Кіріспе
Бром – химиялық элемент. Символы Br, атомдық нөмірі 35. Бөлме температурасында ол қызыл қоңыр түсті ұшқыш сұйық, ол оңай буланып, сол сияқты түсті буды құрайды. Оның қасиеттері хлор мен йодтың қасиеттері арасында жатыр. Карл Якоб Лёвиг (1825 жылы) және Антуан Жером Балард (1826 жылы) екі химик оны тәуелсіз түрде оқшаулады, оның атауы ежелгі грек тіліндегі βρῶμος (бромос) сөзінен шыққан, ол «жаман иіс» дегенді білдіреді, оның өткір және ықпалды иісіне байланысты. Элементарлық бром өте реактивті, сондықтан табиғатта еркін күйде кездеспейді. Оны ас тұзына ұқсас түссүз, ерігіш кристалды минералды галоидты тұздардан бөліп алуға болады, бұл қасиеті басқа галогендерге тән. Жер қыртысында сирек кездеседі, бірақ бромид ионының (Br) жоғары ерігіштігі мұхиттарда оның жиналуына себеп болды. Коммерциялық тұрғыдан, элемент көбінесе АҚШ және Израильде тұздық суды булату арқылы алынады. Мұхиттардағы бромның массасы хлордың массасынан үш жүн есе кем. Стандартты температура және қысым жағдайында ол сұйық күйде болады; осы жағдайларда сұйық болатын жалғыз элемент – сынап. Жоғары температурада органобром қосылыстары оңай ыдырайды, нәтижесінде еркін бром атомдары пайда болады, бұл процесс тізбектік реакцияларды тоқтатады. Осы қасиет органобром қосылыстарын отты сөндіргіш ретінде пайдалы етеді, және әлемде өндірілетін бромның жартысынан астамы осы мақсатқа жұмсалады. Сол себепті, ультракүлгін сәулелер атмосферадағы ұшқыш органобром қосылыстарын ыдыратып, еркін бром атомдарын бөліп шығарады, бұл озон қабатының бұзылуына әкеледі. Осылайша, көптеген органобром қосылыстары, мысалы, метилбромид пестициді енді қолданылмайды. Бром қосылыстары әлі де ұңғымаларды бұрғылау сұйықтықтарында, фотопленкаларда және органикалық химиялық заттарды өндіруде аралық зат ретінде қолданылады. Бром тұздарының көп мөлшері ерігіш бромид иондарының әсерінен уытты болып, бромизмге әкелуі мүмкін. Дегенмен, бром адам организмінің эозинофилдері үшін пайдалы. Лёвиг 1825 жылы өзінің туған қаласы Бад-Кройцнахтағы минералды су бұлағынан бромды оқшаулады. Лёвиг минералды тұзды хлормен қанықтырып, одан бромды диэтил эфирімен бөліп алды. Эфирдің булануынан кейін қоңыр сұйықтық қалды. Осы сұйықтықты өз жұмысының үлгісі ретінде Гейдельбергтегі Леопольд Гмелиннің зертханасына орналастыруға өтініш берді. Нәтижелерді жариялау кешіктірілді, ал Балард өз нәтижелерін бірінші болып жариялады. Француз химиктері Луи Николас Воукелин, Луи Жак Тенард және Жозеф Луи Гей-Люссак жас фармацевт Балардтың тәжірибелерін мақұлдағаннан кейін, нәтижелер Ғылым академиясының лекциясында ұсынылып, Annales de Chimie et Physique журналында жарияланды. Басқа деректерде француз химигі және физигі Жозеф Луи Гей-Люссак будың ерекше иісіне байланысты бром атауын ұсынғандығы айтылады. Медициналық қолданыстан басқа, алғашқы коммерциялық қолданысы дагеротип болды. 1840 жылы бромның дагеротипте жарыққа сезімтал күміс галоидты қабатын жасау үшін бұрын қолданылған йод буынан артықшылықтары бар екені анықталды. 1864 жылы Джозеф Листер мен Пастердің жарияланымдарынан бұрын, Америка Азаматтық соғысы кезінде гангренаны емдеу үшін 0,75 молярлық сулы калий бромидіндегі сұйық бромның 25% ерітіндісі кеңінен қолданылды. Калий бромиді және натрий бромиді 19 ғасырдың соңы мен 20 ғасырдың басында құрысуға қарсы және тыныштандыратын дәрілер ретінде қолданылды, бірақ олар біртіндеп хлорал гидратымен, содан кейін барбитураттармен алмастырылды. Бірінші дүниежүзілік соғыстың алғашқы жылдарында ксилилбромиді сияқты бром қосылыстары улы газ ретінде қолданылды.
Löwig isolated bromine from a mineral water spring from his hometown Bad Kreuznach in 1825. Löwig used a solution of the mineral salt saturated with chlorine and extracted the bromine with diethyl ether. After evaporation of the ether, a brown liquid remained. With this liquid as a sample of his work he applied for a position in the laboratory of Leopold Gmelin in Heidelberg. The publication of the results was delayed and Balard published his results first. After the French chemists Louis Nicolas Vauquelin, Louis Jacques Thénard, and Joseph Louis Gay Lussac approved the experiments of the young pharmacist Balard, the results were presented at a lecture of the Académie des Sciences and published in Annales de Chimie et Physique. Other sources claim that the French chemist and physicist Joseph Louis Gay Lussac suggested the name brôme for the characteristic smell of the vapors. Apart from some minor medical applications, the first commercial use was the daguerreotype. In 1840, bromine was discovered to have some advantages over the previously used iodine vapor to create the light sensitive silver halide layer in daguerreotypy. By 1864, a 25% solution of liquid bromine in .75 molar aqueous potassium bromide
was widely used
to treat gangrene during the American Civil War, before the publications of Joseph Lister and Pasteur. Potassium bromide and sodium bromide were used as anticonvulsants and sedatives in the late 19th and early 20th centuries, but were gradually superseded by chloral hydrate and then by the barbiturates. In the early years of the First World War, bromine compounds such as xylyl bromide were used as poison gas.
Қасиеттері
Бром – үшінші галоген, периодтық кестедегі 17-топтағы металл емес элемент. Оның қасиеттері фтор, хлор және йодқа ұқсас, ал көршілес галогендер – хлор мен йодтың аралық қасиеттерін көрсетеді. Бромның электрондық конфигурациясы [Ar]4s²3d¹⁰4p⁵, сыртқы қабықтағы жеті электрон оның валенттік электрондары болып табылады. Барлық галогендер сияқты, бром да толық октетке бір электрон жетпейді, сондықтан күшті тотықтырғыш болып табылады және сыртқы қабығын толықтыру үшін көптеген элементтермен әрекеттеседі. Периодтық кезеңділік заңдылықтарына сәйкес, бромның электронегативтілігі хлор мен йодтың арасында орналасады (F: 3,98, Cl: 3,16, Br: 2,96, I: 2,66), хлордан кем реактивті, ал йодтан көбірек реактивті. Сондай-ақ, бром хлордан әлсіз тотықтырғыш, бірақ йодтан күшті. Керісінше, бромид ионы йодидтен әлсіз, бірақ хлоридтен күшті тотығуға қабілетті агент болып табылады. Бромның атомдық радиусы хлор мен йодтың арасындағы мәнді көрсетеді, бұл оның көптеген атомдық қасиеттерінің де хлор мен йод арасындағы аралық мәнге ие болуына себеп болады, мысалы, бірінші иондану энергиясы, электрондық жақындық, X молекуласының диссоциациялану энталпиясы (X = Cl, Br, I), иондық радиус және X–X байланыс ұзындығы. Төрт тұрақты галогеннің барлығында молекулааралық Ван дер Ваальс тартылыс күштері бар, олардың күші гомоядролық диатомдық галоген молекулаларындағы электрондар санының артуымен бірге өседі. Осылайша, бромның балқу және қайнау температуралары хлор мен йод арасында орналасқан. Галогендер тобында молекулалық салмақтың артуына байланысты, бромның тығыздығы және қорыту және булану жылуы да хлор мен йод арасындағы мәнді көрсетеді, бірақ олардың булану жылуының барлығы да төмен (бұл жоғары ұшпақтыққа әкеледі) олардың диатомдық молекулалық құрылымының арқасында. Төмен температурада түсі ағарады, сондықтан -195 °C температурада қатты бром ашық сары түске ие болады.
Изотоптар
Бромның екі тұрақты изотопы бар, Br және Br. Бұл оның табиғатта кездесетін жалғыз екі изотопы, Br табиғи бромның 51% құрайды, ал Br қалған 49% құрайды. Екеуінің де ядролық спині 3/2− болғандықтан, ядролық магниттік резонанс үшін қолданылуы мүмкін, бірақ Br тиімдірек. Табиғаттағы екі изотоптың шамамен 1:1 арақатынасы, массалық спектроскопия арқылы бромды қосылыстарды анықтауға көмектеседі. Бромның басқа изотоптарының барлығы радиоактивті, олардың жартылай ыдырау периоды табиғатта кездесуіне жеткіліксіз қысқа. Олардың ішіндегі ең маңыздылары Br (t = 17,7 мин), Br (t = 4,421 сағ) және Br (t = 35,28 сағ), оларды табиғи бромды нейтрондық сәулелендіру арқылы алуға болады.
Органобром қосылыстары
Басқа көміртек-галоген байланыстары сияқты, C–Br байланысы негізгі органикалық химияның құрамына кіретін кең таралған функционалдық топ. Шартты түрде, осы функционалдық топқа жататын қосылыстарды бромид анионының органикалық туындылары деп қарастыруға болады. Бромның (2,96) және көміртектың (2,55) электронегативтіліктерінің айырмашылығына байланысты, C–Br байланысындағы көміртек атомы электрондарға мұқтаж және сол себепті электрофильді. Органобром қосылыстарының реакциялық қабілеті органохлор және органоиод қосылыстарының реакциялық қабілетіне ұқсас, бірақ олардың арасында орналасады. Көптеген қолданыстар үшін органобромидтер реакциялық қабілет пен құн арасындағы шартты келісімді ұсынады. Бромның теңіз суындағы концентрациясы хлор концентрациясының тек 0,3% құраса да, органобромидтер табиғаттағы ең көп кездесетін органогалоидтер болып табылады, себебі бромды Br эквивалентіне, яғни күшті электрофильге дейін тотықтыру оңай. Бромпероксидаза ферменті осы реакцияны катализдейді. Океандардан жыл сайын 1–2 миллион тонна бромформа және 56 000 тонна бромметан шығарылатыны есептеледі.
Өрлеу және өндіріс
Бром жер қыртысында фтор мен хлорға қарағанда едәуір аз мөлшерде кездеседі, Жер қыртысы тау жыныстарының миллионнан 2,5 бөлігін ғана құрайды, және ол тек бром тұздары түрінде болады. Жер қыртысындағы 46-шы ең көп таралған элемент. Ол ұзақ мерзімді шаю процесінің нәтижесінде мұхиттарда едәуір көп мөлшерде кездеседі. Мұнда оның концентрациясы 65 миллионнан бір бөлікті құрайды, бұл шамамен 660 хлор атомына бір бром атомының пропорциясына сәйкес келеді. Тұзды көлдер мен тұзды қазбалар бромның жоғары концентрациясын қамтуы мүмкін: мысалы, Өлі теңізде 0,4% бром иондары бар. Бромды өндірудің экономикалық тұрғыдан тиімділігі негізінен осы көздерге байланысты. Бром өндірісінің басты елдері Израиль және Иордания. Элемент галоген алмасу арқылы босатылады, мұнда хлор газы Br-ді Br-ге тотықтырады. Содан кейін оны бу немесе ауа арқылы алып тастап, конденсациялап, тазартады. Бүгінде бром үлкен сыйымдылығы бар металл барабандарда немесе жүздеген килограмм немесе тіпті тонна бром сақтауға арналған қорғасынмен қапталған резервуарларда тасымалданады. Бром өнеркәсібі хлор өнеркәсібінің жүзден бір бөлігіне жуық көлемде. Бром коммерциялық түрде қол жетімді және ұзақ сақталу мерзіміне ие болғандықтан, оны зертханада өндірудің қажеті жоқ.
Қолданбалар
Өнеркәсіпте кең ауқымды органобром қосылыстары қолданылады. Олардың кейбіреулері бромнан, ал қалғандары бромда сутекті жағу арқылы алынатын сутек бромидінен дайындалады.
Жалынды баяулатушылар
Бромды отты баяулатушылар маңыздылығы артып келе жатқан тауар болып табылады және бромның коммерциялық қолданылуының ең үлкен бөлігін құрайды. Бромталған материал жанғанда, отты баяулатушы гидробром қышқылын бөліп шығарады, ол оттың окидану реакциясының тізбекті радикалдық реакциясына кедергі келтіреді. Механизмі – жоғары реактивті сутек радикалдары, оттегі радикалдары және гидроксил радикалдары гидробром қышқылымен реакцияласып, аз реактивті бром радикалдарын (яғни, еркін бром атомдарын) түзетін болады. Бром атомдары басқа радикалдармен тікелей әрекеттесіп, жану процесін сипаттайтын тізбекті радикалдық реакцияларды тоқтатуға көмектеседі. Бромталған полимерлер мен пластиктерді жасау үшін, бромды қосылыстарды полимерлену кезінде полимерге енгізуге болады. Бір әдіс – полимерлену процесінде бромталған мономердің салыстырмалы түрде аз мөлшерін қосу. Мысалы, винилбромид полиэтилен, поливинилхлорид немесе полипропилен өндірісінде қолданылуы мүмкін. Полимерлену процесіне қатысатын жоғары бромталған молекулаларды да қосуға болады. Мысалы, тетрабромбисфенол А полиэстерлерге немесе эпоксидті шайырларға қосылуы мүмкін, онда ол полимердің құрамына кіреді. Баспалы тізбектерде қолданылатын эпоксидтер әдетте осындай отты баяулатушы шайырлардан жасалады, бұл өнімдердің таңбасында FR (FR 4 және FR 2) арқылы көрсетіледі. Кейбір жағдайларда, бромды қосылыс полимерленгеннен кейін қосылуы мүмкін. Мысалы, декабромодифенил эфирін соңғы полимерлерге қосуға болады. Газды немесе жоғары ұшпалы бромталған галометан қосылыстары улы емес және осы механизм арқылы өте тиімді от сөндіру құралдары болып табылады, әсіресе су асты кемелері, ұшақтар және ғарыш кемелері сияқты жабық кеңістіктерде тиімді. Дегенмен, олардың құны жоғары, ал озонды қабатын бүлдіретін факторлар ретінде әсер ететіндіктен, өндірісі мен қолданылуы шектелді. Олар енді күнделікті өрт сөндіргіштерде қолданылмайды, бірақ әуе-ғарыш және әскери автоматты өрт сөндіру жүйелерінде қолданылады. Оларға бромхлорметан (Halon 1011, CHBrCl), бромхлордифторметан (Halon 1211, CBrClF) және бромтрифторметан (Halon 1301, CBrF) жатады.
Басқа қолданыстар
Күмiс бромiдi фотоэмульсиялардың жарыққа сезiмдi құрауышы ретiнде жеке немесе күміс хлориді және күміс йодтымен бiрге қолданылады. Бромдалған өсiмдiк майы (БӨМ) – өсiмдiктерден алынған триглицеридтердiң күрделi қоспасы, олардың молекулаларына бром элементiнiң атомдары бiрiктiрiлген, негiзiнен цитрус дәмдi сусындарды эмульсиялауға көмектеседi, тарату кезінде олардың бөлiнiп кетуiне жол бермейдi. Улы бромметан топырақты және жабық үй-жайларды дезинфекциялау үшiн, шатыр арқылы қолданылатын әдiспен, пестицид ретiнде кеңiнен қолданылды. Этиленбромид сондай-ақ қолданылды. Фармакологияда органикалық емес бром қосылыстары, әсiресе калий бромды, 19 және 20 ғасырлардың басында жалпы седатив ретiнде жиi қолданылды. Бромдар, қарапайым тұздар түрінде, ветеринарияда да, адам медицинасында да антиконвульсанттар ретiнде әлi де қолданылады, бiрақ соңғысы елдерде әртүрлi. Мысалы, АҚШ-тың Тамақ және Дәрi-дәрмек басқармасы (FDA) бромды ешқандай ауруды емдеуге мақұлдамайды, ал 1975 жылы Bromo Seltzer сияқты рецептсiз седативтi өнiмдерден натрий бромды алып тастады. Коммерциялық түрде қол жетiмдi органобромдық фармацевтiкалық препараттарға тамыр кеңейтетiн ницерголин, седативтi бротизолам, қатерлi iсiкке қарсы агент пипоброман және антисептик мербромин жатады. Одан басқа, органофтор қосылыстарына қарағанда, органобром қосылыстары фармацевтикалық тұрғыдан сирек қолданылады. Көптеген дәрілер бром (немесе эквиваленттерi, гидробром) тұздары ретiнде жасалады, бiрақ мұндай жағдайларда бром биологиялық маңызы жоқ, зиянсыз қарсы ион ретiнде қызмет етедi. Бром хлорға ұқсас антисептикалық қасиеттерге ие болғандықтан, оны су бассейндерi сияқты қолданыстарда дезинфекциялау немесе микробқа қарсы препарат ретiнде хлор сияқты қолдануға болады. Алайда, бром осы мақсаттар үшiн сыртқы ортада көбiнесе қолданылмайды, себебi ол хлордан салыстырмалы түрде қымбат, және оны күн сәулесiнен қорғау үшiн тұрақтандырғыш жоқ. Жабық бассейн үшін бұл жақсы нұсқа болуы мүмкiн, себебi ол кеңiрек pH диапазонында тиiмдi. Сондай-ақ, ол жылытылған бассейнде немесе джакузиде тұрақтандырылған.
Биологиялық рөлі және токсикологиялық әсері
2014 жылғы зерттеулер бромның (бромид ионы түрінде) коллаген IV биосинтезіне қажетті кофактор екенін, осы элементті жануарлардағы базалық мембрана құрылымы мен тіндердің дамуына қажетті ететінін көрсеткен. Дегенмен, сүтқоректілерде ешқандай анық жетіспеушілік белгілері немесе синдромдары тіркелмеген. Басқа биологиялық функцияларда бром қажетті емес, бірақ хлордың орнына келгенде пайдалы болуы мүмкін. Мысалы, эозинофилде сутек пероксиді (HO) және хлорид, йодид, тиоцианат немесе бромид иондары бар болғанда, эозинофил пероксидазасы эозинофилдердің көпжасушалы паразиттерді (мысалы, филярияға байланысты нематод құрттарын) және кейбір бактерияларды (мысалы, туберкулез бактерияларын) өлтіруге қабілетті күшті механизмді қамтамасыз етеді. Эозинофил пероксидазасы – бұл галопероксидаза, ол осы мақсат үшін хлордан гөрі бромидті артық пайдаланады, гипобромит (гипобром қышқылы) түзеді, бірақ хлорды қолдану да мүмкін. α-Галоэстерлер әдетте органикалық синтезде жоғары реактивті және осыған байланысты улы аралық заттар ретінде қарастырылады. Алайда, сүтқоректілер, соның ішінде адамдар, мысықтар және егеуқұйрықтар, олардың ми-жұлын сұйығында кездесетін α-бромоэстердің, 2-октил-4-бромо-3-оксобутаноаттың іздерін биосинтездейді және бұл заттың REM ұйқысын тудырудағы рөлі әлі анықталмаған. Теңіз организмдері органобром қосылыстарының негізгі көзі болып табылады және осы организмдерде бромның маңыздылығы айқынрақ көрінеді. 1999 жылға дейін 1600-нан астам мұндай органобром қосылыстары анықталған. Ең көп таралғаны – метилбромид (CHBr), оның шамамен 56 000 тоннасы теңіз балдыздарымен жыл сайын өндіріледі. Гавайилік Asparagopsis taxiformis балдырының эфир майы 80% бромформадан тұрады. Теңіздегі осындай органобром қосылыстарының көпшілігі балдырлардың бірегей ферменті – ванадий бромпероксидазасының әрекетінен түзіледі. Бромид анионы аса улы емес: тәуліктік қалыпты мөлшері 2-8 миллиграммды құрайды. Бромизм – бұл миға нейротоксикалық әсер ету нәтижесінде туындайтын, соның салдарынан ұйқышылдық, психоз, құрысулар және сананың шатасуына алып келетін жағдай. Элементар бром (Br) улы және адам терісінде химиялық күйіктерге себеп болады. Бром газын жұтқанда тыныс алу жолдарында ұқсас тітіркеніс пайда болады, жеткілікті мөлшерде жұтса, жөтел, тұншығу, тыныс алудың қиындауы және өлімге әкелуі мүмкін. Ұзаққа созылған әсері жиі бронх инфекцияларына және жалпы денсаулықтың нашарлауына әкелуі мүмкін. Бром күшті тотықтырғыш болғандықтан, көптеген органикалық және бейорганикалық қосылыстармен үйлеспейді. Бромды тасымалдау кезінде сақтық қажет; ол көбінесе қорғасынмен қапталған, мықты металл каркастармен бекітілген болаттан жасалған резервуарларда тасымалданады. Бром АҚШ-тағы Төтенше жағдайларды жоспарлау және қоғамдық хабардар ету туралы заңның 302-бабында (42 USC 11002) белгіленгендей, өте қауіпті зат ретінде жіктеледі және оны маңызды көлемде өндіретін, сақтайтын немесе пайдаланатын мекемелер үшін қатаң есеп беру талаптарына жатады.