Почему в термометрах используют ртуть. Почему в термометрах используется ртуть? Как проявляется интоксикация ртутью
В принципе любое вещество, чьи свойства заметно меняются с температурой, может быть использовано для ее измерения. Хорошо было бы иметь материал, который меняет свой цвет при нагревании. Можно было бы наблюдать как вещество окрашивается оттенками синего при повышении температуры и оттенками красного при понижении.
Аналогичным образом уровень воды, заполняющей узкую трубку поднимается и опускается вместе с увеличением и уменьшением температуры. По этому принципу работают все герметично запечатанные жидкостные термометры. Но тогда почему же, если мы пренебрегаем водой, которая окружает нас повсюду и относительно недорого стоит, и отдаем предпочтение дорогой и трудно добываемой ртути?
История
Человечество узнало об абсолютной температуре спустя сотни лет после изобретения первого термометра. Они, кстати, не были термосами или измерителями температуры. Они были термоскопами, устройствами которые просто показывали повышение или понижение температуры. Эти устройства не калибровались к стандартной шкале. Они давали грубые и неточные оценки.
Изобретение первого термометра приписывается Герону Александрийскому, любознательному инженеру, который считается величайшим экспериментатором античности.
Его устройство состояло из трубки с воздухом, погруженной в маленькую миску с водой. Когда термоскоп касался холодной или горячей поверхности, воздух сжимался или расширялся, вызывая изменения уровня воды.
Изобретение Галилео работало по тому же принципу. Однако, у этих устройств не только не было шкалы измерений, они ещё были чувствительны к изменению давления воздуха. Стремление создать устройство, показания которого менялись бы только из-за изменения температуры, привело Джозефа Дельмедиго, студента Галилея к изобретению первого жидкостного термометра со шкалой.
Коэффициент расширения.
Все тела (при постоянном давлении) расширяются при нагревании вследствие того, что кинетическая энергия атомов увеличивается, то есть атомы начинают двигаться быстрее, что приводит к увеличению расстояния между ними. Увеличение размеров свойственно как твердым телам, таким как железнодорожные рельсы, резиновые шины, а также и жидкостям, например воде, спирту, ртути. Однако количество расширения в расчете на градус изменения температуры у каждого вещества отличается. Эта постоянная для каждого материала называется коэффициентом расширения.
Спирт более предпочтителен чем вода по простой причине,у него коэффициент расширения выше. Даже небольшие изменения температуры вызывают существенное изменение уровня спирта в трубке. Однако спирт настолько чувствителен, что такие изменения заставляют его вести себя турбулентно. Уровни постоянно колеблются, даже при отрицательных температурах. Эта капризность сбивает с толку, так как показания немедленно меняются, скажем даже если вы вытаскиваете термометр из емкости с кипящей водой, температуру которой вы хотели измерить. Он немедленно покажет температуру новой среды.
Чтобы избежать такую недостоверность голландский изобретатель Дэни Фаренгейт заменил спирт ртутью. Ртуть имеет более высокий коэффициент расширения чем вода, что означает, то, что изменения её уровня будут заметнее, чем у воды. Но коэффициент расширения ртути в шесть раз меньше, чем у спирта. Кстати, изменения уровня на градус для спирта в шесть раз больше чем изменения уровня ртути.
Это означает, что ртуть в запечатаной трубке расширяется медленнее спирта, но также и сжиматься она будет медленнее, если вытащить термометр из емкости с кипящей водой. Это означает, что показания при считывании становятся более точными и термометр становится более надежным.
Термометры перед этим изобретением были уникальными; их показания не соответствовали ни одному стандартизованному масштабу. Тем не менее, Фаренгейт предложил шкалу, которая была принята каждым производителем ртути и для термометров любого типа. Этот переход к единой шкале был не таким трудным как кажется, поскольку почти все ртутные термометры того времени были изготовлены самим Фаренгейтом. Шкала, которая была слегка изменена позднее, теперь носит его имя.
Когда лучше применять спирт?
Но и у спирта есть свои достоинства. В отличие от ртути, спирт намного дешевле и не так труднодоступен. Кроме того, он не токсичен. Если ртутный термометр разбит, то работа лаборатории может остановиться на нескольких часов, так как вдыхание ртути может вызвать серьезные проблемы со здоровьем. С этой точки зрения, спирт не представляет такой угрозы.
Более того, температура замерзания спирта -115 ° C по сравнению с -40 ° C ртути. Это означает, что ртутные термометры не могут измерять температуры ниже -40 ° C, причем эта температура не такая редкая в научных лабораториях или в промышленности по производству сверхпроводников.
Однако, в отличие от спирта, ртуть не бесцветна, а это то свойство, которое заставляет производителей добавлять искусственные красители к спирту, чтобы сделать показания заметными. Кроме того, хотя спиртовые термометры могут измерять потрясающие низкие температуры, они не могут измерить температуры выше чем 78,37 ° C, — это температура кипения спирта. Сравните ее с достаточно высокой температурой кипения ртути в 356,7 ° С!
С трудностями добычи ртути, её дороговизной и токсичностью сделать пока ничего нельзя. Но зато можно преодолеть термические ограничения. Чтобы повысить температуру кипения ртути, емкость с ней накачивают инертным газом, таким как азот. Увеличение давления инертного газа на ртуть приводит к повышению температуры кипения.
Можно также опустить точку замерзания, с помощью добавления к ней примеси таллия. Такие новые ртутно-таллиевые термометры могут измерять температуры до -62 ° С. Тем не менее, несмотря на их недостатки, ртутные термометры считаются одними из наиболее точных термометров.
Отвечает Никита Шлапаков,
Преподаватель химии в онлайн-школе «Фоксфорд»
В Средние века люди интересовались всем — от философии до теологии, от астрономии до медицины. Стремясь познать окружающий мир, пытались измерить и температуру всего вокруг. Правда, подобрать термометрическую жидкость оказалось не так-то просто. Она должна отвечать нескольким критериям, одним из которых является линейная зависимость объема жидкости, то есть длины столбика с ней, температурой.
Первые медицинские модели термометров, предложенные еще Галилеем, изготавливались на основе воды, но у той зависимость сильно искажается в области около 4 °С из-за особенностей химической структуры. Этот эффект вносил погрешности в коэффициент линейной зависимости и при температурах намного выше, чем 4 °С. Кроме того, водяные термометры работали медленно, по полчаса.
Спиртосодержащие жидкости оказались более удачными. Сейчас уже сложно установить, кто именно был автором этой идеи. Сохранились только отдельные свидетельства об экспериментах Галилея и его учеников.
Примерно тогда же, в XVI-XVII веках, начало активно развиваться алхимическое учение, которое строилось на ртутно-серной теории. Так, несмотря на то, что спиртосодержащие термометры используются и сейчас, внимание людей переключилось на ртуть — благодаря удивительному свойству: ее объем при нагревании или охлаждении меняется равномерно, то есть в первом случае ртуть расширяется и поднимается по трубочке термометра вверх, а во втором — опускается.
Переход на ртуть позволил уменьшить время измерения температуры с получаса до нескольких минут. К тому же ртуть имеет широкий диапазон доступных для измерения значений — от -37 °С до +356 °С, что тоже служило в ее пользу.
Изобретателем первого работающего ртутного термометра стал голландский ученый Даниэль Фаренгейт. В 1714 году он собрал первый прибор на основе ртути, который обладал высокой точностью измерений, а в 1724 году создал свою шкалу температур, которая до сих пор используется в США. Первый медицинский термометр на основе ртути создал английский врач Клиффорд Оллбат в 1866 году. Этот термометр позволял снимать показания температуры менее чем за 5 минут, тогда как водным и водно-спиртовым требовалось для этого более 20.
Говорить о том, что ртуть опасна, не совсем верно. Она, как и любое вещество, может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Металлическая ртуть при нормальных условиях — это жидкость, которая не опасна. Но ртуть, как и любая жидкость, испаряется даже при комнатной температуре, и именно газообразная ртуть и представляет опасность. Испаряясь и попадая в легкие, она там и остается, отравляя организм: пары ртути слишком тяжелы по сравнению с воздухом, и их не получится выдохнуть. И хоть для нанесения вреда организму эти пары необходимо вдыхать на протяжении нескольких месяцев, убрать разбитый термометр лучше как можно скорее.
Первым делом необходимо открыть в помещении окна. Большие шарики ртути собрать с помощью маленькой кисточки на лист бумаги, по примеру совка, а мелкие убрать одноразовым шприцем или пипеткой. Выбрасывать в мусорное ведро их нельзя. Шарики ртути, так же как и части термометра, необходимо поместить в стеклянную банку с холодной водой, закрыть ее и поставить в прохладное место. Вода нужна, чтобы ртуть не испарялась.
Музей термометров legion-media
Можно также посыпать место происшествия порошком серы, который продается в хозяйственных магазинах и магазинах для животных, или цинка, после чего подмести пол и промыть его с раствором марганцовки. Если же ни серы, ни цинка или марганцовки дома не оказалось, — приготовить горячий мыльно-содовый раствор, смешав 30 г соды и 40 г тертого мыла на один литр воды, и промыть пол им. Оставшиеся пары улетучатся во время проветривания помещения. Одежду, ковер и другие вещи, которые контактировали с ртутью, придется выбросить.
Затем нужно позвонить на телефон доверия регионального управления МЧС России или в местное управление по делам гражданской обороны и чрезвычайным ситуациям, которые обязаны забрать банку с шариками ртути и отправить на утилизацию.
Подобное серьезное отношение к вероятности получить вред вызвало запрет на ртутные термометры в странах ЕС. Вместо них там используются жидкостные, сделанные на основе подкрашенного спирта или галинстана — сплава олова, индия и галлия, или электрические термометры. В 2020 году планируется запретить градусники с ртутью и другие приборы, в которых содержится это вещество, и в России. А пока, как вариант, можно пользоваться термометром с защитным полимерным покрытием, которое не даст стеклу разбиться.
Существуют термометры жидкостные, механические, электромеханические, электронные, биметаллические, позволяющие измерять температуру на расстоянии и прочие. Хотя все начиналось с примитивного прибора, в котором рабочим телом был обычный воздух. Лишь позже на смену ему пришли жидкости, такие как спирт, глицерин .
Использование в качестве рабочего тела жидкостей позволило в значительной степени увеличить точность измерений. С другой стороны, применение тех же биметаллических пластинок дало возможность проводить измерение в ранее недоступных диапазонах. Что, в свою очередь, диктовалось требованиями науки и промышленности. Постепенно все термометры нашли свои ниши и области применения.
Жидкий металл
Так почему же такой опасный металл все же используется в различных, в том числе и в медицинских термометрах? Все дело в его уникальных свойствах. Дело в том, что, обладая весьма значительным коэффициентом температурного расширения, ртуть расширяется практически линейно, но и это еще далеко не все. Ртуть сохраняет стабильную жидкую форму в очень широком диапазоне температур, от минус 38,8оС до плюс 375оС, что позволяет использовать ее в качестве рабочего вещества практически в любых условиях.
Как ни странно, термометр, в котором в качестве рабочего тела использовалась ртуть, появился XVII веке. Тогда же начали использовать и подкрашенный спирт, но вскоре выяснилось, что у спирта достаточно узкий рабочий диапазон, кроме этого, он расширяется не линейно.
Невзирая на опасность ртутного термометра, именно его решили использовать в качестве основного устройства для измерения температуры. Одним из серьезных аргументов в его пользу стала высокая точность измерения, в пределах одной сотой градуса. То есть уровень точности этих термометров такой, что именно по ним калибруют электронные.
Важной характеристикой является и то, что ртуть не смачивает стекло, таким образом, внутренний диаметр трубки может быть сколь угодно мал, а этот параметр определяет точность термометра.
В целом при аккуратном обращении даже ртутный термометр достаточно безопасен, ведь отравление может вызвать лишь вдыхание паров ртути, а сам по себе герметично запаянный прибор никакой опасности не представляет. Единственное, что он требует, это аккуратного обращения.
Регулярно публикует на своих страницах в социальных сетях актуальные тексты о современном состоянии медицины. Вот, например, прекрасный пост о том, почему ртутный градусник – это пережиток прошлого, которому не место в вашей аптечке.
Дорогие мамы и папы, особенно бабушки – фанатично обожающие ртутные градусники. Я вас просто умоляю – ну выбросьте вы их уже наконец, и купите нормальные электронные или инфракрасные термометры! Сил ведь уже нет. Очередным разбитым градусником и вопросом “СА, чтожетеперьделать?” навеяно.
Ртутные градусники ПОСТОЯННО бьются, а это
- риск пореза ребенка (и взрослого)
- отравление парами ртути (которая остается в щелях пола, постепенно испаряется и годами потом понемногу отравляет живущих в квартире)
- проглатывание ребенком шариков ртути (это как раз безопасно – выйдут с калом не навредив, но по глупости и в панике родители могут напичкать ребенка массой лекарств, подвергнуть его ряду обследований и прочим неудобствам).
Кроме того
* ртутные термометры очень долго измеряют, ребенка сложно уговорить сидеть несколько минут подряд – его держат силой, а это никому не нужные мучения и огорчения;
* ртутные термометры бьются не только случайно, но и “специально” – стеклянный кончик легко отгрызть и проглотить ребенку, а это чрезвычайно опасно и потребует экстренной госпитализации;
* глупости с ртутными термометрами делают не только дети, но и взрослые – например я видел обломанный кончик ртутного градусника в анусе младенца, который пришлось извлекать детским хирургам – это мама так “стимулировала стул”, используя градусник вместо газоотводной трубки;
* ртуть токсична и ее нельзя просто выбрасывать в мусор – ее нужно утилизировать в специальные контейнеры, как люминесцентные лампы, например. Ответьте честно себе на вопрос: вы знаете где находится ближайший такой контейнер? А хоть один такой контейнер в вашем городе?
Ну и зачем вам все эти сложности? Стеклянные градусники – жуткий архаизм, избавьтесь от них в своем доме и никогда больше не покупайте.
На фото – три моих термометра, которых мне хватает полностью. Два инфракрасных (время измерения 5 секунд) и один электронный (время измерения 1 минута). Стоимость от 200 р (электронный) до 1400 р (изогнутый инфракрасный). Они отлично работают, служат годами и стоят своих денег.
Главный аргумент секты Божественного Ртутного Градусника – он очень точен. Да, все электронные термометры дают погрешность 0,3-0,5 градуса. Но откройте мне страшную тайну – ЗАЧЕМ вам точнее? Мне, врачу – и то точнее не надо. Что принципиально поменяется в тактике если у ребенка окажется не 38,2 а 38,7? Мы все равно даем жаропонижающее только если ребенка сильно беспокоит недомогание и озноб, и не даем если он нормально переносит лихорадку.
Кроме того, главная причина погрешности ИК-термометров – в том, что вы забываете протирать датчик спиртовыми салфетками и вовремя менять батарейки. Если этого не забывать – погрешности заметно меньше.
XXI век на дворе, давайте отказываться от устаревших и опасных методов в медицине.
Что делать, если градусник все-таки разбился?
Во-первых, не нужно паниковать
Холодная ртуть практически не опасна. Вы можете её легко слизать с пола, потом через несколько часов сходить в туалет и ни с вами, ни с вашим кишечником ничего не будет.
Как известно, в Средние века - вплоть до позднего Средневековья - алхимики ели ртуть в большом количестве. И поскольку алхимики обладали врачебной квалификацией в Средние века, они ртуть прописывали от запоров. Это не что-то комичное: ртуть тяжелая, она всё в кишечнике проталкивает.
Токсичность ртути в холодном виде очень низкая. Все сразу начинают бегать по квартире, вызывать 20 служб демеркуризации, - но этого ничего делать не надо. Нужно посмотреть, где именно вы разлили ртуть. Если это какая-то гладкая плоская поверхность, это идеальный вариант. Вы берете лист бумаги и скатываете шарики ртути в одно место. Если наденете резиновые или латексные перчатки, то можно собрать шарики и перчатками.
Ртуть обладает замечательным свойством адгезии: шарики ртути отлично слипаются друг с другом. Дети любят играть со ртутью: потому что можно лужицы разделять, потом соединять обратно и это всё очень весело. Согнав ртуть в большую лужицу, нужно перенести её в стеклянный сосуд, только обязательно из плотного стекла: если оно тонкое, ртуть его может пробить, она очень тяжелая. После этого нужно открыть окно, пройтись веником аккуратно и очень медленно и успокоиться. Никого вызывать не надо.
Теперь - то, что делать не надо
Ни в коем случае не нужно собирать ртуть пылесосом. В отличие от холодной ртути, горячая или испарившаяся ртуть опасна. Она попадает на слизистую оболочку и становится токсичной. Пылесос прекрасно превращает жидкую ртуть в опасные ртутные пары. Что ещё? Не нужно загонять ртуть на такую поверхность, где она может забиться в щели. Из-за большого поверхностного натяжения она превратится в совсем мелкие шарики, которые будут очень медленно испаряться много месяцев. Старайтесь не разбивать ртуть на паркете, на ковре или на кухне, а если разбили рядом с горячим чайником, широко открывайте окна, выходите из квартиры и вызывайте службу демеркуризации.
