Сурма головна чи побічна. Сурма — надзвичайно важлива для промисловості речовина
Сурма (Лат. Stibium ), Sb , хімічний елемент V групи періодичної системи Менделєєва; атомний номер 51, атомна маса 121,75; метал сріблясто-білого кольору з синюватим відтінку в природі відомі два стабільні ізотопи 121 Sb (57,25%) та 123 Sb (42,75%).
Сурма відома з глибокої давнини. У країнах Сходу вона вживалася приблизно за 3000 років до н. для виготовлення судин. У Стародавньому Єгипті вже в 19в до н. порошок серйозного блиску ( Sb 2 S 3 ) під назвою mesten або stem застосовувався для чорніння брів. У Стародавній Греції він був відомий як stimi і stibi , звідси латинський stibium . Близько 12-14 ст. н.е. з'явилася назва antimonium . У 1789 р. А. Лувазьє включив сурму до списку хімічних елементів під назвою antimoine (сучасна англійська antimony , іспанська та італійська antimonio , німецька antimon ). Російська “сурма” походить від турецької surme ; їм позначався порошок свинцевого блиску PbS , який також служив для чорніння брів (за іншими даними, "сурма" - від перського сурми - метал).
Перша відома нам книга, у якій докладно описані властивості сурми та її сполук, - “Тріумфальна колісниця антимонія”, видана 1604г. її автор увійшов до історії хімії під ім'ям німецького ченця-бенедиктинця Василя Валентина. Хто ховається під цим псевдонімом, встановити не вдалося, але ще в минулому столітті було доведено, що у списках ченців бенедиктинців орден брат Василь Валентин ніколи не значився. Є, правда, відомості, начебто в XV столітті в Ерфуртському монастирі жив чернець на ім'я Василь, дуже обізнаний в алхімії; деякі рукописи, що належали йому, були знайдені після його смерті в ящику разом з порошком золота. Але ототожнювати його з автором "Тріумфальної колісниці антимонія", мабуть, не можна. Найімовірніше, як показав критичний аналіз низки книг Василя Валентина, вони написані різними особами, причому не раніше другої половини XVI століття.
Ще середньовічні металурги і хіміки помітили, що сурма кується гірше, ніж "класичні" метали, і тому разом з цинком, вісмутом і миш'яком її виділили в особливу групу - "напівметалів". Для цього були й інші "вагомі" підстави: за алхімічними поняттями, кожен метал був пов'язаний з тим чи іншим небесним тілом "Сім металів створив світло за кількістю семи планет" - говорив один з найважливіших постулатів алхімії. На якомусь етапі людям і справді були відомі сім металів і стільки ж небесних тіл (Сонце, Місяць та п'ять планет, крім Землі). Не побачити в цьому найглибшу філософську закономірність могли лише повні профани та невігласи. Струнка алхімічна теорія свідчила, що золото представляло на небесах Сонце, срібло – це типовий Місяць, мідь, безсумнівно, пов'язана родинними узами з Венерою, залізо явно тяжіє до Марса, ртуть відповідно Меркурію, олово уособлює Юпітер, а свинець – Свинець. Для інших елементів у лавах металів не залишалося жодної вакансії.
Якщо для цинку і вісмуту така дискримінація, викликана дефіцитом небесних тіл, була явно несправедливою, то сурма з її своєрідними фізичними та хімічними властивостями і справді не мала права нарікати на те, що опинилася в розряді “напівметалів”
Судіть самі. На вигляд кристалічна, або сіра, сурма (це її основна модифікація) – типовий метал сіро-білого кольору з легким синюватим відтінком, який тим сильніший, чим більше домішок (відомі також три аморфні модифікації: жовта, чорна і так звана вибухова). Але зовнішність, як відомо, буває оманливою і сурма це підтверджує. На відміну від більшості металів, вона, по-перше, дуже тендітна і легко стирається в порошок, а по-друге, значно гірше проводить електрику та тепло. Та й у хімічних реакціях сурма виявляє таку двоїстість.
ність, що не дозволяє однозначно відповісти на запитання: метал вона чи не метал.
Немов у помсту металам за те, що вони неохоче приймають у свої ряди, розплавлена сурма розчиняє майже всі метали. Про це знали ще за старих часів, і не випадково в багатьох алхімічних книгах, що дійшли до нас, сурму і її сполуки зображували у вигляді вовка з відкритою пащею. У трактаті німецького алхіміка Михайла Мейєра “Бегуча Атланта”, виданому в 1618 р, був поміщений, наприклад, такий малюнок: на передньому плані вовк пожирає царя, що лежить на землі, а на задньому плані той цар, цілий і неушкоджений, підходить до берега озера стоїть човен, який повинен доставити його до палацу на протилежному березі. Символічно цей малюнок зображував спосіб очищення золота (цар) від домішок срібла та міді за допомогою антимоніту (вовк) – природного сульфіду сурми, а золото утворювало з'єднання з сурмою, яке потім струменем повітря – сурма випаровувалася у вигляді трьох окису, і виходило чисте золото. Цей спосіб існував до XVIII століття.
Вміст сурми в земній корі 4*10 -5 вагового %. Світові запаси сурми, що оцінюються в 6 млн. т, зосереджені головним чином Китаї (52% світових запасів). Найбільш поширений мінерал – серйозний блиск, або стибін (антимоніт) Sb 2 S 3 , свинцево-сірого кольору з металевим блиском, який кристалізується в ромбічній системі із щільністю 4,52-4,62 г / см 3 і твердістю 2. У головній масі сурм'яний блиск утворюється в гідротермальних родовищах, де його скупчення створюють поклади сурм'яної руди у формі жил і пластоподібних тіл. У верхніх частинах рудних тіл, біля поверхні землі, серйозний блиск піддається окисленню, утворюючи ряд мінералів, а саме: сенармонтит та валентит Sb 2 O 3 ; сервантит Sb 2 O 4 ; стибіоканіт Sb 2 O 4 H 2 O ; кермізит 3Sb 2 S 3 Sb 2 O . Крім своїх сурм'яних руд є також руди, в яких сурма знаходиться у вигляді комплексних сполук з міддю, свинцем
ртуттю та цинком (бляклі руди).
Значні родовища серйозних мінералів розташовані в Китаї, Чехії, Словаччині, Болівії, Мексиці, Японії, США, африканських країнах. У дореволюційної Росії сурму зовсім не добували, та й родовища її не відомі (на початку XX століття Росія щорічно ввозила з-за кордону майже тисячу тонн сурми). Щоправда, ще 1914г, як писав у своїх спогадах видний радянський геолог академік Д.І.Щербаков, ознаки сурм'яних руд він виявив у Кадамджайському гребені (Киргизія). Але тоді було не до сурми. Геологічні пошуки, продовжені вченим майже через два десятилітки, увінчалися успіхом, і вже в 1934 р з кадамджайських руд почали отримувати трисірчисту сурму, а ще через рік на дослідному заводі була виплавлена перша вітчизняна металева сурма. Вже до 1936 року повністю відпала потреба у купівлі її там.
ФІЗИЧНІ ТА ХІМІЧНІ
ВЛАСТИВОСТІ.
Для сурми відома одна кристалічна форма та кілька аморфних (так звані жовта, чорна та вибухова сурма). За звичайних умов стійка лише кристалічна сурма; вона сріблясто-білого кольору із синюватим відтінком. Чистий метал при повільному охолодженні під шаром шлаку утворює на поверхні голчасті кристали, що нагадує форму зірок. Структура кристалів ромбоедрична, а = 4,5064 А, а = 57,1 0 .
Щільність кристалічної сурми 6,69, рідкої 6,55 г / см 3 . Температура плавлення 630,50С, температура кипіння 1635-16450С, теплота плавлення 9,5ккал / г-атом, теплота випаровування 49,6 ккал / п-атом. Питома теплоємність (кал / г град): 0,04987 (20 0); 0,0537 (350 0); 0,0656 (650-950 0). Тепло провідність (кал / ем.сек.град):
0,045(0 0); 0,038 (200 0); 0,043 (400 0); 0,062 (650 0). Сурма крихка, легко стирається в порошок; в'язкість (пуаз); 0,015 (630,5 0); 0,082 (1100 0). Твердість по Брінеллю для литої сурми 32,5-34кг / мм 2 для сурми високої чистоти (після зонної плавки) 26кг / мм 2 . Модуль пружності 7600 кг / мм 2 , межа міцності 8,6 кг / мм 2 , стисливості 2,43 10 -6 см 2 / кг.
Жовта сурма виходить при пропусканні кисню або повітря в скраплений при-90 0 сурм'янистий водень; вже при –50 0 вона перетворюється на звичайну (кристалічну) сурму.
Чорна сурма утворюється при швидкому охолодженні пар сурми, приблизно при 400 0 переходить у звичайну сурму. Щільність чорної сурми 5,3. Вибухова сурма – сріблястий блискучий метал із щільністю 5,64-5,97, утворюється при електричному отриманні сурми з соляно-кислого розчину хлористої сурми (17-53% SbCl 2 у соляній кислоті d 1,12), при щільності струму в межах від 0,043 до 0,2 а / дм 2 . Отримана у своїй сурма перетворюється на звичайну з вибухом, викликаним тертям, дряпанням чи дотиком нагрітого металу; вибух обумовлений екзотермічним процесом переходу однієї форми до іншої.
На повітрі за звичайних умов сурма ( Sb ) не змінюється, нерозчинна вона ні у воді, ні в органічних розчинниках, але з багатьма металами вона легко дає сплави. У ряді напруг сурма розташовується між воднем та міддю. Водню з кислот вона, сурма, не витісняє і в розведених HCl і H 2 SO 4 не розчиняється. Однак міцна сірчана кислота при нагріванні переводить сурму в сульфати Е 2 (SO 4) 3 . Міцна азотна кислота окислює сурму до кислот H 3 ЕО 4 . Розчини лугів самі собою на сурму не діють, але у присутності кисню повільно її руйнують.
При нагріванні на повітрі сурма згоряє з утворенням оксидів, легко з'єднується вона також з га-
Сурма (латинське Stibium, позначається символом Sb) - елемент з атомним номером 51 та атомною вагою 121,75. Є елементом головної підгрупи п'ятої групи п'ятого періоду періодичної системи хімічних елементів Дмитра Івановича Менделєєва. Проста речовина сурма - метал (напівметал) сріблясто-білого кольору з синюватим відтінком, грубозернистої будови. У звичайному вигляді утворює кристали, що мають металевий блиск і мають щільність 6,68 г/см3. Нагадуючи на вигляд метал, кристалічна сурма відрізняється крихкістю і значно гірше проводить тепло і електричний струм, ніж звичайні метали. Крім кристалічної сурми, відомі й інші її алотропічні модифікації.
У природі відомі два стабільні ізотопи 121Sb (ізотопна поширеність 57,25%) і 123Sb (42,75%). З штучно отриманих радіоактивних ізотопів найважливіші 122Sb (з періодом напіврозпаду Т? = 2,8 діб), 124Sb (Т? = 60,2 діб) і 125Sb (Т? = 2,7 року). Єдиний довгоживучий радіонуклід - 125Sb з періодом напіврозпаду 2,76 року, решта ізотопів і ізомери сурми мають період напіврозпаду, що не перевищує двох місяців.
З сурмою людство знайоме з давніх-давен: у країнах Сходу вона вживалася приблизно за 3000 років до н. е. для виготовлення судин. Сполука сурми - серйозний блиск (природний Sb2S3) застосовували для фарбування в чорний колір брів і вій. У Стародавньому Єгипті порошок із цього мінералу називався mesten або stem, для древніх греків сурма була відома під ім'ям stími та stíbi, звідси латинський stibium. Детальний опис властивостей та способів отримання сурми та її сполук уперше дано алхіміком Василем Валентином (Німеччина) у 1604 році. Набагато згодом з'явилася назва antimonium. Власне під цією назвою сурма була включена до списку хімічних речовин у 1789 році, Лавуазьє включив її до списку під назвою antimoine.
Металева сурма через свою крихкість застосовується рідко, проте у зв'язку з тим, що вона збільшує твердість інших металів (олова, свинцю) і не окислюється за звичайних умов, металурги нерідко вводять її як легуючий елемент до складу різних сплавів. Сплави з використанням п'ятдесят першого елемента застосовуються широко в різних областях: для акумуляторних пластин, друкарських шрифтів, підшипників (бабіти), захисних екранів для роботи з джерелами іонізуючих випромінювань, посуду, художнього лиття і т. п. Чисту металеву сурму в основному використовують в напівпровідникової промисловості – для отримання антимонідів (солей сурми) з напівпровідниковими властивостями. П'ятдесят перший елемент входить до складу складних синтетичних лікарських препаратів. Широке застосування знайшли і з'єднання сурми: сульфіди сурми використовуються при виробництві сірників та у гумовій промисловості. Оксиди сурми застосовуються при виробництві вогнетривких сполук, керамічних емалей, скла, фарб та керамічних виробів.
Сурма відноситься до мікроелементів (вміст в організмі людини 10-6% за масою), проте біохімічна роль в організмі її до кінця не з'ясована. Відомо лише, що сурма утворює зв'язки України із атомами сірки, що зумовлює її високу токсичність. Сурма проявляє дратівливу та кумулятивну дію, накопичується в щитовидній залозі, пригнічуючи її функцію та викликаючи ендемічний зоб. Пил і пари п'ятдесят першого елемента викликають носові кровотечі, серйозну «ливарну лихоманку», пневмосклероз, вражають шкіру, порушують статеві функції. Тим не менш, ще з давніх часів деякі з'єднання сурми застосовуються в медицині як цінні лікарські засоби.
Біологічні властивості
Сурма відноситься до мікроелементів, вона виявлена в багатьох живих організмах. Встановлено, що вміст п'ятдесят першого елемента (на сто грам сухої речовини) становить у рослинах 0,006 мг, морських тварин 0,02 мг, наземних тварин 0,0006 мг. У людському організмі вміст сурми лише 10–6 % за масою. Надходження п'ятдесят першого елемента в організм тварин і людини відбувається через органи дихання (з повітрям, що вдихається) або шлунково-кишковий тракт (з їжею, водою, медикаментами), середньодобове надходження становить близько 50 мкг. Основними депо накопичення сурми є щитовидна залоза, печінка, селезінка, нирки, кісткова тканина, також відбувається накопичення в крові (в еритроцитах накопичується переважно сурма у ступені окислення +3, у плазмі крові – у ступені окислення +5).
Виділяється метал з організму досить повільно головним чином із сечею (80 %), у незначній кількості – з фекаліями. Однак фізіологічна та біохімічна роль сурми досі невідома та вивчена дуже слабо, тому дані про клінічні прояви дефіциту сурми в літературі відсутні. Однак добре відомі дані про гранично допустимі концентрації п'ятдесят першого елемента для людського організму: 10-5-10-7 г на 100 г сухої тканини. При більш високій концентрації сурма інактивує (запобігає роботі) ряд ферментів ліпідного, вуглеводного та білкового обміну (можливо в результаті блокування сульфгідрильних груп).
Справа в тому, що сурма та її похідні токсичні - Sb утворює зв'язки із сіркою (наприклад, реагує з SH-групами ферментів), що обумовлює її високу токсичність. Нагромаджуючись з надлишком у щитовидній залозі, сурма пригнічує її функцію та викликає ендемічний зоб. При попаданні в травний тракт сурма та її сполуки не викликають отруєння, тому що солі Sb(III) там гідролізуються з утворенням малорозчинних продуктів, які згодом виводяться з організму: спостерігається подразнення слизової оболонки шлунка, чому настає рефлекторне блювання, причому майже вся кількість прийнятої сурми викидається. разом із блювотними масами. Однак після прийомів значних кількостей сурми або за тривалого її застосування можуть спостерігатися місцеві ураження шлунково-кишкового тракту: виразки, гіперемія, набухання слизової оболонки. При цьому сполуки сурми (III) більш токсичні, ніж сурми (V). Поріг сприйняття присмаку у воді – 0,5 мг/л. Смертельна доза для дорослої людини – 100 мг, для дітей – 49 мг. ГДК Sb у ґрунті 4,5 мг/кг.
У питній воді сурма відноситься до другого класу небезпеки, має ГДК 0,005 мг/л, встановлений за санітарно-токсикологічним ЛПВ. У природних водах норматив вмісту становить 0,05 мг/л. У стічних промислових водах, що скидаються на очисні споруди, що мають біофільтри, вміст сурми не повинен перевищувати 0,2 мг/л. Пил і пари п'ятдесят першого елемента викликають носові кровотечі, серйозну «ливарну лихоманку», пневмосклероз, вражають шкіру, порушують статеві функції. Для аерозолів сурми ГДК у повітрі робочої зони 0,5 мг/м3, в атмосферному повітрі 0,01 мг/м3. При втиранні в шкіру сурма викликає роздратування, еритеми, пустули, подібні до віспи. Подібного роду пошкодження можуть спостерігатися в професіях, що мають справу з сурмою: у емалювальників (застосування окису сурми), у друкарів (робота з друкованими сплавами, британський метал). При хронічній інтоксикації організму сурмою необхідно вжити відповідних профілактичних заходів, обмежити її надходження, провести симптоматичне лікування, можливе використання комплексоутворювачів.
Один із найсучасніших методів «використання» сурми надійшов на озброєння криміналістів. Справа в тому, що куля, що летить, залишає за собою вихровий потік - «слід», в якому є мізерні частки ряду елементів - свинцю, сурми, барію, міді. Осідаючи, вони залишають на будь-якій поверхні невидимий відбиток. Проте невидимими ці частинки були лише донедавна, сучасні наукові розробки дозволяють визначити наявність частинок, отже, й напрямок польоту кулі. Відбувається це так: на досліджувану поверхню накладають смужки вологого фільтрувального паперу, потім їх поміщають у ядерний реактор і бомбардують нейтронами. В результаті «обстрілу» частина атомів, що перейшли на папір (у тому числі атоми сурми), перетворюється на радіоактивні ізотопи, а ступінь їх активності дозволяє судити про пайовий вміст цих елементів у пробах і таким чином визначити траєкторію та довжину польоту кулі, характеристику самої кулі , зброї та боєприпасів.
Багато напівпровідникових матеріалів, що містять сурму, були отримані в умовах невагомості на борту радянської орбітальної наукової станції «Салют-6» та американської станції «Скайлеб».
Автор "Пригод бравого солдата Швейка" Ярослав Гашек в оповіданні "Камінь життя" в іронічній манері викладає одну з версій походження назви "антимоній". 1460 року настоятель Штальгаузенського монастиря в Баварії отець Леонардус шукав філософський камінь. Варто зазначити, що, як не дивно, саме духовні особи мали особливу пристрасть до занять алхімії, засуджуючи при цьому жадібних мирян, які прагнуть збагачення. У ті далекі часи навряд чи вдалося б знайти хоч один монастир, у келіях і підвалах якого не йшла б напружена алхімічна робота. Отже, в одному зі своїх дослідів ігумен Леонардус змішав у тиглі попіл спаленого єретика з попелом його кота та подвійною кількістю землі, взятої з місця спалення. Цю «пекельну суміш» чернець почав нагрівати. Після випаровування вийшла важка темна речовина з металевим блиском. Результат засмутив настоятеля - у книзі спаленого єретика йшлося про те, що заповітний «філософський камінь» має бути невагомим і прозорим. Розчарувавшись у «єретичній науці», Леонардус викинув отриману речовину на монастирський двір. Однак незабаром він помітив, що свині охоче лижуть викинутий ним «камінь» і швидко жиріють. Вирішивши, що їм відкрито дуже поживну речовину, якою можна нагодувати всіх голодних, чернець приготував нову порцію «каменю життя», розтовк його і цей порошок додав у кашу, якою харчувалися його худі брати у Христі. Наступного дня всі сорок ченців Штальгаузенського монастиря померли у страшних муках. Каючись у скоєному, настоятель прокляв свої досліди, а «камінь життя» перейменував на антимоніум, тобто засіб «проти ченців».
За достовірність оповідання вручатися не варто, так само, як і за первісного автора цієї версії - середньовічного алхіміка ченця бенедиктинця Василя Валентина, який нібито жив на початку XV століття. Справа в тому, що ще у XVIII столітті було встановлено, що серед ченців ордена бенедиктинців такого ніколи не було. Вчені дійшли висновку, що «Василь Валентин» - це псевдонім невідомого вченого, який написав свій трактат не раніше середини XVI ст.
Хіміки середньовіччя виявили, що у розплавленій сурмі розчиняються майже всі метали. Метал, що пожирає інші метали, – «хімічний хижак». Можливо, подібні міркування і призвели до символічного зображення сурми як фігури вовка з відкритою пащею.
В арабській літературі свинцевий та серйозний блиск називали аль-каххаль (грим), алкооль, алкофоль. Вважалося, що косметичні та лікувальні засоби для очей містять якийсь таємничий дух, звідси, ймовірно, алкоголем стали називати леткі рідини.
Всім знайомий вираз «насурм'янити брови», який раніше позначав косметичну операцію з використанням порошку сірчистої сурми Sb2S3. Справа в тому, що з'єднання п'ятдесят першого елемента мають різне забарвлення: одні чорного кольору, інші - оранжево-червоного. Ще в незапам'ятні часи араби торгували в країнах Сходу фарбою для підведення брів, у складі якої була сурма. Автор історичного роману «Самвел» Раффі докладно описує техніку цієї косметичної операції: «Юнак дістав із-за пазухи шкіряну сумочку, взяв тонку загострену золоту паличку, підніс до губ, подихав на неї, щоб вона стала вологою, і опустив у порошок. Паличка вкрилася тонким шаром чорного пилу. Він почав накладати сурму на очі». Під час археологічних розкопок стародавніх поховань на території Вірменії було виявлено все вище описане косметичне приладдя: тонка загострена золота паличка і крихітна скринька з полірованого мармуру.
Історія
Ім'я першовідкривача сурми нам невідоме, оскільки цей метал відомий людині з доісторичних часів. Вироби з сурми та її сплавів (зокрема, сурми з міддю) використовувалися людиною протягом багатьох тисячоліть, добре відома сурм'яна бронза, що вживалася в період стародавнього Вавилонського царства, складалася з міді та добавок олова, свинцю та великої кількості сурми. Численні археологічні знахідки підтвердили припущення про те, що у Вавилоні ще за 3 тисячі років до н. із сурми робили судини, наприклад, добре відомий опис фрагментів вази з металевої сурми, знайденої в Телло (південна Вавилон). Виявлено й інші предмети з металевої сурми, зокрема Грузії, датовані I тисячоліттям до зв. е. Для виготовлення різноманітних виробів широко використовувалися і сплави сурми зі свинцем, взагалі слід зазначити, що у давнину металева сурма, мабуть, не вважалася індивідуальним металом, її приймали за свинець.
Що стосується сполук сурми, то найбільш відомий «сурм'яний блиск» - сірчиста сурма Sb2S3, яка була відома в багатьох країнах. В Індії, Міжріччі, Єгипті, Середній Азії та інших азіатських країнах із цього мінералу робили тонкий блискучий чорний порошок, що застосовувався для косметичних цілей, особливо для гримування очей «очна мазь». Так було в Стародавньому Єгипті вже у 19 в. до зв. е. порошок серйозного блиску під назвою mesten, stem або stimmi застосовувався для чорніння брів. У Сирії та Палестині задовго до початку н.е. чорний грим іменувався не тільки стиммі, а й каххаль чи коголь, що у всіх трьох випадках означало будь-який тонкий сухий або розтертий у вигляді порошок мазі. У Стародавній Греції він був відомий як stimi і stibi, звідси латинський stibium. Пізніші письменники (приблизно початок н. е.), наприклад Пліній, називають stimmi і stibi - косметичні та фармацевтичні засоби для гримування та лікування очей. У грецькій літературі Олександрійського періоду ці слова також означають косметичний засіб чорного кольору (чорний порошок). Однак плутанина зі свинцем триває, і найчастіше всі ці назви відносяться до сірчистого свинцю - свинцевого блиску PbS, а зовсім не до сурми чи її сполук. Багато назв, як і відсутність розмежування свинцю з сурмою, поступово перекочовують в арабську літературу, де зустрічаються такі поняття, як ітмід або атемід - порошок або осад (паста) свинцю. Пізніше з'являються слова аль-каххаль, алкооль, алкофоль, які стосуються переважно свинцевого блиску і що позначають грим.
У середні віки алхіміки називали сурм'яний, також, втім, як і свинцевий, блиск антимонієм (antimonium), а саму металеву сурму тоді називали корольком сурми - regulus antimoni. Алхімік Василь Валентин, який жив у XV столітті, детально описав у своїй «Тріумфальній колісниці антимонія» отримання металевої сурми, а також існуючі вже тоді і вживані сплави на її основі, наприклад сплав зі свинцем для виливки друкарського шрифту, і значну кількість препаратів сурми. Походження назви antimonium має кілька варіантів. Відповідно до першої теорії назва «антимоній» походить від грецького ανεμον - «квітка» - «антос амонос», або квітка бога Амона (Юпітера) (на вигляд зростків голчастих кристалів сурм'яного блиску, схожих на квіти сімейства складноквіткових). Другий варіант походження слова antimonium описує у своїй праці Василь Валентин. Згідно з його розповіддю один чернець, який виявив сильну проносну дію сірчистої сурми на свиней, зарекомендував його своїм побратимам. Результат цього медичного досвіду виявився плачевним – після прийому кошти всі ченці померли. Тому ніби сурма отримала назву, виготовлену від «анти-монахіум» (засіб проти ченців). Однак правдоподібнішими здаються інші варіанти походження цього слова, наприклад, з трансформації арабських слів ітмід, або атемід. Інші виробляють «антимоній» від грецького словосполучення анти-монос (супротивник усамітнення), що підкреслює, що природна сурма завжди спільна з іншими мінералами. Так чи інакше, а в 1789 році Лавуазьє включив сурму до списку простих речовин і дав їй назву antimonie, воно і зараз залишається французькою назвою п'ятдесят першого елемента. Близькі до нього англійська та німецька назви - antimony, antimon. Однак, незважаючи на відсутність однозначної відповіді з приводу походження назви, саме в алхімічний період у Західній Європі сурма та її сполуки були розмежовані зі свинцем та його сполуками. Вже в середньовічній літературі, а також у творах епохи Відродження металева та сірчиста сурма зазвичай описуються досить точно.
Що ж до російського слова «сурма», то, найімовірніше, воно має тюркське походження - surme. Початкове значення цього терміна було – мазь, грим, притирання. Це підтверджується збереженням до нашого часу цього слова у багатьох східних мовах: турецькій, фарсидській, узбецькій, азербайджанській та інших. За іншими даними, "сурма" походить від перського "сурме" - метал. У російській літературі початку ХІХ століття використовуються слова сурьмяк (Захаров, 1810), сюрма, сюрма, сюрмовий король і сурма.
Знаходження у природі
Незважаючи на те, що вміст сурми в земній корі порівняно невеликий - середній вміст (кларк) 5∙10-5 % (500 мг/т) - вона була відома ще в давнину. Це не дивно, адже сурма входить до складу приблизно ста мінералів, найпоширеніший з яких серйозний блиск Sb2S3 - мінерал свинцево-сірого кольору з металевим блиском (він же антимоніт, він же стибне), що містить більше 70% сурми і служить основною промисловою сировиною її одержання. Основна маса сурм'яного блиску утворюється в гідротермальних родовищах, де його скупчення створюють поклади сурм'яної руди у формі жил і тіл пластоподібної форми. У верхніх частинах рудних тіл, біля поверхні землі, серйозний блиск піддається окисленню, утворюючи ряд мінералів, а саме: сенармонтит і валентит Sb2O3 (обидва мінерали одного і того ж хімічного складу містять 83,32% сурми і 16,68% кисню); сервантит (сурм'яна охра) Sb2O4; стибіоканіт Sb2O4∙nH2O; кермезит Sb2S2O. У поодиноких випадках сурм'яні руди (завдяки спорідненості з сіркою) представлені складними сульфідами сурми, міді, ртуті, свинцю, заліза (бертьєрит FeSbS4, джемсоніт Pb4FeSb6S14, тетраедрит Cu12Sb4S13, лівінгстон сурми.
У природних сполуках п'ятдесят перший елемент з одного боку виявляє властивості металу та є типовим халькофільним елементом, утворюючи антимоніт. У той же час, сурма має властивості металоїду, що виявляються в утворенні різних сульфосолів - буланжериту, тетраедриту, бурноніту, піраргіриту та інших. З рядом металів (паладій, миш'як) сурма здатна створювати інтерметалеві сполуки. Крім того, в природі спостерігається ізоморфне заміщення сурми та миш'яку в бляклих рудах та геокроніті Pb5(Sb, As)2S8 та сурми та вісмуту в кобелліті Pb6FeBi4Sb2S16 та ін. Варто відзначити, що сурма зустрічається і в самородному стані. Самородна сурма - мінерал складу Sb, іноді з незначною домішкою срібла, миш'яку, вісмуту (до 5%). Зустрічається у вигляді зернистих мас (що кристалізуються в тригональній системі), натічних утворень та ромбоедричних пластинчастих кристалів. Самородна сурма має металевий блиск, олов'яно-білий колір із жовтою втечею. Утворюється в основному при дефіциті сірки в низькотемпературних гідротермальних сурм'яних, сурьмяно-золото-срібних і мідно-свинцево-цинково-сурм'яно-срібно-миш'якових, а також високотемпературних пневматолітово-гідротермальних сурм'яно-срібло-вольфрамових досягати промислових значень – Сейняйокі у Фінляндії).
Вміст сурми у пластових рудних тілах від 1 до 10 %, у жильних – від 3 до 50 %, середній вміст – від 5 до 20 %, часом більше. Пластові рудні тіла утворюються за допомогою низькотемпературних гідротермальних розчинів шляхом заповнення тріщин у гірських породах, а також внаслідок заміщення останніх мінералами сурми. Основне промислове значення мають два типи родовищ: пластові тіла, лінзи, гнізда і штокверки у витриманих плащеподібних покладах, що утворюються в результаті метасоматичного заміщення кремнеземом і сполуками сурми вапняків під сланцевим екраном (в Китаї - Сікуаншань, в СНД - Кадамджай, Азії). Другий тип родовищ - системи крутопадаючих січучих кварцово-антимонітових жил у сланцях (у СНД - Тургайське, Раздольнинське, Сарилах та ін; у Південній Африці - Гравелот та ін).
Багаті родовища серйозних мінералів виявлено біля Китаю, Болівії, Японії, США, Чехії, Словаччини, Мексики, низки африканських країн.
Застосування
У зв'язку з високою крихкістю металева сурма застосовується рідко, але оскільки вона збільшує твердість інших металів (наприклад, олова і свинцю) і не окислюється при звичайних умовах, металурги часто вводять її до складу різних сплавів. Загальна кількість сплавів, що містять п'ятдесят перший елемент, наближається до двохсот. Легування низки сплавів сурмою було відомо ще в середні віки, про що ми можемо дізнатися з праць найбільшого металурга тих часів Георга Агриколи (XVI століття): «Якщо шляхом сплавлення певна порція сурми додається до олову, виходить друкарський сплав, з якого виготовляється шрифт, що застосовується тими, хто одержує книги».
Неймовірно, але такий сплав – гарт (сурма, олово та свинець), що містить від 5 до 30 % Sb – неодмінний атрибут будь-якої друкарні наших днів! У чому ж унікальність металу, що пройшов крізь століття? Річ у тім, що розплавлена сурма, на відміну інших металів (крім вісмуту і галію), при затвердінні розширюється, тобто збільшує свій обсяг. Таким чином, при виливку шрифту друкарський сплав, що містить сурму, застигаючи в ливарній матриці, розширюється, завдяки чому щільно її заповнює і, отже, дуже точно відтворює дзеркальне зображення, яке згодом переноситься на папір. Крім того, сурма надає друкарському сплаву твердість та зносостійкість, що дуже важливо при багаторазовому використанні шаблону.
Сплави свинцю з сурмою, що застосовуються в хімічному машинобудуванні (для облицювання ванн та іншої кислототривкої апаратури) мають високу твердість і корозійну стійкість. Найбільш відомий сплав гартблей (зміст Sb від 5 до 15%) застосовується для виготовлення труб, якими транспортують агресивні рідини. З цього сплаву роблять оболонки телеграфних, телефонних і електричних кабелів, електроди, пластини акумуляторів, сердечники куль, дріб, шрапнель. Широке застосування (верстатобудування, залізничний та автомобільний транспорт) знайшли підшипникові сплави (бабіти), що містять олово, мідь, свинець і сурму (Sb від 4 до 15 %), вони мають достатню твердість, великий опір стирання, високу корозійну стійкість. Також сурма додається до металів, призначених для тонких виливків.
Чисту сурму використовують для отримання антимонідів (AlSb, CaSb, InSb), а також як добавку у виробництві напівпровідникових сполук. Такою сурмою легують (всього 0,000001%) найважливіший напівпровідниковий метал – германій, щоб покращити його якості. Ряд її з'єднань (зокрема, з галієм та індієм) – самі відмінні напівпровідники. П'ятдесят перший елемент застосовується у напівпровідникової промисловості як як леганд. Сурма використовують і при виробництві діодів (AlSb і CaSb), інфрачервоних детекторів, пристроїв з ефектом Холла. Антимонід індію застосовують для побудови датчиків Холла, для перетворення неелектричних величин в електричні, в лічильно-вирішальних пристроях, як фільтр і реєстратор інфрачервоного випромінювання. Завдяки великій ширині забороненої зони AlSb застосовують для побудови сонячних батарей.
Різноманітна «діяльність» та з'єднань сурми. Наприклад, трикіс сурми (Sb2O3) застосовується в основному як пігмент для фарб, глушник для емалі, протрава в текстильній промисловості, у виробництві вогнетривких сполук і фарб, її використовують також для виготовлення оптичного (просвітленого) скла, керамічних емалей. П'ятиокис сурми (Sb2O5) знаходить широке застосування у виробництві лікувальних препаратів, у виробництві скла, кераміки, фарб, у текстильній та гумовій промисловості, в якості складової частини люмінесцентних ламп денного світла (у люмінесцентних лампах галофосфатом кальцію активують Sb). Трисернисту сурму використовують у виробництві сірників і в піротехніці. П'ятисеристу сурму застосовують для вулканізації каучуку (у «медичної» гуми, до складу якої входить Sb2S5, характерний червоний колір і висока еластичність). Сурма трихлориста (SbCl3) застосовується для вороніння сталей, чорніння цинку, в медицині, як протрава в текстильному виробництві і як реактив в аналітичній хімії. Отруйний стибін або сурм'янистий водень SbH3 - застосовується як фумігант для боротьби з комахами - шкідниками сільськогосподарських рослин. Багато сполук сурми можуть бути пігментами в фарбах, наприклад, сурьмянокислий калій (K2O 2Sb2O5) широко застосовується у виробництві кераміки, фарба «сурмін», основу якої становить триокись сурми, застосовується для фарбування підводної частини та надпалубних будівель кораблів. Метасурьмянокислий натрій (NaSbO3) під назвою «лейконін» використовується для покриття кухонного посуду, а також у виробництві емалі та білого молочного скла.
Виробництво
Сурма досить рідкісний елемент, в земній корі її є не більше 5∙10-5 %, проте відомо понад сто мінералів, що містять цей елемент. Найпоширеніший і має найбільше промислове значення мінерал сурми - серйозний блиск, або стибніт, Sb2S3, що містить понад 70% сурми. Інші сурм'яні руди різко відрізняються один від одного за вмістом у них металу - від 1 до 60%. Отримувати металеву сурму безпосередньо з руд, у яких менше 10 % Sb економічно недоцільно. Тому бідні руди попередньо збагачуються. Сульфідні, і навіть комплексні руди збагачують флотацією, а сульфидно-окисленные - комбінованими способами. Пройшовши збагачення, рудний концентрат містить від 30 до 60 % Sb, така сировина придатна для переробки в елементарну сурму, що і виробляється пірометаллургічним або гідрометалургійним методами. У першому варіанті всі перетворення протікають у розплаві під впливом високої температури, у другому - у водних розчинах сполук сурми та інших елементів. До пірометалургійних методів отримання сурми відносяться: осадова, відновна та пряма плавка в шахтних печах. Осаджувальна плавка, сировиною для якої є сульфідний концентрат, заснована на витіснення сурми з її сульфіду залізом:
Sb2S3 + 3Fe → 2Sb + 3FeS
Відбувається процес у відбивних або обертових барабанних печах наступним чином: залізо у вигляді чавунної або сталевої стружки вводять безпосередньо в піч, далі для утворення відновлювальної атмосфери, яка запобігає втратам з виходом летючого оксиду сурми (III), в шихту додають деревне вугілля (кам'яно). кокс). Для ошлакування порожньої породи в шихту вводять флюс - сульфат натрію або соду. Плавка шихти відбувається за постійної температури 1 300-1 400 °C. В результаті осаджувальної плавки утворюється чернова сурма, що містить від 95 до 97% Sb (залежить від початкового вмісту в концентраті) та від 3 до 5% домішок - заліза, золота, свинцю, міді, миш'яку та інших металів, що містилися у вихідній сировині. Вилучення сурми з первісного концентрату становить від 77 до 92%.
Відновлювальна плавка заснована на відновленні оксидів сурми до металу твердим вуглецем:
Sb2O4 + 4C → 2Sb + 4CO
Виготовляється у відбивних чи коротких барабанних печах за нормальної температури 800-1 000 °З. Шихту складають окислена руда, деревне вугілля (можливий кам'яновугільний пил) і флюс (сода, поташ). Виходить чернова сурма чистіша, ніж при осаджувальній плавці (більше 99% Sb), вилучення металу з концентрату становить 80-90%.
Пряма плавка в шахтних печах застосовується для виплавки металу з бідної окисленої або сульфідної великокускової сировини. Максимальна температура 1300-1500 ° С досягається горінням коксу - складової частини шихти, як флюс виступають вапняк, піритні недогарки або залізна руда. Метал виходить як за рахунок відновлення коксом Sb2O3, так і в результаті взаємодії антимоніту, що не окислився, з Sb2O3 при постійному видаленні SO2 з розплаву пічними газами. Продукти плавки (чорновий метал та шлак) стікають у нижню частину печі та випускаються з нього у відстійник.
Інший метод отримання сурми - гідрометалургійний знаходить все більше застосування останнім часом. Він складається з двох стадій: обробка сировини з переведенням у розчин сполук сурми та виділення сурми з цих розчинів. Складність цього методу полягає в тому, що перевести сурму в розчин досить проблематично: більшість природних сполук сурми у воді майже не розчиняється. Однак потрібний розчинник був знайдений - водний розчин натрію сірчистого (120 г/л) і їдкого натру (30 г/л). Сульфід та окис сурми переходить у розчин у вигляді сульфасолів та солей сурм'яних кислот. З одержаного розчину металеву сурму виділяють електролізом. Чорна сурма, отримана гідрометалургійним методом, не відрізняється особливою чистотою та містить від 1,5 до 15 % домішок.
Для отримання сурми з меншою кількістю домішок застосовують пірометалургійне (вогневе) або електролітичне рафінування. Найбільш поширене в промисловості вогневе рафінування виробляється у відбивних печах. При додаванні до розплавленої чорнової сурми стибніту, домішки заліза та міді утворюють сірчисті сполуки та переходять у штейн. Миш'як видаляють у вигляді арсенату натрію при плавці в окислювальній атмосфері (продування повітрям) содою або поташом, при цьому видаляється і сірка. За наявності благородних металів застосовують анодне електролітичне рафінування, що дозволяє сконцентрувати благородні метали у шламі. Рафінована сурма містить не більше 0,5-0,8 % чужорідних домішок. Однак і такий метал задовольняє не всіх споживачів – для напівпровідникової промисловості, наприклад, потрібна сурма 99,999% чистоти. У такому разі застосовують кристалофізичний метод очищення - зонну плавку в атмосфері аргону, особливо відповідальних випадках, зонну плавку повторюють кілька разів.
Фізичні властивості
Сурма відома в кристалічній формі та трьох аморфних модифікаціях (вибухова, чорна та жовта). На вигляд кристалічна, або сіра, сурма (це її основна модифікація) - типовий блискучий метал сріблясто-білого кольору з легким синюватим відтінком, який тим сильніший, чим більше домішок (чистий елемент у вільному стані утворює голчасті кристали, що нагадують форму зірок).
Багато механічних властивостей залежать від чистоти металу. Сіра сурма кристалізується в тригональній (ромбоедричній) системі (а = 0,45064 нм, z = 2, просторова група R3m), її щільність 6,61-6,73 г/см3 (у рідкому стані - 6,55 г/см3) . При тиску ~5,5 ГПа ромбоедричні грати сірої сурми перетворюються на кубічну модифікацію SbII. При тиску 8,5 ГПа - гексагональну SbIII. Понад 28 гПа утворюється SbIV. Плавиться кристалічна сурма за невисокої температури - 630,5 °C, кипіти розплавлена сурма починає при 1 634 °C. Питома теплоємність сірої сурми при температурах 20-100° становить 0,210 кдж/(кг К) або 0,0498 кал/(г °С), теплопровідність при 20 °С дорівнює 17,6 вт/(м К) або 0,042 кал/ (См сек °С). Температурний коефіцієнт лінійного розширення для полікристалічної сурми 11,5 10-6 за температури від 0 до 100 °С; для монокристалу а1 = 8,1 10-6, а2 = 19,5 10-6 при 0-400 °С, питомий електроопір при 20 °С становить 43,045 10-6 см. Сурма діамагнітна, її питома магнітна сприйнятливість дорівнює -0 ,66 10-6. Твердість за Брінеллем для литого металу дорівнює 325-340 Мн/м2 (32,5-34,0 кгс/мм2); модуль пружності 285-300; межа міцності 86,0 Мн/м2 (8,6 кгс/мм2). Температура переходу сурми в надпровідний стан 2,7 К. Сіра сурма має шарувату структуру, де кожен атом Sb пірамідально пов'язаний з трьома сусідами по шару (міжтомна відстань 0,288 нм) і має трьох найближчих сусідів в іншому шарі (міжтомну3). За звичайних умов стійка саме ця форма сурми.
При різкому охолодженні парів сірої сурми утворюється так звана чорна сурма (щільність 5,3 г/см3), яка при нагріванні до 400 ° С без доступу повітря знову переходить у сіру сурму. Чорна сурма має напівпровідникові властивості. Жовта сурма утворюється при дії кисню на рідкий стибін SbH3 і містить незначну кількість хімічно зв'язаного водню. При нагріванні, а також при освітленні видимим світлом, жовта сурма переходить у чорну сурму. Вибухова сурма зовні схожа на графіт (щільність 5,64-5,97 г/см3) вибухає при ударі та терті. Дана модифікація утворюється при електролізі розчину SbCl3 в соляній кислоті при малій щільності струму, що містить пов'язаний хлор. Вибухова сурма при розтиранні або ударі з вибухом перетворюється на металеву сурму.
Однозначно стверджувати, що сурма – метал, не можна. Ще середньовічні алхіміки зарахували її (втім, як і деякі справжні метали: цинк і вісмут, наприклад) до групи «напівметалів», адже вони гірше кувалися, а ковкість вважалася основною ознакою металу, крім того, за алхімічними уявленнями, кожен метал був пов'язаний з якимось небесним тілом. До того моменту всі відомі небесні тіла були вже розподілені (Сонце пов'язували із золотом, Місяць уособлював срібло, Меркурій – ртуть, Венера – мідь, Марс – залізо, Юпітер – олово та Сатурн – свинець), отже, самостійних металів, на думку алхіміків, більше не існувало.
Як виявилося пізніше - частково середньовічні хіміки мали рацію, що підтверджується аналізом низки фізичних та хімічних властивостей сурми. На відміну від більшості металів, сурма, по-перше, дуже крихка і легко стирається в порошок (це легко зробити у фарфоровій ступці фарфоровим товкачем), а по-друге, значно гірше проводить електрику та тепло (при 0 °C її електропровідність становить лише 3,76% електропровідності срібла). У той же час кристалічна сурма має характерний металевий блиск, вище 310 ° С стає пластичною, крім того, монокристали високої чистоти теж пластичні. З сірчаною кислотою сурма утворює сульфат Sb2(SO4)3 і тим самим стверджує себе в металевій якості, а азотна кислота окислює сурму до вищого оксиду, що утворюється у вигляді гідратованої сполуки xSb2O5 уН2О, доводячи її характер неметал. Виходить, що металеві властивості виражені у сурми досить слабо, однак і властивості неметалу властиві їй далеко не повною мірою.
Хімічні властивості
Конфігурація зовнішніх електронів атома сурми 5s25p3. У своїх сполуках сурма виявляє велику схожість з миш'яком, проте відрізняється від нього більш сильно вираженими металевими властивостями, виявляє головним чином ступеня окиснення +5, +3 та -3. Взагалі, в хімічному відношенні п'ятдесят перший елемент малоактивний - на повітрі при кімнатній температурі металева сурма стійка, починає окислюватися лише при температурах близьких до точки плавлення (~600 ° С) з утворенням оксиду сурми (III) або сурм'янистого ангідриду - Sb2O3:
4Sb + 3O2 → 2Sb2O3
вище за температуру плавлення сурма спалахує. Оксид сурми (III) - типовий амфотерний оксид з деяким переважанням основних властивостей, нерозчинний, утворює мінерали. Реагує з лугами та кислотами, причому в сильних кислотах, наприклад сірчаної та соляної, оксид сурми (III) розчиняється з утворенням солей сурми (III), у лугах з утворенням солей сурм'янистої H3SbO3 або метасурм'янистої HSbO2 кислоти:
Sb2O3 + 2NaOH → 2NaSbO2 + Н2О
Sb2O3 + 6HCl → 2SbCl3 + 3H2O
При нагріванні Sb2O3 вище 700 °C у кисні утворюється оксид складу Sb2O4:
2Sb2O3 + O2 → 2Sb2O4
Sb2O4 одночасно містить три-і пятивалентную сурму. У його структурі з'єднані один з одним октаедричні угруповання та . Цей окис сурми найстійкіший.
Подрібнена порошкоподібна сурма горить в атмосфері хлору, п'ятдесят перший елемент активно реагує з іншими галогенами, утворюючи галогеніди сурми. З азотом і воднем у металевої сурми реакції не виникає, як і з кремнієм і бором, вуглець незначно розчиняється в розплавленій сурмі. З сіркою, фосфором, миш'яком і багатьма металами сурма з'єднується при сплавленні. З'єднуючись з металами, сурма утворює антимоніди, наприклад, антимонід олова SnSb, нікелю Ni2Sb3, NiSb, Ni5Sb2 та Ni4Sb. Антимоніди можна як продукти заміщення водню в стибіні (SbН3) атомами металу. Деякі антимоніди, зокрема AlSb, GaSb, InSb, мають напівпровідникові властивості.
Сурма стійка по відношенню до води та розведених кислот. Так, наприклад, у соляній кислоті та в розведеній сірчаній кислоті сурма не розчиняється. Не реагує вона і з фтористоводневою та плавиковою кислотами. Однак концентровані соляна та сірчана кислоти повільно розчиняють сурму з утворенням хлориду SbCl3 та сульфату Sb2(SO4)3. З концентрованою азотною кислотою утворюється погано розчинна β-сурм'яна кислота HSbO3:
3Sb + 5HNO3 → 3HSbO3 + 5NO + H2O
Сурма легко розчиняється в царській горілці, в суміші азотної та винної кислот. Розчини лугів та NH3 на сурму не діють, розплавлені луги розчиняють сурму з утворенням антимонатів.
При нагріванні з нітратами або хлоратами лужних металів порошкоподібна сурма зі спалахом утворює солі сурм'яної кислоти. Практичний інтерес представляють важкорозчинні солі сурм'яної кислоти - антимонати (MeSbO3 3H2O, де Me - Na, К) і солі не виділеної метасурм'янистої кислоти - метаантимоніти (MeSbO2 3H2O), що мають відновлювальні властивості. Антимонати (III) лужних металів, особливо калію, розчиняються у питній воді, на відміну інших антимонатів. При нагріванні повітря окислюються до антимонатів (V). Відомі метаантимонати (III), наприклад КSbО2, ортоантимонати (III), як Na3SbO3, і поліантимонати, наприклад NaSb5O8, Na2Sb4O7. Для рідкісноземельних елементів характерне утворення ортоантимонатів LnSbO3, а також Ln3Sb5O12. Антимонати нікелю, марганцю – каталізатори в органічному синтезі (реакції окислення та поліконденсації), антимонати рідкісноземельних елементів – люмінофори.
З найважливіших сполук сурми, крім вище описаного оксиду (III) виділяють також: гідрид (стибін) SbН3 - безбарвний отруйний газ, що утворюється дією HCl на антимоніди магнію або цинку або солянокислого розчину SbCl3 на NaBH4. Стибін повільно розкладається за кімнатної температури на сурму і водень, процес значно прискорюється при нагріванні до 150 °C; він легко окислюється, горить повітря; мало розчинний у воді; використовують для отримання сурми високої чистоти. Інша важлива сполука п'ятдесят першого елемента - оксид сурми (V) або сурм'яний ангідрид, Sb2O5 (жовті кристали, розчиняється у воді, утворюючи сурм'яну кислоту) має головним чином кислотні властивості.
Що цікаво, нижчий оксид сурми (Sb2O3) називають сурм'янистим ангідридом, хоча це твердження неправильне, адже ангідрид є кислотоутворюючим оксидом, а у Sb(OH)3, гідрату Sb2O3 основні властивості явно переважають над кислотними. Таким чином, властивості нижчого оксиду сурми свідчать, що сурма - метал. Однак, вищий оксид сурми Sb2O5 - це справді ангідрид з чітко вираженими кислотними властивостями, що говорить на користь того, що сурма все ж таки - неметал. Виходить, що дуалізм, що спостерігається у фізичних характеристиках п'ятдесят першого елемента, також простежується і в хімічних властивостях сурми.
Сурма - проста хімічна речовина, елемент таблиці Менделєєва Sb під номером 51. Хімікі відносять його до напівметалів, металоїдів, тобто до речовин, що виявляють властивості як металів, так і неметалів.
Сурма зустрічається в природі у самородному вигляді, але частіше у складі мінералів (їх відомо більше сотні); у складі свинцевих, мідних та срібних руд. Промислове значення має лише один мінерал - антимоніт (сульфід сурми).
Види та особливості
Сурма має 4 металеві алотропні модифікації, і 3 аморфні: жовта сурма, чорна, вибухова. Металева сурма, вона ж сіра сурма — схожа на метал срібляста речовина з синюватим відливом, тверда, але крихка, її легко потовкти в порошок. Металева сурма дуже високої чистоти пластична. Речовина стійка в нормальних умовах, слабо проводить струм та тепло, має напівпровідникові властивості. Має рідкісну якість для металу — розширюється при охолодженні, завдяки чому використовується для виготовлення друкарських літер.
Жовта сурма при нагріванні або яскравому освітленні перетворюється на чорну сурму з напівпровідниковими властивостями. Вибухова сурма вибухає при терті. За певних умов чорна та вибухова сурма переходять у металеву.
Сурма розчиняє багато металів (утворює з ними інтерметалеві сполуки). У хімічних реакціях виявляє валентність ІІІ і V. Для окислення киснем потрібно нагрівання до 600 °С. Вступає в реакції з концентрованою азотною та сірчаною кислотами, з «царською горілкою», з галогенами та хлором.
Сурма, особливо Sb III, а також її сполуки, є отруйною, хоча як мікроелемент присутній в організмі людини і тварин. В організмі хімічний реактив може накопичуватися, викликаючи пригнічення функції щитовидної залози та статевої функції. На виробництвах, під час роботи з рудами та виплавці сплавів необхідно використовувати індивідуальні засоби захисту. Пари та пил сурми викликають ураження органів дихання, носову кровотечу, подразнення шкіри та очні захворювання. Попадання сурми через стравохід менш небезпечно, оскільки вона гідролізується у процесі травлення та виводиться з організму.
Сурма відноситься до токсичних речовин 2 класу небезпеки та її вміст у повітрі, воді, стічних водах та ґрунтах регламентується санітарними нормами.
Застосування
— Сурма входить до складу майже 200 сплавів. Додавання до сплаву сурми збільшує його твердість. Особливо часто застосовуються сплави зі свинцем, оловом, міддю та вісмутом для отримання легкоплавких, але твердих, зносо- та корозійностійких сплавів для виробництва підшипників, друкарських шрифтів, труб для перекачування агресивних рідин (твердий свинець), куль і шрапнелі.
— Основна частина сурми, що виробляється, йде на виробництво твердого свинцю (сплав може містити до 15% Sb) для випуску пластин акумуляторів і батарей. З цього металу також виготовляють електроди, оболонки кабелів, захисні екрани від випромінювання.
— Сплави сурми з германієм, індієм, галієм та алюмінієм — високоякісні напівпровідники. Телурид сурми входить до складу термоелектричних сплавів.
- Оксид сурми (III) - найбільш затребуване промисловістю з'єднання сурми. Воно відрізняється високою термостійкістю, тому входить до складу жаростійких фарб та емалей, стекол, кераміки, тканин, антипіренів. Фарба на його основі використовується для фарбування кораблів, у тому числі їх підводної частини. Триоксид сурми використовується для отримання Sb високої чистоти для металургії та виробництва напівпровідників.
- Сульфіди сурми III і V використовуються у піротехніці, у виробництві 
трасуючих куль, у складі сірникових головок, для вулканізації каучуку, у складі особливо еластичної та термостійкої гуми для медичних виробів (гума червоних відтінків).
— Трихлориста сурма застосовується в хімічній промисловості для одержання сурми високої чистоти, в органічному синтезі, для одержання рідкого неводного розчинника. Використовується в аналітичній хімії; у текстильній промисловості як протрава.
— Сурма входить до складу багатьох фарб та пігментів для скляної, порцелянової та керамічної індустрії, до складу олійних фарб для живопису. Дрібнодисперсійний порошок чистої сурми є основою фарби «залізна чернь».
- Крім того, сурма застосовується в люмінесцентних лампах; у лікарських препаратах; як джерело γ-випромінювання та нейтронів, у безсвинцевому припої.
Магазин хімічних реактивів, лабораторного обладнання та засобів захисту пропонує хімічні реактиви в широкому асортименті, серед якого є Сурьма (III) окис ч і
ВИЗНАЧЕННЯ
Сурма- п'ятдесят перший елемент Періодичної таблиці. Позначення – Sb від латинського «stibium». Розташована у п'ятому періоді, VA групі. Належить до напівметалів. Заряд ядра дорівнює 51.
Сурма зустрічається в природі у поєднанні з сіркою - у вигляді сурм'яного блиску]6 або антимоніту, Sb 2 S 3 . Незважаючи на те, що зміст сурми в земній корі порівняно невеликий, сурма була відома ще в давнину. Це пояснюється поширеністю в природі серйозного блиску та легкістю отримання з нього сурми.
У вільному стані сурма утворює сріблясто-білі кристали (рис. 1), що мають металевий блиск і мають щільність 6,68 г/см 3 . Нагадуючи на вигляд метал, кристалічна сурма відрізняється крихкістю і значно гірше проводить теплоту і електричний струм, ніж звичайні метали. Крім кристалічної сурми, відомі й інші її алотропічні видозміни.
Рис. 1. Сурма. Зовнішній вигляд.
Атомна та молекулярна маса сурми
Відносна молекулярна маса речовини(M r) - це число, що показує, у скільки разів маса даної молекули більша за 1/12 маси атома вуглецю, а відносна атомна маса елемента(A r) — у скільки разів середня маса атомів хімічного елемента більша за 1/12 маси атома вуглецю.
Оскільки у вільному стані сурма існує у вигляді одноатомних молекул Sb, значення його атомної та молекулярної мас збігаються. Вони дорівнюють 121,760.
Ізотопи сурми
Відомо, що у природі сурма може бути у вигляді двох стабільних ізотопів 121 Sb (57,36%) і 123 Sb (42,64%). Їхні масові числа дорівнюють 121 і 123 відповідно. Ядро атома ізотопу сурми 121 Sb містить п'ятдесят один протон і сімдесят нейтронів, а ізотопу 123 Sb - таке число протонів та сімдесят два нейтрони.
Існують штучні нестабільні ізотопи сурми з масовими числами від 103 до 139, а також більше двадцяти ізомерних стану ядер, серед яких найбільш довгоживучим є ізотоп 125 Sb з періодом напіврозпаду рівним 2,76 року.
Іони сурми
На зовнішньому енергетичному рівні атома сурми є п'ять електронів, які є валентними:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5р 3 .
Через війну хімічного взаємодії сурма віддає свої валентні електрони, тобто. є їх донором, і перетворюється на позитивно заряджений іон чи приймає електрони з іншого атома, тобто. є їх акцептором і перетворюється на негативно заряджений іон:
Sb 0 -3e → Sb 3+;
Sb 0 -5e → Sb 5+;
Sb 0 +3e → Sb 3-.
Молекула та атом сурми
У вільному стані сурма існує як одноатомних молекул Sb. Наведемо деякі властивості, що характеризують атом та молекулу сурми:
Сплави сурми
Сурма вводять у деякі сплаву для надання їм твердості. Сплав, що складається з сурми, свинцю та невеликої кількості олова, називається друкарським металом, або гартом і служить для виготовлення друкарського шрифту. Зі сплаву сурми зі свинцем (від 5 до 15% Sb) виготовляють пластини свинцевих акумуляторів, листи та труби для хімічної промисловості.
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
Суворий блиск був відомий ще в давнину; його застосовували для фарбування в чорний колір брів та вій. Римляни називали його – stibium. Згодом йому було надано назву (ймовірно, запозичене з арабської) antimonium, яке надалі стали застосовувати і до самого металу, що отримується з руди.
Бенедиктинський монах Василь Валентин, який жив у XV столітті, докладно описав у своїй "Тріумфальній колісниці антимонія" приготування металевої сурми, а також колишні тоді вже у вживанні її сплави, наприклад сплав зі свинцем для виливки друкарського шрифту, і значну кількість препаратів сурми.
У іатрохімічний період розвитку хімії препарати сурми належали до найпоширеніших засобів лікування, серед них і "вічні" пігулки з металевої сурми. Як блювотний засіб застосовували вино, витримане деякий час у чашах із сурми. В даний час медицина використовує серйозні препарати лише в обмеженій кількості.
Проте нещодавно синтезовані органічні сполуки, що містять сурму, набули великого значення як специфічні засоби деяких тропічних хвороб.
Отримання:
Найважливіший природний мінерал - антимоніт, Sb 2 S 3 . Сурма отримують або сплавленням сульфіду з залізом (метод витіснення) Sb 2 S 3 + 3Fe = 2Sb + 3FeS,
або випалом сульфіду та відновленням отриманої чотирихокису сурми вугіллям (метод випалу - відновлення) Sb 2 S 3 + 5O 2 = Sb 2 O 4 + 3SO 2
Sb 2 O 4 + 4C = 2Sb + 4CO.
Фізичні властивості:
У вільному стані сурма утворює сріблясто-білі кристали, що мають металевий блиск і мають щільність 6,68 г/см 3 . Нагадуючи на вигляд метал, кристалічна сурма відрізняється крихкістю і значно гірше проводить тепло і електричний струм, ніж звичайні метали. Крім кристалічної сурми, відомі й інші її алотропічні видозміни.
Хімічні властивості:
На повітрі при кімнатній температурі металева сурма стійка, вище за температуру плавлення - спалахує. З хлором порошкоподібна сурма взаємодіє зі спалахом. З сіркою, фосфором, миш'яком і з сильними металами сурма з'єднується при сплавленні.
У соляній кислоті та у розведеній сірчаній кислоті сурма не розчиняється, у гарячій концентрованій сірчаній кислоті утворює сульфат сурми. В азотній кислоті, залежно від концентрації, сурма розчиняється з утворенням оксиду сурми(III) або (V).
При нагріванні з нітратами або хлоратами лужних металів порошкоподібна сурма зі спалахом утворює солі сурм'яної кислоти.
У сполуках виявляє ступені окислення -3, +3 та +5.
Найважливіші сполуки:
Оксид сурми(III),або сурм'янистий ангідрид, Sb 2 O 3 - типовий амфотерний оксид з деяким переважанням основних властивостей. Нерозчинний, утворює мінерали. У сильних кислотах, наприклад сірчаної та соляної, оксид сурми (III) розчиняється з утворенням солей сурми (III), у лугах з утворенням солей сурм'янистої H 3 SbO 3 або метасурм'янистої HSbO 2 кислоти. Наприклад:
Sb 2 O 3 + 2NaOH = 2NaSbO 2 + Н 2 О
Оксид сурми(V)або сурм'яний ангідрид, Sb 2 O 5 має головним чином кислотні властивості; жовті кристали розчиняються у воді, утворюючи сурм'яну кислоту, пігмент для кераміки.
Оксид сурми(IV) Sb 2 O 4 утворюється при нагріванні на повітрі до 800-900 ° оксиду сурми (III) або (V). Білий, ледь розчинний у воді порошок, при сильному нагріванні відщеплює кисень з утворенням оксиду сурми (III). Відповідно до рентгеноструктурних досліджень, відповідає подвійному оксиду сурми (III) і (V) або ортоантнмонату тривалентної сурми Sb III Sb V O 4 . Легко відновлюється вугіллям до металу.
Гідроксид сурми(III), сурм'яниста кислота, виходить у вигляді білого осаду при дії лугів на солі сурми(III):
SbCl 3 + 3NаОН = Sb(OH) 3 +3NaCl
Осад легко розчиняється як у надлишку лугу, і у кислотах. При стоянні навіть у воді легко перетворюється на кристалічний Sb 2 O 3 .
Сурм'яна кислота, існує в розчині в декількох формах, наприклад гексагідроксосурм'яна: H. При осадженні одержують гель зі змінним вмістом води, при тривалому висушуванні - нерозчинну метасурм'яну кислоту HSbO 3 . Солі сурм'яної кислоти називаються антимонатами.
Стібін, або гідрид сурми, SbH 3 - отруйний газ, що утворюється в тих же умовах, що й арсин. При нагріванні він набагато легше, ніж арсин, розкладається на сурму і водень. Сурма утворює сполуки з металами – антимоніди, які можна розглядати як продукти заміщення водню у стибіні атомами металу. У цих сполуках сурма, як і в SbH 3 має ступінь окислення -3. Деякі з антимонідів, зокрема AlSb, GaSb та InSb, мають напівпровідникові властивості та використовуються в електронній промисловості.
Солі сурми (III), у водному розчині піддаються гідролізу з утворенням основних солей:
SbCl 3 + 2H 2 O = Sb(OH) 2 Cl
Основна сіль, що утворюється, нестійка і розкладається з відщепленням молекули води:
Sb(OH) 2 Cl = SbOCl + H 2 O
У солі SbOCl група SbO грає роль одновалентного металу; цю групу називають антимоніл. Отримана сіль називається або хлоридом антимонілу, або оксохлоридом сурми.
Пентахлорид сурми SbCl 5 рідина, що димить на повітрі, розчинний у воді з гідролізом. Застосування: хлоруючий агент, каталізатор полімеризації.
Сульфіди сурми Sb 2 S 3 і Sb 2 S 5 за властивостями аналогічні сульфідів миш'яку. Вони являють собою речовини оранжево-червоного кольору, що розчиняються в сульфідах лужних металів та амонію з утворенням тіосолів. Сульфіди сурми використовуються при виробництві сірників та у гумовій промисловості, компоненти піротехнічних складів.
Застосування:
Сурма вводять у деякі сплави для надання їм твердості. Сплав, що складається з сурми, свинцю та невеликої кількості олова, називається друкарським металом або гартом і служить для виготовлення друкарського шрифту. Зі сплаву сурми зі свинцем (від 5 до 15% Sb) виготовляють пластини свинцевих акумуляторів, листи та труби для хімічної промисловості, підшипники ковзання. Крім того, сурму застосовують як добавку до германію для надання йому певних напівпровідникових властивостей.
Світове виробництво (без СРСР) – близько 70 тисяч т/рік (1977).
Сурма та її похідні токсичні. ГДК 0,1-0,5 мг/м 3 .
