Атомный номер(Z) | 51 |
| Атомная масса | 121,76 |
| Электронная конфигурация | 4d105s25p3 |
| Радиус атома | 159 пм |
| Ковалентный радиус | 140 пм |
| Степени окисления | −3, +3, +5 |
| Радиус иона | 62 пм |
| Электроотрицательность | 2,05 (шкала Полинга) |
| Энергия ионизации | 833,3 кДж/моль |
| Изотопы | ¹²¹Sb; ¹² |
Добыча и производство
Не смотря на то, что сурьма встречается в природе в свободном виде и признана Международной минералогической ассоциацией как самородный минерал, данный химический элемент является достаточно редким. По оценкам учёных, концентрация сурьмы на планете составляет 500 миллиграммов на тонну. Наиболее высокие концентрации отмечаются в глинистых сланцах, бокситах и фосфоритах. На сегодняшний день известно более 250 минералов содержащих данный элемент.
Технически, сурьму извлекают из сульфида сурьмы. Один из методов основан на обжиге и восстановлении углеродом (процесс обжига-восстановления):
Sb2S3 + 5O2 → Sb2O4 + 3SO2
Sb2O4 + 4C → 2Sb + 4CO
Ежегодное мировое производство сурьмы оценивается приблизительно в 80 000 тонн. Около 87% мирового производства приходится на Китай, а вторую позицию уверенно занимает Российская Федерация с производством около 6500 тонн. Тройку лидеров по производству сурьмы замыкает Мьянма с производством около 6000 тонн. В числе других крупных производителей числятся Канада, Таджикистан и Боливия.
Сурьма является химическим элементом который встречается в природе в самородной форме, хоть и достаточно редко. Он признан минералом Международной минералогической ассоциации под номером системы 1.CA.05. На сегодняшний день известно более 250 минералов содержащих сурьму, из которых самым важным является стибнит (Sb2S3). Максимальное содержание сурьмы в стибните достигает 72%, но этот минерал является не самым богатым на планете. Самым богатым сурьмяносодержащим минералом на планете является парадокразит, который представляет собой сплав сурьмы и мышьяка, где содержание сурьмы может достигать 92%. Другими важными минералами валентинит Sb2O3 (белая сурьма), бройгауптит NiSb (антимонид сурьмы и никеля, антимонид никеля), кермезит Sb2S2O (красная сурьма) и Sb2S5 (золотистая сера).
Применение
Применение сурьмы очень разнообразно и масштабно. Основными направлениями использования сурьмы включают производство различных сплавов, огнезащитных средств, свинцово-кислотных аккумуляторов, пластмасс и лекарств.
Сурьма масштабно используется во всевозможных сплавах, которые придают различным металлам определенные свойства. Она образует весьма полезный сплав со свинцом, повышая его твердость и механическую прочность. При литье она увеличивает текучесть расплава и уменьшает усадку при охлаждении. Кроме того сурьму используют в антифрикционных сплавах (таких как баббит), в пулях и свинцовой дроби, оболочке электрических кабелей, типографском металле линотипных печатных машин, припое (некоторые «бессвинцовые» припои содержат 5% Sb), в олове и в упрочняющих сплавах с низким содержанием олова при производстве органных труб.
Основным использованием сурьмы является производство огнезащитных составов с использованием триоксида сурьмы. Он всегда применяется в сочетании с галогенированными антипиренами, за исключением галогенсодержащих полимеров. Огнезащитный эффект триоксида сурьмы достигается за счет образования галогенированных соединений сурьмы , которые реагируют с атомами водорода, а, вероятно, также с атомами кислорода и радикалами OH—, тем самым подавляя огонь.
Сурьма используется масштабно при производстве кислотно-свинцовых аккумуляторов. Добавление этого химического элемента улучшает прочность свинцовых пластин и характеристики зарядки. В некоторых источниках указывается, что производство свинцово-кислотных аккумуляторов занимает чуть бы не 30% от общего применения сурьмы на планете. Кроме того его часто используют в качестве стабилизатора и катализатора для производства полиэтилентерефталата, который в свою очередь является частью производственного процесса изготовления пластмасс.
Сурьма с древнейших времён используется в качестве лекарственных препаратов против язв и гнойников на глазах. Некоторые минералы, такие как кермезит, в XVI веке считались эффективным средством против проказы или чешуйчатой чесотки, слоновой болезни, воспаления паховой области и стопы, алопеции, морфеи, вульнеры и язв. О данном минерале в те времена слагались целые легенды, но его исключительная редкость не давала письменного подтверждения его эффективности. Препараты сурьмы (включая давно используемые химиотерапевтические средства, такие как фуадин, неостибозан и солустибозан) в основном используются в качестве менее токсичных пятивалентных форм для медикаментозной терапии лейшманиоза и шистосомиаза, хотя в развитых странах они больше не считаются препаратами первой линии лечения. Сурьма ингибирует фермент фосфофруктокиназу, который является лимитирующим этапом гликолиза.
Безопасность
Сурьма может быть смертельно опасна даже при употреблении всего лишь 200 – 1200 мг. В токсикологии известны три формы сурьмы, из которых наиболее опасна газообразная гидрида сурьмы (стибан, SbH3), вызывающая массивный гемолиз, который может привести к почечной недостаточности. Рвотный камень, содержащий трехвалентную сурьму, является следующим по токсичности, а пятивалентная сурьма — наименее токсичной.
Трехвалентная сурьма всасывается в эритроциты со скоростью 95% в течение первых двух часов после приема, накапливаясь преимущественно в органах с хорошим кровоснабжением. Выведение происходит главным образом путем связывания с глутатионом в желчи, что приводит к соответственно высокой энтерогепатической циркуляции, при этом лишь небольшая часть выводится почками. Тартрат калия-сурьмы выводится со скоростью 90% в течение первых суток после приема, а оставшиеся 10% выводятся в течение 16 дней из-за более медленной кинетики выведения.
Считается, что сурьма, подобно мышьяку, ингибирует функцию комплекса пируватдегидрогеназы, что приводит к дефициту внутриклеточного переносчика энергии — аденозинтрифосфата (АТФ). Это вызывает образование хелатных комплексов между сурьмой и тиольными группами соответствующих ферментов. В организме она токсична для многих органов, включая пищеварительный тракт , печень, почки, сердце и центральную нервную систему. Наибольшая концентрация сурьмы достигается в печени, где она может вызывать гепатит и даже печеночную недостаточность. В сердце она приводит к изменениям на ЭКГ с инверсией и уменьшением зубца Т и удлинением интервала QT.