Оксид висмута: применение и свойства¶

Оксид висмута — бинарное неорганическое соединение металла висмута с кислородом, существующее в нескольких кристаллических модификациях, важнейшей из которых является тригональный α-Bi₂O₃. В промышленности и лабораторной практике под оксидом висмута обычно подразумевают именно α-форму — жёлтый кристаллический порошок, практически нерастворимый в воде. Соединение известно с XVIII века и находит применение в электронике, оптике, медицине и химической промышленности.

¶Физические и химические свойства

Оксид висмута(III) — твёрдое вещество с молекулярной массой 465,96 а. е. м. Плотность α-модификации составляет около 8,9 г/см³, температура плавления — 824 °C, температура кипения — около 1890 °C. В зависимости от способа получения и размера частиц цвет варьируется от светло-жёлтого до оранжево-жёлтого. Показатель преломления высок (около 2,4), что делает соединение пригодным для оптических покрытий.

Вещество обладает полиморфизмом. При нагревании α-Bi₂O₃ претерпевает фазовые переходы: при 727 °C образуется кубическая γ-модификация (дефектная флюоритоподобная структура), а выше 824 °C стабильна δ-форма, обладающая высокой кислород-ионной проводимостью. При охлаждении δ-фаза может сохраняться в метастабильном состоянии до комнатной температуры.

Химически оксид висмута — амфотерное соединение с преобладанием основных свойств. Он не растворяется в воде и щелочах, но легко реагирует с минеральными кислотами с образованием солей висмута(III). При сплавлении с оксидами других металлов образует висмутаты — соединения, в которых висмут проявляет степень окисления +5. При нагревании с сильными восстановителями (углеродом, водородом) восстанавливается до металлического висмута.

¶Получение

В промышленности оксид висмута получают преимущественно термическим разложением азотнокислого висмутила BiONO₃ при температуре 500–700 °C. Также используют окисление расплавленного металлического висмута на воздухе при нагревании, прокаливание гидроксида висмута Bi(OH)₃ или карбоната висмутила. Лабораторные методы включают осаждение гидроксида из раствора нитрата висмута с последующим прокаливанием. Исходным сырьём служат висмутовые концентраты, получаемые из висмутсодержащих руд, а также вторичное сырьё — отходы свинцового и медного производства.

¶Применение

¶Электроника и электротехника

Главное направление использования оксида висмута — производство варисторов. Это полупроводниковые керамические элементы на основе оксида цинка, в состав которых оксид висмута входит как обязательный легирующий компонент (5–10 %). Он формирует межзёренные границы, обеспечивающие нелинейную вольт-амперную характеристику. Варисторы применяются для защиты электрических цепей от перенапряжений в блоках питания, линиях связи и промышленном оборудовании.

Высокая кислород-ионная проводимость δ-модификации делает оксид висмута перспективным материалом для твёрдооксидных топливных элементов и кислородных датчиков, хотя практическому использованию препятствует нестабильность высокотемпературной фазы.

¶Оптика

Благодаря высокому показателю преломления и низкой токсичности оксид висмута используется для производства оптической керамики и стёкол. Стекло с добавкой Bi₂O₃ обладает повышенной плотностью и применяется для изготовления рентгенозащитных экранов и контейнеров для радиоактивных материалов. Тонкие плёнки оксида висмута используются в интерференционных покрытиях и оптических фильтрах.

¶Медицина и фармацевтика

Оксид висмута служит сырьём для получения фармацевтических субстанций — висмута субсалицилата и висмута субцитрата, входящих в состав желудочно-кишечных препаратов. В стоматологии оксид висмута добавляют в некоторые виды цементов для пломбирования. В отличие от солей свинца, соединения висмута относительно малотоксичны, что позволяет использовать их в медицинских целях.

¶Керамика и пигменты

В керамической промышленности оксид висмута применяется как компонент глазурей и эмалей. Он придаёт изделиям жёлтую окраску и повышает блеск поверхности. В производстве пиротехнических составов используется как окислитель, а в производстве резины — как наполнитель.

¶Ядерная энергетика

Изотоп висмут-209, получаемый из оксида, рассматривается как сырьё для наработки висмута-210, используемого в радиоизотопных источниках энергии. Кроме того, оксид висмута входит в состав некоторых видов керамики, применяемой для иммобилизации радиоактивных отходов.

¶Безопасность

Оксид висмута(III) относится к малоопасным соединениям (III класс опасности). При попадании в организм в больших количествах может вызывать раздражение желудочно-кишечного тракта. Работа с тонкодисперсным порошком требует защиты органов дыхания во избежание вдыхания пыли. Соединение негорюче, но при нагревании в присутствии органических веществ может способствовать их окислению.

¶Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. / под ред. И. Л. Кнунянца. — М.: Советская энциклопедия, 1988.
• Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Химические свойства неорганических веществ. — М.: Химия, 2000.
• Greenwood N. N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. — 2nd ed. — Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997.
• Патентная и техническая литература по производству варисторов (публикации фирм Littelfuse, TDK).