Висмут

Висмут
← Свинец | Полоний →
83 Sb ↑ Bi ↓ Mc 83Bi
Внешний вид простого вещества
Блестящий серебристый металл
Образцы висмута без оксидной плёнки
Свойства атома
Название, символ, номер	Ви́смут (устар. Би́смут)/Bismuthum (Bi), 83
Атомная масса (молярная масса)	208,98040(1)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Xe] 4f14 5d10 6s2 6p3[2]
Электроны по оболочкам	2, 8, 18, 32, 18, 5
Радиус атома	170 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	146 пм
Радиус иона	(+5e) 74 (+3e) 96 пм
Электроотрицательность	2,02 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	Bi←Bi3+ 0,23 В
Степени окисления	−3, +1, +2, +3, +4, +5
Энергия ионизации (первый электрон)	702,9 (7,29) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	9,79 г/см³
Температура плавления	271,44 °C, 544,5 K
Температура кипения	1837 K
Мол. теплота плавления	11,30 кДж/моль
Мол. теплота испарения	172,0 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	26,0[3] Дж/(K·моль)
Молярный объём	21,3 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	ромбоэдрическая[3]
Параметры решётки	α=57,23°, a=4,746 Å
Отношение c/a	-
Температура Дебая	120,00 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 7,9 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-69-9

Ви́смут —

Природный висмут, представленный одним изотопом ²⁰⁹Bi, долгое время считался стабильным (нерадиоактивным) элементом, но в 2003 году был экспериментально обнаружен его крайне медленный альфа-распад. До этого момента висмут-209 считался самым тяжёлым из существующих ныне стабильных изотопов. Период полураспада висмута (²⁰⁹Bi) составляет (1,9 ± 0,2)⋅10¹⁹ лет, что больше возраста Вселенной на девять порядков.

Предположительно латинское Bismuthum или bisemutum происходит от немецкого weisse Masse, «белая масса»[5].

В

Однако висмут не был отнесён к самостоятельному элементу, и полагали, что он является разновидностью свинца, сурьмы или олова. Впервые о висмуте упоминается в 1546 году в трудах немецкого минералога и металлурга Георгиуса Агриколы. В 1739 году немецкий химик И. Г. Потт^[англ.] установил, что висмут является всё-таки отдельным химическим элементом. Через 80 лет шведский химик Берцелиус впервые ввёл символ элемента Bi в химическую номенклатуру^[7].

Висмут —

Удельное электрическое сопротивление висмута равно 1,2 мкОм·м при +17,5 °C и повышается с ростом температуры. Интересной особенностью является то, что удельное сопротивление при плавлении уменьшается: у твёрдого висмута (при 269 °C) оно составляет 2,67 мкОм·м, а в жидком состоянии (при 272 °C) — лишь 1,27 мкОм·м.

Температурный коэффициент линейного расширения равен 13,4·10⁻⁶ К⁻¹ при 293 К (+20 °C).

По сравнению с другими металлами висмут, как и ртуть, обладает низкой теплопроводностью, равной 7,87 Вт/(м·К) при 300 К.

Висмут является

Модуль упругости: 32—34 ГПа.

Модуль сдвига: 12,4 ГПа^[7].

Природный висмут состоит из одного

Изотопы висмута с массовыми числами с 184 по 208 и с 215 по 218 получены искусственным путём, остальные — ²¹⁰Bi, ²¹¹Bi, ²¹²Bi, ²¹³Bi и ²¹⁴Bi — образуются в природе, входя в цепочки радиоактивного распада ядер урана-238, урана-235 и тория-232.

В соединениях висмут проявляет степени окисления −3, +1, +2, +3, +4, +5. При комнатной температуре в среде сухого воздуха не окисляется, но в среде влажного воздуха покрывается тонкой плёнкой оксида. Нагрев до температуры плавления приводит к окислению висмута, которое заметно интенсифицируется при 500 °C. При достижении температуры выше 1000 °C сгорает с образованием оксида Bi₂O₃^[7]:

${\displaystyle {\mathsf {4Bi+3O_{2}\ {\xrightarrow {\ }}2Bi_{2}O_{3}}}}$

Взаимодействие озона с висмутом приводит к образованию оксида Bi₂O₅.

Незначительно растворяет фосфор. Водород в твёрдом и жидком висмуте практически не растворяется, что свидетельствует о малой активности водорода по отношению к висмуту. Известны гидриды Bi₂H₂ и

Взаимодействие висмута с серой или с сернистым газом сопровождается образованием сульфидов BiS, Bi₂S₃.

${\displaystyle {\mathsf {Bi+S\ {\xrightarrow {510^{o}C}}\ BiS}}}$

${\displaystyle {\mathsf {2Bi+3S\ {\xrightarrow {300-400^{o}C}}\ Bi_{2}S_{3}}}}$

Висмут проявляет стойкость по отношению к концентрированной соляной и разбавленной серной кислотам, но растворяется в азотной и хлорной кислоте, а также в царской водке^{[источник не указан 989 дней]}.

${\displaystyle {\mathsf {Bi+4HNO_{3}\ {\xrightarrow {}}\ Bi(NO_{3})_{3}+NO\uparrow +2H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Bi+3HCl+HNO_{3}\ {\xrightarrow {}}\ BiCl_{3}+NO\uparrow +2H_{2}O}}}$

Висмут реагирует с тетраоксидом диазота с образованием нитрата висмута:

${\displaystyle {\mathsf {Bi+3N_{2}O_{4}\ {\xrightarrow {70-110^{o}C}}\ Bi(NO_{3})_{3}+3NO\uparrow }}}$

С концентрированной серной кислотой реагирует с образованием сульфата висмута:

${\displaystyle {\mathsf {2Bi+6H_{2}SO_{4}\ {\xrightarrow {}}\ Bi_{2}(SO_{4})_{3}+3SO_{2}\uparrow +6H_{2}O}}}$

Взаимодействие висмута с фтором, хлором, бромом и иодом сопровождается образованием различных галогенидов:

${\displaystyle {\mathsf {2Bi+5F_{2}\ {\xrightarrow {600-700^{o}C}}\ 2BiF_{5}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {2Bi+3Cl_{2}\ {\xrightarrow {200^{o}C}}\ 2BiCl_{3}}}}$

С металлами способен образовывать интерметаллиды — висмутиды^[3][13].

Висмут также способен образовывать висмуторганические соединения, такие, как триметилвисмут Bi(CH₃)₃ и трифенилвисмут Bi(C₆H₅)₃.

Содержание висмута в земной коре — 2⋅10⁻⁵ % по массе, в морской воде — 2⋅10⁻⁵ мг/л^[3].

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, а также руд других металлов, являются самородный висмут (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), висмутит Bi₂CO₃(OH)₄ (88,5—91,5 % Bi), виттихенит Cu₃BiS₃, галеновисмутит PbBi₂S₄, айкинит CuPbBiS₃.

Висмут в повышенных концентрациях накапливается в месторождениях различных генетических типов: в пегматитах, в контактово-метасоматических, а также в высоко- и среднетемпературных гидротермальных месторождениях. Собственно висмутовые месторождения имеют ограниченное распространение и обычно этот металл образует комплексные руды с другими металлами в ряде рудных формаций гидротермальных месторождений^[14]. Среди них выделяются следующие:

1. Вольфрам-медно-висмутовые
2. Месторождения пятиэлементной формации (Co-Ni-Bi-Ag-U)
3. Золото-висмутовые
4. Мышьяк-висмутовые
5. Медно-висмутовые
6. Кварц-висмутовые

Висмут — достаточно редкий металл, и его мировая добыча/потребление едва превышает 6000 тонн в год (от 5800 до 6400 тонн в год). На середину 2020-х количество висмута, доступное на мировом рынке, составляет менее 15 тыс. т., возможность же ещё нарастить дополнительные мощности для его производства ограничены объемом в 4 тыс. т. Уже сейчас заметна тенденция роста потребности в висмуте для припоев: за период с 2006 по 2015 год объем производства висмута, основная доля которого используется в припоях, возросла с 5000 до 10 000 т; Китай, производящий львиную долю мировой микроэлектроники, увеличил за этот период производство висмута с 1900 до 7500 т, и к 2021 году — до 11,5 тыс. т.^[15]

Месторождения

Известны месторождения висмута в Боливии, Австралии (на острове Тасмания), Германии, Монголии^{[нет в источнике]}, Перу, России, а также в других странах^[16].

Получение висмута основано на переработке полиметаллических медных и свинцовых концентратов и висмутовых руд методами пирометаллургии и гидрометаллургии. Для получения висмута из сульфидных соединений висмута, получаемых при попутной переработке медных концентратов, используют осадительную плавку с железным скрапом и флюсом.

Процесс идёт по реакции:

${\displaystyle {\mathsf {Bi_{2}S_{3}+3Fe\rightarrow 2Bi+3FeS}}}$

В случае использования окисленных руд висмут восстанавливают углеродом под слоем легкоплавкого флюса при температурах 900—1000 °C:

${\displaystyle {\mathsf {Bi_{2}O_{3}+3C\rightarrow 2Bi+3CO}}}$

Сульфидные руды могут быть переведены в оксидные по реакции:

${\displaystyle {\mathsf {2Bi_{2}S_{3}+9O_{2}\rightarrow 2Bi_{2}O_{3}+6SO_{2}}}}$

Вместо углерода может быть использован сульфит натрия, который восстанавливает оксид висмута(III) при температуре 800 °C по реакции:

${\displaystyle {\mathsf {Bi_{2}O_{3}+3Na_{2}SO_{3}\rightarrow 2Bi+3Na_{2}SO_{4}}}}$

Сульфид висмута может быть восстановлен до висмута с помощью соды при температуре около 950 °C или с помощью гидроксида натрия при температуре 500—600 °C. Реакции этих процессов имеют следующий вид:

${\displaystyle {\mathsf {4Bi_{2}S_{3}+12Na_{2}CO_{3}\rightarrow 8Bi+9Na_{2}S+3Na_{2}SO_{4}+12CO_{2}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {4Bi_{2}S_{3}+24NaOH\rightarrow 8Bi+9Na_{2}S+3Na_{2}SO_{4}+12H_{2}O}}}$

Получение висмута из чернового свинца, который образуется при переработке свинцовых концентратов, состоит в выделении висмута с помощью магния или кальция. При этом висмут скапливается в верхних слоях в виде соединения CaMg₂Bi₂. Дальнейшая очистка от Ca и Mg происходит при переплаве под слоем щёлочи с добавкой окислителя (NaNO₃). Полученный продукт подвергают электролизу с получением шлама, который переплавляют в черновой висмут^[3].

Гидрометаллургический способ получения висмута характеризуется более высокими экономическими показателями и чистотой полученного продукта при переработке бедных полиметаллических концентратов. В основе способа лежит процесс растворения висмутосодержащих руд, полупродуктов, сплавов азотной и соляной кислотами и последующего выщелачивания образовавшихся растворов. Выщелачивание проводят с помощью серной кислоты или электрохимическим выщелачиванием растворами хлорида натрия. Дальнейшее извлечение и очистка висмута проводится методами экстракции^[17].

Получение висмута высокой чистоты основано на методах гидрометаллургического рафинирования, зонной плавки и двухстадийной перегонки.

В зависимости от степени чистоты металла висмут разделяют на несколько марок. В порядке увеличения степени чистоты это марки Ви2, Ви1, Ви00 , ГОСТ 10928-90 нормирует содержание примесей в этих марках не более 3 %, 2 % и 0,02 % соответственно^[18]. Выпускаются также особо чистые марки висмута Ви000^[19], Ви0000^[19]. Цена на металлический висмут существенно зависит от его чистоты. Средневзвешенная цена на мировом рынке на конец 2016 года составляла около 10 $/кг^[20]. Покупателями марок высокой степени очистки являются научные центры, в частности висмут используют для синтеза других элементов^[21].

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску). Информация должна быть проверяема, иначе она может быть удалена. Вы можете отредактировать статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок. (13 февраля 2013)

Висмут имеет большое значение для производства так называемых «автоматных сталей», особенно нержавеющих, и очень облегчает их обработку резанием на станках-автоматах (токарных, фрезерных и других) 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.

Легкоплавкие сплавы висмута (например, сплав Вуда, сплав Розе и другие) используются для крепления заготовок деталей^[как?] из урана, вольфрама и их сплавов и других материалов, трудно поддающихся обработке резанием, на металлорежущих станках (токарных, фрезерных сверлильных и других).^{[источник не указан 350 дней]}

Сплавы висмута с другими легкоплавкими веществами (кадмием, оловом, свинцом, индием, таллием, ртутью, цинком и галлием) обладают очень низкой температурой плавления (некоторые — ниже температуры кипения воды, а наиболее легкоплавкий состав с висмутом имеет температуру плавления около +41 °C^[22]). Наиболее известны сплав Вуда и не содержащий ядовитого кадмия сплав Розе.

Легкоплавкие сплавы используются как:

• теплоносители, особенно перспективен как теплоноситель для ядерных реакторов^[6];
• припои;
• детали устройств пожарной сигнализации и автоматического пожаротушения;
• специальные смазки, работающие в вакууме и в условиях высоких температур, когда органические смазки неприменимы;
• детали клапанов, расплавление которых открывает сечение для протекания жидкостей и газов, например, ракетных топлив;
• предохранители в мощных электрических цепях
  ;
• сверхвысоковакуумных
  установках;
• Сплав висмута со свинцом и ртутью плавится при трении и используется для изготовления металлических карандашей[6];
• фиксирующие материалы для сломанных костей конечностей в медицине;
• термометрические жидкости в жидкостных термометрах;
• материалы для изготовления выплавляемых моделей в литейном деле и так далее.

Сплав состава 88 % Bi и 12 %

Феррит висмута BiFeO₃ в виде тонких плёнок является перспективным магнитоэлектрическим материалом.

Висмут — один из компонентов бессвинцовых припоев, а также легкоплавких припоев, используемых для монтажа особо чувствительных СВЧ-компонентов.

В производстве полимеров трёхокись висмута служит катализатором, и её применяют, в частности, при получении акриловых полимеров.
При крекинге нефти некоторое применение находит оксид-хлорид висмута. Биметаллические наночастицы из висмута и палладия, вместе с полимерным комплексом циркония, входят в состав катализатор для получения молочной кислоты из глицерина^[23].

Висмут применяется в полупроводниковых материалах, используемых, в частности, в

Некоторое значение для производства детекторов ядерного излучения имеет монокристаллический иодид висмута.

Из металлического висмута особой чистоты изготавливают обмотки для измерения магнитных полей, так как электросопротивление висмута существенно и практически линейно зависит от магнитного поля, что позволяет измерять напряжённость внешнего магнитного поля, измеряя сопротивление обмотки, изготовленной из него.

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 ценой второго компонента (индий, европий).

Оксид висмута(III) в смеси с графитом используется в качестве положительного электрода в висмутисто-магниевых элементах (ЭДС 1,97—2,1 В с удельной энергоёмкостью 120 Вт·ч/кг, 250—290 Вт·ч/дм³).

Висмутат свинца находит применение в качестве положительного электрода в литиевых элементах.

Висмут в сплаве с индием применяется в чрезвычайно стабильных и надёжных ртутно-висмуто-индиевых элементах. Такие элементы прекрасно работают в космосе и в тех условиях, где важна стабильность напряжения, высокая удельная энергоёмкость, а надёжность играет первостепенную роль (например, военные и аэрокосмические применения).

Трёхфтористый висмут применяется для производства чрезвычайно энергоёмких лантан-фторидных аккумуляторов (теоретически до 3000 Вт·ч/дм³, практически достигнута — 1500—2300 Вт·ч/дм³).

Оксид висмута (керамические фазы ВИМЕВОКС), легированный оксидами других металлов (ванадий, медь, никель, молибден и другие), обладает очень высокой электропроводимостью при температурах 500—700 К и применяется для производства высокотемпературных топливных элементов.

Некоторое значение висмут имеет в ядерной технологии при получении

Эвтектический сплав висмут-свинец используется в ядерных реакторах с жидкометаллическим теплоносителем. В частности, в советском подводном флоте такие реакторы использовались на подлодке К-27 и семи подлодках проекта 705 («Лира»).

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, пока не вышедших из стадии экспериментальных разработок.

Керамики, включающие в свой состав оксиды висмута, кальция, стронция, бария, меди, иттрия и других, являются высокотемпературными сверхпроводниками. В последние годы при изучении этих сверхпроводников выявлены фазы, имеющие пики перехода в сверхпроводящее состояние при 110 К.

Висмут в виде мелкой стружки или порошка применяется в качестве

Из соединений висмута в медицине шире всего используют его трёхокись Bi₂O₃. В частности, её применяют в фармацевтической промышленности для изготовления многих лекарств от желудочно-кишечных заболеваний^[24], а также антисептических и заживляющих средств. Кроме того, в последнее время на её основе разрабатывается ряд противоопухолевых препаратов для лечения онкологических заболеваний^{[источник не указан 350 дней]}.

Оксид-хлорид 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, как

Ванадат висмута применяется в качестве пигмента (ярко-жёлтый цвет).

Оксид-хлорид висмута применяется как блескообразователь в производстве лака для ногтей, губной помады, теней и другого.

Висмут является относительно безопасным для окружающей среды. Это позволяет использовать дробь и грузила из висмута взамен традиционного и токсичного свинца^[25].

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску). Информация должна быть проверяема, иначе она может быть удалена. Вы можете отредактировать статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок. (13 февраля 2013)

Содержание висмута в человеческом организме составляет:

• мышечная ткань — 0,32×10⁻⁵ %
• костная ткань — менее 0,2×10⁻⁴ %
• кровь — ~0,016 мг/л
• ежедневный приём с пищей 0,005—0,02 мг.

Содержание в организме среднего человека (масса тела ~70 кг) невелико, но точные данные отсутствуют. Данные о токсической и летальной дозах также отсутствуют^[26]. Однако известно, что висмут при пероральном приёме малотоксичен. Это кажется неожиданным, так как обычно тяжёлые металлы весьма ядовиты, но объясняется лёгкостью гидролиза растворимых соединений висмута. В интервале величин pH, встречающихся в человеческом организме (за исключением, может быть, желудка) висмут практически полностью осаждается в виде нерастворимых основных солей. Тем не менее, при совместном приёме висмута с веществами, способными перевести его в раствор (глицерин, молочная кислота и тому подобные) возможно тяжёлое отравление. При проглатывании большого количества концентрированных растворов нитрата и других солей висмута значительную опасность представляет высокая концентрация свободной кислоты, образовавшейся вследствие гидролиза.

Склонностью к гидролизу и низкой токсичностью обусловлено применение основных солей (субцитрата, основного нитрата и других) висмута в качестве препаратов для лечения язвы желудка. Помимо нейтрализации кислоты и защиты стенок желудка коллоидным осадком, висмут проявляет активность против бактерии Helicobacter pylori, которая играет существенную роль в развитии язвенной болезни желудка.

• Список стран по производству висмута

• Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов. — Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. — С. 187—192. — 356 с.
• Венецкий С.И. "Командировка" в космос (Висмут) // О редких и рассеянных (Рассказы о металлах) (рус.). — Москва: Металлургия, 1980. — 200 000 экз.

• Висмут на Кристаллов. NET
• Висмут на Webelements
• Висмут в Популярной библиотеке химических элементов