Висмут это — химический элемент обозначается знаком Bi (Bismuthum), V группы периодической системы элементов; ат. н. 83, ат. м. 208,9804. Серебристо-белый блестящий металл с розовым оттенком.
В соединениях проявляет степени окисления —3, +1, +2, +3, +4 и +5. Основная степень +3. Природный висмут состоит из изотопа 209Bi.
Из радиоактивных изотопов важнейший 210Bi. Установлено свыше 20 искусственных изотопов висмута с массовыми числами от 190 до 215.
Висмут был известен в 15—16 вв., но считался разновидностью олова, свинца или сурьмы. В 1739 нем. химик И. Потт установил, что висмут представляет собой самостоятельный элемент.
Содержание висмута в земной коре 2 х 10-5%Л Встречается в виде многочисленных минералов.
Промышленное значение имеют: висмут самородный, висмутин, бисмит, бисмутит, тетрадимит и козалит.
Висмут ромбоэдричеекая с периодом а = 4,7457 А и углом а = 57° 14″13″. Плотность (т-ра 20° С) 9,80, жидкого (т-ра 271,3° С), 10,07 г/см3; tпл 271,3° С; tкип 1560° С.
Температурный коэфф. линейного расширения 13,3 • 10 град , объемное расширение металла при затвердевании —3, 32% (т-ра 271,3° С), коэфф. теплопроводности 0,020 (т-ра 20° С), 0,018 (250° С), 0,037 (400° С), 0,037 кал/см . сек X X град (т-ра 700° С).
Удельная теплоемкость 0,0294 (т-ра 20° С), 0,034 (в жидком состоянии при т-ре 271,3° С), 0,0354 (400° С), 0,0397 кал/г • град (т-ра 800° С).
Удельное электрическое сопротивление 1,068 X 10-4 (т-ра 0—20° С), 1,602 X 10-4 (т-ра 100° С), 1,289 х 10-4 (т-ра 300°С), 1,452 х 10-4 (т-ра 600° С), 1,535 • 10-4 ом • см (т-ра 750°С). Т-ра перехода в сверхпроводящее состояние ~ 7 К.
Под влиянием магнитного поля электросопротивление висмута увеличивается в большей степени, чем у др. металлов, что используется для измерения индукции сильных магн. полей.
Предел прочности на растяжение 0,5— 2 кгс/мм2, модуль упругости 3200 кгс/мм2, модуль сдвига 1260 кгс/мм2, твердость по Бринеллю 9,3, по Моо-су 2,5
В интервале т-р 150—250° С сравнительно легко поддается прессованию.
Висмут — диамагнитный металл; магнитная восприимчивость 1,35 • 10-6. При плавлении В. восприимчивость уменьшается в 12,5 раза.
Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов у В. невелико — 0,034 барна. При обычных т-рах В. устойчив в сухом и влажном воздухе.
При нагревании выше т-ры 1000° С сгорает голубым пламенем с образованием окиси Bi2О3, к-рую применяют для получения висмутовых солей. В разбавленных растворах соли трехвалентного висмута легко гидролизуются.
Соли пятивалентного висмута — сильные окислители. Висмут реагирует при нагревании с парами фосфора, легко соединяется с галогенами и халькогенами.
Со многими металлами (натрием, калием, рубидием, цезием, магнием, кальцием ш др.) образует тугоплавкие интерметаллические соединения — висмутиды.
С легкоплавкими тяжелыми металлами (свинцом, оловом, кадмием, индием, ртутью) образует сплавы с tпл от 33 до 156° С.
Растворяется в азотной к-те, «царской водке», горячей концентрированной серной к-те, слабо растворим в соляной к-те.
В разбавленной серной и соляной к-тах не растворяется. Растворы щелочей без доступа кислорода химически на висмут не действуют.
Висмутовые руды почти всегда содержат примеси др. минералов до металлургической обработки общыно подвергаются обогащению мокрым и флотационным методами, часто применяют магнитную сепарацию.
В зависимости от состава руд и концентратов висмут извлекают пиро- или гидрометаллургическими способами, а также комплексными методами.
В мировой практике около 90% всего добываемого висмута получают из отходов свинцово-рафинировочных и медеплавильных заводов.
Полученный черновой висмут подвергают рафинированию огневым и мокрым способами, электролизом из растворов или из расплавов солей.
Металл высокой чистоты получают гидрометаллургическим рафинированием, кристаллофизическими методами, двухстадийной перегонкой, методом дистилляции с предварительной хим. очисткой.
Висмут плавят без флюсов при т-ре 300—400° С. Поскольку при обычных т-рах В. хрупок, его отливкам сразу придают нужную форму.
При т-ре 225° С В. становится более пластичным, его можно штамповать, а также протягивать, получая проволоку диаметром 0,254 мм.
Металлический висмут поставляют следующих квалификаций: В. особой чистоты (марок ВиОСЧ 10-3, ВиОСЧ 10-4, ВиОСЧ 11-4), выпускаемый в слитках массой до 1 кг (поверхность металла должна быть гладкой и блестящей).
Висмут технической чистоты (марок Bu00, ВиО, Bu1, Ви2), к-рый выпускают в слитках массой по 14—16 кг в виде усеченной пирамиды или в гранулах размером в поперечнике до 5 мм.
Висмут— наименее токсичен среди тяжелых металлов, но при вдыхании больших доз может вызвать смертельное отравление.
Основные потребители висмута — металлургическая, фармацевтическая, химическая и стекольная промышленность, ядерная и ракетная техника, электроника.
Легкоплавкие сплавы на его основе используют для сигнальных устройств (в частности, в автоматических огнетушителях), в различных припоях, при зубоврачебном протезировании и пр.
Мощные постоянных магниты делают из сплава марганец — висмут. Из сплава состава 88% Bi и 12% Sb изготовляют быстродействующие усилители и выключатели.
Добавка висмута (~ 6,01%) в сплавы на основе алюминия и железа улучшает пластичность материала и упрощает его обработку.
Жидкий висмут — теплоноситель в ядерных реакторах. Применяется как примесь донорного типа для выращивания монокристаллов германия.
Из соединений широко используется трехокись висмута Bi2О3 — в фармацевтической пром-сти, в производстве эмалей, фарфора, хрусталя, стекла.
Все большее применение находят соединения в полупроводниковой технике (AgBiS2), в фотоэлементах (BiAgCs).
Увеличивается потребление в соединениях с селеном и теллуром для произ-ва охлаждающих устройств, термостатов и термоэлектрогенераторов.
Эти соединения из-за благоприятного сочетания теплопроводности, электропроводности и термоэдс позволяют преобразовывать тепловую энергию непосредственно в электрическую (кпд прямого преобразования на основе теллурида висмута достигает 10—11%).
Ионизационный потенциал, электроотрицательность и окислительно-восстановительный потенциал резко снижаются при переходе к висмуту.
Восстановительная способность усиливается, однако устойчивость высшей степени окисления 4-5 невелика, так же как и связь с водородом в состоянии —3.
Установлен лишь сам факт существования висмутина BiH3, но надежные характеристики из-за его неустойчивости, отсутствуют.
В соединениях висмута встречаются степени окисления, характерные как для главной подгруппы (—3, +3, +5), так и свойственные побочным (+1, +2, +4).
Наиболее устойчивая +3, когда на связь в значительной степени ковалентную затрачивается с внешнего энергетического уровня три р-электрона.
Для висмута широко известна его металлическая модификация — серебристо-белая, с розовым отливом (tпл = 271,3°С, tкип = 1560°С).
При давлениях в 1010 Па (105 атм) обнаружено пять аллотропных модификаций, но свойства их не ясны.
Висмут хрупок и легко измельчается в порошок, изделия, изготовленные из него прессованием, хрупкие и легко ломаются.
Единственным оксидом висмута, изученным более или менее полно, является Bi2O3. Он устойчив, встречается в природе и известен как висмутовая охра.
Оксид Bi2O3 проявляет основные свойства, так как легко растворяется в кислотах :
Bi2O3 + 6HNO3 = 2Bi (NO3)3 + 3H2O
и незначительно — в растворах крепких щелочей.
В воде Bi2O3 нерастворим, а гидроксид получают осаждением щелочами из растворов солей :
Bi(NO3)3 + 3NaOH = 3NaNO3 + Bi(OH)3
Нитрат висмута, по-видимому, единственное основательно изученное его соединение. Известно, что при 30° С из бесцветных кристаллов соли начинает выделяться азотная кислота.
При 75,5° С нитрат разделяется на жидкость и основную соль, которую следует рас сматривать как смесь оксидов Bi2O3 · N2O5 · H2O. В результате гидролиза основная соль выпадает из водного раствора.
Состав соли , выпадающей в осадок, зависит от условий приготовления. Например, соли состава BiO(NО3)2 и Bi2O2(OH)NO3 можно считать солями катиона висмута ВiO⁺.
Основной нитрат висмута Bi2O2(OH)NO3 — известный в медицине антисептический препарат, применяемый при желудочно-кишечных заболеваниях.
Оксиды висмута никогда не были получены в чистом виде. Все же, аналогично сурьме, отмечают существование у висмута оксидов Bi2O4 и Bi2O5.
Коричневый порошок Bi2O4 имеет +3 +5 в своем составе Bi и Bi, а темный с красноватым оттенком Вi2О5 неустойчив и легко отщепляет кислород, переходя в Bi2O3.
Состав соответствующих им солей близок к КВiO2 и КВiO3, но никогда не совпадает с ними в точности, так как это скорее смешанные оксиды, чем соли.
Для висмута в степени окисления +5 характерны сильнейшие окислительные свойства, более значительные, чем у перманганата КМnO4 (марганцовки).
В достаточной степени изучены галогениды висмута BiF3 (белые, разлагающиеся при нагревании кристаллы); BiCl3 (темнеет на свету и обесцвечивается в темноте); BiBr3 (желтые кристаллы, устойчивые до 218°С); Bib (черное кристаллическое вещество с гПл = 439°С).
Имеются публикации, сообщающие о существовании BiCl, BiBr и Bil указывается, что эти соединения малоустойчивы.
Висмут встречается в природе в свободном состоянии и в составе полиметаллических руд. При извлечении накапливается в совместном концентрате со свинцом и извлекается одним из следующих способов:
Висмут используется как добавка к сплавам, понижающая температуру плавления, способствующая улучшению антифрикционных свойств. Некоторые соединения висмута используются в медицине.
Лит.: Основы металлургии, т. 5. Глазков Е. Н. Висмут. Ташкент , Глембоцкий В. А., Соколов Е. С
Статья на тему висмут