ВИ́СМУТ
-
Рубрика: Химия
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ВИ́СМУТ (лат. Bismuthum), Bi, химич. элемент V группы короткой формы (15-й группы длинной формы) периодич. системы; ат. н. 83, ат. м. 208,98038. В природе один стабильный изотоп 209Bi и короткоживущие радиоактивные изотопы с массовыми числами 210–215 (члены природных радиоактивных рядов); искусственно получены радиоактивные изотопы с массовыми числами 185–216.
Историческая справка
Впервые В. описан в рукописях алхимиков 15 в., но долгое время считался разновидностью олова, свинца или сурьмы. В 16–17 вв. использовался как компонент сплавов, соли применялись в медицине и для изготовления косметич. средств. Химич. индивидуальность В. установлена в 1739 нем. химиком И. Поттом. Происхождение назв. «В.» не установлено.
Распространённость в природе
Содержание В. в земной коре 1,7·10–5% по массе. Осн. минералы: висмут самородный, висмутин, бисмит, бисмутит, тетрадимит, козалит (см. Висмутовые руды).
Свойства
Конфигурация внешней электронной оболочки атома В. 6s26p3; в соединениях проявляет степени окисления +3 (наиболее типична), +5, –3, очень редко +1 и +2. Электроотрицательность по Полингу 2,02; атомный радиус 182 пм, радиус иона $\ce{Bi^3+}$ 117 пм (координационное число 6). Энергия ионизации при последоват. переходе от $\ce{Bi0}$ к $\ce{Bi^5+}$: 703, 1610, 2466, 4372, 5400 кДж/моль.
В. – серебристо-серый металл с розоватым оттенком, хрупкий. Может существовать в нескольких кристаллич. модификациях, из которых при атмосферном давлении устойчива ромбоэдрическая. В. – один из самых легкоплавких металлов, $t$пл 271,4 °C, $t$кип 1564 °C; при 293 К плотность 9780 кг/м3, удельное электрич. сопротивление 130·10–8 Ом·м, теплопроводность 8,41 Вт/(м·К). В. диамагнитен, удельная магнитная восприимчивость –1,684·10–8 м3/кг.
При обычной темп-ре в сухом воздухе В. устойчив; выше 600 °C окисляется до оксида $\ce{Bi_2O_3}$. При нагревании реагирует с галогенами. При сплавлении с серой образует сульфид $\ce{Bi_2S_3}$, с селеном и теллуром – соответственно селениды и теллуриды. В. не реагирует с $\ce{H_2,\: C,\: N_2,\: Si}$. Жидкий В. незначительно растворяет фосфор. С большинством металлов при сплавлении образует интерметаллич. соединения – висмутиды, напр. $\ce{Na_3Bi,\: Mg_3Bi}$. Растворяется только в окисляющих кислотах, напр. в $\ce{HNO_3}$ с образованием $\ce{Bi(NO_3)_3}$, в царской водке с образованием $\ce{BiCl_3}$. С концентриров. $\ce{H_2SO_4}$ при нагревании образует гидросульфат $\ce{BiH(SO_4)_2}$. Соединения $\ce{Bi(V)}$ – сильные окислители.
Большинство соединений В. нетоксичны, поскольку при попадании в пищеварит. тракт подвергаются гидролизу с образованием малорастворимых продуктов, которые не всасываются через стенки желудочно-кишечного тракта. На этом основано применение лекарственных препаратов В., напр. основного нитрата В. – смесь $\ce{BiOOH, Bi(OH)2NO3 \:и \:BiONO3}$. Поскольку В. легко образует соединения с аминами, попадание растворимых соединений В. в организм приводит к угнетению ферментов амино- и карбоксипептидаз.
Получение
Обычно В. производят из свинцовых и др. полиметаллич. руд; содержание В. в рудах составляет десятые или сотые доли процента. При переработке руд В. попадает в свинцовые и медные концентраты, из которых получают осн. часть добываемого В. При получении В. как побочного продукта переработки свинцовых руд в расплав свинца вводят $\ce{Mg}$ и $\ce{Ca}$ (иногда $\ce{K}$), при этом В. переходит в поверхностные слои в виде висмутидов активных металлов. Висмутиды сплавляют с $\ce{NaOH}$; образующийся при этом сплав подвергают электролизу во фторосиликатной ванне с получением шламов, которые далее переплавляют на черновой В. Собственно висмутовые концентраты получают обогащением висмутовых руд флотацией и др. способами. Перерабатывают концентраты либо путём восстановительной плавки (содовой или щелочной), либо осадительной плавкой с добавлением металлич. железа.
Черновой В. очищают хлорированием, иодированием, зонной плавкой; В. технич. чистоты – растворяя металл в азотной кислоте и подвергая затем получившийся при этом нитрат В. гидролизу с образованием $\ce{BiO(NO_3)}$. На конечной стадии $\ce{Bi(III)}$ восстанавливают углеродом до металла.
Объём мирового производства около 3 тыс. т/год.
Применение
Вследствие расширения объёма при переходе В. из расплавленного состояния в твёрдое его сплавы с др. металлами используют при изготовлении литья сложного профиля. Легкоплавкие сплавы В. (напр., сплав Вуда с $t$пл 68 °C, сплав Розе с $t$пл 94 °C) применяют при изготовлении матриц и форм для литья пластмасс, легкоплавких пробок, предохранителей и пр. в противопожарной аппаратуре. В. – компонент припоев, баббитов и пр. Металлич. В. используется как полупроводниковый материал для термоэлектрич. генераторов, расплавленный В. – в качестве теплоносителя в ядерных реакторах. Сплавы В. с марганцем – для произ-ва мощных постоянных магнитов. В. входит в состав высокотемпературных сверхпроводников, например $\ce{Bi_2Sr_2CaCu_2O_{8+δ}}$ и $\ce{Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_{10+δ}}$. В. и его соединения применяют в производстве лекарственных и косметич. средств.