Висмут: свойства, получение и применение металла

Среди различных видов металлов одним из самых интересных является висмут. Он, как указывают различные группы исследователей и ученых, считается наиболее красивым благодаря наличию цветной оболочки. Она является отличительной чертой элемента, поэтому его трудно перепутать с другими компонентами.  Висмут является востребованным металлом в промышленности, науке, оружейном производстве и медицине.

В таблице Менделеева висмут  обозначается, как Bi и занимает 83 позицию. Важная особенность состоит в том, что после него идут элементы, которые относятся к радиоактивной группе и требуют особого внимания в процессе использования. Визуально висмут имеет серебристый цвет с приятным розоватым оттенком. Необходимо помнить, что в случае длительного воздействия влаги на поверхности металла образуется особая оксидная пленка. Она  имеет радужные переливы. Для лучшего понимания особенностей элемента необходимо рассмотреть получение, применение компонента, а также уделить внимание сплавам, которые образуются на основе висмута.

Содержание:

История открытия металла

istoriya otkrytiya metalla

Для того чтобы понять особенности элемента, нужно обратиться к истории его открытия. Висмут использовался человеком с давних времен. Так как все его особенности не были открыты и исследованы, то люди не осознавали, что это действительно полезный компонент. В 90% случаев элемент путали с разновидностями олова, свинца или сурьмы.  Интересен тот факт, что некоторые сведения о применении висмута можно найти в трудах таких ученых, как  Парацельс, Григорий Агрикола.

Еще один интересный момент касается того что первые книги, которые были напечатаны в Европе, появились благодаря применению именно этого металла. На его основе отливали различные типы шрифтов. Название элемента характеризует, что его путали с другими металлами. Причина в том, что в переводе с арабского языка он называется «подобный сурьме».

Открытие компонента в той форме, которая известна сегодня, произошло в 18 столетии. Тогда висмут был выделен, как самостоятельный металл и полноценно определен. До 2023 года единственный природный изотоп висмута считался стабильным, но потом было доказано, что и он также является радиоактивным. Особенность состоит в том, что период его полураспада превышает возраст известной нам вселенной. По этой причине природный висмут для человека опасности не представляет.

Нужно учитывать, что нерастворимость соединений висмута определяет его экологическую безопасность. Так во время аварии нефтедобывающей платформы, которая имела место в Мексиканском заливе, орнитологи кормили морских птиц препаратами с содержанием висмута. Делали они это, для того чтобы вывести нефть и ее компоненты из организма.

Добыча и получение

Для того чтобы использовать любой компонент, его требуется сначала добыть. В случае с висмутом нужно учитывать, что в земной коре его содержание составляет 1,710-5% по массе. Если производить сравнение с другими компонентами, то металл займет  71 место по запасам среди всех открытых и исследованных химических элементов. 

Если смотреть исследования по количеству, то в 1 тземной коры содержится 2 г. Несмотря на небольшую распространенность, известно более 100 минералов, в которых можно найти присутствие этого химического элемента. Наиболее богатыми по содержанию будут такие:

  • Самородный (99%)
  • Висмутин (81%)
  • Бисмит (89,5%)
  • Бисмутит (80%)
  • Тетрадимит (59%)
  • Козалит (59%)

Месторождения висмута также нужно рассмотреть, чтобы иметь полное представление о том, где элемент добывается:

  • Болгария
  • Россия
  • Австралия
  • Япония
  • Мексика
  • Германия
  • Перу
  • Монголия

В РФ руды с содержанием висмута обнаружены на Урале, Кавказе, в Забайкалье, Рудном Алтае, а также в Приморье. Общий показатель запасов выводит страну на 2 место. Дополнительно этот компонент можно найти в золотоносных, цветных рудах, в составе радиоактивных металлов. В мире каждый год добывается около 6000 т висмута. Главным потребителем металла являются США.

Подробнее нужно остановиться на вопросе получения компонента. Если требуется использовать черновой висмут, то применяются гидрометаллургический и пирометаллургический способы. Благодаря им можно извлечь элемент из собственных минералов и висмутосодержащих руд. К ними относятся:

  • Оловянная
  • Свинцово – цинковая
  • Медная
  • Вольфрамовая
  • Висмут-мышьяковая

Дополнительное количество извлекается из радиоактивных металлов. Когда требуется получить чистый висмут, применяются другие методики: зейгерование, окислительное рафинирование, сплавление с серой. Также часто применяется перекристаллизация в инертных газах. Лидеры по производству висмута такие страны, как Китай, Перу, Мексика, Австралия и Япония.

Сферы применения

sfery primeneniya

Главное направление использования висмута – металлургия. Исследования показали, что сталь или алюминий, в которых содержится 0,02% этого элемента, поддаются легкой обработки на станках. Сплавы висмута с такими компонентами, как кадмий, свиней или цинк позволяют получить вещества, которые имеют температуру плавления ниже 100 градусов. Их активно используют для производства следующих компонентов:

  • Плавкие предохранители.
  • Плавкие клапаны.
  • Припои – легкоплавкие и без содержания свинца.
  • Баббиты для подшипников.
  • Детали, которые будут безопасными для окружающей среды. Они заменяют свинцовые грузила, вентили водопроводных систем, дробь для охотничьих патронов.
  • Колпаки бронебойных снарядов.
  • Смазки и уплотнители прокладок, которые применяются затем для работы в вакууме.
  • Термические жидкости, используемые в производстве термометров.
  • Теплоносители, которые применяются в атомных реакторах.
  • Материалы для фиксирования переломов в травматологии.
  • Материалы для протезирования в стоматологии.
  • Материалы для моделирования в литейном производстве.

Если требуется использовать особо чистый висмут, то его применяют на изготовление приборов, которые используются для измерения магнитных полей. Связано это с тем, что его сопротивление линейно изменяется показателям величин магнитного поля. Нужно дополнительно отметить, что из кристаллов чистого висмута производятся различные изысканные ювелирные украшения.

Сплавы висмута могут быть с марганцем, хромом, индием или европием. Каждый из них используется для производства мощных и долговечных постоянных магнитов. Соединения висмута применяются, когда нужно получить магнитоэлектрические, высокотемпературные, сегнетоэлектрические, термоэлектрические или сверхпроводящие виды материалов. Также отметить нужно такие моменты, что оксиды висмута с небольшими добавками других металлов применяются для изготовления электрохимических топливных элементов. Они показывают способность работать уже при 500-700 градусах К.

Применение находят и различные соединения висмута с такими элементами, как галлий, йод, германий. Они применяются в качестве детекторов ионизирующего излучения. Используются эти компоненты в приборах для компьютерной томографии, ядерной физики или геологии.

Также разнообразные сплавы и соединения применяются для изготовления аккумуляторов, которые относятся к категории энергоемких - батареи для космических и военных аппаратов. Если требуется произвести катализаторы в технологии производства полимеров на основе акрила, то в основе будут лежать оксид и нитрат висмута.

Еще один элемент применения – стружка висмута. Этот компонент является катализатором при производстве окислителей, которые применяются для ракетного топлива. Используется этот особый металл для получения такого компонента, как полоний-210. Висмут также активно используется и в нефтепереработке.  Применение элемент нашел и в производстве пигментов, низкотемпературных эмалей, которые можно применять для керамики. В составе лака для ногтей висмут также присутствует.

В медицине соединения висмута также применяются. Оно входит в состав препаратов для лечения ЖКТ, а также онкологических заболеваний. Встретить его можно и в составе антисептиков или средств, которые используются для заживления ран. Висмут входит в состав контрастного вещества для рентгеноскопии. Подобные препараты, в составе которых можно увидеть висмут, проявляют эффективность против бактерии, вызывающей язвенную болезнь желудка. Даже в косметологии можно увидеть присутствие висмута. Например, компонент находится в составе перламутровых теней для век.

Биологическая роль также должна быть рассмотрена подробнее. В связи с этим следует указать, что именно влияние висмута на физиологию человека до конца не изучено, несмотря на развитие науки и исследовательских компонентов. Известно, что металл может попасть в организм человека вместе с водой, пищей и воздухом. Общее количество этого компонента варьируется и составляет 4-20 мкг каждый день. Нужно учитывать, что регулярная доза, которая будет превышать 1-1,5 г, приводит к отравлению организма.

Также висмут принимает участие в синтезе белка, который осуществляется на клеточном уровне. Применяется он и в других биологических процессах. Нужно учитывать, что показатели токсичности стремятся к нулю. По этой причине рассматриваемый химический элемент для человека опасности не представляет, когда используется и потребляется в пределах нормы. Нужно также уточнить, что основные места, в которых скапливается висмут – селезенка, почки, печень. Также его можно обнаружить в костях, а также в головном мозге. Его присутствие отмечено и в крови. Количество составляет около 3 мкг/л. Выводится из организма этот металл вместе с естественными продуктами жизнедеятельности. Еще один момент, который нужно указать, касается того, что проходя через ЖКТ, висмут преобразуется в сульфид висмута. Именно он окрашивает каловые массы в темный цвет.

Свойства висмута

svojstva vismuta

Рассматриваемый серебристо-белый металл имеет характерный розовый оттенок. Электронная формула атома висмута  указывает на наличие 6 энергетических уровней. На них располагаются электроны: 2, 8, 18, 32, 18, 5. Общее их количество равно 83.

Кристаллическая решетка  имеет ромбоэдрическую форму. Дополнительные сведения – решетка с периодом 4,7457 А и углом 57° 14″13″. Также у кристаллов она прямоугольной, ступенчатой или же спиральной формы. В естественном состоянии элемент находится в виде стабильного изотопа. Его название и формула - Bi209.

Физико-химические свойства металла, которые необходимо знать и учитывать:

  • Относительная атомная масса – 208,9
  • Плотность – 9,79 г/см3.
  • Теплопроводность – 0,08 Вт/м-град.
  • Плавление – 271 градус.
  • Кипение – 1837 градусов К.
  • Твердость по шкале Мооса – 2,5.

Показатель валентности составляет 2,3,5. Еще один момент, который нужно учитывать, используя висмут, указывает на то, что  на воздухе при комнатной температуре металл демонстрирует, что он химически инертен. Также, находясь во влажной среде, он сразу же окисляется. Выражается это в том, что металл сверху покрывается характерной оксидной пленкой. При температуре, которая будет выше 1000 градусов, металл Bi горит голубым пламенем. В результате подобной реакции образуется оксид Bi2O3. Еще один важный момент касается того что висмут достаточно активно расширяется на холоде в момент застывания. Интересно это тем, что свойство является уникальным. Другое, не менее интересное свойство, заключается в том, что удельное сопротивление при увеличении температуры растет. Одновременно в момент начала плавления удельное сопротивление резко уменьшается, показатель падает вдвое.

Преимущества и недостатки

Нужно учитывать, что элемент проявляет стабильность, но современные исследования доказали, что он является радиоактивным. Его безопасность определяется тем, что период полураспада очень длительный. Все соединения и сплавы этого металла обладают низким показателем токсичности. Эти факторы принято относить к преимуществам металла. Его недостатками являются редкость и более высокая цена,  чем та, которая актуальна для других аналогичных по свойствам металлов.

Сплавы висмута

Соединения с висмутом в составе могут содержать рассматриваемый компонент в показателях 1-60%. Другими элементам являются:

  • Свинец.
  • Олово.
  • Кадмий.
  • Медь.
  • Сурьма.

Важно учитывать, что сплавы висмута хрупки. По этой причине такие работы с металлом, как ковка и прокатка, будут затруднительными. Одновременно с этим металл является оптимальным решением, когда нужно произвести отливки деталей со сложной конфигурацией.

Самые известные и активно применяющиеся сплавы висмута:

  • Вуда. Здесь на висмут приходится 50%. Температура плавления составляет 65 градусов. Применяется сплав в гальванопластике, точном литье, используется в датчиках пожарной сигнализации.
  • Розе. Висмута содержится также 50%. Плавится состав при температуре уже в 94 градуса. Используется для пайки и применяется в электрических предохранителях.
  • Липовица. Также 50% приходится на висмут. Сплав переходит в жидкое состояние при 70 градусах. Применяется он для пайки и в процессе изготовления тонких деталей.
  • Лихтенберга. Как и везде, висмута будет 50%. Плавление начинается при 94 градусах. Используется справ в литейном производстве.

Нужно учитывать, что, несмотря на то, что металл входит в группу тяжелых, он слабо растворяется в воде, не оказывает негативного воздействия на живые организмы. Также он не накапливается в организме.

Негативные свойства этого металла проявляются только у легко растворимых в воде солей висмута. По действию они аналогичны солям ртути. Во время взаимодействия с некоторыми аптечными препаратами также могут образовываться ядовитые вещества, которые становятся причиной отравления. Важно учитывать, что длительный по времени прием лекарств с висмутом в составе противопоказан, если имеется заболевание почек.

Отравление висмутом, если не превышена дозировка, наблюдается редко. Когда негативная реакция все же произошла, наблюдаются следующие симптомы:

  • Расстройство ЖКТ
  • Воспалительные процессы слизистой оболочки ротовой полости
  • Дерматит
  • Нарушение сердечной деятельности
  • Отсутствие аппетита

Нарушение сна также может присутствовать в числе симптомов, свидетельствующих о том, что произошло отравление висмутом.

Адрес: Одинцово, ул. Западная, 19А
Время работы: Пн - Пт: с 9:00 до 18:00