Висмут

Висмут — это химический элемент 15-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы пятой группы) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 83. Обозначается символом Bi (от лат. Bismuthum). Простое вещество висмут представляет собой при нормальных условиях блестящий серебристо-серый с розоватым отливом металл, относящийся к группе тяжёлых металлов. Висмут является последним (самым тяжёлым) стабильным элементом в периодической системе; все элементы с атомным номером 84 и выше не имеют стабильных изотопов.

История открытия и происхождение названия

Висмут известен человечеству с глубокой древности, однако долгое время его не выделяли в отдельный металл, путая с оловом, свинцом или сурьмой. Древние египтяне, греки и римляне использовали висмут для изготовления косметических средств (подводка для глаз) и в качестве пигмента. В алхимический период висмут считался полуметаллом и обозначался особыми символами.

Название элемента, вероятно, происходит от немецких слов «weisse Masse» (белая масса) или «Wismuth» (возможно, от араб. «би исмид» — «подобный сурьме»). В русский язык термин вошёл через немецкое посредничество в XVIII веке. Первое научное описание висмута как самостоятельного металла дал в 1450 году немецкий монах-бенедиктинец и алхимик Василий Валентин. В 1753 году французский химик Клод Жоффруа Младший окончательно доказал, что висмут является отдельным химическим элементом, отличным от свинца и олова.

Физические свойства

Висмут — тяжёлый, хрупкий металл. Он обладает рядом уникальных физических свойств, отличающих его от большинства других металлов.

Основные характеристики

Цвет и блеск: Свежий излом висмута имеет характерный серебристо-белый цвет с отчётливым розоватым или красноватым оттенком, обусловленным тонкой оксидной плёнкой. На воздухе металл постепенно тускнеет, покрываясь серой оксидной плёнкой.
Плотность: 9,78 г/см³ (при 20 °C). Это один из самых плотных нетоксичных металлов.
Температура плавления: 271,4 °C. Это самая низкая температура плавления среди всех металлов (кроме ртути, галлия и некоторых щелочных металлов), что делает висмут удобным для использования в легкоплавких сплавах.
Температура кипения: 1564 °C.
Твёрдость: По шкале Мооса — 2,25. Висмут хрупок и легко дробится, не обладает ковкостью.
Электропроводность: Очень низкая (почти в 100 раз хуже, чем у меди), при этом при помещении в магнитное поле висмут демонстрирует самый высокий среди всех металлов эффект Холла (возникновение поперечной разности потенциалов).
Диамагнетизм: Висмут является самым сильным диамагнетиком среди всех известных веществ (его магнитная восприимчивость отрицательна и максимальна по модулю). Это означает, что он выталкивается из магнитного поля.

Аномалии

Висмут обладает рядом аномальных свойств в твёрдом состоянии:

Его плотность в твёрдом состоянии (9,78 г/см³) меньше, чем в жидком (10,07 г/см³). При затвердевании висмут расширяется (как вода и галлий), что используется в литейном деле.
Висмут имеет очень низкую теплопроводность среди металлов (уступает только ртути).

Химические свойства

Висмут — химически малоактивный металл. При комнатной температуре на воздухе он медленно окисляется, образуя тонкую защитную плёнку оксида висмута(III) (Bi₂O₃), которая предохраняет его от дальнейшего окисления. При нагревании выше 500 °C сгорает с образованием оксида.

Реакции с другими веществами

Кислоты: Висмут устойчив к действию разбавленных серной и соляной кислот. Растворяется в азотной кислоте любой концентрации, а также в горячей концентрированной серной кислоте. Хорошо растворяется в царской водке.
Щёлочи: Не реагирует.
Галогены: При нагревании реагирует с хлором, бромом и йодом, образуя соответствующие галогениды.
Сера: При сплавлении образует сульфид висмута(III) (Bi₂S₃) — чёрное кристаллическое вещество.

Степени окисления

Наиболее характерная и устойчивая степень окисления для висмута — +3. Соединения висмута(V) (например, висмутаты натрия) являются сильными окислителями, но неустойчивы. Степень окисления +5 проявляется редко.

Распространение в природе и получение

Содержание висмута в земной коре невелико — около 2×10⁻⁵ % по массе (примерно 0,2 г/т). Висмут встречается как в самородном виде (редко), так и в виде минералов. Основные промышленные минералы:

Висмутин (висмутовый блеск) — Bi₂S₃ (сульфид висмута).
Бисмит — Bi₂O₃ (оксид висмута).
Виттихенит — Cu₃BiS₃ (сульфид меди-висмута).

Висмут часто сопутствует рудам свинца, меди, олова, вольфрама и серебра. Основные мировые запасы сосредоточены в Китае, Перу, Мексике, Боливии, Канаде и России. В России крупные месторождения висмута известны на Дальнем Востоке (Приморье, Хабаровский край) и в Якутии.

Технология получения

Большая часть висмута (около 90 %) извлекается попутно при переработке свинцовых, медных и оловянных руд. Основные стадии:

Обогащение руды флотацией или гравитацией.
Плавка на черновой металл (свинец, медь).
Рафинирование чернового металла. Висмут извлекают из анодных шламов электролиза меди или из свинца методом зонной плавки или обработкой щелочными реагентами.
Окончательная очистка проводится методом вакуумной дистилляции или зонной плавки для получения чистого висмута (99,999 % и выше).

Применение

Уникальные физические и химические свойства висмута обуславливают его широкое применение в различных отраслях промышленности, медицине и науке.

Металлургия и сплавы

Легкоплавкие сплавы: Висмут является основным компонентом сплавов Вуда (50 % Bi, 25 % Pb, 12,5 % Sn, 12,5 % Cd; плавится при 68 °C) и Розе (50 % Bi, 25–28 % Pb, 22–25 % Sn; плавится при 94 °C). Эти сплавы используются в системах пожаротушения (автоматические спринклеры), в качестве легкоплавких предохранителей, в литейном деле для изготовления точных отливок, в стоматологии.
Присадки: Добавление висмута к стали и алюминию улучшает их обрабатываемость резанием (стружка становится ломкой и легко отделяется).

Медицина и фармацевтика

Соединения висмута обладают вяжущим, антисептическим и противовоспалительным действием. Они малотоксичны для человека, что делает их ценными для медицинского применения.

Препараты для лечения желудочно-кишечного тракта: Основной препарат — висмута субцитрат (коллоидный висмут), входящий в состав таких лекарств, как «Де-Нол», «Викаир», «Викалин». Он используется для лечения язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, гастрита, гастроэзофагеальной рефлюксной болезни. Механизм действия: образует защитную плёнку на слизистой, подавляет рост бактерии Helicobacter pylori.
Дерматология: Висмута субгаллат (дерматол) и висмута субнитрат (ксероформ) применяются в виде присыпок, мазей и свечей как антисептики и подсушивающие средства при ранах, ожогах, экземах.
Радиология: Висмут используется в качестве контрастного вещества при рентгенологических исследованиях желудочно-кишечного тракта (например, висмута карбонат).

Косметология

Микрокристаллический висмут (в виде оксихлорида висмута — BiOCl) используется в качестве перламутрового пигмента в декоративной косметике (тени, пудра, румяна, помада). Он придаёт косметическим средствам характерный блеск и мерцание.

Электроника и техника

Термоэлектрические материалы: Висмут и его сплавы (например, теллурид висмута — Bi₂Te₃) являются одними из лучших термоэлектрических материалов. Они используются в термоэлектрических генераторах (преобразование тепла в электричество) и термоэлектрических холодильниках (элементы Пельтье).
Полупроводники: Висмут используется в качестве легирующей добавки в полупроводниковых материалах (например, в кремнии и германии) для придания им определённых электрических свойств.
Ядерная энергетика: Жидкий висмут (или его сплавы со свинцом) рассматривается как теплоноситель в ядерных реакторах на быстрых нейтронах (например, в проектах реакторов БРЕСТ и СВБР в России). Висмут обладает низкой температурой плавления, высокой теплопроводностью и способностью эффективно поглощать нейтроны.

Прочие применения

Пигменты: Висмутованадат (BiVO₄) — жёлтый пигмент, используемый в красках и лаках как экологичная альтернатива токсичным кадмиевым и свинцовым жёлтым пигментам.
Катализаторы: Висмут и его соединения используются в качестве катализаторов в химической промышленности (например, в производстве акрилонитрила).
Охота и рыболовство: Висмутовая дробь используется как нетоксичная альтернатива свинцовой дроби, особенно в местах, где использование свинца запрещено (например, в водно-болотных угодьях для защиты водоплавающих птиц от отравления).

Биологическая роль и токсичность

Висмут не является биогенным элементом и не играет существенной биологической роли в организме человека. Однако его соединения, как правило, малотоксичны по сравнению со свинцом, ртутью или кадмием. Это связано с тем, что висмут плохо всасывается в желудочно-кишечном тракте (менее 1 %).

При длительном применении высоких доз висмутсодержащих препаратов возможно развитие побочных эффектов, таких как:

Висмутовая энцефалопатия (поражение головного мозга) — редкое, но тяжёлое осложнение, возникавшее при использовании нерастворимых солей висмута (например, висмута субнитрата) в больших дозах.
Потемнение зубов и языка (обратимое).
Нарушение функции почек (при передозировке).

В целом, висмут считается одним из наименее токсичных тяжёлых металлов, что и обуславливает его широкое применение в медицине и косметологии.

Интересные факты

Самый тяжёлый стабильный элемент: Висмут долгое время считался стабильным, но в 2003 году было экспериментально доказано, что его единственный природный изотоп (²⁰⁹Bi) является радиоактивным с периодом полураспада около 1,9×10¹⁹ лет (в 10⁹ раз больше возраста Вселенной). Поэтому в практических целях его считают стабильным.
Кристаллы висмута: Искусственно выращенные кристаллы висмута имеют характерную ступенчатую форму и радужную окраску (оксидная плёнка). Эти кристаллы популярны среди коллекционеров минералов.
Эффект Холла: Висмут используется в датчиках Холла для измерения магнитного поля.
В России висмут добывается в основном попутно при разработке месторождений олова и вольфрама на Дальнем Востоке. В советское время висмут активно применялся в военной промышленности (например, в подшипниках для авиационных двигателей).

Источники

Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1.
Популярная библиотека химических элементов. Книга 2. — М.: Наука, 1983.
Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
Справочник по редким металлам / Под ред. В. Е. Плющева. — М.: Мир, 1965.
Медицинская химия: учебное пособие / Под ред. В. А. Попкова. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010.
Данные Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) по изотопам висмута.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →