Войти
Висмут - это химический элемент с символом Biи атомным номером 83. Это пятивалентный постпереходный металл и один из пниктогенов с химическими свойствами, напоминающими его более легкие группы 15 братья и сестры мышьяк. и сурьма. Элементарный висмут может быть в природе, хотя его сульфид и оксид образуют важные промышленные руды. Свободный элемент на 86% плотнее, чем свинец. Это хрупкий металл серебристо-белого цвета в свежем виде, но поверхностное окисление может придать ему переливающийся оттенок цветов. Висмут является наиболее естественным диамагнитным. Устройство и имеет одно из самых низких значений теплопроводности среди металлов.
Висмут долгое время считался с которым стабильным, но в 2003 году было обнаружено, что он слабо радиоактивен : его единственный первичный изотоп, висмут-209, распадается в результате альфа-распада с периодом полураспада более чем в миллиард раз больше оценочного возраста вселенная. Из-за длительного периода полураспада висмут все еще может считаться стабильным почти для всех целей.
На соединения висмута приходится около половины производства висмута. Они используются в косметике, пигментах и некоторых фармацевтических препаратах, в частности, субсалицилат висмута, применяемый для лечения диареи. Необычная склонность висмута к расширению при затвердевании является причиной некоторых применений, например, при приливке печатного шрифта. Висмут имеет необычно низкую токсичность для тяжелого металла. В качестве альтернативы свинца, используемым в качестве альтернативы свинца, используются самые современные технологии.
Металлический висмут известен с древних времен, хотя его часто путали со свинцом и оловом, которые обладают некоторыми общими физическими свойствами. Этимология сомнительна, но, возможно, происходит от немецких слов weiße Masse или Wismuth («белая масса»), переведенных в середине шестнадцатого века на новый латинский bisemutum или bisemutium.
название висмут датируется примерно 1660-ми годами и имеет неясную этимологию. Это один из первых 10 металлов, которые были открыты. Висмут появляется в 1660-х годах из устаревшего немецкого Bismuth, Wismut, Wissmuth (начало 16 века); возможно связано с древневерхненемецким hwiz ("белый"). Новая латинская бисемуция (из-за Георгия Агриколы, который латинизировал многие немецкие горные и технические слова) происходит от немецкого Wismuth, возможно, от weiße Masse, «белая масса». Раньше элемент путали с оловом и свинцом из его сходства с элементами элементами. Никому не приписывают его открытие. Агрикола в De Natura Fossilium (ок. 1546 г.) утверждает, что висмут является Металлом в семействе металлов, включая олово и свинец. Это было основано на наблюдении за металлами и их физическими свойствами. Горняки в эпоху алхимии также дали висмуту название tectum argenti, или «производимое серебро», в смысле серебра, все еще находящегося в процессе формирования на Земле.
Начало с Иоганна Генриха Потта в 1738 году., Карл Вильгельм Шееле и Торберн Улоф Бергман, отчетливость свинца и висмута стала очевидной, и Клод Франсуа Жоффруа тотал в 1753 году, что этот металл отличается от свинца. и олово. Висмут был также известен инкам и использовался (наряду с обычной медью и оловом) в специальном бронзовом сплаве для ножей.
Слева: синтетический кристалл висмута, демонстрирующий ступенчатую кристаллическую структуру и цвет радужки, возникающие в результате интерференции света внутри оксидной пленки на его поверхности. Справа: куб из неокисленного металлического висмута размером 1 см 
Фазовая диаграмма висмута "давление-температура". T C относится к температуре сверхпроводящего перехода Висмут представляет собой хрупкий металл с белым, серебристо-розовым оттенком, часто с переливающимся оксидным налетом. много цветов от желтого до синего. Спиральная, ступенчатая структура кристаллов является результатом более высокой скорости роста по внешнему краям, чем по внутренним краям. Различия в толщине оксидного слоя, который формируется на поверхности кристалла, вызывает интерференцию света разных длин волн при отражении, таким образом отображаемая радугу цветов. Когда сжигает в кислороде, висмут горит синим пламенем, а его оксид образует желтые пары. Его токсичность намного ниже, чем у его соседей в периодической таблице, таких свинец, сурьма и полоний..
Никакой другой металл не является более естественным диамагнитным, чем висмут. (Супердиамагнетизм - другое физическое явление.) Из любого металла он имеет одно из самых низких значений теплопроводности (после марганца и, возможно, нептуний и плутоний ) и наивысший коэффициент Холла. Он имеет высокое удельное электрическое сопротивление . При осаждении достаточно тонкими слоями на подложку висмут является полупроводником, несмотря на то, что он является постпереходным металлом. Элементарный висмут плотнее в жидкой фазе, чем твердая, и он разделяет его с германием, кремнием, галлием и вода. Висмут расширяется на 3,32% при затвердевании; поэтому долгое время он был компонентом легкоплавких типизируемых сплавов, где он компенсировал сжатие других легирующих компонентов с почти изостатической висмут-свинцовой эвтектики сплавы.
Хотя висмут высокой чистоты практически не встречается в природе, он может образовывать характерные цветные кристаллы-бункеры. Он относительно нетоксичен и имеет низкую температуру плавления чуть выше 271 ° C, поэтому кристаллы можно выращивать на бытовой печи, хотя полученные кристаллы будут иметь тенденцию быть более низкого качества, чем кристаллы, выращенные в лаборатории.
При температуре окружающей среды. Висмут имеет ту же слоистую структуру, что и металлические формы мышьяка и сурьмы, кристаллизующиеся в ромбоэдрической решетке (символ Пирсона hR6, пространственная группа R3m № 166), которую часто классифицируют на тригональные или гексагональные кристаллические системы. При сжатии при комнатной температуре эта структура Bi-I сначала изменяется на моноклинную Bi-II при 2,55 ГПа, затем на тетрагональную Bi-III при 2,7 ГПа и, наконец, на объемно-центрированный кубический Би-В при 7,7 ГПа. Соответствующие переходы можно регулировать по изменению электропроводности; они довольноимы и резкие, и поэтому используются для калибровки оборудования высокого давления.
Висмут устойчивый как к сухому, так и к влажному воздуху при обычных температурах. Раскаленный докрасна, он реагирует с водой с образованием оксида висмута (III).
Он реагирует с фтор для получения фторида висмута (V) при 500 ° C или фторида висмута (III) при более низких температурах (обычно из расплавов Bi); с другими галогенами он дает только галогениды висмута (III). Тригалогениды коррозионными и легко реагируют на влагу, образуя оксигалогениды с формулой BiOX.
Висмут растворяется в концентрированном серной кислоте для получения сульфата висмута (III) и диоксида серы.
Он реагирует с азотной кислотой с образованием нитрата висмута (III).
Он также растворяется в соляной кислоте, но только в составе кислорода.
Используется в качестве трансметаллирующего агента в синтезе комплексов щелочно-земельных металлов:
Единственный первичный изотоп висмута, висмут-209, традиционно считался самым тяжелым стабильным изотопом, но он ad уже давно подозревается в не теоретических оснований. Это было окончательно в 2003 году, когда исследователи из Institut d'Astrophysique Spatiale в Орсе, Франция, измерили альфа-излучение период полураспада . Bi. быть 2, 01 × 10 лет (3 Bq /M g ), что более чем в миллиард раз больше, чем текущий предполагаемый возраст вселенной. Благодаря этому длительному периоду полураспада для всех известных в настоящее время медицинских и промышленных применений висмут можно рассматривать как стабильный и нерадиоактивный. Радиоактивность представляет академический интерес, потому что висмут - один из немногих элементов, радиоактивность которого предполагалась и теоретически предсказывалась до обнаружения в лаборатории. Висмут имеет самый продолжительный из периодов известных полураспада при альфа-распаде, хотя теллур-128 имеет период полураспада двойного бета-распада более 2,2 × 10 лет. Чрезвычайно длительный период полураспада висмута означает, что с тех пор менее одной миллиардной части висмута, присутствующего при образовании планеты Земля, распалось бы на таллий.
Некоторые изотопы висмута с короткими периодами полураспада встречаются в цепочках радиоактивного распада актиния, радия, тория и другие синтезированы экспериментально. Висмут-213 также находится в цепочке распада нептуния-237 и урана-233.
В промышленных масштабах радиоактивный изотоп висмута-213 может быть получен путем бомбардировки радия с фотонами тормозного излучения от линейного ускорителя частиц. В 1997 году конъюгат антитела с висмутом-213, который имеет период полураспада, за 45 минут и распадается с испусканием альфа-частиц, был использован для лечения пациентов с лейкемией. Этот изотоп также был опробован при лечении рака, например, в программе целевой альфа-терапии (ТАТ).
Висмут образует трехвалентные и пятивалентные соединения, более распространены трехвалентные. Многие из его химических свойств аналогичны свойствам мышьяка и сурьмы, хотя они менее токсичны, чем производные этих более легких элементов.
При повышенных температурах пары металла быстро соединяются с кислородом, образуя желтый триоксид, Bi. 2O. 3. В расплавленном состоянии при температуре выше 710 ° C этот оксид разъедает любой оксид металла и даже платину. При реакции с основанием он образует две серии оксианионов : BiO. 2, который является полимерным и образует линейные цепи, и BiO. 3. Анион в Li. 3BiO. 3на самом деле является кубическим октамерным анионом, Bi. 8O. 24, тогда как анион в Na. 3BiO. 3является тетрамерным.
Темно-красный висмут (V) оксид Bi. 2O. 5является нестабильным, выделяя газ O. 2 при нагревании. Соединение NaBiO 3 является сильным окислителем.
Сульфид висмута Bi. 2S. 3 встречается в природе в висмутовых рудах. Его также используют комбинации расплавленного висмута и серы.
Структура оксихлорида висмута (BiOCl) (минерал висмоклит ). Атомы висмута показаны серым, красным, хлорным зеленым. оксихлорид висмута (BiOCl, см. Рисунок справа) и оксинитрат висмута (BiONO 3) стехиометрически выглядят как простые анионные соли катиона висмутила (III) (BiO), которые обычно встречаются в водных функцияхх висмута. Однако в случае BiOCl кристалл соли образует преобразование из чередующихся пластин атомов Bi, O и Cl, где каждый кислород координируется с четырьмя атомами висмута в соседней плоскости. Это минеральное соединение используется в качестве пигмента и косметического средства (см. Ниже).
В отличие от более легких пниктогенов азот, фосфора и мышьяка, но аналогны сурьма, висмут не образует стабильный гидрид. Гидрид висмута, висмутин (BiH. 3), представляет собой эндотермическое соединение, которое самопроизвольно разлагается при комнатной температуре. Он стабилен только при температуре ниже -60 ° C. Висмутиды представляют собой интерметаллические соединения между висмутом и другими металлами.
В 2014 году исследователи обнаружили, что висмутид натрия может существовать в виде материи, называемой «трехмерным топологическим полуметаллом Дирака» (3DTDS), которая содержит трехмерные фермионы Дирака в массе. Это естественный трехмерный аналог графена с аналогичной подвижностью и скоростью электронов. Графен и топологические изоляторы (такие как в 3DTDS) представляют собой кристаллические материалы, которые электрически изолируют внутри, но проводят на поверхности, что позволяет им функционировать как транзисторы и другие электронные устройства. Хотя висмутид натрия (Na. 3Bi) слишком нестабилен для использования в устройствах без упаковки, он может продемонстрировать потенциальное применение систем 3DTDS, которые предлагают явные преимущества в эффективности и изготовлении по сравнению с планарным графеном в полупроводниках и спинтроника применения.
Было показано, что галогениды висмута в низких степенях окисления принимают необычные структуры. То, что первоначально считалось хлоридом висмута (I), BiCl, оказалось сложным соединением, состоящим из катионов Bi. 9и анионов BiCl. 5и Bi. 2Cl. 8. Катион Bi. 9имеет искаженную трехшпиндельную тригонально-призматическую геометрию молекулы, а также присутствует в Bi. 10Hf. 3Cl. 18, который получают восстановлением смеси хлорида гафния (IV) и хлорид висмута с элементарным висмутом, имеющий структуру [Bi. ] [Bi. 9] [HfCl. 6]. 3. Также известны другие многоатомные катионы висмута, такие как Bi. 8, обнаруженные в Bi. 8(AlCl. 4). 2. Висмут также образует низковалентный бромид с той же структурой, что и BiCl. Существует настоящий моноиодид, BiI, который содержит цепи звеньев Bi. 4I. 4. BiI разлагается при нагревании на трииодид BiI. 3 и элементарный висмут. Также монобромид такой же структуры существует. В степени окисления +3 висмут образует тригалогениды со всеми галогенами: BiF. 3, BiCl. 3, BiBr. 3 и BiI. 3. Все они, кроме BiF. 3, гидролизуются водой.
Хлоридмута (III) реагирует с хлористым водородом в растворе эфира с образованием кислоты HBiCl. 4.
Степень окисления +5 встречается реже. Соединение представляет собой BiF. 5, мощный окислитель и фторирующий агент. Он также является сильным окислителем и фторирующим агентом, реагируя с тетрафторидом ксенона с образованием катиона XeF. 3:
I n водном растворе ион Би. со льватируется с образованием акваиона Bi (H. 2O). 8в сильнокислых условиях. При pH>0 существуют полиядерные частицы, наиболее важные из которых считаются октаэдрический комплекс [Bi. 6O. 4(OH). 4]..
Висмит минерал 
Кусок битого слитка висмута В земной коре висмута примерно вдвое больше, чем золота. Наиболее важными рудами висмута являются висмутин и висмит. Самородный висмут известен из Австралии, Боливии и Китая.
| Страна | Источники добычи | Источники переработки |
|---|---|---|
| Китай | 7,400 | 11,000 |
| Вьетнам | 2,000 | 5,000 |
| Мексика | 700 | 539 |
| Япония | 428 | |
| Другое | 100 | 33 |
| Итого | 10,200 | 17,100 |
Разница между добычей полезных ископаемых и переработкой Производство соответствующего статуса висмута как побочного продукта при извлечении других металлов, таких как свинец, медь, олово, молибден и вольфрам. Мировое производство висмута на нефтеперерабатывающих заводах является более полной и надежной статистикой.
Висмут проходит в слитках сырого свинца (который может содержать до 10% висмута) через несколько стадий очистки, пока не будет удален Процесс Кролла-Беттертона, который отделяет примеси до шлака, или электролитический процесс Беттса. Висмут будет вести себя аналогичным образом с другими из своих основных металлов, медью. Неочищенный металлический висмут, полученный в результате обоих процессов, все еще содержит большое количество других металлов, в первую очередь свинца. В результате реакции расплавленной смеси с газообразным хлором металлы превращаются в их хлориды, в то время как висмут остается неизменным. Примеси также могут быть удалены другими методами, например, с помощью флюсов и получения металлического висмута высокой чистоты (99% Bi).
Мировая добыча и среднегодовые цены висмута (Нью-Йорк, без поправки на инфляцию). Цена на чистый металлический висмут была относительно стабильной на протяжении большей части 20-го века, за исключением для всплеска в 1970-х. Висмут всегда производился в основном как побочный продукт переработки свинца, и поэтому цена обычно отражала затраты на извлечение и баланс между производством и спросом.
Спрос на висмуте применяется для лечения таких состояний, как расстройства пищеварения, заболевания, передаваемые половым путем, и ожоги. Незначительные количества металлического висмута были израсходованы в легкоплавких сплавах для систем пожаротушения и плавкой проволоки. Во время Второй мировой войны висмутался стратегическим опытом, используемым для припоев, легкоплавких сплавов, лекарств и атомных исследований. Чтобы стабилизировать рынок, производители установили цену на уровне 1,25 доллара за фунт (2,75 доллара за кг) во время войны и 2,25 доллара за фунт (4,96 доллара за кг) с 1950 по 1964 год.
В начале 1970-х гг. цена быстро росла в результате увеличения спроса на вис в качестве металлургической добавки к алюминию, чугуну и стали. Для этого последовал спад из-за роста мирового производства, стабилизации потребления и рецессий 1980 и 1981–1982 годов. В 1984 году цена начала роста по мере роста во всем мире, особенно в Штатах и Японии. В начале 1990-х годов начались исследования по оценке висмута в качестве нетоксичной замены свинца в керамической глазури, рыболовных грузилах, пищевом оборудовании, свободной механической обработке латуни для сантехнических приложений, смазочных смазочных материалов и дроби. охота на водоплавающих птиц. Рост в этих областях оставался медленным в середине 1990-х, несмотря на поддержку замены свинца со стороны правительства США, но усилился примерно в 2005 году. Это привело к быстрому и постоянному росту цен.
Большая часть висмута производится как побочный продукт других процессов извлечения металлов, включая плавку свинца, а также вольфрама и меди. Его устойчивость зависит от увеличения объема вторичной переработки, что проблематично.
Когда-то считалось, что висмут практически переработать из паяных соединений в электронном оборудовании. Недавние достижения в области применения припоя в электронике означают, что припой наносится значительно меньше, а значит, меньше подлежит переработке. В то время как извлечение серебра из серебряного припоя может оставаться экономичным.
Следующим по возможности рециркуляции будут катализаторы большого размера с приемлемым содержанием висмута, такие как фосфомолибдат висмута. Висмут, использование при гальванике и в качестве металлургической добавки при свободной механической обработке.
Висмут в областях, где он наиболее широко диспергирован, включает некоторые лекарства для желудка (субсалицилат висмута ), краски (висмут ванадат ), перламутровая косметика (оксихлорид висмута ) и пули, содержащие висмут. Повторное использование висмута из этих источников нецелесообразно.
Гравировка XVIII века обработки висмута. В то время висмут использовался для лечения некоторых заболеваний желудочно-кишечного тракта. Висмут имеет мало применений, а для тех применений, которые используют, обычно требуются небольшие количества по сравнению с другими сырьем. В других Штатах, например, в 2016 году было потреблено 733 тонны висмута, из которых 70% пошло на химические продукты (включая фармацевтические препараты, пигменты и косметику) и 11% - на сплавы висмута.
Некоторые производители используют висмут. в качестве замены для систем питьевого водоснабжения, такого как клапаны, для соответствия требованиям США по «питьевому водоснабжению» (началось в 2014 г.). Это довольно крупное приложение, поскольку оно охватывает все строительство жилых и коммерческих зданий.
В начале 1990-х исследователи начали оценивать висмут как нетоксичную замену свинцу в различных применений.
Висмут входит в состав некоторых фармацевтических препаратов, хотя использование некоторых из этих веществ сокращается.
Хлорид висмута e (BiOCl) иногда используется в косметике в качестве пигмента в красках для теней для век, лаков для волос и Это соединение встречается в виде минерала бисмоклита и кристаллической формы содержит слои слоев (см. рисунок выше), которые приводят к отображению переливающегося вида, подобного перламутру <174 Он использовался в качестве косметического средства в Древнем Египте и с тех пор во многих местах. Белый висмут (также «испанский белый») может относиться либо к оксихлориду висмута, либо к оксинитрату висмута (BiONO 3) при использовании в качестве белого пигмента. Ванадат висмута используется как светостойкий инертный пигмент (особенно для художественных красок), ч асто как замена более токсичных желтых и оранжево-желтых пигментов сульфида кадмия. Самая распространенная разновидность красок художников - лимонно-желтый, визуально неотличимый от своей кадмийсодержащей альтернативы.
Висмут используется в металлических сплавах с другими металлами, такими как железо. Эти сплавы используются в автоматических спринклерных системах пожаротушения. Он составляет большую часть (50%) металла Роуза, легкоплавкого сплава, который также содержит 25–28% свинца и 22–25% олова. Из него также делали висмутовую бронзу, которую использовали в бронзовом веке.
Разница в плотности между свинцом (11,32 г / см) и висмутом (9,78 г / см) достаточно мала, чтобы для многих приложений баллистики и взвешивания висмут может заменить свинец. Например, он может заменить свинец как плотный материал в рыболовных грузилах. Он использовался как в качестве замены свинца в дроби, пулях и несмертельных боеприпасах для огнестрельного оружия. Нидерланды, Дания, Англия, США и многие другие страны в настоящее время запрещают использование свинцовой дроби для охоты на птиц водно-болотных угодий, поскольку многие птицы склонны к отравлению свинцом из-за ошибочного проглатывания свинец (вместо мелких камней и песка), чтобы помочь пищеварению, или даже запретить использование свинца при любой охоте, например, в Нидерландах. Дробь из сплава висмута и олова является альтернативной, которая обеспечивает баллистические характеристики, аналогичные свинцу. (Еще одна менее дорогая, но не менее эффективная альтернатива - «стальная» дробь, которая на самом деле представляет собой мягкое железо.) Однако отсутствие умута пластичности делает его непригодным для использования в расширяющихся охотничьих пулях.
Висмут, как плотный элемент с высоким атомным весом, используется в пропитанном висмутом для защиты от рентгеновских лучей при медицинских обследованиях, таких как КТ, в основном потому, что он считается нетоксичным.
Директива Европейского Союза по ограничению использования вредных веществ (RoHS) для уменьшения содержания свинца, расширителя использование висмута в электронике в качестве компонента припоев с низкой температурой плавления, в качестве замены оловянно- свинцовых припоев. Его также можно использовать в других приложениях, в автомобильной промышленности, например в Европейском Союзе.
Висмут был оценен как заменитель свинца при свободной обработке латуни для сантехники, хотя он не соответствует характеристикам свинцовых сталей.
Многие висмутовые сплавы имеют низкие точки плавления и используются в специальных применениях, таких как припои. Многие автоматические спринклеры, электрические предохранители и предохранительные устройства в системах обнаружения и тушения пожара содержат эвтектический сплав In19.1-Cd5.3-Pb22.6-Sn8.3-Bi44.7, плавящийся при 47 ° C (117 ° F). Это удобная температура, поскольку в нормальных условиях жизни она вряд ли будет превышена. Легкоплавкие сплавы, такие как сплав Bi-Cd-Pb-Sn, плавящийся при 70 ° C, также используются в автомобильной и авиационной промышленности. Перед деформацией тонкостенной металлической детали ее заливают расплавом или покрывают тонким слоем сплава, чтобы уменьшить вероятность разрушения. Затем сплав удаляется путем погружения детали в кипящую воду.
Висмут используется для изготовления легкообрабатываемых сталей и алюминиевых сплавов для получения прецизионных свойств механической обработки. Он действует аналогично свинцу и улучшает стружкодробление во время обработки. Усадка при затвердевании свинца и расширение висмута компенсируют друг друга, поэтому свинец и висмут часто используются в одинаковых количествах. Точно так же сплавы, содержащие сопоставимые части висмута и свинца, демонстрируют очень небольшое изменение (порядка 0,01%) при плавлении, затвердевании или старении. Такие сплавы используются для высокоточного литья, например в стоматологии для создания моделей и слепков. Висмут также используется в качестве легирующего агента при производстве ковкого чугуна и в качестве материала термопары.
Висмут также используется в алюминиево-кремниевых литых сплавах для уточнения морфологии кремния. Однако это указывает на отравляющее действие на модификацию стронция (Sr). Некоторые сплавы висмута, такие как Bi35-Pb37-Sn25, сочетаются с антипригарными материалами, такими как слюда, стекло и эмали, потому что они легко смачивают их, позволяя создавать соединения с другими деталями. Добавление висмута к цезию увеличения квантовый выход цезиевых катодов. Спекание порошков висмута и марганца при 300 ° C дает постоянный магнит и магнитострикционный материал, который используется в ультразвуковых генераторах и приемники, работающие в диапазоне 10–100 кГц, и в устройствах магнитной памяти.
ванадат висмута, желтый пигмент 
Категория: Висмут.