Висмут

Висмут

Висмут - это химический элемент с символом Bi и атомным номером 83. Он является постпереходным металлом и одним из пниктогенов с химическими свойствами, напоминающих его более легких соседей мышьяка и сурьмы из группы 15. Элементарный висмут может встречаться в природе, а его сульфидные и оксидные формы являются важными промышленными рудами.
Свободный элемент имеет плотность 86%, как у свинца. В свежем виде это хрупкий металл серебристо-белого цвета, но поверхностное окисление может придать ему радужный оттенок в многочисленных цветах. Висмут является самым естественным диамагнитным элементом и имеет одно из самых низких значений теплопроводности среди металлов.

Диамагнитные материалы отталкиваются от магнитного поля; приложенное магнитное поле создает в них индуцированное магнитное поле противоположного направления, вызывая силу отталкивания.
При нахождении диамагнитных материалов в магнитном поле орбитальное движение электронов изменяется таким образом, что на атомах/молекулах индуцируются магнитные дипольные моменты в направлении, противоположном внешнему магнитному полю. Диамагнетизм был впервые открыт Антоном Бругмансом в 1778 году, когда он заметил, что висмут отталкивается от магнитного поля.

В химии для определения того, является ли частица(атом, ион или молекула) парамагнитной или диамагнитной, используется простое эмпирическое правило: Если все электроны в частице спарены, то вещество, состоящее из этой частицы, диамагнитно; если же в ней есть неспаренные электроны, то вещество парамагнитно.

Висмут долгое время считался стабильным элементом с самой высокой атомной массой, но в 2003 году было обнаружено, что он чрезвычайно слабо радиоактивен: его единственный изначальный изотоп, висмут-209, распадается посредством альфа-распада с периодом полураспада, более чем в миллиард(!) раз превышающим предполагаемый возраст Вселенной. Из-за своего невероятно долгого периода полураспада висмут по-прежнему можно считать стабильным почти для всех целей.

Положение висмута в ПСЭ

Положение висмута в ПСЭ

Физические характеристики
Висмут - хрупкий металл с темным серебристо-розовым оттенком, часто с радужным оксидным потускнением, имеющим множество цветов от желтого до синего. Спиральная, ступенчатая структура кристаллов висмута является результатом более высокой скорости роста на внешних гранях, чем на внутренних. Изменения в толщине оксидного слоя, образующегося на поверхности кристалла, вызывают интерференцию различных длин волн света при отражении, что приводит к появлению радуги цветов. При горении в кислороде висмут горит синим пламенем, а его оксид образует желтые дымы. Его токсичность гораздо ниже, чем у его соседей по периодической таблице, таких как свинец, сурьма и полоний.
Ни один другой металл не является более естественным диамагнетиком, чем висмут.
Из всех металлов он имеет одно из самых низких значений теплопроводности(после марганца и, возможно, нептуния и плутония) и самый высокий коэффициент Холла. Он обладает высоким электрическим сопротивлением.

Эффект Холла - это возникновение разности напряжений(напряжения Холла) на электрическом проводнике, поперечной по отношению к электрическому току в проводнике и приложенному магнитному полю, перпендикулярному току. Он был открыт Эдвином Холлом в 1879 году.
Эффект Холла может также возникать через пустоту или отверстие в полупроводнике или металлической пластине, когда ток подается через контакты, расположенные на границе или краю пустоты или отверстия, а заряд течет вне пустоты или отверстия, в металле или полупроводнике.
Коэффициент Холла определяется как отношение индуцированного электрического поля к произведению плотности тока и приложенного магнитного поля. Он является характеристикой материала, из которого изготовлен проводник, поскольку его значение зависит от типа, количества и свойств носителей заряда, составляющих ток.

Хотя в природе висмут практически не встречается, высокочистый висмут может образовывать характерные разноцветные кристаллы-бункеры. Он относительно нетоксичен и имеет низкую температуру плавления - чуть выше 271 °C, поэтому кристаллы можно выращивать, используя бытовую печь, хотя получаемые кристаллы будут, как правило, более низкого качества, чем выращенные в лаборатории.

Изотопы
Единственный первозданный изотоп висмута, 209Bi, традиционно считался самым тяжелым стабильным изотопом, но долгое время предполагалось, что он нестабилен по теоретическим соображениям. Это было окончательно доказано в 2003 году, когда исследователи из Института космической астрофизики(Орсэ, Франция), измерили период полураспада альфа-излучения 209-го висмута Bi, равным 2,01×1019 лет(3 Бк/Мг), что более чем в миллиард раз превышает современный расчетный возраст Вселенной. Благодаря необычайно длительному периоду полураспада, для всех известных в настоящее время медицинских и промышленных применений висмут можно рассматривать как стабильный и нерадиоактивный.

В отличие от более легких пниктогенов - азота, фосфора и мышьяка, но подобно сурьме, висмут не образует стабильного гидрида. Гидрид висмута, висмутин(BiH3), является эндотермическим соединением, которое самопроизвольно разлагается при комнатной температуре. Он стабилен только при температуре ниже -60 °C.

Висмутиды - это интерметаллические соединения между висмутом и другими металлами. В 2014 году исследователи обнаружили, что висмутид натрия может существовать как форма материи под названием "трехмерный топологический полуметалл Дирака"(3DTDS), который обладает трехмерными фермионами Дирака в объеме. Он является естественным трехмерным аналогом графена с аналогичной подвижностью и скоростью электронов.
Графен и топологические изоляторы(такие как 3DTDS) - это кристаллические материалы, которые являются электрически изолированными внутри, но проводящими на поверхности, что позволяет им функционировать в качестве транзисторов и других электронных устройств.

Цена на чистый металлический висмут была относительно стабильной на протяжении большей части XX века, за исключением всплеска в 1970-х годах. Висмут всегда производился в основном как побочный продукт рафинирования свинца, и поэтому цена обычно отражала стоимость восстановления и баланс между производством и спросом.

До Второй мировой войны спрос на висмут был невелик и носил фармацевтический характер - соединения висмута использовались для лечения таких заболеваний, как расстройства пищеварения, заболевания, передающиеся половым путем, а также ожоги. Незначительное количество металлического висмута потреблялось в легкоплавких сплавах для спринклерных систем пожаротушения и плавкой проволоки. Во время Второй мировой войны висмут считался стратегическим материалом, использовался для изготовления припоев, легкоплавких сплавов, лекарств и атомных исследований.

История
Висмут известен человечеству давно, но его на протяжении долгого времени путали с сурьмой, свинцом и оловом. Парацельс, например, отмечал, что известны две разновидности антимония: одна обычно черная, с ее помощью очищается золото, и она очень похожа на свинец; другая же разновидность белая, которую называют также висмутом, она сходна с оловом, а при смешивании с другой разновидностью становится похожей на серебро. Такая путаница продолжалась долгое время. С химической точки зрения это объясняется просто. Сурьма и висмут – элементы - аналоги, обладающие вместе с тем и рядом сходных свойств со свинцом и оловом, элементами соседней группы.

Агрикола в отличие от Парацельса, дал довольно детальное описание висмута и способа его извлечения из руд, добываемых в Саксонии. Горняки считали, что висмут, как и олово, является разновидностью свинца и что висмут способен превращаться в серебро.

В Центральной России висмут известен с 15 века. С развитием книгопечатания висмут вместе с сурьмой стали применять для изготовления типографских шрифтов. Пожалуй, найдется мало элементов, которые встречались бы в литературе под столь большим количество названий, как висмут. В своей книге «История висмута с 1480 по 1800 г» фон Липиман указывает 21 название этого металла в Европе.
Достаточно полное представление о висмуте как о самостоятельном металле сложилось только в 18 веке.
Название "висмут"может происходить от немецких слов weiße Masse или Wismuth("белая масса"), переведенных в середине XVI века на новолатинский bisemutum или bisemutium.

Лекарственные препараты
Висмут является ингредиентом некоторых фармацевтических препаратов, хотя использование некоторых из них сокращается.

  • Субсалицилат висмута используется как противодиарейное средство; он является активным ингредиентом таких препаратов "розового висмута", как Пепто-Бисмол, а также препарата Каопектат.

Он также используется для лечения некоторых других желудочно-кишечных заболеваний, например, шигеллеза и отравления кадмием. Механизм действия этого вещества до сих пор недостаточно хорошо документирован, хотя олигодинамический эффект(токсическое воздействие малых доз ионов тяжелых металлов на микробы) может быть задействован в некоторых случаях. Салициловая кислота, образующаяся при гидролизе этого соединения, обладает противомикробным действием в отношении токсигенной кишечной палочки, важного возбудителя диареи путешественников.

  • Комбинация субсалицилата висмута и субцитрата висмута используется для лечения бактерий, вызывающих пептические язвы.
  • Биброкатол - органическое висмутсодержащее соединение, используемое для лечения глазных инфекций.
  • Субгаллат висмута, активный ингредиент препарата Devrom, используется в качестве внутреннего дезодоранта для лечения неприятного запаха от метеоризма и кала.
  • Соединения висмута(включая тартрат висмута натрия) ранее использовались для лечения сифилиса.

Косметика и пигменты
Оксихлорид висмута(BiOCl) иногда используется в косметике, как пигмент в краске для теней для век, спреях для волос и лаках для ногтей. Это соединение встречается в виде минерала висмоклита и в кристаллической форме содержит слои атомов, которые хроматически преломляют свет, в результате чего появляется радужный эффект, похожий на перламутр. Он использовался в качестве косметического средства в Древнем Египте и во многих местах с тех пор.
Висмутовый белый(также "испанский белый") может относиться либо к оксихлориду висмута, либо к оксинитрату висмута(BiONO3), когда используется в качестве белого пигмента. Ванадат висмута используется как светостабильный нереактивный пигмент для красок(особенно для красок художников), часто в качестве замены более токсичных желтых и оранжево-желтых пигментов сульфида кадмия.

Висмут используется в металлических сплавах с другими металлами, такими как железо. Эти сплавы используются в автоматических спринклерных системах для борьбы с пожарами. Он составляет большую часть(50%) металла Розе, легкоплавкого сплава, который также содержит 25-28% свинца и 22-25% олова.

Сплавы
Многие сплавы висмута имеют низкую температуру плавления и применяются в специальных областях, например, в припоях. Многие автоматические спринклеры, электрические предохранители и предохранительные устройства в системах обнаружения и подавления пожара имеют эвтектический сплав In-Cd-Pb-Sn-Bi, который плавится при 47 °С. Это удобная температура, поскольку она вряд ли будет превышена в обычных условиях жизни.
Низкоплавкие сплавы, такие как сплав Bi-Cd-Pb-Sn, который плавится при 70 °C, также используются в автомобильной и авиационной промышленности. Перед деформацией тонкостенной металлической детали ее заполняют расплавом или покрывают тонким слоем сплава, чтобы уменьшить вероятность разрушения. Затем сплав удаляют, погружая деталь в кипящую воду.

Токсикология
Висмутия - редкое дерматологическое заболевание, возникающее в результате длительного применения висмута. В научной литературе указывается, что некоторые соединения висмута менее токсичны для человека при приеме внутрь, чем другие тяжелые металлы(свинец, мышьяк, сурьма), предположительно из-за сравнительно низкой растворимости солей висмута.
Его биологический период полураспада для удержания во всем организме составляет 5 дней, но он может оставаться в почках в течение многих лет у людей, получающих лечение соединениями висмута.

Отравление висмутом может произойти и, по некоторым данным, было распространено в относительно недавние времена. Как и в случае со свинцом, отравление висмутом может привести к образованию черного налета на десне, известного как висмутовая линия. Отравление можно лечить димеркапролом, однако доказательства пользы неясны.

Воздействие висмута на окружающую среду не очень хорошо известно; возможно, он менее склонен к биоаккумуляции, чем некоторые другие тяжелые металлы, и это область активных исследований.
Грибок Marasmius oreades может использоваться для биологической ремедиации висмута в загрязненных почвах.


Последние записи блога:


Станьте первым!



pangenes.ru © 2022
Яндекс.Метрика