Висмут

ВИСМУТ (латинский Bismuthum), Bi, химический элемент V группы короткой формы (15-й группы длинной формы) периодических системы; атомный номер 83, атомная масса 208,98038. В природе один стабильный изотоп ²⁰⁹Bi и короткоживущие радиоактивные изотопы с массовыми числами 210-215 (члены природных радиоактивных рядов); искусственно получены радиоактивные изотопы с массовыми числами 185-216.

Историческая справка. Впервые висмут описан в рукописях алхимиков 15 века, но долгое время считался разновидностью олова, свинца или сурьмы. В 16-17 веках использовался как компонент сплавов, соли применялись в медицине и для изготовления косметических средств. Химическая индивидуальность висмута установлена в 1739 году немецким химиком И. Поттом. Происхождение названия «висмут» не установлено.

Распространённость в природе. Содержание висмута в земной коре 1,7·10^-5% по массе. Основные минералы: висмут самородный, висмутин, бисмит, бисмутит, тетрадимит, козалит (смотри Висмутовые руды).

Свойства. Конфигурация внешней электронной оболочки атома висмута 6s²6р³; в соединениях проявляет степени окисления +3 (наиболее типична), +5, -3, очень редко +1 и +2. Электроотрицательность по Полингу 2,02; атомный радиус 182 пм, радиус иона Bi³⁺ 117 пм (координационное число 6). Энергия ионизации при последовательном переходе от Bi⁰ к Bi⁵⁺: 703, 1610, 2466, 4372, 5400 кДж/моль.

Висмут - серебристо-серый металл с розоватым оттенком, хрупкий. Может существовать в нескольких кристаллическая модификациях, из которых при атмосферном давлении устойчива ромбоэдрическая. Висмут - один из самых легкоплавких металлов, t_пл 271,4 °С, t_кип 1564 °С; при 293 К плотность 9780 кг/м³, удельное электрическое сопротивление 130·10^-8 Ом м, теплопроводность 8,41 Вт/(м·К). Висмут диамагнитен, удельная магнитная восприимчивость -1,684·10^-8 м³/кг.

При обычной температуре в сухом воздухе висмут устойчив; выше 600 °С окисляется до оксида Bi₂О₃. При нагревании реагирует с галогенами. При сплавлении с серой образует сульфид Bi₂S₃, с селеном и теллуром - соответственно селениды и теллуриды. Висмут не реагирует с Н₂, С, N₂, Si. Жидкий висмут незначительно растворяет фосфор. С большинством металлов при сплавлении образует интерметаллические соединения - висмутиды, например Na₃Bi, Mg₃Bi. Растворяется только в окисляющих кислотах, например в НNО₃ с образованием Bi(NO₃)₃, в царской водке с образованием BiCl₃. С концентрированной Н₂SO₄ при нагревании образует гидросульфат BiH(SO₄)₂. Соединения Bi(V) - сильные окислители.

Большинство соединений висмута нетоксичны, поскольку при попадании в пищеварительный тракт подвергаются гидролизу с образованием малорастворимых продуктов, которые не всасываются через стенки желудочно-кишечного тракта. На этом основано применение лекарственных препаратов висмута, например основного нитрата висмута - смесь BiOOH, Bi(ОН)₂NO₃ и BiONO₃. Поскольку висмут легко образует соединения с аминами, попадание растворимых соединений висмута в организм приводит к угнетению ферментов амино- и карбоксипептидаз.

Получение. Обычно висмут производят из свинцовых и других полиметаллических руд; содержание висмута в рудах составляет десятые или сотые доли процента. При переработке руд висмут попадает в свинцовые и медные концентраты, из которых получают основную часть добываемого висмута. При получении висмута как побочного продукта переработки свинцовых руд в расплав свинца вводят Mg и Са (иногда К), при этом висмут переходит в поверхностные слои в виде висмутидов активных металлов. Висмутиды сплавляют с NaOH; образующийся при этом сплав подвергают электролизу во фторосиликатной ванне с получением шламов, которые далее переплавляют на черновой висмут. Собственно висмутовые концентраты получают обогащением висмутовых руд флотацией и другими способами. Перерабатывают концентраты либо путём восстановительной плавки (содовой или щелочной), либо осадительной плавкой с добавлением металлического железа.

Черновой висмут очищают хлорированием, иодированием, зонной плавкой; висмут технической чистоты - растворяя металл в азотной кислоте и подвергая затем получившийся при этом нитрат висмута гидролизу с образованием BiO(NO₃). На конечной стадии Bi(III) восстанавливают углеродом до металла.

Объём мирового производства около 3 тыс. т/год.

Применение. Вследствие расширения объёма при переходе висмута из расплавленного состояния в твёрдое его сплавы с другими металлами используют при изготовлении литья сложного профиля. Легкоплавкие сплавы висмута (например, сплав Вуда с t_пл 68 °С, сплав Розе с t_ПЛ 94 °С) применяют при изготовлении матриц и форм для литья пластмасс, легкоплавких пробок, предохранителей и пр. в противопожарной аппаратуре. Висмут - компонент припоев, баббитов и пр. Металлический висмут используется как полупроводниковый материал для термоэлектрических генераторов, расплавленный висмут - в качестве теплоносителя в ядерных реакторах. Сплавы висмута с марганцем - для производства мощных постоянных магнитов. Висмут входит в состав высокотемпературных сверхпроводников, например Bi₂Sr₂CaCu₂0_8+δ и Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+δ. Висмут и его соединения применяют в производстве лекарственных и косметических средств.

Лит.: Глазков Е. Висмут. Таш., 1969; Полывянный И. Р., Абланов А. Д., Батырбекова С. А. Висмут. А. А., 1989; Юхин Ю. М., Михайлов Ю. И. Химия висмутовых соединений и материалов. Новосиб., 2001.