Висмут

Предположительно латинское Bismuthum или bisemutum происходит от немецкого weisse Masse, белая масса.

Нахождение в природе

Содержание висмута в земной коре 2×10^-5 % по массе, в морской воде — 2×10^-5 мг/л.

В рудах находится как в форме собственных минералов, так и в виде примеси в некоторых сульфидах и сульфосолях других металлов. В мировой практике около 90% всего добываемого висмута извлекается попутно при металлургической переработке свинцово-цинковых, медных, оловянных руд и концентратов, содержащих сотые и иногда десятые доли процента висмута.

Висмутовые руды, содержащие 1% и выше висмута, встречаются редко. Минералами висмута, входящими в состав таких руд, являются висмут самородный (содержит 98,5—99% Bi), висмутин — Bi₂S₃ (81,30% Bi), тетрадимит — Bi₂Te₂S (56,3—59,3% Bi), козалит — Pb₂Bi₂S₅ (42% Bi), бисмит — Bi₂O₃ (89,7% Bi), бисмутит — Bi₂CO₃(OH)₄ (88,5—91,5% Bi).

Получение

Синтезированный кристалл висмута. Радужную окраску придает тонкий слой окисла.

Висмут получают сплавлением сульфида с железом:

Bi₂S₃ + 3Fe = 2Bi + 3FeS,

или последовательным проведением процессов:

2Bi₂S₃ + 9O₂ = 2Bi₂O₃ + 6SO₂↑;

Bi₂O₃ + 3C = 2Bi + 3CO↑.

Физические и химические свойства

Мировая добыча и потребление висмута

Висмут в достаточной степени редкий металл, и его мировая добыча/потребление едва превышает 6000 тонн в год (от 5800 до 6400 тонн в год).

Цены

Цены на висмут чистотой 99% в 2007 году составили в среднем 30-33 долл/кг.

Применение

Металлургия

Висмут имеет большое значение для производства так называемых «автоматных сталей», особенно нержавеющих и очень облегчает их обработку резанием на станках-автоматах (токарных, фрезерных и др.) при концентрации висмута всего 0,003 %, в то же время не увеличивая склонность к коррозии. Висмут используют в сплавах на основе алюминия (примерно 0,01 %), эта добавка улучшает пластические свойства металла, резко упрощает его обработку.

Катализаторы

В производстве полимеров трёхокись висмута служит катализатором, и её применяют, в частности, при получении акриловых полимеров. При крекинге нефти некоторое применение находит оксохлорид висмута.

Термоэлектрические материалы

Одним из важнейших направлений применения висмута является производство полупроводниковых материалов и в частности теллуридов (термо-э.д.с. теллурида висмута 280 мкВ/К) и селенидов висмута. Получен высокоэффективный материал на основе висмут-цезий-теллур для производства полупроводниковых холодильников суперпроцессоров.

Детекторы ядерных излучений

Некоторое значение для производства детекторов ядерного излучения имеет монокристаллический иодид висмута. Германат висмута (Bi₄Ge₃O₁₂, краткое обозначение BGO) — сцинтилляционный материал, применяется в ядерной физике, физике высоких энергий, компьютерной томографии, геологии.

Легкоплавкие сплавы

Синтетический кристалл висмута

Сплавы висмута с кадмием, оловом, свинцом, индием, таллием, ртутью, цинком и галлием, обладают очень низкой температурой плавления и применяются в качестве теплоносителей и припоев, а так же в медицине в качестве фиксирующих составов для сломанных конечностей. Некоторые легкоплавкие сплавы применяются в качестве элементов противопожарной сигнализации, в качестве специальных смазок работающих в вакууме и тяжелых условиях, в качестве клапанов (при расплавлении открывающих просвет для протекания жидкостей и газов (например ракетных топлив), в качестве предохранителей в мощных электрических цепях, в качестве уплотнительных прокладок в сверхвысоковакуумных системах, как термометрические материалы, как материалы для изготовления выплавляемых моделей в литье и т. д.

Измерение магнитных полей

Металлический висмут особой чистоты служит материалом для производства обмотки для измерения сверхсильных магнитных полей, ввиду того, что при увеличении магнитного поля электросопротивление висмута резко возрастает, и в то же время достаточно равномерно для того, чтобы по изменению сопротивления обмотки, изготовленной из него, судить о напряженности внешнего магнитного поля.

Производство полония-210

Некоторое значение висмут имеет в ядерной технологии при получении полония — важного элемента радиоизотопной промышленности.

Химические источники тока

Издавна оксид висмута в смеси с графитом используется в качестве положительного электрода в висмутисто-магниевых элементах (ЭДС 1,97—2,1 В, 120 Вт·ч/кг, 250—290 Вт·ч/дм³). Также в качестве положительного электрода в литиевых элементах находит применение висмутат свинца. Висмут в сплаве с индием находит применение в чрезвычайно стабильных и надежных ртутно-висмуто-индиевых элементах. Такие элементы прекрасно работают в космосе и в тех условиях, где важна стабильность напряжения, высокая удельная энергия, а снижение частоты отказов играет первостепенную роль (например, военные применения). Трёхфтористый висмут применяется для производства чрезвычайно энергоёмких (3000 Вт·ч/дм³, практически достигнутое — 1500—2300 Вт·ч/дм³) лантан-фторидных аккумуляторов.

Обработка прочных металлов и сплавов

В сплавах висмута (например, сплав Вуда, сплав Розе и др.) производят токарную, фрезерную обработку и сверление урана, вольфрама и его сплавов и других материалов, трудно поддающихся обработке резанием.

Ядерная энергетика

Малое сечение захвата висмутом тепловых нейтронов и значительная способность к растворению урана вкупе со значительной температурой кипения и невысокой агрессивностью к конструкционным материалам позволяют использовать висмут в гомогенных атомных реакторах.

Магнитные материалы

Интерметаллид марганец-висмут сильно ферромагнитен и производится в больших количествах промышленностью для получения пластичных магнитов. Особенностью и преимуществом такого материала является возможность быстрого и дешёвого получения постоянных магнитов (к тому же не проводящих ток) любой формы и размеров. Кроме того этот магнитный материал достаточно долговечен и обладает значительной коэрцитивной силой. Кроме соединений висмута с марганцем, также известны магнитотвёрдые соединения висмута с индием, хромом и европием, применение которых ограничено специальными областями техники вследствие либо трудностей синтеза (висмут-хром), либо высокой цены второго компонента(индий, европий).

Топливные элементы

Керамические фазы ВИМЕВОКС, включающие в свой состав оксид висмута с оксидами других металлов ванадий, медь, никель, молибден и др., — обладают очень высокой проводимостью при температурах 500—700 К и применяются для производства высокотемпературных топливных элементов.

Высокотемпературная сверхпроводимость

Керамики, включающие в свой состав оксиды висмута, ванадий, медь, никель, молибден и др. являются высокотемпературными сверхпроводниками. В последние годы при изучении этих сверхпроводников выявлены фазы, имеющие пики перехода в сверхпроводящее состояние при 155 К, и 175 К.

Производство тетрафторгидразина

Висмут в виде мелкой стружки или порошка применяется в качестве катализатора для производства тетрафторгидразина из трехфтористого азота, используемого в качестве мощнейшего окислителя ракетного горючего.

Электроника

Сплав состава 88 % Bi и 12 % Sb в магнитном поле обнаруживает аномальный эффект магнитосопротивления; из этого сплава изготовляют быстродействующие усилители и выключатели.

Вольфрамат, станнат-ванадат, силикат и ниобат висмута входят в состав высокотемпературных сегнетоэлектрических материалов. Феррит висмута применяется в качестве магнитоэлектрического материала.

Медицина

Из соединений висмута в медицинском направлении шире всего используют его трехокись Bi₂O₃. В частности, её применяют в фармацевтической промышленности для изготовления многих лекарств от желудочно-кишечных заболеваний, а также антисептических и заживляющих средств.

Оксохлорид висмута находит применение в медицине в качестве рентгеноконтрастного средства и в качестве наполнителя при изготовлении кровеносных сосудов. Кроме того в медицине находят широкое применение такие соединения висмута как: галлат, тартрат, карбонат, субсалицилат, субцитрат, трибромфенолят висмута. На основе этих соединений разработано множество медицинских препаратов.

В качестве противоязвенных средств используются: висмута трикалия дицитрат (висмута субцитрат) (код АТХ A02BX05), висмута субнитрат (A02BX12), ранитидина висмута цитрат (A02BA07).

Пигменты

Ванадат висмута применяется в качестве пигмента.

Косметика

В производстве лака для ногтей, губной помады, теней и др, оксохлорид применяется как блескообразователь.

Биологическая роль

Изотопы

Природный висмут состоит из одного изотопа ²⁰⁹Bi, который считался самым тяжёлым из существующих в природе стабильных изотопов. Однако в 2003 было экспериментально доказано, что он является альфа-радиоактивным с периодом полураспада 1,9±0,2×10¹⁹ лет.

Кроме ²⁰⁹Bi, известны ещё более трех десятков (пока 34) изотопов и ещё больше изомеров. Среди них есть три долгоживущих:

²⁰⁷Bi 31,55 год

²⁰⁸Bi 0,368×10⁶ лет

^210mBi 3,04×10⁶ лет

Все остальные радиоактивны и короткоживущи: периоды их полураспада не превышают нескольких суток.

Тринадцать изотопов висмута с массовыми числами от 197 до 208 и самый тяжелый ²¹⁵Bi получены искусственным путём, остальные — ²¹⁰Bi, ²¹¹Bi, ²¹²Bi, ²¹³Bi и ²¹⁴Bi — образуются в природе в результате радиоактивного распада ядер урана, тория, актиния и нептуния.

Периодическая система химических элементов Менделеева: