Одним из важнейших элементов для жизни и развития нашей цивилизации является Бром.
Широкое распространение этот элемент приобрёл в конце девятнадцатого века, и с тех пор человечество плотно «село» на бромовую «иглу».
Конечно, его для жизнедеятельности цивилизации требуется не так и много, тысячи тонн в год, а не, например, миллионы и миллиарды, как иных, более знакомых нам элементов. Но тем не менее, без этих тысяч тонн человечество откатилось бы «назад, в кизяки», в доиндустриальную эпоху.
И начнём мы сказание о броме с… Истории его открытия.
В 1825 молодой французский химик Антуан Жером Балар, работавший препаратором в Фармакологической школе при университете небольшого южного городка Монпелье, приступил к своим первым самостоятельным научным исследованиям. С древнейших времен Монпелье был знаменит своими соляными промыслами. Для добычи соли на берегу моря вырывали бассейны и заполняли их морской водой. После того, как под действием солнечных лучей вода испарялась, выпавшие кристаллы соли вычерпывали, а оставшийся маточный раствор (рапу) сливали обратно в море.
Руководитель Балара, профессор Жозеф Англада (Joseph Anglada), поручил ему изучить химический состав сливаемого рассола и прибрежных морских водорослей. Действуя на рапу различными реактивами, Болар заметил, что при пропускании через нее хлора раствор приобретает интенсивный желтый цвет. Аналогично окрашивал хлор и щелочной экстракт золы водорослей. Вначале Балар предположил, что наблюдаемая окраска вызвана присутствием в исследуемых образцах иода, который, реагируя с хлором, и образует неизвестное вещество. Для начала он экстрагировал его последовательно эфиром и водным гидроксидом калия. Обработав полученный щелочной раствор пиролюзитом (MnO2) в сернокислой среде, Балар выделил неприятно пахнущую красно-бурую жидкость и попробовал разделить ее на составные части. Когда все попытки не принесли результата, стало ясно, что это новый элемент. Определив плотность и температуру кипения жидкости, а также изучив ее важнейшие химические свойства, 30 ноября 1825 Балар отправил доклад о своих опытах в Парижскую академию наук. Комиссия, подтвердившая его рещзультат, назвала новый элемент бромом в связи с тем, что у брома тяжелый, неприятный запах паров (от греческого brwmoz - зловоние).
Позднее выяснилось, что впервые элементарный бром получил не Балар а студент известного немецкого химика Леопольда Гмелина Карл Левиг, который в 1825 в Гейдельбергском университете выделил его из воды источника в Крейцнахе. Пока он приготовлял большее количество препарата для исследования, появилось сообщение Балара.
Бром - постоянный спутник хлора. Бромистые соли (NaBr, KBr, MgBr2) встречаются в отложениях хлористых солей (в поваренной соли до 0,03%, в калийных солях - сильвине и карналлите - до 0,3%), а также в морской воде (0,065%), рапе соляных озёр (до 0,2%) и подземных рассолах, обычно связанных с соляными и нефтяными месторождениями (до 0,1%). Исходным сырьём для промышленноого получения брома служат морская вода, озёрные и подземные воды, содержащие большое количество брома в виде бромид-иона.
В девятнадцатом веке главными областями использования соединений брома были красители, фотография и медицина. И если медицина – это отдельная и очень ёмкая тема, то касательно фотографии стоит сказать, что бромид серебра AgBr – отличный светочувствительный материал. Современные фотоматериалы на основе AgBr позволяют делать снимки с выдержкой 10–7 секунды! В те годы, конечно, технологии не позволяли делать такие вещи, но можно с уверенностью сказать, что родители фотографии как таковой – серебро и бром. Без них её бы не было, никакой и нигде.
Соли брома оказались очень эффективными средствами для лечения многих нервных болезней. В течение долгого времени механизм действия препаратов брома оставался неизвестным, считалось, что бромиды уменьшают возбудимость, действуя аналогично снотворным, но в 1910 один из учеников Павлова П.М.Никифоровский экспериментально показал, что бромиды усиливают процессы торможения центральной нервной системы. Сейчас бромиды натрия и калия вытеснены более эффективными… Броморганическими же препаратами.
В начале 20 в. открылась новая область применения брома. С распространением автомобилей появилась нужда в больших количествах дешевого бензина. Существующая в то время нефтяная промышленность не могла производить требуемые объемы высокооктанового горючего. Для улучшения качества топлива – уменьшения его способности к детонации в двигателе – в 1921 американский инженер Томас Мидгли предложил вводить в бензин дополнительный компонент – тетраэтилсвинец (Pb(C2H5)4, ТЭС). Эта добавка оказалась очень эффективной, но при ее использовании возникла новая проблема – отложения свинца в двигателях. Чтобы избежать их образования, ТЭС растворяли в бромуглеводородах – 1,2 -дибромэтане (BrCH2CH2Br) и этилбромиде (C2H5Br), полученная смесь получила название «этиловая жидкость». Механизм ее действия заключается в том, что при совместном сгорании бромуглеводородов и ТЭС образуются летучие бромиды свинца, которые выносятся из двигателя вместе с выхлопными газами. Сейчас использование этиловой жидкости почти полностью прекращено.
В наши дни основной областью использования брома является производство антипиренов. Антипирены – вещества, защищающие материалы органического происхождения от воспламенения. Их используют для пропитки тканей, изделий из древесины и пластмасс, производства негорючих красок. В качестве антипиренов применяются, в основном, ароматические бромпроизводные: дибромстирол, тетрабромфталевый ангидрид, декабромдифенилоксид, 2,4,6-трибромфенол и другие. Бромхлорметан используется в качестве наполнителя огнетушителей, предназначенных для тушения электропроводки.
Значительная часть брома в США в форме бромидов кальция, натрия и цинка расходуется для изготовления буровых растворов, которые закачивают в скважины для гидроразрыва пласта при добыче нефти.
До 12% мирового производства брома идет на синтез пестицидов и инсектицидов, используемых в сельском хозяйстве..
Элементный бром и его соединения также применяются в процессах водоочистки и водоподготовки. Бром используют для мягкой дезинфекции воды в бассейнах при повышенной чувствительности к хлору.
Органические соединения брома применяют для ингаляционного наркоза (галотан – 1,1,1-трифтор-2-хлор-2-бромэтан, CF3CHBrCl), в качестве обезболивающих, успокоительных, антигистаминных и антибактериальных препаратов, при лечении язвенных болезней, эпилепсии, сердечно-сосудистых заболеваний. Изотоп брома с атомной массой 82 находит применение в медицине при лечении опухолей и при изучении поведения бромсодержащих препаратов в организме.
В резиновой промышленности бром идёт на производство бромбутилкаучука - его получают в промышленности при неполном бромировании бутилкаучука. Введение брома в бутилкаучук существенно повышает скорость его вулканизации и параметры получаемой резины. Бромбутилкаучук не имеет запаха, не выделяет вредных веществ при хранении и переработке.Используется в производстве автомобильных шин, для изготовления теплостойких транспортных лент с высоким сопротивлением к истиранию, резиновых пробок, химически стойких обкладок емкостей.
Бром – единственный неметалл, который при нормальных условиях находится в жидком состоянии – в виде коричнево-красной тяжёлой жижи с резким едким запахом. Чистый (элементарный) бром – чрезвычайно ядовит! Жидкий бром вызывает трудно заживающие ожоги; пары брома в концентрации 1 мг/м3 вызывают раздражение слизистых оболочек, кашель, головокружение и головную боль, а в более высокой (>60 мг/м3) - удушье и смерть.
Промышленное производство брома началось в 1865 на базе Страссфуртского соляного месторождения в Германии, двумя годами позже бром стали добывать в США, в штате Вирджиния. В 1924 на борту судна «Этила» была продемонстрирована возможность добычи брома из морской воды, а в 1934 организовано промышленное производство, основанное на этом методе. В России первый бромный завод был построен в 1917 на соляном озере Сакское.
Все промышленные способы получения брома из соляных растворов основаны на его вытеснении хлором из бромидов:
MgBr2 + Cl2 = MgCl2 + Br2
При получении брома методом выдувания исходное сырье (рапу соляных озер, попутные воды нефтяных скважин, морскую воду) подкисляют серной кислотой до pH»3,5 и обрабатывают избыточным количеством хлора. Затем рассол, содержащий растворенный бром, подают в верхнюю часть колонны, заполненной небольшими керамическими кольцами. Раствор стекает по кольцам, а навстречу ему продувают мощную струю воздуха, при этом бром переходит в газовую фазу. Бромовоздушную смесь пропускают через раствор карбоната натрия:
3Na2CO3 + 3Br2 = 5NaBr + NaBrO3 + 3CO2
Для выделения брома из полученной смеси бромида и бромата натрия, ее подкисляют серной кислотой:
5NaBr + NaBrO3 + 3H2SO4 = 3Na2SO4 + 3Br2 + 3H2O
Другие предложенные способы извлечения брома из хлорированного рассола: экстракция углеводородами или адсорбция ионообменными смолами – не получили широкого распространения.
Часть используемых в промышленности растворов бромидов отправляют на повторную переработку с целью получения дополнительных количеств брома.
Мировое производство брома (по данным на 2003) составило около 550 тыс. тонн в год, большая часть его производится в США (39,4%), Израиле (37,6%), и Китае (7,7%).