Что такое Висмут: физические и химические свойства, добыча и применение

Висмут по признанию многих специалистов считается наиболее красивым металлом из-за своей цветной оболочки. Он обладает неординарной внешностью, из-за которой его крайне трудно перепутать с каким-либо другим металлом из-за наличия специальной радужной оболочки. Ранее этот металл специально добавляли в оружие, чтобы придать ему переливов. Стоит также отметить, что помимо крайне необычного внешнего вида висмут является невероятно востребованным в промышленности, науке и медицине.

В таблице Менделеева висмут – элемент Bi, занимает 83 позицию. Примечательно, что там это последний стабильный элемент, поскольку все последующие характеризуются наличием радиоактивности. Его внешний вид характеризуется серебристым окрасом с розоватым оттенком. При длительном воздействии влаги на поверхности висмута формируется оксидная пленка, из-за которой появляются радужные переливы. Именно по этой причине висмут крайне легко отличить от других металлов.

История открытия

Висмут использовался человечеством с давних времен, однако далеко не всегда люди осознавали, что это действительно висмут, путая его с разновидностями олова, свинца или сурьмы. Упоминание об использовании висмута имеется в работах Парацельса, Григория Агриколы и многих других. Первые европейские книги также были напечатаны благодаря использованию данного металла, поскольку он стал основой для отливания шрифтов.

кристаллы висмута
Внешний вид кристаллов висмута

Во многом название данного металла и характеризует тот факт, что его путали с другими металлами, поскольку при дословном переводе с арабского висмут – «подобный сурьме».

С 18-го века висмут был выделен и полноценно определен в качестве самостоятельного элемента.

Где взять висмут

По своему нахождению в природе висмут относится к категории редкоземельных металлов. При этом согласно имеющимся расчетам на одну тонну земной коры приходится примерно 2 г висмута. Стоит также отметить, что в природе практически невозможно найти самородки данного металла, в большинстве случаев его можно найти либо в качестве примеси в рудах, либо в качестве компонента минералов. Чаще всего его обнаруживают вместе со свинцовой, медной, оловянной, цинковой и вольфрамовой рудой.

Поиски висмута стали особенно актуальны, когда выяснилось, что его изотоп характеризуется радиоактивностью, которая неопасна для человека. Другой знаменательный факт заключается в том, что период полураспада висмута на многие и многие порядки больше, чем возраст Вселенной.

На текущий момент в мире имеется крайне мало месторождений чистого висмута, практически вся добыча основывается на переработке руд других металлов, которые впоследствии проходят различные обработки, чтобы выделить данный металл. Основными поставщиками сырья на рынок являются Россия, ФРГ и Монголия. В год добывается примерно 6 тысяч тонн висмута. Из-за этого особую ценность приобретает лом висмута.

Добыча и запасы висмута в стране

В земной коре содержание висмута составляет 1,710-5% по массе – это 71-я позиция по запасам среди всех химических элементов. По другим расчетам, в 1 т земной коры содержится 2 г Bi. Несмотря на небольшую распространенность, известно более 100 минералов этого химического элемента, из них наиболее востребованы следующие:

  • самородный (Bi 99,6%)
  • висмутин (81,3%)
  • бисмит (89,5%)
  • бисмутит (80%)
  • тетрадимит (59%)
  • козалит (59,27%).

Месторождения висмута находятся в Боливии, Австралии, Японии, Мексике, Германии, Перу, Монголии. Россия по запасам руд и поставкам сырья находится на 2 месте. Висмутовые руды обнаружены на Урале, Кавказе, в Забайкалье, Рудном Алтае, Приморье. Кроме того, химический элемент №83 содержится в таких рудах: золотоносных, цветных и радиоактивных металлов.

Ежегодно в мире добывается около 6 тыс. т висмута. Его главный потребитель – США.

Получение металла

Получают черновой висмут гидрометаллургическим и пирометаллургическим способами из собственных минералов и висмутсодержащих руд: оловянной, свинцово-цинковой, медной, вольфрамовой, висмут-мышьяковой и радиоактивных металлов. Чистый висмут получают другими способами: зейгерование, окислительное рафинирование, сплавление с серой, перекристаллизация в инертных газах.

Лидеры по производству Bi – Китай, Перу, Мексика, Австралия, Япония.

Сплавы

В висмутовых соединениях содержание Bi составляет 1-60%. Другие компоненты – свинец (Pb), цинк (Zn), кадмий (Cd), олово (Sn), изредка медь (Cu), сурьма (Sb). Для висмутовых сплавов характерна хрупкость, из-за чего затруднена ковка и прокатка. Зато они с успехом применяются для отливок деталей со сложной конфигурацией.

Самые известные сплавы:

  • Вуда: 50% Bi, 25 % Pb, 12,5 % Sn, 12,5 % Cd. Температура плавления 65 °C. Применяется в гальванопластике, точном литье, в датчиках пожарной сигнализации,
  • Розе: 25% Sn, 25% Pb, 50% Bi. Плавится при температуре 94 °C. Используется для пайки и в электрических предохранителях.
  • Липовица: 27% Pb, 13% Sn, 10% Cd, 50% Bi. Переходит в жидкое состояние при 70 °C. Применяется для пайки и изготовления тонких деталей.
  • Лихтенберга: 50% Bi; 30% Pb, 20% Sn; 20% Sn. Плавление при 94°C. Используется в литейном производстве.

Другие соединения:

Название сплава Марка Содержание висмута Применение
Медный АМФ до 0,001% Гальванические покрытия, изготовление анодов
Медно-никелевый МН95-5 до 0,002% Машиностроение
Медно-фосфористый МФ9 до 0,005% Металлургия
Никелевый НХМ9 до 0,002% Изготовление проволоки
Латунь литейная ЛЦ37Мц2С2К до 0,01% Изготовление арматуры и антифрикционных деталей.

 

Висмут с минимальным процентом примесей, изготавливаемый в слитках и гранулах, маркируется Ви1 (2% примесей), Ви0 (0,02%). Используется в медицине, химической промышленности, научных целях, металлургии.

Свойства висмута

Bismuth – серебристо-белый металл, с розовым оттенком. Электронная формула атома висмута показывает о наличии 6 энергетических уровней, на которых располагаются электроны в таком порядке: 2, 8, 18, 32, 18, 5 – всего 83, что соответствует порядковому номеру в таблице Менделеева.

Кристаллическая решетка висмута ромбоэдрическая (с периодом 4,7457 А и углом 57° 14″13″), у кристаллов она прямоугольной, ступенчатой, спиральной формы.

В естественном состоянии Bismuth находится в виде стабильного изотопа Bi209.

Физико-химические свойства металла

Относительная атомная масса 208, 9804 а. е. м.
Плотность металла 9,79 г/см³ (уменьшается с увеличением температуры)
Теплопроводность (0°C) 0,08 Вт/(м·град) – самая низкая среди металлов
Уд. электрическое сопротивление (мкОм·м) 1,2, при 17,5 °C

2,67, при 269 °C

Плавление 271,44 °C,
Температура кипения 1837 K
Коэффициент теплового расширения 13,4·10−6 К−1
Твердость (по Моосу, максимум 10) 2,5
Диамагнетические свойства самый сильный диамагнетик
Валентность 2, 3, 5
Высшая степень окисления +5
Низшая степень окисления -3
Промежуточные степени окисления +1, +2, +3, +4

На воздухе при комнатной температуре висмут химически инертен, во влажной среде окисляется, покрываясь оксидной пленкой. При температуре свыше 1000 °C Bi горит голубым пламенем и образует оксид Bi2O3.

Висмут расширяется на холоде при застывании. Это уникальное свойство, присущее еще только 2-м химическим элементам и воде. Другое интересное свойство связано с удельным сопротивлением: при увеличении температуры, оно растет, но в момент плавления резко уменьшается вдвое.

В таблице Менделеева Bismuth считается последним стабильным элементом, но ученые доказали, что он α-радиоактивен, с периодом полураспада 14,5 млрд лет.

Преимущества и недостатки

Будучи радиоактивным химическим элементом, висмут безвреден для человека. Все соединения и сплавы этого металла обладают низкой токсичностью.

К недостаткам относится редкость и более высокая цена, по сравнению с аналогичными металлами.

Сколько стоит висмут

Цены на висмут нестабильны и колеблются в зависимости от спроса и предложения. Кроме того, они напрямую связаны с производством свинца, так как Bi присутствует в свинецсодержащих концентратах. Самая низкая цена на мировом рынке зафиксирована в 1980 г. – 3,5 $/кг. В 1989 г. она возросла до рекордной отметки в 15 долл./кг. К концу 1995 г. 1 кг висмута чистотой 99,99% стоил 8,8 долл/кг.

На российском рынке в 2016 г. ВИ1 и ВИ2 стоили 900 тыс. руб. за 1 кг, ВИ0 – 950 тыс. руб, Bi металлический – 3200 руб., висмут оксид – 930000 руб.

Где применяется висмут

Висмутовый сплав использовался еще племенами Южной Америки, которые добавляли его в собственные клинки, чтобы добавить им блеска и переливов. На сегодняшний день область использования висмута достаточно велика и охватывает множество различных отраслей.

Металлургия

В первую очередь висмут используется в металлургии, где добавление его минимальных доз в сталь, чугун и алюминий существенно упрощает процесс последующей механической обработки. В промышленности он может использоваться также для создания моделей для форм литейного производства и при изготовлении жидкости для термометров.

серьги с использованием висмута
Серьги с кристаллами висмута

Львиная доля Bismuth предназначается для металлургии. Несмотря на высокую температуру плавления висмута, его часто соединяют с другими металлами для получения легкоплавких сплавов. Все они плавятся в диапазоне от 41°C и не превышают 100 °C. Легкоплавкие сплавы нашли применение во всех отраслях промышленности.

Висмут используется в производстве автоматных сталей. При его содержании 0,003% облегчается обработка материала резанием на станках. Добавка в размере 0,01% делает сплав на основе алюминия более пластичным.

Применение висмута в медицине и фармакологии

В медицине используются легкоплавкие сплавы с висмутом для протезирования в травматологии и стоматологии. Как химический элемент Bi вводился в контрастное вещество для рентгеновского исследования (теперь используется сульфат бария).

Лекарственные препараты с данным химическим элементом обладают подсушивающим, обеззараживающим и слабительным свойствами. На основе Bi созданы препараты для лечения язвенной болезни, вызванной бактерией хеликобактер пилори, патологий ЖКТ. Препаратами с висмутовыми солями у птиц выводили нефтепродукты после аварии на нефтяной платформе в Мексиканском заливе. Соединения висмута используются в косметологии, дерматологии. Бисмоверолом и Пентабисмолом лечили сифилис.

Сложность применения висмута в фармакологии связана с необходимостью точнейшего дозирования, т. к. он может образовывать ядовитые для человека соединения.

Косметология

В декоративных косметических средствах часто используется оксид-хлорид висмута: пигмент, придающий лакам и теням для век перламутровый блеск. Однако это вещество обладает комедогенным свойством и может вызывать аллергические реакции.

Химическая промышленность

На основе висмута синтезируются другие элементы. Трехокись висмута – катализатор при производстве полимеров. Соединения с Bi добавляют в лакокрасочную продукцию.

Авиация, космос и машиностроение

Сплавы висмута используются в производстве двигателей и аккумуляторов. После бомбардировки висмута нейтронами образуется полоний-210, который служит источником энергии в космических кораблях.

Ядерная энергетика

В этой отрасли Bismuth нашел применение, благодаря легкоплавкости. Он используется в теплоносителях и в качестве охлаждающей компоненты в ядерных реакторах. Иногда в жидкий висмут помещают уран

В Китае разрабатываются свинцово-висмутовые реакторы малой мощности

Точное приборостроение

Благодаря уникальным свойствам, висмут используется в приборах для измерения магнитного поля, геологических изысканий, в компьютерной томографии.

Другие применения

Из сплавов с добавлением висмута изготавливается множество изделий практически во всех отраслях экономики:

  • смазки для вакуума и высоких температур, вместо органических материалов;
  • клапаны;
  • жидкостные термометры;
  • детали бронебойных снарядов;
  • дробь для патронов;
  • уплотнительные прокладки для сверхвысоковакуумных установок;
  • предохранители в электрических цепях высокой мощности;
  • ламповое производство;
  • живопись;
  • производство хрусталя.

Из кристаллов висмута, благодаря их причудливой форме и радужной раскраске, ювелиры изготавливают оригинальные украшения.

Биологическая роль

Влияние висмута на физиологию человека до конца не изучено. Известно, что ежесуточно он попадает в организм с водой, пищей и воздухом в количестве 4-20 мкг. Регулярная доза свыше 1-1,5 г приводит к отравлению организма.

Bismuth участвует в синтезе белка на клеточном уровне и других биологических процессах. Его токсичность для живого организма приближается к нулю, поэтому рассматриваемый химический элемент для человека опасности не представляет, если им не злоупотреблять.

В основном Bi локализуется в селезенке, печени, почках (0,4 мкг), костях (до 0,2 мкг), в меньшей степени – в головном мозге. Его присутствие отмечено в крови (<3 мкг/л). Выводится с калом и мочой. Проходя через ЖКТ, Bi преобразуется в сульфид висмута, который окрашивает каловые массы в темный цвет.

Ответы на вопросы пользователей

Ответим на несколько основных вопросов пользователей, касательно металла.

Висмут легкий или тяжелый металл

Металлы с атомной массой свыше 50 образуют группу тяжелых металлов. В эту компанию попадает Bismuth.

Висмут вреден или нет

Одно из уникальных свойств висмута – будучи тяжелым металлом, он, благодаря слабой растворимости в воде, не оказывает негативного воздействия на живые организмы, в отличие от своих «коллег». Висмут не является  токсичным, не накапливается в организме, если поступает в допустимых количествах (до 20 мкг).

Ядовитые свойства проявляются лишь у легко растворимых в воде солей висмута – по своему действию они аналогичны солям ртути. При взаимодействии с некоторыми аптечными препаратами также могут образовываться ядовитые вещества. Длительный прием висмутсодержащих лекарств противопоказан при больных почках.

Отравление висмутом наблюдается редко. Его симптомы:

  • расстройства ЖКТ;
  • воспаление слизистой рта;
  • дерматиты;
  • нарушение сердечной деятельности;
  • потеря аппетита и сна.

Симптоматика неприятная, но избежать побочных эффектов можно, если принимать лекарства под наблюдением врача.

Добавить комментарий
Adblock
detector