Сурьма: факты и фактики

А. Мотыляев

pic_2014_01_32.jpg

Кто открыл сурьму? Имя первооткрывателя назвать затруднительно, поскольку этот элемент известен с глубочайшей древности. Например, в Вавилоне еще пять тысяч лет назад из нее делали сосуды. Зачем — неясно, но в Средневековье выдержанное в сурьмяном сосуде вино служило лекарством: оно вызывало рвоту.

Вредна ли сурьма? Да, но не слишком, примерно в той же степени, что и другие тяжелые металлы. Так, по данным ВОЗ, ее ПДК в воде составляет 5 мкг/л, что в два раза меньше, чем у меди, которая, кстати, входит в число необходимых для жизни элементов. Сравнение не случайно: сурьма непременный спутник меди, а также серебра и платины. Поэтому места добычи и переработки этих металлов всегда загрязнены сурьмой, в частности она распространяется с дренажными водами, откачиваемыми из шахты. Наибольшей биологической активностью обладает трехвалентная сурьма, но в загрязненных ею почвах существует целое сообщество микроорганизмов, которые питаются такой сурьмой и превращают ее в гораздо менее активную пятивалентную. Считается, что, стимулируя рост этих микробов, можно ускорить очистку почв в районах медных приисков.

Обладает ли сурьма целебными свойствами? Да, она входит в состав лекарства, которое до недавнего времени было единственным средством борьбы с лейшманиозом — паразитарной инфекцией. Ее разносят самки москитов в Африке, Южной Азии, а также на юге Франции. Одноклеточный паразит, поселившись в клетках иммунной системы млекопитающего — макрофагах, — избегает уничтожения, и на коже в месте укуса появляются язвы, которые в лучшем случае заживают в течение года, оставляя уродливый шрам. В худшем же язвы начинают образовываться на слизистой оболочке носа и рта и даже поражают внутренние органы, вызывая лихорадку, причем возможен и смертельный исход. Долгие годы главными средствами борьбы с болезнью были меглюминантимонат и стибоглюконат натрия —в обоих содержится пятивалентная сурьма. Механизм их действия так и остается неясным. Сейчас у лейшмании, поражающей слизистую и внутренние органы, развилась устойчивость к сурьме, правда, она зависит и от места, и от вида комара. На помощь пришли препараты без сурьмы, как ни странно, изначально предназначенные для борьбы с грибками, — кетаконоцол и амфотерисин Б.

Как зовут сурьму? Поскольку это один из древнейших известных человеку элементов, в каждом языке у него свое имя. Греческое слово «стими» или «стиби» (есть разные версии написания, а в современном греческом языке звук «б» передается сочетанием букв «мю» и «пи»), приведшее к латинскому стибиуму и обозначению в таблице Мендееева Sb, исходно обозначало самый распространенный минерал этого элемента — сурьмяный блеск Sb2S3. В западноевропейских языках сурьму со времен Средневековья называют «антимониум». Официально считается, что такое название дал монах-алхимик Василий Валентин, впервые описавший методы ее получения и свойства. Однако острослов Ярослав Гашек в свое время предложил версию, согласно которой сурьму назвал антимониумом отец Леонард из Штальгаузенского монастыря, потравивший по незнанию этим элементом братию: «анти мониум» можно перевести как «средство от монахов» (см. «Химию и жизнь», 1968, № 9). Считается, что русское имя этого вещества происходит от обычая сурьмить брови, то есть красить их черной краской. Делать это можно разными способами, в том числе и препаратом на основе толченого сурьмяного блеска. Не так давно была высказана мысль, что в Древнем Египте черный свинцовый карандаш применяли отнюдь не в декоративных целях, а для борьбы с глазными болезнями. Возможно, и брови сурьмили по этой же причине: если вместо сурьмяных препаратов в борьбе с лейшманиозом можно применять противогрибковые, то почему бы не быть справедливым и обратному? Кстати, тюрки также сурьмили брови: у них эта процедура называлась «сюрме». Впрочем, можно встретить мнение, что на фарси этого слово обозначает просто «металл». А соединения сурьмы называют то антимонитами, то стибиатами.

Где применяют сурьму? Области применения этого элемента по мере развития научно-технического прогресса меняются. Издавна сурьма придавала прочность таким мягким металлам, как золото, медь, олово и свинец. Она была ив бронзовом оружии древних греков, ив свинцовых водопроводах, которые, как говорят, погубили сначала римлян, а позднее детей и внуков первого царя из дома Романовых — Михаила Федоровича (см. «Химию и жизнь», 1976, № 11). Главным же ее применением после изобретения книгопечатания стал свинцовый шрифт. Помимо способности сплавляться с любым металлом — недаром алхимики изображали ее в виде волка всепожирающего, — сурьма имеет очень важное и редкое среди металлов свойство: при затвердевании она расширяется. Сплав свинца с сурьмой прекрасно заполнял литейную форму, и шрифт получался четким и прочным. Ныне наборный шрифт канул в Лету, однако сурьма до сих пор входит в состав баббитов — сплавов для обойм подшипников. Их делают на основе олова, свинца, меди с добавками висмута и цинка, причем концентрация сурьмы составляет 6—22%. Основной металл мягкий, легко залечивает нанесенные ему раны и обладает коррозионной стойкостью, сурьма же придает ему твердость. В результате материал приобретает большую износостойкость. Ну а главное применение — добавка в свинцовые пластины автомобильных аккумуляторов, для которых прочность также важна. Есть сурьма ив свинцовых оболочках всевозможных кабелей, и в свинцовых пулях, а из твердого свинца с добавками 5—21% сурьмы, называемого гартблеем, делают сердечники бронебойных пуль.
Подобно висмуту, соединения сурьмы служат пигментами для красок, в частности знаменитой краски для росписи керамики «неаполитанская желтая» — этот блеклый светло-желтый пигмент добывают из вулканических пород.
На сегодня основное применение сурьмы — добавление ее оксида в пластики для снижения их горючести: на это идет треть ее годового производства. Сурьма есть и в поливинилхлориде, и в ударопрочном полистироле, и в акрилнитриле. Это и пластиковые корпуса всевозможных электробытовых приборов, и материал печатных плат, и изоляция проводов, и корпуса конденсаторов и других электронных компонентов. В перспективе относительно дешевая сурьма (а ее годовое производство составляет 180 тысяч тонн) может вытеснить индий в качестве компонента прозрачного электрода жидкокристаллического дисплея — сейчас его делают из тонкой пленки оксида олова с индием. Но такие же электроды нужны и для солнечных батарей или устройств искусственного фотосинтеза, в которых солнечный свет не производит электричество, а разлагает воду.

Как железный лом засоряется сурьмой? Когда в конвертер на переплавку отправляют неразобранные металлические изделия вроде автомашин, сурьма из подшипников и изоляции проводов оказывается в жидком металле. Однако сурьма (а также медь из проводов) обладает гораздо меньшим сродством к кислороду, нежели железо. Поэтому сколько ни продувай сквозь расплав кислород, сурьма оксидом не станет и в шлак не перейдет. В нашей стране такой неразобранный металлолом потоком пошел в производство во время войны. Отсюда ясно, как важно тщательно разбирать металлолом, извлекая из него нестальные детали и утилизируя их отдельно: это и для здоровья металла полезно, и позволяет вернуть в производство редкие элементы.


Какова роль сурьмы в нанотехнологиях? Наночастицы селенида сурьмы обладают интересными фотоэлектрическими свойствами. В частности, можно делать монокристаллы системы Cu—S—Se самых разных форм — ромбические, квадратные листы, треугольные пирамиды, — причем каждая форма обладает своей полосой поглощения в ближнем инфракрасном свете («Inorganic Chemistry», 2013, 52, 22, 12958—12962; doi: 10.1021/ic401291a), что важно для гипотетических будущих применений таких наночастиц в фотонике или при изготовлении солнечных элементов. Есть опыты по синтезу порфиринов с одним, тремя и пятью атомами пятивалентной сурьмы, у которых фотоактивность возрастает при образовании комплексов с частицами глины («Journal of Physical Chemistry A», 2013, 117, 33, 7823-32; doi: 10.1021/jp405767s).
Не исключено, что вскоре у сурьмы появится еще одно важное применение: в качестве компонента термоэлектрических устройств, которые вырабатывают электричество из-за разности температур. С их помощью хотят утилизировать бросовое тепло, например то, что идет от автомобильного двигателя. Дилемма, с которой сталкиваются материаловеды, такова. Выход электричества у термоэлектриков прямо пропорционален электропроводности и обратно — теплопроводности. А согласно физике твердого тела, чем выше одна, тем выше и другая. У металлов — потому, что и ток, и тепло переносят одни и те же электроны. У плохих проводников, а термоэлектрики именно таковы, ситуация сложнее. У них тепло в основном переносят колебания решетки — фононы. Чем чаще они натыкаются на препятствия, тем ниже теплопроводность. А натыкаются они, как правило, на электроны — чем чаще, тем ниже электропроводность, ведь в результате растет сопротивление движению электрона. Однако можно попытаться повлиять на динамику фононов, не затрагивая частоту их столкновений с электронами. Вот именно сурьма и считается важнейшим элементом, который позволяет проделывать такие фокусы. Например, соединение AgSbTe2 обладает минимальным из возможных для кристалла значением теплопроводности: измерения показали, что длина свободного пробега фононов у него равна межатомному расстоянию. Недавно была найдена причина: кристалл разбивается на наноблоки, и фононы на них рассеиваются («Nature Nanotechnology», 2013, 8, 445–451; doi:10.1038/nnano.2013.95). Не исключено, что это поможет значительно улучшить работу более дешевых термоэлектриков, самым перспективным из которых считается теллурид висмута.

Разные разности
Женщина изобретающая
Пишут, что за последние 200 лет только 1,5% изобретений сделали женщины. Не удивительно. До конца XIX века во многих странах женщины вообще не имели права подавать заявки на патенты, поэтому частенько оформляли их на мужей. Сегодня сит...
Мужчина читающий
Откуда в голове изобретателя, ученого вдруг возникает идея, порой безумная — какое-нибудь невероятное устройство или процесс, которым нет аналогов в природе? Именно книги формируют воображение юных читателей, подбрасывают идеи, из которых выраст...
Пишут, что...
…археологи обнаружили на стоянке мамонтов Ла-Прель в округе Конверс бусину, сделанную из кости зайца, возраст которой составляет около 12 940 лет… …астрофизики впервые обнаружили молекулы воды на поверхности астероидов Ирис и Массалия… ...
Слезы как оружие
Женщины прекрасно знают, что стоит пустить в ход слезы, как еще секунду назад грозный, орущий и злобный мужчина вдруг обмякает, теряется и становится похожим на кроткую овечку. Откуда такая обезоруживающая сила женских слез? В чем здесь дело?