Висмут элемент. Свойства висмута. Применение висмута. Висмут и его характеристики
Из этой статьи вы узнаете о том, где применяется этот металл и какие интересные особенности ему присущи. В частности, является ли он радиоактивным, как его применяли орнитологи и какие болезни лечат с помощью висмутосодержащих препаратов.
До недавнего времени единственный природный изотоп висмута считался стабильным, но в 2003-м году была доказана его радиоактивность. Правда, период его полураспада в несколько десятков раз больше, чем возраст нашей Вселенной. Так что в плане радиоактивности природный висмут для человека совершенно безопасен.
Из-за нерастворимости соединений висмут считается экологически безопасным веществом. Более того, во время аварии нефтедобывающей платформы в Мексиканском заливе орнитологи кормили морских птиц препаратами висмута для вывода нефти, попавшей в их организм.
Сферы применения висмута
Основным потребителем висмута выступает металлургия. Сталь и алюминий , содержащие всего несколько сотых долей процента Bi, гораздо легче обрабатывать на станках. Сплавы висмута с кадмием, свинцом, цинком и другими металлами позволяют получить вещества с температурой плавления ниже 100 °С. Такие сплавы выплавляют для изготовления:
— плавких предохранителей, плавких клапанов;
— бессвинцовых и легкоплавких припоев;
— баббитов для подшипников;
— деталей на замену вредных для окружающей среды свинцовых, например, грузил для удочек, вентилей водопроводных систем, дроби для охотничьих патронов;
— колпаков для бронебойных снарядов;
— смазок и уплотнительных прокладок для работы в вакууме;
— термометрических жидкостей для термометров ;
— теплоносителей для атомных реакторов;
— материала для фиксирования переломов в травматологии, для протезирования в стоматологии;
— материалов для моделирования в литейном производстве.
Особо чистый висмут идет на изготовление приборов для измерения магнитных полей, так как его сопротивление почти линейно изменяется в зависимости от величины магнитного поля.
Нельзя не упомянуть, что из красивых кристаллов чистого висмута делают изысканные ювелирные украшения.
Сплавы висмута с марганцем, хромом, индием или европием используются для производства высококачественных мощных и долговечных постоянных магнитов. Соединения висмута идут на получения магнитоэлектрических, высокотемпературных сегнетоэлектрических, термоэлектрических, сверхпроводящих материалов.
— Оксид Bi с небольшими добавками других металлов применяется для изготовления электрохимических топливных элементов, способных работать при 500-700 °К.
— Соединения с галлием, иодом, германием востребованы как детекторы ионизирующего излучения в приборах для компьютерной томографии, ядерной физики, геологии.
— Сплавы и соединения широко применяются для изготовления энергоемких, стабильных и надежных аккумуляторов. Например, в батареях для космических и военных аппаратов.
— Оксид и нитрат висмута — катализаторы в технологии производства полимеров 
на основе акрила; висмут в виде стружки — катализатор для изготовления окислителей для ракетного топлива.
— Используется для получения полония-210; в нефтепереработке; для производства пигментов, низкотемпературных эмалей для керамики; лака для ногтей.
— В медицине соединения висмута входят в состав препаратов, применяющихся для лечения ЖКТ, онкологических заболеваний; антисептиков, ранозаживляющих средств; контрастного вещества для рентгеноскопии. Висмутосодержащие препараты — один из немногих средств, эффективных против бактерии, вызывающей язвенную болезнь желудка.
Обратите внимание, что в нашем магазине вы можете по хорошим ценам купить как
ВИСМУТ, Bi (лат. bismuthum * а. bismuth; н. Wismut; ф. bismuth; и. bismuto), — химический элемент V группы периодической системы Менделеева, атомный номер 83, атомная масса 208,980.
Получение и применение висмута
В зависимости от состава примесей в черновом висмуте, извлечённом из концентратов, чистый висмут получают различными методами: окислительное рафинирование под щелочными флюсами, зейгерование, сплавление с серой и др. Товарный висмут содержит почти 100% основного металла. Висмут высокой чистоты получают зонной перекристаллизацией в атмосфере инертного газа.
Висмут применяется в металлургии (получение легкоплавких сплавов со свинцом, оловом, ; при изготовлении форм для точного литья, штампов, разметочных, монтажных и контрольных приспособлений; для улучшения обрабатываемости сплавов , чугуна и стали при производстве авиа- и автодвигателей). Значительное количество висмута потребляется фармацевтической промышленностью (висмут и его препараты — обеззараживающее и подсушивающее средство). В химической промышленности висмут — катализатор при производстве синтетических волокон. Висмут применяется также в атомной энергетике (висмут — жидкий теплоноситель и охлаждающий агент), электронике (полупроводники на основе висмута), стекольной (соединения висмута увеличивают коэффициент преломления) и керамической (легкоплавкие эмали) промышленности.
Висмут — простое вещество представляющее собой при нормальных условиях блестящий серебристый с розоватым оттенком металл. В Средневековье его часто использовали алхимики для своих опытов. Сейчас же он входит входит в состав популярного препарата против расстройств пищеварения. Сегодня я расскажу вам про этот удивительный кристалл и про то, как он получаются.
Висмут был известен человечеству с давних времен, впервые упомянут в письменных источниках в 1450 году как Wismutton или Bisemutum. Долгое время этот металл считался разновидностью сурьмы, свинца или олова. Первые сведения о металлическом висмуте, его добыче и переработке встречаются в трудах крупнейшего металлурга и минералога средневековья Георгия Агриколы, датированных 1529 г. Представление же о висмуте как о самостоятельном химическом элементе сложилось только в XVIII в. Символ Bi впервые ввел в химическую номенклатуру выдающийся шведский химик Йенс Якоб Берцелиус.
О происхождении слова «висмут» существует несколько версий. По одной из них считают, что в основе его лежат немецкие корни «wis» и «mat» (искаженно weisse masse и weisse materia) -белый металл (точнее, белая масса, белая материя). По другой - слово «висмут» - не что иное, как арабское «би исмид», то есть похожий на сурьму.
Содержание висмута в земной коре 2*10-5% по массе, в морской воде - 2*10-5 мг/л. Висмутовые руды, содержащие 1% и выше висмута, встречаются редко, обычно его источником служат свинцовые, оловянные и другие руды, где он содержится как примесь. Минералами висмута, входящими в состав таких руд, являются висмут самородный (содержит 98,5-99% Bi), висмутин - Bi2S3, бисмит - Bi2O3 и другие.
Около 90% всего добываемого висмута извлекается попутно при металлургической переработке свинцово-цинковых, медных, оловянных руд и концентратов. Висмут получают сплавлением сульфида с железом: Bi2S3 + 3Fe = 2Bi + 3FeS,
или последовательным проведением процессов:
2Bi2S3 + 9O2 = 2Bi2O3 + 6SO2; Bi2O3 + 3C = 2Bi + 3CO.
В отличие от сурьмы, в висмуте металлические свойства явно преобладают над неметаллическими. Ему свойствен сильный металлический блеск и белый розоватого оттенка цвет. Висмут одновременно хрупок и довольно мягок, тяжел (плотность 9,8 г/см3), легкоплавок (температура плавления 271°C). При плавлении висмут уменьшается в объеме (как лед), т.е. твердый висмут легче жидкого. Среди прочих металлов висмут выделяют малая теплопроводность (хуже него тепло проводит только ртуть) и самые сильные диамагнетические свойства.
Природный висмут состоит из одного стабильного изотопа 209Bi.
В сухом воздухе висмут не окисляется, во влажной атмосфере постепенно покрывается пленкой оксидов. При нагревании выше 1000°С сгорает с образованием основного оксида Bi2O3. При сплавлении висмута с серой образуется Bi2S3.
Взаимодействует с галогенами (наиболее изучены тригалогениды): 2Bi + 3Hal2 = 2BiHal3
Не реагирует с Н2, С, N2, Si..
При взаимодействии висмута с металлами образуются висмутиды, например, висмутид натрия Na3Bi, висмутид магния Mg3Bi и др. При действии кислот на такие сплавы висмута образуется висмутин BiH3.
Со щелочами и разбавленными кислотами висмут не реагирует, с концентрированными образует соли:
Bi + HNO3(конц.) => Bi(NO3)3 + …
Основное применение висмута - его использование в качестве компонента легкоплавких сплавов. Висмут входит, например, в известный сплав Вуда, температура плавления которого ниже температуры кипения воды, во многие другие сплавы, используемые, например, при изготовлении легкоплавких предохранителей. Сплавы висмута и марганца (Mn) характеризуются ферромагнитными свойствами и поэтому идут на изготовление мощных постоянных магнитов.
Небольшие добавки висмута (0,003%-0,01%), в стали и в сплавы на основе алюминия улучшает пластические свойства металла, резко упрощает его обработку.
Некоторое значение висмут имеет в ядерной технологии при получении полония - важного элемента радиоизотопной промышленности. Соединения висмута, особенно Bi2O3, применяют в стекловарении и керамике, в фармацевтической промышленности, в качестве катализаторов и др.
Висмут относится к токсичным ультрамикроэлементам.
О физиологической роли висмута известно немного. Возможно он индуцирует синтез низкомолекулярных белков, принимает участие в процессах оссификации, образует внутриклеточные включения в эпителии почечных канальцев. Возможно, этот элемент обладает генотоксичными и мутагенными свойствами.
Не смотря на то, что висмут относится к категории тяжелых металлов, он является умеренно токсичным элементом. Растворимые соли висмута ядовиты и по характеру своего воздействия (хоть и в меньшей степени) аналогичны солям ртути.
Соли висмута используют с 1700-ых гг. для лечения таких болезней, как диарея, а также для облегчения симптомов холеры.
Во время разлива нефти в Мексиканском заливе, морских птиц заставляли глотать это вещество, чтобы вывести нефть, которая попала в их организм.
Хотя это вещество было известно с древних времен, слово «висмут» появилось впервые в конце XVII века. Алхимики применяли его в своих опытах в средние века. Шахтеры, добывавшие руду, называли его tectum argenti. Это переводится, как «производство серебра». Шахтеры полагали, что висмут был наполовину серебром.
И красота его кристаллов, несомненно, указывает на то, почему они так считали.
Название висмута считается латинизированной версией старогерманского слова «виссмут», и лишь в 1546 году немецкий ученый Георгий Агрикола (отец минералогии) заявил, что висмут – это отдельный металл.
Висмут применялся не только в Европе: хотя его андское название было утеряно, инки использовали висмут для изготовления холодного оружия. Из-за этого мечи инков были очень красивыми, и их сияние было результатом радужного окисления – химической реакции с кислородом. Разница в цветах – это результат разной толщины слоя окиси поверх кристалла. Когда на кристаллы висмута попадает прямой свет, эти колебания в толщине приводят к разным длинам волн для прерывания отражения. Поэтому мы и получаем красивый эффект радуги.
В периодической таблице висмут имеет несколько соседей (его номер – 81), и если принять их вовнутрь, можно причинить серьезный урон здоровью. В этот список входят свинец, сурьма и полоний. И хотя висмут имеет высокую атомную массу, он всегда считался стабильным (долгие годы он даже считался самым стабильным элементом в плане массы).
Тем не менее, недавно обнаружилось, что этот элемент слегка радиоактивный. Но не волнуйтесь, висмут не может убить. На самом деле сплавы висмута уже давно заменяют свинец (в таких предметах, как вентили для питьевых водопроводных систем).
В слитке чернового свинца содержится до 10% висмута, и для его добычи нужно пройти несколько стадий. Однако после двух главных процессов, в этой смеси остается еще много других металлов.
Чтобы получить чистый висмут, нужно расплавить переработанную смесь, а затем добавить хлор-газ. Остальные металлы добывают в их хлоридной форме, после чего остается чистый висмут. Висмут имеет некоторые удивительные характеристики. Как вы знаете, вода – одно из немногих веществ, которое является более плотным в жидкой форме, чем в твердой. В этом висмут похож на воду – в твердой форме он увеличивается на 3%.
Он также более диамагнитный, чем любой другой металл на планете. Диамагнетизм присутствует во всех материалах – это свойство, создающее магнитное поле. С другой стороны, висмут имеет самый низкий показатель теплопроводности, чем у любого другого металла. Считается, что висмут обладает низким воздействием на окружающую среду. Это потому, что его составляющие не очень растворимы, поэтому в воде он не может навредить людям. Однако в плане влияния висмута на окружающую среду были проведены лишь ограниченные исследования.
Вообще, висмут — это легкоплавкий металл, который расширяется при затвердевании, поэтому слитки не имеют усадочной раковины, а наоборот, имеют выпуклую поверхность. Применяется висмут, в основном, для изготовления легкоплавких сплавов и припоев.
Чистый, неокисленный висмут имеет серебристо-белый цвет с небольшим красноватым оттенком. Радужная окраска этого кристалла обусловлена наличием тонкой оксидной пленки на его поверности. При желании, окраску легко удалить. Достаточно просто промыть кристалл разбавленной соляной кислотой, и его поверхность станет серебристой.
Если расплавленный металл залить в форму и дать ему затвердеть, то получится слиток. Но кристаллы висмута получаются немного по-другому.
Получить такие фантастические кристаллы висмута (только висмута! с другим металлом такое не получится!) можно так. Нужен очень чистый висмут. Чем он чище, тем красивее получатся кристаллы. Расплавленный на горелке металл выливается в подогретую ёмкость. Через некоторое время, когда он примерно на треть затвердеет, жидкий металл сливают, а на дне остаются такие кристаллы. Такую красивую окраску кристаллы висмута приобретают в результате окисления поверхностного слоя металла, причем чем выше чистота исходного металла, тем более красиво окрашивается кристалл.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Висмут - восемьдесят третий элемент Периодической таблицы. Обозначение - Bi от латинского «bismuthum». Расположен в шестом периоде, VA группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 83.
Висмут - мало распространенный в природе элемент: содержание его в земной коре составляет 0,00002% (масс.). В природе он встречается как в свободном состоянии, так и в виде соединений - висмутовой охры Bi 2 O 3 и висмутового блеска Bi 2 S 3 .
В свободном состоянии висмут представляет собой блестящий розовато-белый хрупкий металл плотностью 9,8 г/см 3 (рис. 1).Хрупкий. Температура плавления — 271,4 o С, кипения — 1552 o С.При комнатной температуре на воздухе висмут не подвергается окислению.
Рис. 1. Висмут. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса висмута
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии висмут существует в виде одноатомных молекул Bi, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 208,9804.
Изотопы висмута
Известно, что в природе висмут может находиться в виде единственного стабильного изотопа 209 Bi. Массовое число равно 209, ядро атома содержит восемьдесят три протона и сто двадцать шесть нейтронов.
Существуют искусственные нестабильные изотопы висмута с массовыми числами от 184-х до 218-ти, а также более десяти изомерных состояний ядер.
Ионы висмута
На внешнем энергетическом уровне атома висмута имеется пять электронов, которые являются валентными:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5р 6 5d 10 6s 2 6р 3 .
В результате химического взаимодействия висмут отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Bi 0 -3e → Bi 3+ ;
Bi 0 -5e → Bi 5+ .
Молекула и атом висмута
В свободном состоянии висмут существует в виде одноатомных молекул Bi. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу висмута:
Сплавы висмута
Висмут образует легкоплавкие сплавы с другими элементами; например, сплав висмута со свинцом, оловом и кадмием плавится при 70 o С. Эти сплавы применяют в частности, в автоматических огнетушителях, действие которых основано на расплавлении пробки, изготовленной из такого сплава. Кроме того, они используются как припои.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Рассчитайте массовые доли элементов, входящих в состав оксида висмута (III), если его молекулярная формула имеет вид Се 2 O 3 . |
| Решение | Массовая доля элемента в составе какой-либо молекулы определяется по формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / Mr (HX) × 100%. |
