Bismut • Alexander Samigullin • Vědecký obrázek dne na téma „Prvky“ • Geologie, chemie, fyzika

Na obrázku je bismut, stříbřitý kov známý pro své krásné a neobvyklé krystalové tvary. Křišťál, který vidíte, je vypěstován uměle – lze to snadno udělat i doma, stačí roztavit vizmut a nechat vychladnout. V pevném stavu má tento kov nižší hustotu než v kapalném stavu a při vytvrzení výrazně expanduje do objemu. Když se tedy roztavený vizmut ochladí, krystaly začnou samy růst a získávají bizarní tvar, který je způsoben nerovnoměrným růstem krystalu: na okrajích je proces mnohem intenzivnější než ve středu, a proto se objevuje stupňovitá pravoúhlá spirálovitá struktura.

Krásné duhové zbarvení krystalu je dáno oxidovým filmem vytvořeným na povrchu. Na krystalech čistého vizmutu (asi 98 %) se tvoří sám a při velkém množství nečistot krystal zešedne. To však lze napravit aplikací směrovaného proudu kyslíku na chladící kov. Dokonce i kmeny Inků hojně využívaly bismut při výrobě čepelových zbraní, což dodávalo jejich mečům zvláštní krásu a duhový lesk.

Syntetizovaný krystal bismutu a 1 cm³ kostka kovového bismutu. Fotografie z en.wikipedia.org

S tímto úžasným kovem se setkali i středověcí horníci v domnění, že je to napůl stříbro, olovo nebo antimon, protože se nejčastěji nacházel společně s jejich rudami. První zmínka o vizmutu jako samostatném kovu se vyskytuje v roce 1546 v dílech otce mineralogie Georgiuse Agricoly a o 273 let později získal vizmut svůj vlastní symbol Bi a místo v chemické nomenklatuře od zakladatele moderních symbolů pro chemické prvky Jönse Jacoba Berzelia.

Bismut ve své přírodní, minerální formě. Fotografie z en.wikipedia.org

Bismut je zajímavý také svými fyzikálními vlastnostmi. Má mnoho alotropních modifikací (látky podobné kvalitativním složením, ale lišící se strukturou a vlastnostmi) – zejména se vyznačuje změnami krystalové mřížky, což má klíčový význam při výrobě velmi přesných a tvarově složitých litých výrobků, protože tvar vizmutu lze měnit bez poškození struktury. Vizmut je navíc nejsilnější diamagnetický ze všech kovů. Diamagnet je látka, která může být magnetizována v opačném směru, než je aplikované magnetické pole; Mezi nekovy patří mezi diamagnetické látky například vodík, dusík a inertní plyny. Účinek vizmutového diamagnetismu lze snadno pozorovat bez speciálního vybavení: pokud je umístěn mezi póly běžného magnetu, pak při pokusu odrazit od obou pólů stejnou silou zaujme pozici ve stejné vzdálenosti od nich. Jedná se o tzv. diamagnetickou levitaci (viz video níže).

Diamagnetická levitace vizmutu. Video z youtube.com

Je zajímavé, že rozsah použití vizmutu není omezen na metalurgii a přesné strojírenství. Velmi často se jeho sloučeniny používají v lékařství. Ve formě prášku a mastí se používá k léčbě píštělí, ran a popálenin. Dusičnan bismutitý zásaditý BiОNO₃ (vicair, vikalin) má adstringentní, antacidní a středně projímavý účinek. Je známo, že po výbuchu ropné plošiny Deepwater Horizon v Mexickém zálivu byli ptáci nuceni spolknout vizmutité soli, aby si z těla odstranili ropné produkty.

Alexandr Samigullin

Nemůžete přihlásit své dítě do školky? Chcete nám říct něco o učitelích? Víte, jak zlepšit svůj jídelníček a cvičení?

Krystaly bismutu.

Bismut je lidstvu znám již od starověku, poprvé je v písemných pramenech zmíněn v roce 1450 jako Wismutton nebo Bisemutum. Po dlouhou dobu byl tento kov považován za druh antimonu, olova nebo cínu. První informace o kovovém vizmutu, jeho těžbě a zpracování se nacházejí v dílech největšího středověkého metalurga a mineraloga George Agricoly z roku 1529. Myšlenka vizmutu jako samostatného chemického prvku se vyvinula až v XNUMX. . Symbol Bi poprvé zavedl do chemické nomenklatury vynikající švédský chemik Jens Jakob Berzelius.

Existuje několik verzí o původu slova „bismut“. Podle jednoho z nich se věří, že vychází z německých kořenů „wis“ a „mat“ (zkreslená weisse masse a weisse materia) – bílý kov (přesněji bílá hmota, bílá hmota). Podle jiného není slovo „bismut“ nic jiného než arabské „bi ismid“, tedy podobné antimonu.

Obsah bismutu v zemské kůře je 2*10-5% hmotnosti, v mořské vodě – 2*10-5 mg/l. Bismutové rudy obsahující 1 % a více bismutu jsou vzácné, jejich zdrojem je obvykle olovo, cín a další rudy, kde je obsažen jako nečistota. Minerály bismutu, které tvoří takové rudy, jsou nativní bismut (obsahuje 98,5-99 % Bi), bismuthin – Bi2S3, bismut – Bi2O3 a další.

Asi 90 % veškerého vytěženého vizmutu se získává jako vedlejší produkt při metalurgickém zpracování olovo-zinkových, měděných, cínových rud a koncentrátů. Vizmut se získává fúzí sulfidu se železem:

Bi2S3 + 3Fe = 2Bi + 3FeS,

nebo sekvenční procesy:

2Bi2S3 + 9 = 2Bi2 + 2SO3; Bi6 + 2C = 2Bi + 3CO.

Na rozdíl od antimonu u vizmutu jasně převažují kovové vlastnosti nad nekovovými. Vyznačuje se silným kovovým leskem a bílým narůžovělým nádechem. Bismut je křehký a docela měkký, těžký (hustota 9,8 g/cm3) a tavitelný (bod tání 271°C). Při tání vizmut zmenšuje objem (jako led), tzn. Pevný vizmut je lehčí než kapalina. Z ostatních kovů má bismut nízkou tepelnou vodivost (pouze rtuť vede teplo hůře) a nejsilnější diamagnetické vlastnosti. Přírodní bismut se skládá z jednoho stabilního izotopu, 209Bi.

V suchém vzduchu vizmut neoxiduje, ve vlhké atmosféře se postupně pokrývá filmem oxidů. Při zahřátí nad 1000°C hoří za vzniku hlavního oxidu Bi2O3. Když se bismut spojí se sírou, vznikne Bi2S3. Interaguje s halogeny (nejvíce studovanými jsou trihalogenidy):

2Bi + 3Hal2 = 2BiHal3

Nereaguje s H2, C, N2, Si..

Při interakci vizmutu s kovy se tvoří vizmutidy, například vizmutid sodný Na3Bi, vizmut hořečnatý Mg3Bi atd. Když jsou takové slitiny vizmutu vystaveny kyselinám, tvoří se vizmutin BiH3. Vizmut nereaguje s alkáliemi a zředěnými kyselinami, s koncentrovanými kyselinami tvoří soli:

Bi + HNO3(konc.) => Bi(NO3)3 + …

Hlavní použití vizmutu je jeho použití jako složky nízkotavitelných slitin. Vizmut je obsažen například ve známé Woodově slitině, jejíž bod tání je nižší než bod varu vody, a v mnoha dalších slitinách používaných například při výrobě zápalnic. Slitiny vizmutu a manganu (Mn) se vyznačují feromagnetickými vlastnostmi, a proto se používají k výrobě silných permanentních magnetů.

Malé přídavky vizmutu (0,003 %-0,01 %) do oceli a slitin na bázi hliníku zlepšují plastické vlastnosti kovu a výrazně zjednodušují jeho zpracování.

Vizmut má určitý význam v jaderné technologii při výrobě polonia, důležitého prvku v radioizotopovém průmyslu. Sloučeniny vizmutu, zejména Bi2O3, se používají ve sklářství a keramice, ve farmaceutickém průmyslu, jako katalyzátory atd.

Bismut je toxický ultramikroelement. Málo je známo o fyziologické roli vizmutu. Možná indukuje syntézu nízkomolekulárních proteinů, účastní se osifikačních procesů a tvoří intracelulární inkluze v epitelu renálních tubulů. Tento prvek může mít genotoxické a mutagenní vlastnosti.

Přestože vizmut patří do kategorie těžkých kovů, jedná se o středně toxický prvek. Rozpustné soli bismutu jsou jedovaté a povahou svých účinků (i když v menší míře) jsou podobné solím rtuti.

Bismutité soli se používají od 1700. století. k léčbě nemocí, jako je průjem, a také ke zmírnění příznaků cholery.

Během úniku ropy v Mexickém zálivu byli mořští ptáci nuceni tuto látku spolknout, aby vyplavili olej, který se dostal do jejich těl.

Přestože je tato látka známá již od starověku, slovo „bismut“ se poprvé objevilo na konci 17. století. Alchymisté jej používali při svých pokusech ve středověku. Horníci, kteří rudu těžili, ji nazývali tectum argenti. To v překladu znamená „výroba stříbra“. Horníci věřili, že vizmut je poloviční stříbro. A krása jeho krystalů jistě naznačuje, proč tomu věřili.

Bismut nebyl používán pouze v Evropě: ačkoli jeho andské jméno bylo ztraceno, Inkové používali bismut k výrobě zbraní s čepelí. Díky tomu byly incké meče velmi krásné a jejich lesk byl výsledkem duhové oxidace, chemické reakce s kyslíkem. Rozdíl v barvách je výsledkem různé tloušťky vrstvy oxidu na povrchu krystalu. Když jsou krystaly bismutu zasaženy přímým světlem, tyto změny tloušťky mají za následek různé vlnové délky, které přeruší odraz. Proto získáme krásný duhový efekt.

V periodické tabulce má bismut několik sousedů (jeho číslo je 81) a pokud je užíván vnitřně, může způsobit vážné poškození zdraví. Tento seznam zahrnuje olovo, antimon a polonium. A přestože má vizmut vysokou atomovou hmotnost, vždy byl považován za stabilní (mnoho let byl dokonce považován za hmotnostně nejstabilnější prvek).

Nedávno se však zjistilo, že tento prvek je mírně radioaktivní. Ale nebojte se, vizmut nemůže zabíjet. Ve skutečnosti slitiny bismutu již dlouho nahrazují olovo (v předmětech, jako jsou ventily na pitnou vodu).

Hrubý olovnatý ingot obsahuje až 10 % bismutu a jeho extrakce vyžaduje několik stupňů. Po dvou hlavních procesech zůstává v této směsi ještě mnoho dalších kovů.

Chcete-li získat čistý vizmut, musíte zpracovanou směs roztavit a poté přidat plynný chlór. Zbývající kovy se těží ve své chloridové formě, přičemž zůstává čistý vizmut. Vizmut má některé úžasné vlastnosti. Jak víte, voda je jedna z mála látek, která je v kapalné formě hustší než v pevné formě. Tímto způsobem je vizmut podobný vodě – v pevné formě se zvyšuje o 3%.

Je také diamagnetičtější než jakýkoli jiný kov na planetě. Diamagnetismus je přítomen ve všech materiálech – je to vlastnost, která vytváří magnetické pole. Na druhou stranu má bismut nejnižší tepelnou vodivost ze všech ostatních kovů. Bismut je považován za látku s nízkým dopadem na životní prostředí. Jeho složky totiž nejsou příliš rozpustné, takže ve vodě nemůže ublížit lidem. Byl však proveden pouze omezený výzkum účinků vizmutu na životní prostředí.

Obecně je vizmut nízkotavitelný kov, který se při tuhnutí roztahuje, takže ingoty nemají smršťovací dutinu, ale naopak mají vypouklý povrch. Vizmut se používá především pro výrobu nízkotavitelných slitin a pájek.

Čistý, neoxidovaný vizmut je stříbřitě bílé barvy s lehce načervenalým nádechem. Duhová barva tohoto krystalu je způsobena přítomností tenkého oxidového filmu na jeho povrchu. V případě potřeby lze barvu snadno odstranit. Krystal stačí opláchnout zředěnou kyselinou chlorovodíkovou a jeho povrch se změní na stříbrný.

Pokud se roztavený kov nalije do formy a nechá se ztvrdnout, stane se z něj ingot. Krystaly bismutu se ale získávají trochu jinak.

Takto můžete získat takové fantastické krystaly bismutu (pouze bismut! To nebude fungovat s žádným jiným kovem!). Potřebujete velmi čistý vizmut. Čím je čistší, tím krásnější budou krystaly. Kov roztavený na hořáku se nalije do vyhřívané nádoby. Po nějaké době, když ztvrdne asi o třetinu, se tekutý kov vypustí a takové krystaly zůstanou na dně. Krystaly vizmutu získávají tak krásnou barvu v důsledku oxidace povrchové vrstvy kovu a čím vyšší je ryzost původního kovu, tím je krystal krásnější.