Висмут, свойства атома, химические и физические свойства

Как был открыт

История металла начинается со Средневековья:

• Его упоминают лекари и алхимики Парацельс, Василий Валентин, Григорий Агрикола.
• Использует при отливке шрифтов для печати первых европейских книг Иоганн Гутенберг.

Как металл висмут знали и раньше, но принимали за олово, свинец или сурьму. Недаром название связывают с арабским «подобный сурьме» и немецким «белая масса» (так его окрестили местные рудокопы).

Лишь к XVIII веку химики классифицировали висмут как самостоятельный элемент.

В России история открытия связана с именем Михаила Ломоносова. Ученый сделал первые описания металла.

История

История открытия металла растянулась на века. Его долгое время путали с оловом, свинцом, сурьмой.

Впервые о висмуте, как об отдельном элементе сказал Агрикола, «отец минералогии». Почти три века спустя химик Потт это доказал, а Берцелиус присвоил металлу собственный символ (Bi) и дал место в химической номенклатуре элементов.

Д.И. Менделеев писал:

«Тяжелейший аналог азота и фосфора есть висмут… Во многих свойствах он напоминает сурьму и свинец».

Физико-химические характеристики

Для химика висмут – это простое вещество. В микроклимате с нормальными показателями химически инертен. Взаимодействие начинается при +990°С.

Металл легкоплавкий, при +150°С обретает пластичность. Однако хрупок, лишен тягучести, ковкости, легко измельчается до порошка.

Ряд характеристик металла отличает его от других:

• На холоде, подобно воде, увеличивается в объеме.
• Имеет малую теплопроводность.
• Самый сильный диамагнетик среди металлов.

Не взаимодействует с кремнием, азотом, углеродом, разбавленной серной, концентрированной соляной кислотами, щелочами.

Токсичность

Салицилат висмута и тиогликолят висмута , применяемые для борьбы с сифилисом и другими инфекционными или паразитарными заболеваниями, при парентеральном введении могут вызывать картину отравления висмутом. При пероральном введении нитрат висмута может метаболизироваться до нитритов, которые всасываются из кишечника и метгемоглобинизируют . [ 18 ] Острые отравления вызывают головные боли , гастроэнтерит , заболевания печени , анурию и шок .

. При хроническом отравлении наблюдаются стоматит , синюшность десневой каймы , энтерит , желтуха , нефропатии , сыпь или эксфолиативный дерматит. [ 18 ]

Лечение острого отравления состоит из введения димеркапрола и обильного питья, если нет поражения почек, и в этом случае его следует лечить так же, как эндемичный регионарный хронический гидроарсенизм . [ 18 ]

Металл в природе

Элемент относится к редкоземельным металлам.

Тонна земной коры содержит 2 г висмута.

В природе самородки большая редкость, чаще представлены другие виды:

• Как примесь в рудах – свинцовых, вольфрамовых, медных, цинковых, оловянных.
• Как компонент минералов – висмутина, козалита, бисмутина, бисмита, других.

В центре внимания оказался изотоп металла. До начала XXI века он считался стабильным, но позже обнаружилось, что висмут радиоактивен. Это не опасно.

Период полураспада висмута на порядки превышает возраст Вселенной (14,5 млрд. лет).

Цена висмута

На висмут цена редко опускается ниже 2 000 рублей за килограмм. Такая стоимость указывается в закупках с минимальным объемам. То есть, сэкономить можно лишь при заказе от 5-ти, 10-ти, 16-ти килограммов. Если же брать только 1 000 граммов, заплатить придется не меньше 3 100 рублей. Стандартная цена – от 4 000-ех до 6 000 рублей.

Запросы продавцов зависят от чистоты металла. Его содержание в слитках может быть, к примеру, 99%, а может и 99, 99%. Учитывается и имя производителя, торговца и страна, откуда доставлен товар. Для россиян наиболее выгодны поставки из Китая. Если говорить о предприятиях внутри страны, то висмут реализует, к примеру, «Электровек-Сталь».

Менеджеры завода устанавливают цену, опираясь на индексы Лондонской биржи цветных металлов. Как правило, стоимость килограмма висмута варьируется в пределах 3 000 – 4 000 рублей. Объемы производства предприятия позволяют торговать центнерами, что значительно сокращает расходы при крупных закупках.

Технология получения

Подобно другим редким элементам, содержание Bi в породах исчисляется долями процента. Поэтому первый пункт доставки руды – обогатительное предприятие. Здесь используются методы пиро- и гидрометаллургии.

Синтетический кристалл висмута и слиток объёмом 1 см3

Пирометаллургия

Процедура обогащения многоэтапна, определяется происхождением сырья:

• Висмут из соединений, выделенных в процессе переработки медных концентратов, осаждают плавкой с ферроскрапом.
• Из окисленных руд элемент восстанавливают под «покровом» легкоплавкого флюса. Для процедуры требуется углерод и 990°C.

Самый распространенный исходник получения висмута – черновой свинец. Висмут выделяют, воздействуя магнием либо кальцием. Затем эти элементы удаляют методами флотации, очистки, электролиза. Черновой висмут получают переплавкой массы.

Гидрометаллургия

Гидрометаллургический способ:

• Висмутосодержащее сырье растворяют кислотами.
• Растворы выщелачивают электрохимически либо серной кислотой.
• Элемент извлекают и очищают экстракцией.
• Металл высокой чистоты получают методом рафинирования, зонной плавки, перегонки.

Способ признан рентабельным: для извлечения продукта пригодны концентраты с минимальным количеством висмута. Качество безупречно.

Запасы и добыча

Обычное происхождение висмутовых руд — гидротермальные, пегматитовые, контактово-метасоматические.

Собственные минералы Bismuthum:

• висмутовый блеск;
• бисмит;
• козалит.

Металл химически малоактивен, поэтому встречается в природе в самородном виде.

Интересно: вес некоторых самородков достигает 15 кг.

Добычу ведут из висмутовых руд (малая часть добычи). Основные объемы Bi извлекают из руд цветных и благородных металлов. К ним относятся:

• свинцово-цинковые;
• оловянные:
• медные;
• вольфрамовые;
• золотоносные.

Страны, в которых есть месторождения висмутовых руд:

• Китай;
• Боливия;
• Германия;
• Россия;
• Австралия.

Металл занимает 71 место по запасам в земной коре среди всех элементов.

Синтетический кристалл висмута и слиток объёмом 1 см3.

Где используется металл

Микродозы металла, добавленные в сталь, чугун, алюминий, облегчают механическую обработку. Данное свойство висмута оценила металлургия – главный потребитель металла.

Промышленность

Промышленным комплексом используются все формы вещества.

Металл

Это жидкость в термометрах, материал моделей для форм в литейном производстве.

Сплавы

Сплавы «висмут + металлы (кадмий, свинец, олово)» легкоплавки.

Их применение универсально:

• предохранители;
• вентили;
• клапаны;
• припои, смазки;
• прокладки-уплотнители для агрегатов, работающих в вакууме;
• детали подшипников.

Из них изготавливают колпаки бронебойных снарядов, теплоносители реакторов на АЭС.

Висмут + марганец, хром, индий либо европий ценят производители постоянных магнитов.

Монокристалл теллурида висмута

Соединения

Модификации висмута – основа материалов специального назначения (сверхпроводников, магнито-, термоэлектрических):

• Материал электрохимических топливных узлов.
• Детекторы ионоизлучения в приборах для нужд геологии, компьютерной томографии, ядерной физики.
• Катализаторы в процессе производства акриловых полимеров.

Их используют переработчики нефти.

Оборонный комплекс

Преимущества металла подошли ВПК. Соединения висмута задействованы при производстве аккумуляторов для армии и космических аппаратов.

Не пропадает даже стружка – ее используют как ускоритель процесса изготовления компонентов ракетного топлива.

Медицина

Медициной востребованы соединения элемента как компонент препаратов:

• Ими лечат ЖКТ, онкологию, обеззараживают и заживляют раны.
• Вводят в контрастное вещество для рентгеноскопии.

Висмутосодержащие препараты убивают бактерию, вызывающую язву желудка.

Травматологами задействован как материал, фиксирующий участки с переломами. Стоматологами используется для протезирования.

Другие сферы

Материал повышенной чистоты предназначен ученым:

• Из него сделаны приборы, измеряющие параметры магнитных полей.
• Это исходник для синтеза других элементов.

Его добавляют, изготовляя пигменты, эмали для керамики, стекло, лак для ногтей, грузила удочек, дробь патронов для охоты.

Из кристаллов создают ювелирные украшения авангардного стиля.

Можно вырастить кристаллы дома и любоваться их причудливо-хаотичной структурой.

Сплавы

Широко применяют висмутовые сплавы.

Самый известный из них сплав Вуда. В состав входят висмут, свинец, олово и кадмий. Применяют в качестве легкоплавких припоев (температура плавления сплава 68,5°С).

Интересно: один шутник делал чайные ложечки из сплава Вуда. Отличить от обычных их было невозможно. Но в горячем чае ложечка расплавлялась и стекала на дно чашки.

Рекомендуем: МОЛИБДЕН — универсальный металл

Предостережение

Вещество экологически безопасно для всего живого.

Однако это радиоактивный металл, поэтому при приеме аптечных препаратов с ним нужна осторожность:

• Некоторые пищевые продукты, взаимодействуя с лекарством, провоцируют образование в организме ядовитых соединений.
• Длительный цикл приема противопоказан людям с заболеваниями почек.

Симптомы передозировки:

• Расстройство ЖКТ (тошнота, рвота, диарея).
• Проблемы с сердцем.
• Ухудшение памяти.
• Утрата аппетита.
• Бессонница.
• Воспаление десен.
• Дерматит.
• Токсический гепатит.

Этого можно избежать, точно следуя инструкции, прилагаемой к препарату.

Применение

Bismuthum используют в:

• металлургии;
• точном машиностроении;
• косметической промышленности;
• фармации;
• производстве хрусталя.

Бомбардируя висмут нейтронами, получают полоний-210.

Монокристалл теллурида висмута

Bi2Te3 применяют в термоэлектрических холодильниках.

Висмутовые соединения используются в медицине:

• викаир;
• викалин;
• субсалицилат;
• тартрат.

Синтезированный кристалл висмута. Радужную окраску придаёт оксидная плёнка.

Лекарства на их основе оказывают мягкое слабительное, антисептическое, противовоспалительное действие.

Познавательно: после взрыва нефтяной платформы в Мексиканском заливе птицам давали висмутовые соли, чтобы вывести из организма нефтепродукты.

Китай осуществляет разработку свинцово-висмутовых реакторов малой мощности.

использованная литература

1. Агрикола , Георгиус (1955) [1546]. О природе
   ископаемых Нью-Йорк: Минералогическое общество Америки. п. 178
2. Николсон, Уильям (1819). «Висмут» . Американское издание Британской энциклопедии: Или, Словарь искусств и наук; включающий точное и популярное представление о нынешнем улучшенном состоянии человеческих знаний
   . п. 181.
3. ↑ ab
   Уикс, Мэри Эльвира (1932). «Открытие элементов. II. Элементы, известные алхимикам».
   Журнал химического образования9
   : 11. Бибкод : 1932JChEd…9…11W . DOI : 10.1021/ ed009p11 .
4. Джунта, Кармен Дж. Глоссарий архаичных химических терминов , Le Moyne College . См. Также другие термины для обозначения висмута, включая stannum glaciale
   (ледяное олово или ледяное олово).
5. Потт , Иоганн Генрих (1738). Висмута _ Химия
   _ Беролини: Апуд Джон Андреа Рюдигер. п. 134
6. Хаммонд, ЧР (2004). Элементы в Справочнике по химии и физике (81-е издание). Бока-Ратон (Флорида, США): пресса CRC. п. 4-1 . ISBN 0-8493-0485-7 .
7. Жоффруа (1753 г.). «О висмуте» . История Королевской академии наук … с диссертациями по математике и физике … выдержка из реестров этой Академии
   : 190.
8. Гордон, Роберт Б.; Ратледж, Джон В. (1984). «Висмутовая бронза из Мачу-Пикчу, Перу». Наука223
   (4636): 585-586. Бибкод : 1984Sci…223..585G . JSTOR 1692247 . PMID 17749940 . doi : 10.1126/наука.223.4636.585 .
9. Харпер, Дуглас. «висмут» . Интернет-словарь этимологии
   .
10. Норман, Николас С. (1998). Химия мышьяка, сурьмы и висмута . п. 41. ISBN 978-0-7514-0389-3 .
11. «Секреты висмута: это будет последний вымерший элемент во Вселенной» на xatakaciencia.com.
12. Хоппер К.Д., Кинг С.Х., Лобелл М.Е., ТенХейв Т.Р., Уивер Д.С. (1997). «Молочная железа: плоскостная рентгенозащита при диагностической КТ грудной клетки — экранирование висмутовыми радиозащитными одеждами». Радиология205
    (3): 853-8. PMID 9393547 . doi : 10.1148/radiology.205.3.9393547 .
13. Карлин, Джеймс Ф., младший . Ежегодник полезных ископаемых Геологической службы США, 2010 г.: висмут
    (PDF). Геологическая служба США. Consultado el 9 сентября 2010 года.
14. Лозе, Иоахим; Зангл, Стефани; Гросс, Рита; Генш, Карл-Отто; Деубзер, Отмар (сентябрь 2007 г.). «Адаптация к научно-техническому прогрессу Приложения II Директивы 2000/53 / EC» (PDF) . Европейская комиссия . Проверено 11 сентября 2009 г.
15. Крюгер, Иоахим; Винклер, Питер; Людериц, Эберхард; Люк, Манфред; Вольф, Ханс Уве (2003). «Висмут, сплавы висмута и соединения висмута». Энциклопедия промышленной химии Ульмана. Wiley-VCH, Вайнхайм. стр. 171-189
16. Мэйл, Фрэнк Дж.; Пфафф, Герхард; Рейндерс, Питер (2005). «Эффектные пигменты — прошлое, настоящее и будущее». Progress in Organic Coatings54
    (3): 150. doi : 10.1016/j.porgcoat.2005.07.003 .
17. Пфафф, Герхард (2008). Пигменты со специальными эффектами: технические основы и применение . Винсент Сеть ГмбХ. п. 36. ISBN 978-3-86630-905-0 .
18. ^ Abc
    Калабрезе, Альберто I .; Астольфи, Эмилио А. (январь 1969 г.).
    Токсикология
    . Буэнос-Айрес, Аргентина: Капелуш. стр. 146-147. OCLC 14501248 .
19. ^ Abcde e
    Ф. Бурриэль Марти, Ф. Лусена Конде, С. Аррибас Химено, Дж. Эрнандес Мендес (2006)
    .
    «Аналитическая химия катионов: висмут».
    Качественная аналитическая химия
    (18-е издание). Томсон. ISBN 84-9732-140-5 .

Биологическая роль

Влияние висмута на физиологию человека до конца не изучено. Известно, что ежесуточно он попадает в организм с водой, пищей и воздухом в количестве 4-20 мкг. Регулярная доза свыше 1-1,5 г приводит к отравлению организма.

Bismuth участвует в синтезе белка на клеточном уровне и других биологических процессах. Его токсичность для живого организма приближается к нулю, поэтому рассматриваемый химический элемент для человека опасности не представляет, если им не злоупотреблять.

В основном Bi локализуется в селезенке, печени, почках (0,4 мкг), костях (до 0,2 мкг), в меньшей степени – в головном мозге. Его присутствие отмечено в крови (<3 мкг/л). Выводится с калом и мочой. Проходя через ЖКТ, Bi преобразуется в сульфид висмута, который окрашивает каловые массы в темный цвет.

Степени окисления

Висмут (III)

Катион Bi
из
-за его умеренно высокой кислотности находится только в сильнокислых растворах в состоянии равновесия со своими оксидами . Катион Bi 3+ бесцветен из-за стабильности его электронной конфигурации ([ ] 6s 2 ), которая предотвращает электронные переходы на длинах волн видимого спектра . [ ]

Кислотно-щелочное поведение

При повышении щелочности среды катион Nos Bi 3+ в основном образует моногидроксовисмут (III) формы BiOH 2+ и висмутильный катион BiO + . [ 19 ]

Bi 3+ + ОН — Bi(OH) 2+ Bi 3+ + 2OH — BiO + + H 2 O

При сильнощелочном рН образуется гидроксид висмута (III) , Bi(OH) 3 , который при дегидратации образует триоксид дивисмута , Bi 2 O 3 , желтое твердое вещество. [ 19 ]

BiO + + 4OH — Bi(OH) 3 ↓ + H 2 O 2Bi(OH) 3
(т)
→ Bi 2 O 3
(т)
+ 3H 2 O

В крайне щелочных средах образуется анион висмута BiO 2 — . [ 19 ]

Bi 2 O 3
(т)
+ 2OH — 2BiO 2 — + H 2 O

Присутствие в органических соединениях

Его можно обнаружить, образуя ковалентные связи в некоторых органических соединениях.

• Триметилбисмутано
• Висмута оксисалицилат
• Висмута тиогликолят

Бисмуто (V)

В отличие от висмута (III), он не является свободным в виде катиона или в сильнокислых средах из-за его высокой нестабильности из-за высокого значения его отношения заряд / масса . [ 19 ]

Некоторые из соединений, в которых он обнаружен:

• Bi 2 O 5 , пятиокись дивисмута
• BiF 5 , висмута (V) фторид
• NaBiO 3 , метависмутат натрия

Задачка с новой температурной шкалой

В курсе физики можно встретить задачу на определение температуры плавления висмута по шкале Гения. Скажем сразу, что это просто задача, и никакой шкалы Гения не существует. В физике в настоящее время приняты всего три температурные шкалы: Цельсия, Фаренгейта и Кельвина (в системе СИ).

Итак, условия задачи таковы: «Новая шкала температур, которая выражается в градусах Гения (°G), связана с шкалой Цельсия так: 0 °G = 127 °C и 80 °G = 255 °С, нужно определить температуру плавления висмута в градусах новой шкалы».

Сложность задачи заключается в том, что интервал в 1 °G не соответствует интервалу 1 °C. А какому значению он соответствует в Цельсиях? Используя условие задачи, получаем: (255-127)/80 = 1,6 °C. Это означает, что увеличение температуры на 1°G будет эквивалентно ее увеличению на 1,6 °C. Для решения задачи вспомним, что висмут плавится при температуре 271,4 °C, что больше температуры 255 °C на 16,4 °C или на 10,25 °G (16,4/1,6). Поскольку температура 255 °C соответствует 80 °G, получаем, что по шкале Гения висмут будет плавиться при температуре 90,25 °G (80+10,25).