Висмут свойства и применение. Висмут — металл с широким спектром применения

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

самородный висмут

Висмут (Bi) — не только изоморфная примесь в различных самородных металлах и минералах, но и самостоятельный минерал. Этот химический элемент получил свое название в 16 веке.

Элементарный висмут, образованный в природных процессах, называют самородным .

На чистом срезе этот самородный металл имеет серую, светло-серую, слегка розоватую или красноватую окраску. Рудокопы Средневековья принимали висмут за разновидности других металлов — свинца, олова, сурьмы и серебра. Считалось, что самородный висмут почти на 50% состоит из серебра. В действительности этот минерал содержит серебро в гораздо меньшем количестве.

Самородный висмут при воздействии воды покрывается красивой радужной пленкой побежалости — это из-за соединения с кислородом образуется оксид висмута .

Эта пленка окислов наблюдается как на природных, так и на искусственно выращенных кристаллах. Искусственно выращенные кристаллы висмута имеют строгие геометрические формы и просто нереально, фантастически красивы. Их строение напоминает технические детали и схемы современной компьютерной техники, с трудом верится, что эти формы образовались из-за внутреннего строения атомов висмута.

Нереальная геометрия искусственно выращенных кристаллов висмута

Самородный висмут содержит до 99 процентов этого химического элемента. Существует также несколько минералов, содержащих его в химической формуле. Это в основном сульфиды, составляющие полиметаллические руды .

Самородный висмут имеет тригональную сингонию . Кристаллы обычно очень мелкие, они слагают массивные, скрытокристаллические агрегаты. Четко ограненные кристаллы встречаются не так часто и представлены кубическими формами, дендритовидными формами, своеобразными решетками и сетками.

искусственно выращенный висмут из Германии

Кристаллы и агрегаты самородного висмута имеют ярко выраженный металлический блеск и черную пылевидную черту. Твердость этого минерала невелика и составляет 2 единицы по десятибальной шкале Мооса. Поэтому самородный висмут даже можно разрезать стальным ножом, твердость которого равна 6 — 6.5. К тому же этот минерал очень пластичный, ковкий и тягучий.

Как и все самородные металлы, висмут тяжел. Его плотность составляет 9.7 — 9.8 грамм на кубический сантиметр.

В самородном висмуте есть примеси других элементов, это, прежде всего, железо, сера, сурьма. В небольших количествах присутствуют теллур и астат.

Месторождения полиметаллических руд, в которых добывается самородный висмут, встречаются на всех континентах мира. В настоящее время наиболее крупные месторождения, в которых ведется этого минерала, находятся в Германии (Рудные горы), а также в Австралии и Боливии.

В косметологии используют оксид и хлорид висмута. Именно они обеспечивают текучесть и блеск лакам и помадам.

Если химическим путем получить соединение висмута и ванадия, то получится ярко-желтый, красящий пигмент. Эта краска абсолютно безвредна для человека.

В магазинах охоты и рыбалки сейчас можно встретить грузила не только из свинца, но и из висмута. По виду они отличаются, свинец имеет синеватый отттенок.

В медицине трехокись висмута используется как антисептик и заживляющий препарат. Это соединение также входит в состав лекарств для лечения воспалительных заболеваний желудка и кишечника. Некоторые соединения висмута применяются для лечения язвы желудка. Недавно появились новые противоопухолевые лекарства, в состав которых входит этот химический элемент.

И, конечно, образцы самородного и искусственно выращенного висмута украсят любую коллекцию минералов.

Искусственно выращенные кристаллы висмута

Происхождение названия

Происхождение названия минерала спорное. Может быть, от арабского «би исмид» - «обладатель свойств сурьмы» (Вернадский).

Английское название минерала Висмут - Bismuth

Химический состав

Обычно в самородном висмуте при­сутствуют лишь следы железа, серы, мышьяка и сурьмы.

Кристаллографическая характеристика

Сингония висмута самородного - Тригональная.

Класс. Дитригонально-скаленоэдрический

Кристаллическая структура

Структура типа мышьяка, расстояния Bi - Bi 3,10 и 3,47 А.

Форма нахождения в природе

Облик кристаллов . Кристаллы минерала висмут очень редки; ромбоэдрические, псевдокубические. Кубические. Дендриты (скелетные кристаллы).

Двойники по (1012), часто полисинтетические; могут возникать при воздействии давления.

Агрегаты. В виде отдельных зерен, иногда в крупных выделениях (листоватых, зернистых), перистых дендритах. В кристаллах крайне редок.
В некоторых месторождениях вес сплошных выделений самородного висмута достигает 22 кг.

Физические свойства

Оптические

• Цвет. Красноватый, серебряно-белый, обычно с пест­рой, зеленой или красной побежалостью. В свежем изломе серебристо-белый с желтоватым оттенком, с течением времени появляется красноватая побежалость.
• Черта светло-серая, серебряно-белая, блестящая.
• Блеск металлический.
• Отлив - побежалость
• Прозрачность. Непрозрачен.

Механические

• Твердость 2-2,5; легко режется.
• Хрупок, но при осторожной обработке молотком иногда расплющивается. На плоскостях (0001) дает фигуры удара с расположением лучей под углом 60°
• Плотность 9,78-9,83.
• Спайность по (0001) совершенная, по (2021) хорошая; отдельность по (1012).
• Излом. зернистый.

Химические свойства

Легко растворяется в HNO 3 после разбавления выпадает белый осадок; в HCl растворяется труднее. Травится HNO 3 (медленно вскипает и буреет), HCl (медленно буреет), FeCl 3 (буреет, иризирует, выявляется структура), HgCl 2 (буреет).

Прочие свойства

Диамагнитен. Плавится при 271,3°. Минерал шершавый на ощупь.

Искусственное получение минерала

Получается путем электролиза из растворов (обычно несовершенные кристаллы) и из расплавов (наилучшие кристаллы).

Диагностические признаки

Сходные минералы. Никелин.

Узнается по слабому желтовато-красноватому оттенку побежалости, сильному металлическому блеску, совершенной спайности, низкой твердости и относительно высокой плотности.
В полированных шлифах в отраженном свете похож на самородное серебро , сурьму, медь , золото , дискразит , альгодонит, мелонит. От указанных минералов отличается меньшей твердостью. Медь, в отличие от самородного висмута, обладает характерным ярким розовым цветом. Решающими признаками, отличающими самородный висмут от серебра, золота и др., являются: принадлежность к 1-й группе по относительному рельефу в шлифе, отчетливая анизотропность, спайность, двойниковое строение, быстрое потемнение на воздухе (отсутствие пестрой побежалости, характерной для серебра).

Сопутствующие минералы. Висмутовый блеск, арсенопирит , вольфрамит , топаз и др.

Происхождение и нахождение

Относительно редкий минерал. Обычно наблюдается в небольших количествах. Отлагается из гидротермальных растворов; встречается в пегматитах, скарновых месторождениях, гидротермальных жилах, иногда в россыпях.

Изменение минерала

Продукты окисления - бисмит и бисмутит, реже - бисмоклит.

Месторождения

В пегматитах очень редко образует крупные скопления, ассоциируется с кварцем , полевыми шпатами , турмалином , бериллом , флюоритом , топазом, мусковитом , лепидолитом и другими минералами пегматитовых жил (Изумрудные копи в Свердловской обл., северная часть Карелии, Шерлова гора и Адун-Чилон в Читинской обл.; Южная Африка; Мадагаскар; Квинсленд в Австралии и др).
Наблюдается в вольфрамовых, молибденовых, олово-мышьяковых и свинцово-цинковых рудах, приуроченных к скарнам (Лянгарское шеелито-молибденовое месторождение в Узбекистане и месторождения Зеравшано-Гиссарской горной области в Таджикистана).
В высокотемпературных оловорудных, вольфрамовых и молибденовых жильных месторождениях самородный висмут наблюдается вместе с касситеритом , вольфрамитом, молибденитом , висмутином , халькопиритом и другими минералами (Акчатау, Кара-Оба и Акмая в Казахстане; Шерлова гора, Белуха, Харанор, Сохондо, Онон в Читинской обл.; вольфрамо-молибденовые месторождения Хингано-Буреинского р-на Амурской обл.; оловорудные месторождения Калбинского хребта в Казахстане; Корнуэлл в Англии; Альтенберг в Германии и др.).
В среднетемпературных месторождениях самородный висмут наблюдается вместе с мышьяково-кобальтовыми и никелевыми, а также с серебряными и урановыми минералами (Яхимов в Чехии; Шнееберг, Аннаберг, Иоганнгеоргенштадт в Германии; Большое Медвежье озеро и Кобальт в Канаде; Акбулак в Казахстане; ряд месторождений в США, Боливии и других странах).
Изредка самородный висмут обнаруживается в зоне окисления сульфидных месторождений, возможно, как новообразование.
В некоторых россыпях встречаются гальки самородного висмута, нередко с корками гипергенных продуктов его изменения (в России - в Западной Сибири, Забайкалье, а также в Боливии, Тасмании и др.). Наиболее крупные самородки (до 22 кг) обнаружены в россыпях Тасмании.

Многочисленные рудные жилы запад­ных Рудных гор: Шнеберг, Аннаберг, Яхимов и др.; в существенных количествах вместе с висмутином встре­чается в Боливии, Австралии и в других местах.

Практическое применение

Промышленные скопления образует очень редко, обычно добывается попутно с другими висмутовыми минералами. Важная руда висмута.

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 - Bi 2 S 3 , бисмит - Bi 2 O 3 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: Bi 2 S 3 + 3Fe = 2Bi + 3FeS,
или последовательным проведением процессов:
2Bi 2 S 3 + 9O 2 = 2Bi 2 O 3 + 6SO 2 ; Bi 2 O 3 + 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 Bi 2 O 3 . При сплавлении висмута с серой образуется Bi 2 S 3 . Взаимодействует с галогенами (наиболее изучены тригалогениды): 2Bi + 3Hal 2 = 2BiHal 3
Не реагирует с Н 2 , С, N 2 , Si..
При взаимодействии висмута с металлами образуются висмутиды, например, висмутид натрия Na 3 Bi, висмутид магния Mg 3 Bi и др. При действии кислот на такие сплавы висмута образуется висмутин BiH 3 (газ, неуст.).
Со щелочами и разбавленными кислотами висмут не реагирует, с концентрированными образует соли:
Bi + HNO 3 (конц.) => Bi(NO 3) 3 + NO 2 + ...

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 = 2BiCl 3 + Bi +3H 2 O.
Оксид висмута(III), Bi 2 O 3 : 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) 2 NO 3) или оксосолей (солей висмутила, напр. BiOCl).
Иодид висмута(III), BiI 3 : темно-коричневые кристаллы, нерастворим в воде, но растворяется в спиртах, в ацетоне. Взаимодействует с растворами йодидов, образуя водорастворимые комплексы: BiI 3 + KI = K.
Сульфид висмута(III), Bi 2 S 3 : 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), Bi 2 O 5 : 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 Bi 2 O 3 в растворе КОН.
Соединения висмута(V) проявляют сильные окислительные свойства: H 3 BiO 4 + 5НСl = BiCl 3 + Cl 2 + 4H 2 O
Висмутаты - соли висмутовых кислот, например мета- (NaBiO 3) или орто- (Na 3 BiO 4) висмутат натрия, желтый порошок, нерастворимый в воде, сильный окислитель:
2Mn(NO 3) 2 + 5NaBiO 3 + 14HNO 3 => 2NaMnO 4 + 5Bi(NO 3) 3 + 3NaNO 3 + 7H 2 O

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 Bi 2 O 3 , 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.

Источники: Википедия: http://ru.wikipedia.org/wiki/Висмут и др.,
Сайт кафедры общей и неорганической химии РХТУ им. Д.И. Менделеева. Таблица Д.И. Менделеева: Висмут

Д. И. Менделеева устанавливает законы зависимости химических свойств элементов от их места нахождения. Однако некоторые элементы могут вести себя в физических и химических процессах иначе, чем от них ожидается. Ярким примером является висмут. Рассмотрим подробнее этот металл, сделав упор на вопрос температуры плавления висмута.

Взглянув на периодическую таблицу, можно увидеть, что висмут обозначается символом Bi, имеет 83 номер и атомную массу 208,98 а.е.м. В земной коре он находится в небольших количествах (8,5*10 -7 %) и является таким же редким, как серебро.

Если говорить о химических свойствах элемента, то следует отметить его инертность и трудность участия в реакциях. Последний факт приближает его к группе благородных металлов. Внешне висмут представляет сбой серый кристалл с розоватым оттенком. Наибольшее количество этого элемента встречается в месторождениях на территории Южной Америки и США.

Элемент, известный с древности

Прежде чем рассмотреть вопрос физических свойств висмута и температуры плавления, необходимо отметить, что открытие этого элемента не принадлежит никому. Висмут входит в число 10 металлов, которые известны человеку с древних времен, в частности по некоторым свидетельствам его соединения использовались в Древнем Египте в качестве косметических средств.

Происхождение слова "висмут" точно не известно. Существующие мнения большинства специалистов склоняются к тому, что он происходит от древнегерманских слов Bismuth или Wismut, что означает "белая масса".

Поскольку температуры плавления висмута и свинца очень близки между собой (271,4 °C и 327,5 °C соответственно), а также близки плотности этих металлов (9,78 г/см 3 и 11,32 г/см 3 соответственно), то висмут постоянно путали со свинцом, а также с оловом, плавление которого происходит при температуре 231,9 °C. Только в середине XVIII века европейские ученые-химики продемонстрировали, что висмут является самостоятельным металлом.

Любопытные физические свойства

Висмут является нетипичным металлом. Помимо его химической инертности и устойчивости к окислению кислородом, он является диамагнетиком, плохо проводит тепло и электрический ток.

Еще более любопытным является его переход из твердого состояния в жидкое. Как было отмечено, температура плавления висмута ниже таковой для свинца и составляет всего 271,4 °C. Во время же плавления объем металла уменьшается, то есть твердые куски металла не тонут в его расплаве, а плавают на поверхности. В этом свойстве он похож на такие полупроводники, как галлий и кремний, а также на воду.

Не менее удивительным является устойчивость висмута к радиоактивному распаду. Доказано, что любой элемент таблицы Д. И. Менделеева, который стоит правее ниобия (то есть имеет порядковый номер больше, чем 41), потенциально является нестабильным. Висмут располагается под номером 83 и является самым стабильным тяжелым элементом, период его полураспада оценивается в 2*10 19 лет. Благодаря большой плотности и высокой стабильности он мог бы заменить свинцовую защиту в атомной энергетике, однако редкость висмута в природе не позволяет этого сделать.

Использование элемента в человеческой деятельности

Поскольку висмут стабилен, химически инертен и нетоксичен, то он используется для производства некоторых медицинских препаратов и косметики.

Подобие физических свойств элемента характеристикам свинца и олова позволяет его использовать в качестве их заменителя, поскольку последние два металла являются токсичными. Так, Дания, Нидерланды, США и многие другие страны ввели запрет на использование свинца в качестве наполнителя в охотничьей дроби, поскольку птицы, путая его с маленькими камушками, проглатывают свинец и испытывают последующее отравление. Также развиваются технологии производства висмутовых грузил для рыбалки в место свинцовых.

Поскольку температуры плавления олова и висмута близки (разница составляет всего 40 °C), то часто висмутовые сплавы с низкой температурой плавления используют в качестве замены токсичных свинцово-оловянных припоев, особенно при производстве пищевой тары.

Задачка с новой температурной шкалой

В курсе физики можно встретить задачу на определение температуры плавления висмута по шкале Гения. Скажем сразу, что это просто задача, и никакой шкалы Гения не существует. В физике в настоящее время приняты всего три температурные шкалы: Цельсия, Фаренгейта и Кельвина (в

Итак, условия задачи таковы: "Новая шкала температур, которая выражается в градусах Гения (°G), связана с шкалой Цельсия так: 0 °G = 127 °C и 80 °G = 255 °С, нужно определить температуру плавления висмута в градусах новой шкалы".

Сложность задачи заключается в том, что интервал в 1 °G не соответствует интервалу 1 °C. А какому значению он соответствует в Цельсиях? Используя условие задачи, получаем: (255-127)/80 = 1,6 °C. Это означает, что увеличение температуры на 1°G будет эквивалентно ее увеличению на 1,6 °C. Для решения задачи вспомним, что висмут плавится при температуре 271,4 °C, что больше температуры 255 °C на 16,4 °C или на 10,25 °G (16,4/1,6). Поскольку температура 255 °C соответствует 80 °G, получаем, что по шкале Гения висмут будет плавиться при температуре 90,25 °G (80+10,25).