Строение
Это не схема из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место висмут занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 149 pm — that is 0.149 nm, so about 3356 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Висмут is liquid over a 1292 K window, from 545 K to 1837 K.
История
The heaviest element that is very nearly stable, and the one that grows spectacular rainbow crystals.
История открытия висмута — это постепенное признание, а не единичный момент озарения. Древние цивилизации сталкивались с висмутом на протяжении тысячелетий, но постоянно путали его со свинцом или оловом из-за сходного внешнего вида и низкой температуры плавления.
Археологические свидетельства указывают на то, что инки и другие цивилизации Южной Америки работали с самородным висмутом уже около 1400 года н. э., используя его для изготовления декоративных предметов и инструментов. Однако они не распознавали его как отдельный металл, называя его словами, которые переводятся как «белый свинец» или «мягкое олово».
Средневековые европейские шахтёры в Германии и Богемии (ныне Чешская Республика) часто находили висмут в серебряных и свинцовых рудниках, но считали его низкокачественной разновидностью свинца, с которой трудно работать. Они называли его «wismut» или «wissmuth», что, возможно, означало «белая масса» на древнегерманском языке.
Первым человеком, систематически изучавшим висмут как потенциально отдельный металл, был Basil Valentine, немецкий алхимик, примерно в 1450 году. В своих алхимических трудах он описал металл, который был «похож на свинец, но не свинец», отметив его необычные свойства, включая хрупкость по сравнению с ковкостью свинца.
Однако окончательное признание висмута как уникального элемента произошло гораздо позже благодаря работе Claude François Geoffroy в 1753 году. Этот французский химик провёл тщательные эксперименты, сравнивая висмут со свинцом и оловом, и убедительно доказал, что висмут является отдельным металлом со своими характерными свойствами.
Ключевые наблюдения Geoffroy включали:
Происхождение названия «висмут» не вполне ясно, что отражает путаницу вокруг его природы. Термин немецких шахтёров «wismut» со временем превратился в латинское «bismuthum», использовавшееся ранними химиками и алхимиками.
Согласно альтернативным теориям, название происходит от арабского «bi ismid», означающего «обладающий свойствами сурьмы», что отражает раннюю путаницу между висмутом и соединениями сурьмы. Оба элемента образуют похожие белые оксиды и часто встречаются вместе в месторождениях минералов.
Carl Linnaeus, знаменитый ботаник, также внёсший вклад в химическую номенклатуру, помог стандартизировать название «висмут» в своей систематической классификации природных веществ в середине XVIII века.
Конец XVIII века принёс систематическое химическое изучение висмута. Antoine Lavoisier включил висмут в свой революционный список химических элементов в 1789 году, окончательно установив, что это фундаментальное вещество, которое нельзя разложить дальше.
Torbern Bergman, шведский химик, внёс значительный вклад в понимание химии висмута в 1770-х годах. Он открыл несколько соединений висмута и отметил необычное поведение элемента: иногда он действовал как металл, а иногда проявлял свойства, более сходные со свойствами металлоидов.
Martin Heinrich Klaproth, открывший уран и цирконий, также активно работал с висмутом в 1790-х годах. Его точные аналитические исследования установили атомную массу висмута и подтвердили его статус отдельного элемента.
В XIX веке практический интерес к висмуту возрос. Немецкий фармацевт Valentin Rose разработал основной нитрат висмута в 1786 году как лекарственное соединение, положив начало фармацевтическому применению висмута.
Необычное свойство висмута — расширяться при замерзании — было обнаружено несколькими исследователями в начале XIX века, что привело к его использованию в типографском сплаве. Это свойство, присущее лишь немногим другим веществам, например воде, сделало висмут ценным для создания чётких и детализированных отливок.
Percy Williams Bridgman, лауреат Нобелевской премии по физике высоких давлений, в начале XX века провёл масштабные исследования свойств висмута в экстремальных условиях, выявив его сложное агрегатное состояние и внеся вклад в современную физику твёрдого тела.
XX век принёс революционное понимание свойств висмута. Открытие его термоэлектрических свойств в 1920-х годах привело к применению висмута в измерении температуры и устройствах охлаждения твёрдого тела.
Пожалуй, наиболее удивительно то, что в 2003 году учёные из Institut Laue-Langevin во Франции обнаружили: висмут на самом деле слабо радиоактивен, а его период полураспада невероятно велик и составляет 1.9 × 10¹⁹ лет — это в миллиард раз больше возраста Вселенной. Поэтому висмут практически считается самым тяжёлым стабильным элементом, хотя технически он является долгоживущим радиоактивным элементом.
Недавние исследования выявили потенциал висмута в применениях квантовой физики, особенно в качестве топологического изолятора. Эти открытия показывают, что даже «древние» элементы могут удивлять нас новыми свойствами и применениями.
История открытия висмута отражает постепенное развитие химии от алхимии до современной науки. То, что начиналось как путаница с другими металлами, в итоге привело к признанию висмута как уникального элемента с необычайными свойствами, которые продолжают удивлять учёных и сегодня.
От «ложного свинца» средневековых шахтёров до современных квантовых материалов — висмут служит примером того, как научное понимание углубляется на протяжении веков исследований.
Применение
Субсалицилат висмута (Pepto-Bismol) — самое известное соединение висмута, используемое во всём мире для лечения расстройств пищеварения, включая диарею, тошноту и дискомфорт в желудке. Розовая жидкость содержит висмут в форме, которая покрывает слизистую оболочку желудка и обладает мягкими антибактериальными свойствами.
Лечение Helicobacter pylori включает применение соединений висмута в составе схем квадротерапии для уничтожения бактерии, вызывающей язву желудка. Цитрат висмута и калия и коллоидный субцитрат висмута — рецептурные препараты, которые действуют синергично с антибиотиками.
Средства для обработки ран содержат соединения на основе висмута благодаря их антисептическим свойствам. Медицинские повязки с висмутом помогают предотвращать инфекции и способствуют заживлению, особенно при ожогах и хронических ранах.
Применение в стоматологии включает использование оксида висмута в материалах для герметизации корневых каналов и временных пломбировочных материалах. Рентгеноконтрастность висмута делает его ценным при стоматологической рентгенографии, позволяя стоматологам проверять правильность размещения пломб и результатов лечения.
Спринклерные системы пожаротушения используют легкоплавкие сплавы на основе висмута для температурно-чувствительных приводов. Эти сплавы плавятся при точно заданных температурах (обычно 57-79°C), выпуская воду, когда пожар достигает опасного уровня.
Плавкие вставки в противопожарных дверях и вентиляционных системах используют сплавы висмута, которые плавятся и автоматически закрывают противопожарные преграды или перенаправляют воздушный поток во время чрезвычайных ситуаций. Предсказуемая температура плавления обеспечивает надёжную работу в условиях пожара.
Устройства обнаружения пожара содержат сплавы висмута в теплочувствительных элементах, которые включают сигнализацию, когда температура окружающей среды превышает безопасные пределы. Эти системы обеспечивают раннее предупреждение на промышленных объектах и в зонах повышенного риска.
Бессвинцовая пайка всё чаще использует сплавы, содержащие висмут, как экологически более безопасную альтернативу традиционным оловянно-свинцовым припоям. Висмут-оловянные и висмут-серебряно-медные сплавы обеспечивают отличную электропроводность и механическую прочность при производстве электроники.
Обрабатываемые сплавы содержат висмут для улучшения режущих свойств стали и других металлов. Висмут образует хрупкие включения, которые отделяются во время механической обработки, улучшая качество поверхности и увеличивая срок службы инструмента.
Литейные сплавы используют необычное свойство висмута расширяться при затвердевании. Это расширение помогает полностью заполнять полости форм, обеспечивая получение отливок с чёткими деталями и минимальными усадочными дефектами в декоративных и прецизионных изделиях.
Термостатические металлы в биметаллических полосках используют сплавы висмута для температурно-зависимого переключения в системах отопления и охлаждения. Различие в расширении создаёт механическое движение для регулирования температуры.
Перламутровая эссенция и оксихлорид висмута создают мерцающие, иризирующие эффекты в косметических продуктах, включая тени для век, губные помады и лаки для ногтей. Кристаллическая структура висмута обеспечивает уникальные оптические свойства, благодаря которым свет красиво рассеивается.
Тональные средства и консилеры используют оксихлорид висмута благодаря его способности отражать свет, что помогает скрывать недостатки кожи. Это соединение обеспечивает покрытие, сохраняя естественный вид.
Специализированные пигменты, содержащие висмут, создают уникальные цвета и эффекты в автомобильных красках, художественных материалах и декоративных покрытиях. Эти пигменты ценятся за стабильность и нетоксичность по сравнению с альтернативами на основе тяжёлых металлов.
Обнаружение нейтронов использует ядерные свойства висмута в специализированных детекторах излучения для исследовательских реакторов и ускорителей частиц. Пластмассовые сцинтилляторы с висмутом могут различать нейтроны и гамма-лучи.
Термоэлектрические устройства используют теллурид висмута (Bi₂Te₃) как один из наиболее эффективных доступных термоэлектрических материалов. Эти устройства преобразуют тепло непосредственно в электричество или обеспечивают твердотельное охлаждение без движущихся частей.
Исследования сверхпроводников изучают купратные соединения на основе висмута, демонстрирующие высокотемпературную сверхпроводимость. Материалы семейства BSCCO (оксид висмута, стронция, кальция и меди) важны для понимания механизмов сверхпроводимости.
Топологические изоляторы на основе соединений висмута представляют передовое направление исследований квантовых материалов. Эти материалы проводят электричество на поверхности, оставаясь изоляторами в объёме, и потенциально могут применяться в квантовых вычислениях.
Каталитическое применение использует соединения висмута в органическом синтезе, особенно в реакциях окисления и процессах полимеризации. Катализаторы на основе висмута часто более экологичны, чем традиционные катализаторы на основе тяжёлых металлов.
Производство стекла использует оксид висмута для создания оптических стёкол с высоким показателем преломления и уникальными свойствами, предназначенных для специализированных линз и призм. Эти стёкла применяются в оптических приборах высокого класса.
Ядерное применение использует висмут как мишенный материал для получения полония-210 и других радиоизотопов. Ядерные свойства висмута делают его подходящим для некоторых исследовательских и промышленных задач по производству радиоизотопов.
Pepto-Bismol и аналогичные препараты — наиболее распространённый способ столкнуться с висмутом. Знакомая розовая жидкость содержит субсалицилат висмута, который помогает при:
В отличие от многих лекарств для желудка, препараты на основе висмута можно безопасно применять большинству людей без рецепта, хотя они могут временно окрашивать язык и стул в тёмный цвет.
Косметические средства используют оксихлорид висмута для создания мерцающих, перламутровых эффектов. Висмут содержится в:
Косметика на основе висмута считается более безопасной альтернативой средствам, содержащим свинец или ингредиенты на основе ртути.
Спринклерные системы пожаротушения в домах и зданиях используют висмутовые сплавы в пусковых механизмах. Эти системы автоматически срабатывают, когда температура достигает примерно 155°F (68°C), а висмутовый сплав плавится и освобождает оросительную головку.
Термопредохранители в бытовых приборах часто содержат висмутовые сплавы, которые плавятся и размыкают электрические цепи при перегреве, предотвращая пожары в кофеварках, фене и обогревателях.
Рыболовные грузила без свинца всё чаще изготавливают из висмутовых сплавов как более безопасную для окружающей среды альтернативу. Такие грузила имеют плотность, близкую к плотности свинца, но нетоксичны для диких животных и рыб. Висмутовые рыболовные грузила особенно популярны в местах, где свинцовые снасти ограничены.
Бессвинцовый припой, содержащий висмут, всё чаще используют при сборке электроники, поскольку экологические нормы постепенно вытесняют припои на основе свинца. Висмутово-оловянные сплавы обеспечивают:
Рецептурные препараты для лечения инфекций H. pylori (бактерий, вызывающих язву желудка) часто содержат соединения висмута. Они действуют вместе с антибиотиками и помогают эффективнее уничтожать бактерии, чем одни антибиотики.
В стоматологии материалы, содержащие висмут, используют для временных пломб и лечения корневых каналов, поскольку висмут хорошо виден на рентгеновских снимках и помогает стоматологам проверить правильность размещения материала.
Художественное литьё часто выполняют с использованием висмутовых сплавов, поскольку они немного расширяются при охлаждении и идеально заполняют детали формы. При медленном охлаждении висмут образует красивые кристаллические структуры, поэтому он популярен для декоративного литья.
Краски со специальными эффектами, содержащие соединения висмута, создают уникальные эффекты изменения цвета и радужного перелива при окраске автомобилей, в художественных проектах и декоративных работах.
Одно из главных преимуществ висмута — его относительная безопасность по сравнению с другими тяжёлыми металлами. В отличие от свинца, ртути и кадмия, висмут обладает очень низкой токсичностью и даже используется в медицине. Поэтому он является отличной экологичной альтернативой во многих областях, где ранее применялись токсичные металлы.
К основным преимуществам безопасности относятся:
Висмут обладает рядом удивительных свойств, благодаря которым он находит неожиданное применение:
Откуда он берётся
0.0085 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 38% of elements
Висмут — один из самых редких природных элементов; его средняя распространённость в земной коре составляет всего 0.009 частей на миллион (9 частей на миллиард). Это делает его примерно в 20 000 раз более редким, чем свинец, а его распространённость сопоставима с распространённостью таких драгоценных металлов, как серебро и золото.
Несмотря на редкость, висмут широко распространён в следовых количествах по всей земной коре. Он немного чаще встречается в гранитных породах, чем в основных породах, что отражает его литофильное (тяготеющее к породам) поведение в процессе магматической дифференциации.
Крайняя редкость висмута означает, что промышленные месторождения этого металла встречаются довольно необычно и обычно связаны с месторождениями других металлических руд, особенно содержащими свинец, медь, олово или вольфрам.
Самородный металлический висмут неожиданно часто встречается в природе по сравнению с другими металлами; он образует небольшие серебристые массы и кристаллы в гидротермальных жилах. Крупнейшие образцы самородного висмута происходят из Боливии, Канады и Германии; некоторые из них весят несколько фунтов.
К основным минералам висмута относятся:
Многие минералы висмута образуют эффектные кристаллические образцы, ценимые коллекционерами, особенно геометрические кристаллы самородного висмута с характерной ступенчатой формой и формой кристаллов-воронок.
Китай доминирует в мировом производстве висмута, обеспечивая примерно 80% мировых поставок, главным образом за счёт провинций Хунань, Гуанси и Юньнань. Большая часть китайского висмута получается как побочный продукт добычи свинцово-цинковых руд и извлечения вольфрама.
Боливия располагает одними из богатейших в мире месторождений висмута в Восточной Кордильере, особенно в районах Тасна и Чоролке. Эти высокогорные месторождения (на высоте более 4 000 м) содержат самородный висмут, связанный с оловом, вольфрамом и серебряной минерализацией.
Австралия производит висмут главным образом на руднике Кингсгейт в Новом Южном Уэльсе, а также получает его как побочный продукт медно-урановых операций в Олимпик-Дам. Страна располагает значительными запасами, но активное производство ограничено.
Канада исторически располагала важными рудниками висмута на территории Юкон (особенно в районе Мэйо) и в Британской Колумбии, хотя большинство из них в настоящее время не работает. Канада также извлекает висмут при выплавке меди.
Перу и Мексика производят меньшие количества висмута, главным образом как побочный продукт добычи цветных металлов, особенно из серебряно-свинцовых месторождений в горных районах.
Гидротермальные месторождения являются важнейшим источником промышленных концентраций висмута. Они образуются, когда богатые металлами флюиды, обычно при температурах 200-500°C, откладывают минералы висмута в жилах, зонах метасоматического замещения и контактового метаморфизма.
Пегматитовые месторождения иногда содержат минералы висмута, образовавшиеся на заключительных стадиях кристаллизации гранита, когда редкие элементы концентрируются в остаточных флюидах. Эти месторождения часто содержат висмут вместе с другими редкими металлами.
Контактово-метаморфические (скарновые) месторождения образуются там, где интрузивные магматические породы контактируют с известняком или другими карбонатными породами, создавая высокотемпературные зоны реакций, в которых висмут может осаждаться вместе с другими халькофильными элементами.
Грейзеновые месторождения, связанные с высокодифференцированными гранитами, могут содержать висмут, особенно в вольфрамо-оловоносных системах, где висмут замещает другие металлы в сульфидных минералах.
Большая часть висмута фактически извлекается как побочный продукт при рафинировании других металлов, особенно свинца, меди и олова. Висмут концентрируется в шламах, гарте и других остатках переработки, которые затем обрабатывают для извлечения висмута.
Почвы обычно содержат 0.01-0.3 ppm висмута; более высокие концентрации наблюдаются вблизи минерализованных зон или промышленных объектов. Висмут плохо вымывается из почв из-за низкой растворимости в большинстве природных вод.
Морская вода содержит чрезвычайно низкие концентрации висмута (около 0.02 частей на миллиард), что делает его одним из наименее распространённых элементов в морской среде. Низкая концентрация отражает склонность висмута образовывать нерастворимые соединения.
Пресноводные системы обычно содержат ещё меньше висмута, чем морская вода, как правило менее 0.01 ppb. Однако горнодобывающая деятельность и промышленная переработка могут локально повышать концентрации висмута в воде и донных отложениях.
Атмосферный висмут в естественных условиях присутствует в чрезвычайно малых количествах, но его концентрация может повышаться вблизи плавильных заводов и других промышленных источников. Частицы висмута в воздухе обычно быстро оседают благодаря высокой плотности этого элемента.
Мировое производство висмута составляет всего около 8 000-12 000 тонн в год, что делает его одним из наименее производимых металлов, доступных на рынке. Небольшой размер рынка означает, что цены на висмут могут быть довольно нестабильными и чувствительными к перебоям в поставках.
Мировые запасы оцениваются примерно в 320 000 тонн; крупнейшими запасами располагает Китай, за которым следуют Австралия и Боливия. Однако оценки запасов неопределённы из-за того, что висмут в основном является побочным металлом.
Стратегическое значение висмута возрастает благодаря его использованию в зелёных технологиях и в качестве замены токсичных металлов, что потенциально может увеличить спрос несмотря на ограниченную сырьевую базу.
Обращение
Висмут — один из самых безопасных тяжёлых металлов, обладающий очень низкой токсичностью и широко применяемый в медицине и потребительских товарах.
Одобрен FDA для медицинского применения: Соединения висмута, такие как субсалицилат висмута (Pepto-Bismol), широко используются в качестве безрецептурных лекарственных средств с отличной репутацией безопасности, подтверждённой более чем 100-летним опытом.
Низкая абсорбция: Соединения висмута плохо всасываются из желудочно-кишечного тракта: в кровоток попадает менее 1% поступившего в организм висмута. Большая его часть проходит через организм в неизменённом виде.
Терапевтические дозы: Стандартные лекарственные дозы (525 mg субсалицилата висмута каждые 30–60 минут) хорошо переносятся большинством взрослых и детей старше 12 лет.
Выведение: Абсорбированный висмут быстро выводится с мочой и калом; биологический период полураспада в большинстве тканей составляет всего 3–5 дней.
Безвредное изменение цвета: Наиболее распространённый «побочный эффект» — временное потемнение языка и стула, вызванное образованием сульфида висмута. Это совершенно безвредно и обратимо.
Воздействие на желудочно-кишечный тракт: Большие дозы могут вызвать запор, тошноту или расстройство желудка. Эти эффекты обычно слабо выражены и проходят после прекращения приёма.
Аллергические реакции: В редких случаях возможны аллергические реакции на соединения висмута, обычно проявляющиеся кожной сыпью или нарушением пищеварения.
Чувствительность к салицилатам: Людям с аллергией на аспирин следует избегать субсалицилата висмута из-за салицилатного компонента, а не из-за самого висмута.
Работа в промышленности: Металлический висмут и большинство его соединений представляют минимальный риск для здоровья при обычной промышленной работе. Как правило, достаточно стандартных мер предосторожности при обработке металлов.
Вдыхание пыли: Следует избегать длительного вдыхания пыли висмута. В запылённых помещениях используйте подходящие средства защиты органов дыхания и обеспечьте достаточную вентиляцию.
Контакт с кожей: Металлический висмут и большинство его соединений не вызывают сенсибилизации кожи и не являются раздражителями. Достаточно обычных гигиенических мер (мыть руки после работы).
Защита глаз: Как и в случае с любым мелкодисперсным порошком или металлической пылью, защита глаз предотвращает механическое раздражение частицами висмута.
Химическая реакционная способность: Металлический висмут относительно малоактивен в обычных условиях. Он медленно окисляется на воздухе и не реагирует с водой при комнатной температуре.
Реакции с кислотами: Висмут растворяется в концентрированной азотной кислоте и горячей серной кислоте с образованием оксидов азота или диоксида серы соответственно. Используйте подходящую вытяжную вентиляцию.
Пожарная безопасность: Металлический висмут не воспламеняется, однако мелкодисперсные порошки, как и другие металлические порошки, могут представлять опасность возгорания. Соединения висмута обычно негорючи.
Хранение: Храните висмут и его соединения в прохладных и сухих условиях. Особых требований к изоляции сверх обычных правил хранения химических веществ не требуется.
Низкое воздействие на окружающую среду: Висмут считается экологически безопасным по сравнению с другими тяжёлыми металлами. Он не накапливается в значительных количествах в пищевых цепях.
Растворимость в воде: Большинство соединений висмута обладают очень низкой растворимостью в воде, что ограничивает их подвижность в окружающей среде и поглощение организмами.
Взаимодействие с почвой: Висмут прочно связывается с частицами почвы и органическим веществом, предотвращая вымывание в системы грунтовых вод.
Биодеградация: Хотя висмут не подвергается биодеградации (поскольку является элементом), он также не оказывает значительного влияния на биологические процессы в окружающей среде.
Беременность и грудное вскармливание: Соединения висмута следует применять во время беременности только при очевидной необходимости. Перед применением проконсультируйтесь с медицинскими работниками.
Дети: Субсалицилат висмута не рекомендуется детям младше 12 лет из-за содержания салицилатов, а не из-за токсичности висмута. Чистые соединения висмута обычно безопасны для детей.
Пожилые пациенты: При применении висмута пожилыми людьми не требуется особых мер предосторожности сверх обычного медицинского наблюдения.
Заболевания почек: Хотя висмут быстро выводится почками, пациентам с тяжёлыми заболеваниями почек следует применять соединения висмута под медицинским наблюдением.
Отличный профиль безопасности висмута делает его идеальной экологичной альтернативой токсичным тяжёлым металлам во многих сферах применения:
Краткие ответы
Висмут (symbol Bi) is element 83 on the periodic table, a постпереходный металл in period 6, group 15. The heaviest element that is very nearly stable, and the one that grows spectacular rainbow crystals. At room temperature it is a solid.
[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p³, giving 6 occupied shells holding 2, 8, 18, 32, 18, 5 electrons respectively. Its outer shell holds 5 electrons, which is what sets its bonding behaviour.Висмут melts at 544.7 K (271.6 °C) and boils at 1837 K (1563.9 °C).
The standard atomic weight of Висмут is 208.98 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Висмут has a density of 9.78 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of висмут is about 9.8× heavier.
Висмут has a Pauling electronegativity of 2.02. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Висмут was discovered in 1753 by Claude Francois Geoffroy. It is named after german weisse Masse, "white mass".
Висмут makes up about 0.0085 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.
Technically yes, but only just. Висмут-209 was shown in 2003 to undergo alpha decay with a half-life around 2×10¹⁹ years — about a billion times the age of the universe. For every practical purpose it behaves as a stable element, and it is routinely used as a non-toxic substitute for lead.