Що таке вісмут? Дивовижний метал незвичайної форми і зовнішності, який ще в Середньовіччі використовувався алхіміками у багатьох дослідах. Його називали tectum argenti, що перекладається, як «виробництво срібла», адже люди справді вважали, що цей метал наполовину складається з нього. Його застосовували у багатьох сферах і навіть додавали в сплави, з яких робили холодну зброю – так мечі набували особливий блиск і красу. Що ж являє собою цей елемент, і якими особливостями він володіє?
Знаходження в природі
Розповідаючи про те, що таке вісмут, слід зазначити, що в земній корі цей елемент міститься в кількості 2х10−5 % по масі, а в морській воді 2х10−5 мг/л.
Також він перебуває у рудах. У цих корисних копалин вісмут міститься, як у формі власних мінералів, так і у вигляді домішок в сульфатних солях і сульфидах інших металів.
Близько 90 % вісмуту видобувається за допомогою вилучення його з проходять обробку мідних, олов’яних і свинцево-цинкових руд, а також з концентратів. У них виявляються соті, а часом і десяті частки відсотка цієї речовини.
Вкрай рідко в природі зустрічаються вісмутові руди. У них спостерігається висока концентрація речовини – від 1 % і вище. Склад таких руд включає в себе самородний вісмут (утворюється в гідротермальних жилах), висмутин (простий сульфід), тетрадимит, козалит, бисмит, бисмутит, виттихенит, айкинит і галеновисмутит.
Родовища
Вісмут – метал, який у високих концентраціях накопичується, як правило, у гірських породах (пегматити), в середньо – і високотемпературних гідротермальних і в контактово-метасоматичних родовищах.
Як вже говорилося вище, він зазвичай утворює комплексні руди з іншими елементами. Вони також відрізняються, в основному по типу зруденіння. В Болівійській провінції, наприклад, поширені сульфідно-касситеритовые родовища, з яких витягують цей метал. У Забайкаллі – кварц-вольфрамитовые.
В Росії і за кордоном особливо поширені гідротермальні родовища. У Середній Азії та Італії – мідно-вісмутові. В Німеччині, США й Канаді – пятиэлементные. В таких родовищах самородний вісмут асоціюється з арсенидами срібла, кобальту і нікелю, а ще з ураном.
Але наймасштабніше родовище даного металу знаходиться в Перу, в місті Серро-де-Паско. Вісмут там добувають у великих кількостях, витягуючи його в процесі переробки свинцевих концентратів.
Процес отримання
В продовження теми про те, що таке вісмут, варто розповісти, як саме його видобувають.
Отримання цього металу засноване на переробці руди, а також свинцевих і мідних концентратів допомогою методів, використовуваних у сферах піро/гідрометалургії.
Є й інший спосіб, але він використовується лише в разі отримання вісмуту з сульфідних сполук. Процес передбачає переробку мідних концентратів, що супроводжується осаджувальної плавкою з залізним скрап та флюсом.
Як правило, відбувається процес отримання вісмуту за формулою: Bi2S3 + 3 fe à 2Bi + 3FeS.
У тому випадку, якщо використовуються окислені руди, метал відновлюють вуглецем під шаром флюсу. Відбувається це в температурному режимі від 900 до 1000 °C. Вуглець, до речі, може бути замінений сульфитом натрію. Із застосуванням даного кристалогідрату можна відновити оксид вісмуту при меншій температурі (800 °C).
Для отримання сульфіду даного металу застосовують соду або гідроксид натрію. В цих випадках встановлюється температура в 950 і 500-600 градусів відповідно.
Специфіка процесу
Окремо варто сказати про вилучення вісмуту з чорнового свинцю. Даний процес специфічний тим, що він передбачає виділення металу за допомогою кальцію або магнію. Вісмут при цьому, маючи вид з’єднання CaMg2Bi2, накопичується у верхніх шарах.
Як надалі метал очищається від магнію або кальцію? За допомогою його переплавки під лужним шаром з додаванням окислювача NaNO3. Потім отриману речовину піддають електролізу з отриманням шламу (відхідні речовини). Цей продукт і переплавляють в чорновій вісмут.
Важливо застерегти, що гідрометалургійний спосіб отримання даного елемента характеризують більш високі економічні показники і відповідна чистота отриманого речовини. Цей метод заснований на розчиненні висмутосодержащих руд, сплавів та напівпродуктів. Для цього використовується соляна і азотна кислоти.
За розчиненням слід вилуговування отриманої рідини. Для здійснення цього процесу використовують сірчану кислоту або розчини хлориду натрію. Це останній етап, потім вісмут виймають і очищають за допомогою екстракції.
До речі, ще є методи двохстадійної перегонки, зонної плавки і гідрометалургійного рафінування. Їх застосовують для отримання чистого вісмуту.
Модифікації металу
Що таке вісмут? Візуально це – сріблясто-білий метал, що переливається різними відтінками. Чистий вісмут відливає переважно рожевим. Метал, у якому домінує який-небудь інший колір, є аллотропной модифікацією.
Їх, до речі, чимало. Модифікації виникають внаслідок впливу високого тиску. Якщо піддати вісмут температурі до +25 °C і тиску в 2,57 ГПа, то кристалічна решітка цієї речовини зазнає поліморфний перетворення. Її форма перестане бути ромбоедричної і стане моноклінної.
Також зміни решітки відбувається при інших показниках тиску (5 ГПа, 4,31 ГПа і 2,72 ГПа). А якщо довести його до рівня в 7,74 ГПа, то вона і зовсім придбає кубічну форму. Тетрагональної решітки стає при тиску в 2,3—5,2 ГПа.
Фізичні властивості
Вісмут – хімічний елемент, що є воістину унікальним. Лише у небагатьох речовин при їх плавленні спостерігається підвищення щільності, і він до них ставиться. Коли вісмут переходить у рідкий стан з твердого, даний показник змінюється з 9,8 г/см3 до 10,07 г/см3.
З ростом температури збільшується і питомий електричний опір цієї речовини. При звичайних умовах (+17.5 °C), даний показник складає 1,2 мкОм·м При плавленні опір зменшується. При температурі 269 °C, коли вісмут ще знаходиться в твердому стані, воно одно 2,67 мкОм·м А коли вона підвищується до 272 °C, то показник відразу падає до 1,27 мкОм·м
Якщо порівнювати вісмут з іншими металами, то за властивостями до нього ближче всього буде ртуть. У них обох низька теплопровідність, складова 7,87 Вт/(м·К) при 300 К.
Магнітні властивості
Звичайно ж, розповідаючи про властивості вісмуту, не можна не відзначити, що це самий діамагнітний метал з усіх існуючих. Його магнітна сприйнятливість дорівнює 1,34·10-9 при 293 К І дана якість, при наявності вісмуту, можна помітити неозброєним поглядом. Якщо підвісити зразок металу на нитку і піднести до неї магніт, він помітно відхилиться від нього.
Найважливіші сполуки
Їх теж варто зазначити увагою. Сполук у вісмуту маса. Але найбільш характерними для нього є ті, які мають ступінь окислення +3 і +5. Ось кілька прикладів:
- Оксид вісмуту (II) BiO. Виглядає як кристали сіро-чорного кольору. Речовина окислюється при температурі 180 °С, в умовах підвищеної вологості. Вступає в реакцію з соляної кислотою, піддається відновленню монооксидом вуглецю і воднем.
- Оксид вісмуту (III) Bi2O3. Являє собою кристали жовтого кольору тетрагональної або моноклінної форми. До 1750 °С перебувають у твердому стані. Погано розчиняються у гідроксиди, аміак, ацетон і у воді, але добре в кислотах. Оксид одержують, як правило, за допомогою нагрівання вісмуту в кисні.
- Гідроксид вісмуту (III), Bi(OH)3. Виглядає, як аморфний порошок білого кольору. Погано розчиняється у воді і лугах високої концентрації, але добре в хлориді амонію і гліцерині.
- Сульфід вісмуту (III) Bi2S3. Кристали ромбоедричної форми сіро-чорного кольору. Мають яскраво виражені термоелектричні властивості. Повністю гідролізуються у воді, але не піддаються розчиненню в мінеральних кислотах, сульфидах та інших рідинах. Піддається відновленню кремнієм, вуглецем і воднем.
- Оксид вісмуту (V) Bi2O5. Порошок темно-коричневого кольору. При нагріванні розкладається, у лугах і кислотах розчиняється. Видобувається окисленням вісмуту в лужних розчинах високої концентрації.
Нітрат вісмуту
Це – неорганічне з’єднання з формулою Bi(NO3)3. Воно являє собою суміш азотної кислоти і солі металу вісмуту. Виглядають, як безбарвні кристали, схожі на сіль або цукор. Їх можна розчинити у воді, внаслідок чого нітрат вісмуту утворює кристалогідрат. Але в підкислених розчинах дане з’єднання стійко.
Цікаво, що кристалогідрат цієї речовини здатний плавитися при температурі 75 °С, причому у власній кристалізаційної води.
У нього маса хімічних властивостей. Розчинений у воді основний нітрат вісмуту при кип’ятінні повністю гідролізується. Відбувається сольволиз. Речовина взаємодіє з рідиною і розкладається з утворенням нових сполук. Те ж саме станеться, якщо кристалогідрат зберігати на повітрі.
Варто відзначити, що нітрат може вступати в реакції з холодною концентрованою соляною кислотою, лугами, фторидами і окислювачами (внаслідок цього утворюються висмутаты).
Застосування нітрату
Використовують його у кількох сферах. У фармакології основний нітрат вісмуту широко поширений, як ефективний антисептичний препарат. Його використовують при шкірних захворюваннях, а також при хворобах шлунково-кишкового тракту.
Ще нітрат вводять до складу кремів від веснянок, відбілюючих засобів для обличчя, світлі фарби для волосся і освітлювачів.
Крім перерахованого, пігмент додають в іспанські і перлинні білила.
Де використовують метал?
Застосування вісмуту в наші дні дуже поширене. Цей елемент використовують в самих різних сферах.
Вісмут цінується за свою легкоплавкість. Його використовують при виробництві автоматичних вогнегасників – роблять для них запобіжники.
Ще з нього виготовляють моделі для відливання складних деталей, оскільки вісмут має підвищені ливарні властивості, і може заповнити найдрібніші деталі форми. Їм заливають металографічні шлифы, використовують в протезуванні. Ось ще кілька способів його застосування:
- Вісмут додають до олову, щоб воно не розсипалося в порошок при низьких температурах. Атоми цього металу ніби «цементують» його грати.
- З марганцево-висмутового сплаву виготовляють постійні магніти.
- Вісмут додають в кількості 0.01 % до інших сплавів, що покращує їх пластичні властивості.
- Триокис цього металу використовується у виробництві полімерів як каталізатор.
- З застосуванням вісмут-цезій-телуру виготовляють якісний матеріал, використовуваний у створенні напівпровідникових холодильників.
- В ядерній фізиці, геології і томографії застосовується германат вісмуту – сцинтиляційний матеріал.
- Для отримання полонію-210 також необхідно додавання цієї речовини.
Перелік можна продовжити. Метал використовують як хімічний джерело струму, матеріал для обробки міцних сплавів, застосовують його в ядерній енергетиці та у виготовленні паливних елементів, у виробництві тетрафторгидразина. Сфери багатогранні. Це зайвий раз підтверджує унікальність обговорюваного речовини.
Сфера медицини
Вище вже було сказано, що деякі лікувальні препарати вісмут, а точніше, його нітрат, активно додається. Але на цьому його застосування в медицині не закінчується.
Солі вісмуту – одне з небагатьох активних речовин, яке може знищити бактерії Helicobacter Pylori, що провокують виразкову хворобу. Це було нещодавно встановлено. Але вже зараз додається до багатьох препаратів вісмут. А точніше, його субнитрат, трикалия дицитрат і ранітидину вісмуту цитрат.
Також доведено, що застосування медикаментів з вмістом даної речовини знижує токсичний ефект від хіміотерапії. А на основі висмутовых сполук (трибромфенолят, субцитрат, карбонат, тартрат і т. д.) розроблена маса медичних препаратів.
До речі, оксохлорид вісмуту активно застосовується як рентгеноконтрастна засіб і як наповнювач при виготовленні кровоносних судин.
