№83 Висмут

История открытия:

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.

Нахождение в природе, получение:

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.

Физические свойства:

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 209 Bi.

Химические свойства:

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 (газ, неуст.).
Со щелочами и разбавленными кислотами висмут не реагирует, с концентрированными образует соли:
Bi + HNO₃(конц.) => Bi(NO₃)₃ + NO₂ + .

Важнейшие соединения:

Для висмута наиболее характерны соединения со степенью окисления: +3 и +5.
Оксид висмута(II), BiO: Серовато-черные кристаллы. Получают восстановлением оксида висмута(III) металлическим висмутом или водородом. Окисляется при нагревании до 180°С и во влажном воздухе. Диспропорционирует в реакции с кислотами, напр. 3BiO + 6HCl = 2BiCl₃ + Bi +3H₂O.
Оксид висмута(III), Bi₂O₃: Моноклинные или тетрагональные желтые (коричневые в нагретом состоянии) кристаллы. Устойчив до 1750°С. Диамагнитен. Мало растворим в воде, ацетоне, жидком аммиаке, гидроксидах. Растворяется в кислотах. Получают нагреванием висмута в кислороде, разложением нитрата висмута (III), дегидратацией гидроксида висмута (III).
Гидроксид висмута(III), Bi(OH)₃: Белый аморфный порошок. Проявляет основные свойства. Мало растворим в воде, концентрированных щелочах. Растворяется в глицерине, хлориде аммония и в минеральных кислотах. С кислотами образует соли висмута (III).
Соли висмута(III) — бесцветные крист. вещества, растворимые соли (нитрат, хлорид) для предотвращения гидролиза растворяют в разбавленных растворах соотв. кислот.
При растворении в чистой воде они гидролизуются с образованием осадков основных солей (напр. Bi(OH)₂NO₃) или оксосолей (солей висмутила, напр. BiOCl).
Иодид висмута(III), BiI₃: темно-коричневые кристаллы, нерастворим в воде, но растворяется в спиртах, в ацетоне. Взаимодействует с растворами йодидов, образуя водорастворимые комплексы: BiI₃ + KI = K[BiI₄].
Сульфид висмута(III), Bi₂S₃: Серовато-черные ромбоэдрические диамагнитные кристаллы. Обладает термоэлектрическими свойствами. Мало растворим в воде, разбавленных минеральных кислотах, в сульфиде аммония, в сульфидах и полисульфидах щелочных металлов. Восстанавливается водородом, углеродом, кремнием. Взаимодействует с водой, при этом полностью гидролизуется.
Оксид висмута(V), Bi₂O₅: Темно-коричневый порошок. Мало растворим в воде. Растворяется в кислотах и щелочах. Разлагается при нагревании. Получают окислением висмута (III) в концентрированных щелочных растворах, например при пропускании хлора через суспензию Bi₂O₃ в растворе КОН.
Соединения висмута(V) проявляют сильные окислительные свойства: H₃BiO₄ + 5НСl = BiCl₃ + Cl₂ + 4H₂O
Висмутаты — соли висмутовых кислот, например мета- (NaBiO₃) или орто- (Na₃BiO₄) висмутат натрия, желтый порошок, нерастворимый в воде, сильный окислитель:
2Mn(NO₃)₂ + 5NaBiO₃ + 14HNO₃ => 2NaMnO₄ + 5Bi(NO₃)₃ + 3NaNO₃ + 7H₂O

Применение:

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.

Гаев Александр
ХФ ТюмГУ, 581 группа, 2011 г.

Источник

Висмут

83 Bi Висмут Bismuth (Xe)4f 14 5d 10 6s 2 6p 3

Атомный номер 83 Атомная масса 208,98 Плотность, кг/м³ 9800 Температура плавления, °С 271,3 Температура кипения, °С 1560 Теплоемкость, кДж/(кг·°С) 0,142 Электроотрицательность 1,9 Ковалентный радиус, Å 1,46 1-й ионизац. потенциал, эв 7,29

Висмут

Висмут (лат. Bismuthum), Bi, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 83, атомная масса 208,980; серебристо-серый металл с розоватым оттенком. Природный Висмут состоит из одного стабильного изотопа 209 Bi.

Висмут был известен в 15-16 веках, но долгое время его считали разновидностью олова, свинца или сурьмы. За самостоятельный металл Висмут был признан в середине 18 века. Французский химик А. Лавуазье включил его в список простых тел. Происхождение названия «Висмут» не установлено.

Содержание Висмута в земной коре 2·10 -5 % по массе. Висмут встречается в природе в виде многочисленных минералов, из которых главнейшие — висмутовый блеск Вi₂S₃, висмут самородный Bi, бисмит Bi₂O₃ и другие. В большем количестве, но в малых концентрациях Висмут встречается как изоморфная примесь в свинцово-цинковых, медных, модибденово-кобальтовых и олово-вольфрамовых рудах. Около 90% мирового потребления покрывается попутной добычей Висмута при переработке полиметаллических руд.

Физические свойства Висмута. Висмут имеет ромбоэдрическую решетку с периодом а=4,7457 Å и углом а = 57°14’13». Плотность 9,80 г/см 3 ; t_пл 271,3 °С; t_кип 1560 °С. Удельная теплоемкость (20 °С) 123,5 Дж/(кг·К) [0,0294 кал/(г·°С)]; термический коэффициент линейного расширения при комнатной температуре 13,3·10 -6 ; удельная теплопроводность (20 °С) 8,37 вт/(м·К) [0,020 кал/(см·сек·°С)]; удельное электрическое сопротивление (20° С) 106,8·10 -8 ом·м (106,8·10 -6 ом·см). Висмут — самый диамагнитный металл. Удельная магнитная восприимчивость равна -1,35·10 -6 . Под влиянием магнитного поля электросопротивление Висмута увеличивается в большей степени, чем у других металлов, что используется для измерения индукции сильных магнитных полей. Сечение захвата тепловых нейтронов у Висмута мало (34·10 -31 м 2 или 0,034 барна). При комнатной температуре Висмут хрупок, легко раскалывается по плоскостям спайности, в фарфоровой ступке растирается в порошок. При температуре 120-150°С ковок; горячим прессованием (при 240-250°С) из него можно изготовить проволоку диаметром до 0,1 мм, а также пластинки толщиной 0,2-0,3 мм. Твердость по Бринеллю 93 Мн/м 2 (9,3 кгс/мм 2 ), по Моосу 2,5. При плавлении Висмут уменьшается в объеме на 3,27%.

Химические свойства Висмута. Висмут в сухом воздухе устойчив, во влажном наблюдается его поверхностное окисление. При нагревании выше 1000° С сгорает голубоватым пламенем с образованием оксида Bi₂O₃. В ряду напряжений Висмут стоит между водородом и медью, поэтому в разбавленной серной и соляной кислотах не растворяется; растворение в концентрированных серной и азотной кислотах идет с выделением SO₂ и соответствующих оксидов азота.

Висмут проявляет валентность 2, 3 и 5. Соединения Висмута низших валентностей имеют основной характер, высших — кислотный. Из кислородных соединений Висмута наибольшее значение имеет оксид Bi₂O₃, при нагревании меняющий свой желтый цвет на красно-коричневый. Bi₂O₃ применяют для получения висмутовых солей. В разбавленных растворах висмутовые соли гидролизуются. Хлорид BiCl₃ гидролизуется с выпадением хлороксида BiOCl, нитрат Bi(NO₃)₃ — с выпадением основной соли BiONО₃·BiOOH. Способность солей Висмут гидролизоваться используется для его очистки. Соединения 5-валентного Висмута получаются с трудом; они являются сильными окислителями. Соль КВiO₃ (соответствующая ангидриду Bi₂O₅) образуется в виде буро-красного осадка на платиновом аноде при электролизе кипящего раствора смеси КОН, КСl и взвеси Bi₂O₃. Висмут легко соединяется с галогенами и серой. При действии кислот на сплав Висмута с магнием образуется висмутин (висмутистый водород) BiH₃; в отличие от арсина AsH₃, висмутин — соединение неустойчивое и в чистом виде (без избытка водорода) не получено. С некоторыми металлами (свинцом, кадмием, оловом) Висмут образует легкоплавкие эвтектики; с натрием, калием, магнием и кальцием — интерметаллические соединения с температурой плавления, значительно превышающей температуры плавления исходных компонентов. С расплавами алюминия, хрома и железа Висмут не взаимодействует.

Получение Висмута. Основное количество Висмута добывается попутно при огневом рафинировании чернового свинца (веркблея). Пирометаллургический способ основан на способности Висмута образовывать тугоплавкие интерметаллические соединения с К, Na, Mg и Са. В расплавленный свинец добавляют указанные металлы и образовавшиеся твердые соединения их с Висмутом (дроссы) отделяют от расплава. Значительное количество Висмута извлекают из шламов электролитического рафинирования свинца в кремнефтористоводородном растворе, а также из пылей и шламов медного производства. Содержащие Висмут дроссы и шламы сплавляют под щелочными шлаками. Полученный черновой металл содержит примеси As, Sb, Cu, Pb, Zn, Se, Те, Ag и некоторых других элементов. Выплавка Висмута из собственных руд производится в небольшом масштабе. Сульфидные руды перерабатывают осадительной плавкой с железным скрапом. Из окисленных руд Висмут восстанавливают углем под слоем легкоплавкого флюса.

Для грубой очистки чернового Висмут применяются в зависимости от состава примесей различные методы: зейгерование, окислительное рафинирование под щелочными флюсами, сплавление с серой и другими. Наиболее трудноотделяемая примесь свинца удаляется (до 0,01%) продуванием через расплавленный металл хлора. Товарный Висмут содержит 99,9-99,98% основного металла. Висмут высокой чистоты получают зонной перекристаллизацией в кварцевых лодочках в атмосфере инертного газа.

Применение Висмута. Значительное количество Висмута идет для приготовления легкоплавких сплавов, содержащих свинец, олово, кадмий, которые применяют в зубоврачебном протезировании, для изготовления клише с деревянных матриц, в качестве выплавляемых пробок в автоматических противопожарных устройствах, при напайке колпаков на бронебойные снаряды и т. д. Расплавленный Висмут может служить теплоносителем в ядерных реакторах.

Быстро увеличивается потребление Висмута в соединениях с Те для термоэлектрогенераторов. Эти соединения из-за благоприятного сочетания величин теплопроводности, электропроводности и термоэлектродвижущей силы позволяют преобразовывать тепловую энергию в электрическую с большим кпд (

7%). Добавка Висмута к нержавеющим сталям улучшает их обрабатываемость резанием.

Соединения Висмут применяются в стекловарении (увеличивают коэффициент преломления) и керамике (дают легкоплавкие эмали). Растворимые соли Висмута ядовиты, по характеру воздействия аналогичны ртути.

Источник