Висмут
Общие сведения
Висмут является химическим элементом с атомным номером 83, относящимся к группе постпереходных металлов. В виде простого вещества он представляет собой блестящий серебристый металл с характерным розоватым оттенком. Название элемента происходит от искаженного немецкого словосочетания, означающего белую массу, которое впоследствии было латинизировано в Средние века. В ту эпоху висмут активно использовался в алхимических опытах, часто смешивался с серебром и ошибочно принимался за свинец, сурьму или олово. В качестве самостоятельного минерала висмут был впервые выделен и описан Георгиусом Агриколой в 1546 году. Признание висмута отдельным химическим элементом произошло в 1739 году, а окончательное закрепление в химической номенклатуре состоялось в начале девятнадцатого века. В отличие от многих тяжелых металлов, висмут не обладает высокой токсичностью, считается безопасным для окружающей среды и человеческого организма, в котором он присутствует в норме в незначительных количествах.
Свойства и характеристики
Висмут представляет собой серебристо-белый металл с розоватым оттенком. Известно восемь кристаллографических модификаций этого элемента, семь из которых образуются исключительно при высоком давлении. Уникальным физическим свойством висмута является увеличение плотности при переходе из твердого состояния в жидкое, которая затем постепенно уменьшается по мере дальнейшего нагревания расплава. Удельное электрическое сопротивление металла возрастает с повышением температуры. Висмут является сильным диамагнетиком и демонстрирует явление диамагнитной левитации, при которой образец отклоняется от источника мощного магнитного поля. Металл не переходит в состояние сверхпроводимости даже при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю. При комнатной температуре висмут отличается хрупкостью и имеет грубозернистое строение в изломе, однако его монокристаллы обладают определенной пластичностью и способны изгибаться при медленном приложении усилия. В природе встречается единственный изотоп висмут-209. Долгое время он считался самым тяжелым из стабильных изотопов, однако экспериментально доказано, что он является чрезвычайно слабо радиоактивным с периодом полураспада, многократно превышающим возраст Вселенной. Известно также около тридцати искусственных радиоактивных изотопов висмута. В химических соединениях элемент проявляет степени окисления минус три, плюс один, плюс два, плюс три, плюс четыре и плюс пять. При комнатной температуре в сухом воздухе металл не окисляется, а во влажной среде покрывается тонкой оксидной пленкой. При нагревании до 500 градусов Цельсия наблюдается заметное окисление, а при температуре выше 1000 градусов металл сгорает с образованием триоксида висмута. Существует также пентаоксид висмута. Висмут способен растворять фосфор, но не растворяет водород, хотя гидриды висмута синтезированы и являются неустойчивыми соединениями. Металл реагирует с серой и сернистым газом, образуя сульфиды, а также активно взаимодействует с галогенами с образованием соответствующих галогенидов. Висмут проявляет химическую стойкость к воздействию разбавленной серной и концентрированной соляной кислот, но растворяется в азотной, хлорной кислотах и царской водке. Взаимодействие с тетроксидом диазота приводит к образованию нитрата, а с концентрированной серной кислотой образуется сульфат висмута. С другими металлами висмут образует интерметаллиды, называемые висмутидами. Также получены различные висмуторганические соединения, в том числе триметилвисмут и трифенилвисмут.
Нахождение в природе
В земной коре висмут встречается как в форме собственных минералов, так и в виде примесей в различных сульфидах и сульфосолях. Известны такие минералы, как самородный висмут, висмутин, тетрадимит, козалит, бисмит, висмутит и виттихенит. В мировой практике около 90 процентов всего добываемого висмута извлекается попутно при металлургической переработке свинцово-цинковых, медных и оловянных руд. Доля висмута в таких концентратах обычно составляет лишь десятые или сотые доли процента, а месторождения с содержанием висмута более одного процента встречаются крайне редко. Повышенные концентрации элемента могут накапливаться в пегматитах. Собственные висмутовые месторождения являются редкостью, чаще всего металл добывается из комплексных руд, включая вольфрам-медно-висмутовые, золото-висмутовые, мышьяк-висмутовые и кварц-висмутовые. Существуют также пятиэлементные формации, содержащие висмут наряду с ураном и серебром. Мировой объем добычи висмута относительно невелик и составляет менее 15 тысяч тонн в год. Основное производство сосредоточено в Китае, который активно наращивает объемы выпуска из-за растущей потребности промышленности. Месторождения висмута также разрабатываются в Боливии, Австралии, Германии, Монголии, Перу и России.
Получение
Получение висмута осуществляется методами пирометаллургии и гидрометаллургии из полиметаллических, медных и свинцовых концентратов. При переработке медных концентратов из сульфидных соединений висмут извлекают методом осадительной плавки с использованием железного скрапа и флюса. В случае переработки окисленных руд висмут восстанавливают углеродом под слоем легкоплавкого флюса. В качестве альтернативного восстановителя может применяться сульфит натрия, который при температуре 800 градусов Цельсия переводит оксид висмута в сульфид, после чего с помощью соды происходит восстановление до чистого металла. При получении висмута из чернового свинца, образующегося в ходе переработки свинцовых концентратов, применяют магний или кальций. Висмут скапливается в верхних слоях расплава в виде интерметаллических соединений. Дальнейшая очистка от примесей кальция и магния проводится путем переплавки под слоем щелочи с добавлением окислителя. Гидрометаллургический метод демонстрирует высокие экономические показатели и позволяет получать чистый продукт даже из бедных полиметаллических концентратов. Этот способ базируется на растворении висмутсодержащих руд, полупродуктов и сплавов в соляной и азотной кислотах с последующим выщелачиванием образовавшихся растворов. Для получения висмута высокой чистоты применяются методы гидрометаллургического рафинирования, зонной плавки и двухстадийной перегонки. В зависимости от содержания примесей металл разделяют на несколько марок, от технических до особо чистых. Очистка металла до наивысших марок требует применения сложных и дорогостоящих технологий, что существенно отражается на итоговой стоимости продукта, необходимого для научных исследований и синтеза новых элементов.
Применение
Висмут и его соединения находят широкое применение в различных отраслях промышленности, науке и медицине. В металлургии металл используется для производства автоматных и нержавеющих сталей, а также выступает легирующей добавкой в сплавах на основе алюминия. Легкоплавкие сплавы висмута с кадмием, оловом, свинцом, индием, таллием, ртутью, цинком и галлием отличаются экстремально низкими температурами плавления. Одним из наиболее известных составов является сплав Вуда. Подобные материалы применяются для надежной фиксации хрупких деталей из урана или вольфрама на металлорежущих станках, в качестве теплоносителей, припоев, элементов пожарной сигнализации, клапанов, предохранителей, уплотнительных прокладок и выплавляемых моделей в литейном производстве. Сплавы висмута со свинцом и ртутью плавятся при трении и используются для изготовления металлических карандашей, а также применяются в качестве термометрических жидкостей. В электронике сплав висмута и сурьмы используется благодаря выраженному эффекту магнетосопротивления. Сложные оксидные соединения, такие как вольфраматы, станнаты, ванадаты, силикаты и ниобаты висмута, входят в состав высокотемпературных сегнетоэлектрических материалов. Феррит висмута в виде тонких пленок представляет собой перспективный магнитоэлектрический материал. Интерметаллид марганца и висмута обладает ферромагнитными свойствами и применяется для создания пластичных магнитов. Висмут также востребован в производстве полупроводниковых материалов, термоэлектрических приборов, детекторов ядерных излучений и оборудования для измерения магнитных полей. В химической промышленности триоксид висмута служит катализатором при синтезе акриловых полимеров и крекинге нефти. Биметаллические частицы висмута и палладия применяются в качестве катализатора для получения молочной кислоты из глицерина. В области химических источников тока оксид висмута в смеси с графитом используется как электрод в висмутисто-магниевых элементах, а висмутат свинца выполняет функцию положительного электрода в литиевых батареях. Сплавы висмута с индием применяются в высокостабильных ртутно-висмуто-индиевых элементах, используемых в космической технике, а трифторид висмута востребован в производстве лантанных аккумуляторов. Оксид висмута, легированный оксидами других переходных металлов, обладает высокой электропроводностью. Металл также служит основным сырьем для искусственного синтеза полония. В ядерной энергетике эвтектический сплав висмута и свинца используется в качестве жидкометаллического теплоносителя в ядерных реакторах. Керамические материалы на основе оксида висмута находят применение в специализированных областях, а соединения висмута выступают катализаторами при производстве тетрафторгидразина, используемого в качестве ракетного горючего. В медицине соединения висмута ценятся за их безопасность и терапевтическую эффективность. Оксид висмута и другие соли применяются для лечения желудочно-кишечных заболеваний, в частности для эрадикации бактерии хеликобактер пилори при терапии язвенной болезни. Препараты на основе висмута действуют как антисептики и заживляющие агенты, входят в состав различных мазей, а также исследуются в качестве противоопухолевых средств в онкологии. Оксид-хлорид висмута используется как рентгеноконтрастное вещество. В косметической промышленности безопасные соединения висмута применяются в качестве пигментов при производстве губной помады и лаков для ногтей. Благодаря отсутствию токсичности висмут все чаще используется в качестве экологичной альтернативы свинцу в бессвинцовых припоях и других промышленных материалах.