 |
Биологические свойства висмута
|
|
|
|
Синтез металлического висмута
Введение
Тема курсовой работы - синтез металлического висмута.
Цель работы:
) Получить 10 г. металлического висмута.
) Идентифицировать полученное вещество на содержание в нем ионов висмута.
Задачи:
) Изучить свойства висмута.
) Поиск подходящей методики получения висмута.
) Получить металлический висмут.
) Определить выход.
) Провести чистоту полученного вещества.
Теоретическая часть
Висмут как химический элемент
висмут химический металл
Висмут (латинское Bismuthum, обозначается Bi) - элемент с атомным номером 83 и атомным весом 208,9804. Является элементом главной подгруппы пятой группы, шестого периода периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. В свободном не окисленном состоянии висмут представляет собой серебристо-серый металл с розоватым оттенком и выраженным металлическим блеском. Этот металл одновременно довольно мягок и в тоже время хрупок, довольно тяжел (плотность 9,8 г/см3) и легкоплавок. Не обладая ковкостью и тягучестью, висмут легко измельчается в порошок.
Природный висмут имеет всего один изотоп - 209Bi. Долгое время он считался самым тяжелым из существующих в природе стабильных изотопов, однако в 2003 г. в ходе экспериментов ученые доказали, что 209Bi α-радиоактивен с периодом полураспада 1,9 ± 0,2∙1019 лет. Выходит, что все известные изотопы висмута радиоактивны. Кроме 209Bi известны еще три десятка изотопов (на данный момент 34), большинство из которых имеет изомерные состояния.
Висмут был известен с давних времен (первые упоминания о нем в химической литературе относятся к XV веку), только вот долгое время его считали разновидностью олова, свинца или сурьмы. Представление о висмуте как о самостоятельном химическом элементе сложилось лишь в XVIII веке, после того как в 1739 г. немецким химиком И. Поттом была установлена его химическая индивидуальность. Что касается названия, то на этот счёт существует множество версий, наиболее распространенной из которых является следующая: слово bismuthum или bisemutum якобы происходит от немецкого словосочетания weisse Masse, что в переводе означает «белая масса». Собственно, как «висмут» элемент введен в химическую номенклатуру в 1819 г. шведским химиком Й. Берцелиусом.
|
|
|
Применение висмута
Основной потребитель висмута - это металлургия.
1) В большинстве своем металлический висмут расходуется на производство легкоплавких сплавов (сплав Вуда).
Сплав Вуда - это тяжелый легкоплавкий сплав, который был изобретен Б. Вудом в 1960 году. Плотность сплава составляет 9720 кг/м³, а температура плавления от 68,5 до 75°C. Производится из таких металлов как свинец (25%), олово (12,5%), кадмий (12,5%) и висмут (50%).
В промышленности сплав Вуда применяется при изгибании тонкостенных труб. Также его применяют в гальванопластике в качестве выплавляемых стержней для изготовления полостей в металле. Зачастую сплав Вуда используется радиолюбителями для лужения печатных плат. Помимо этого сплав Вуда применяется в приборах безопасности в качестве предохранительных вставок и пробок. В качестве легкоплавких припоев его используют для пайки меди и неметаллов с электролитическим покрытием: оловянно-висмутовым, оловянно-свинцовым, серебром.
2) Подобные сплавы применяют в зубоврачебном протезировании, в автоматических системах пожаротушения, действие которых основано на расплавлении пробок из таких сплавов.
3) Сплавы, содержащие висмут используются в качестве припоев.
) Чистый металлический висмут используют главным образом в энергетических ядерных реакторах в качестве теплоносителя.
|
|
|
) Для улучшения обрабатываемости сплавов алюминия, чугуна и стали при производстве авиа- и автодвигателей.
Применение соединений висмута
Широкое применение в различных областях нашли соединения висмута.
1) В стекловарении и керамике (особенно Bi2O3), трехокись Bi2O3 употребляют в производстве эмалей, фарфора и стекла - главным образом в качестве флюса.
2) В фармацевтической промышленности (всё та же трёхокись висмута используется для изготовления многих лекарств от желудочно-кишечных заболеваний, а также антисептических и заживляющих средств от ожогов, ран).
) В косметической промышленности (соли висмута входят в состав перламутровой губной помады, лака для ногтей, теней).
) В химической промышленности (в качестве катализаторов).
) Оксид висмута в смеси с графитом используется в качестве положительного электрода в висмуто-магниевых элементах (химический источник тока).
) Также в качестве положительного электрода в литиевых элементах находит применение висмутат свинца. В текстильной промышленности ванадат висмута применяется в качестве пигмента, который придает тканям ярко-жёлтый цвет.
) Соли висмута применяются при изготовлении красок для дорожных знаков, дающих блики, когда на них падает луч автомобильной фары.
Биологические свойства висмута
Биологическая роль висмута изучена слабо, ученые предполагают, что этот элемент индуцирует синтез низкомолекулярных белков. Поступление восемьдесят третьего элемента в организм с водой или пищей незначительно. Суммарно в организм человека с пищей, а также с воздухом и водой, поступает висмута в количестве от 5 до 20 мкг/сутки. После всасывания висмут обнаруживается в крови в виде соединений с белками, а также проникает в эритроциты. Опасным считается хроническое поступление висмута в количествах от 1 г до 1,5 г в день.
Этот металл относится к категории тяжелых, он является умеренно токсичным элементом. Ряд источников даже называет висмут «самым безобидным» из всех тяжелых металлов, но отравление висмутом может быть острым и хроническим.
Препараты содержащие висмут обладают как вяжущими, так и антисептическими свойствами, на чем основано наружное применение препаратов висмута при лечении ожогов и травм.
|
|
|
Нахождение в природе
Висмут весьма редкий и довольно рассеянный элемент. По разным оценкам среднее содержание (кларк) данного элемента в земной коре составляет от 9∙10-7% до 2∙10-5% по массе, это означает, что на тонну вещества земной коры приходится лишь 0,2 г висмута. По распространенности в недрах нашей планеты элемент №83 занимает 71 место. Основными минералами восемьдесят третьего элемента считаются - висмут самородный (содержит от 95,9% до 99,9% Bi), бисмит Bi2О3 (89,7% Bi). Попутными компонентами собственно висмутовых руд являются свинец, медь, золото, серебро, никель и некоторые другие элементы. Основное промышленное значение имеют самородный висмут, висмутин и сульфосоли висмута. Однако месторождения собственных руд висмута редки и относительно невелики по масштабам. Кроме собственно висмутовых руд, выделяют висмутсодержащие руды - руды цветных и благородных металлов, в которых висмут является попутным или одним из составляющих компонентов.
Интересные факты
Азотнокислый висмут Bi(NO3)3∙5H2O обычно получают выпариванием раствора висмута в азотной кислоте. В водном растворе эта соль легко гидролизуется и при нагревании выделяет основной нитрат висмута (висмутил-нитрат) (BiO) NO3. Эта соль была известна еще в XVI веке и пользовалась большой популярностью у красавиц эпохи Возрождения. Ее применяли в качестве косметического средства, которое называли испанскими белилами. На Руси, например, девушки охотно пользовались различными белилами, в том числе и висмутовыми. Из дневника одного англичанина, посетившего русское государство в середине XVI века: «женщины так намазывают свои лица, что почти на расстоянии выстрела можно видеть налепленные на лицах краски; всего лучше их сравнить с женами мельников, потому что они выглядят так, как будто около их лиц выколачивали мешки муки».
Что интересно висмутил-нитрат - этот белый порошок, практически нерастворимый в воде и спирте, легко растворимый в азотной кислоте, назначается внутрь при язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, при воспалительных заболеваниях кишечника в качестве вяжущего и антисептического средства. Препарат эффективен и при наружном применении (в мазях и присыпках) при воспалительных заболеваниях кожи и слизистых оболочек.
|
|
|
Первая батарея термоэлементов, созданная примерно полтора столетия назад, была выполнена из спаянных проволочек сурьмы и висмута. Известно, что висмут является относительно безопасным для экологии. Это позволяет использовать дробь из висмута взамен токсичного свинца.
Висмут - сильнейший диамагнетик, причем эффект диамагнетизма на нем можно наблюдать в простых лабораторных условиях. Подвешенный на тонкой нити образец висмута заметно на глаз отталкивается от любого полюса магнита. Имея достаточно большие блоки висмута и мощный магнит, даже в домашних условиях можно увидеть, что силы отталкивания достаточно для того, чтобы оторвать магнит от опоры. Это так называемая диамагнитная левитация.
Получение висмута в промышленности
Скопления богатых висмутовых руд встречаются крайне редко - содержание висмута в рудах обычно составляет десятые или сотые доли процента. Кроме того, они ограничены в пространстве и отличаются неравномерностью распределения. Висмут как бы рассеян в рудах других элементов. Его добывают везде, где извлечение экономически (или технологически) оправдано. Источником элемента №83 служат свинцовые, оловянные и другие руды, где он содержится в качестве примеси. При промышленном получении висмута сначала из свинцовых и медных руд (содержание висмута, в которых обычно составляет десятые, порой даже сотые доли процента) готовят концентрат. Из подобных концентратов получают порядка 90% всего добываемого висмута.
В медных концентратах содержание висмута обычно составляет несколько тысячных процента, лишь изредка - десятые доли. При их переработке висмут концентрируется в пылях плавильных печей и конвертеров, откуда его извлекают восстановительной плавкой с содой и углем.
4ВiOСl + 2Na2CO3 + 3С → 4Bi + 4NaCl + 5СО2↑
Выплавка висмута из собственных руд производится в небольшом масштабе. Собственно висмутовые концентраты (содержат обычно не более 3-5% висмута по массе, в редких случаях от 30 до 60%) получают обогащением висмутовых руд флотацией и другими способами. Перерабатывают концентраты путем восстановительной плавки (после обжига или агломерации) либо осадительной плавки с добавлением металлического железа:
|
|
|
2S3 + 3Fe → 2Bi + 3FeS
Известна содовая плавка:
4Bi2S3 + 12Na2CO3 → 8Bi + 9Na2S + 3Na2SO4 + 12CO2
Из окисленных руд висмут восстанавливают углем под слоем легкоплавкого флюса:
2O3 + 3C → 2Bi + 3CO↑
В зависимости от состава примесей в черновом висмуте, извлечённом из концентратов, чистый висмут получают различными методами: окислительное рафинирование под щелочными флюсами, зейгерование, сплавление с серой и другими.
Товарный висмут содержит от 99,9% до 99,98% основного металла. Висмут высокой чистоты получают зонной перекристаллизацией в кварцевых лодочках в атмосфере инертного газа. Источником висмута может быть и вторичное сырье.
Химические свойства
Среди элементов своей группы главной подгруппы (азот, фосфор, мышьяк, сурьма и висмут) восемьдесят третий элемент самый тяжелый и у него наиболее сильно выражены металлические свойства. Как элемент V группы висмут проявляет валентности +3 и +5 (а также -3, +1, +2, +4), но поскольку ему более близки металлические свойства, нежели любому из его аналогов, три электрона отрываются от его атома намного чаще и легче, чем пять. Кроме того, практически важны лишь соединения трехвалентного висмута (3+), трехвалентны и все природные соединения этого элемента. Высшую степень окисления +5 висмут проявляет лишь в щелочной среде при действии сильных окислителей. Обладая атомным весом несколько большим, чем свинец, висмут занимает соседнее с ним место и представляет большое сходство по свойствам соединений.
В сухом воздухе висмут химически устойчив, однако во влажной атмосфере наблюдается его поверхностное окисление с появлением пленки бурого цвета. Заметное окисление начинается при температуре порядка 500°С, а при температуре выше 1000°С висмут горит голубоватым пламенем с образованием основного оксида Bi2O3.
Bi + 3O2 → 2Bi2O3
Висмут не реагирует с водородом, углеродом, азотом, кремнием. Жидкий висмут незначительно растворяет фосфор. Известны галогениды висмута состава BiX3.
Bi + 3HCl(конц.) + HNO3(конц.) → BiCl3 + NO↑ + 2H2O
Фторид висмута (III) - бинарное неорганическое соединение, соль металла висмута и плавиковой кислоты с формулой BiF3, бесцветные кристаллы, не растворимые в воде.
BiF3 + F2 → BiF5
При сплавлении висмута и серы образуется сульфид состава Bi2S3 - кристаллическое вещество серого цвета, обладающее металлическим блеском.
Bi + 3S → Bi2S3
Bi2S3 обладает полупроводниковыми и термоэлектрическими свойствами. При сплавлении висмута с селеном (Se) или теллуром (Te) образуются, соответственно, селенид или теллурид висмута. В ряду напряжений висмут стоит между водородом и медью, поэтому в разбавленных серной и соляной кислотах он не растворяется.
Растворение в концентрированных серной и азотной кислотах идет с выделением SO2 и соответствующих оксидов азота:
Bi + 4HNO3 → Bi(NO3)3 + NO↑ + 2H2O
Bi + 6H2SO4 → Bi2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O
В результате взаимодействия висмута с азотной кислотой из раствора выкристаллизовывается нитрат висмута Bi(NO3)3∙5H2O. Он растворяется в небольшом количестве воды, подкисленной азотной кислотой.
При действии кислот на сплав висмута с магнием (Mg) образуется висмутин, или гидрид висмута, BiH3 - весьма нестойкое соединение, разлагающееся уже при комнатной температуре.
С большинством металлов при сплавлении висмут образует интерметаллические соединения - висмутиды, например Na3Bi, Mg3Bi и другие. С расплавами алюминия, хрома и железа висмут не взаимодействует.
С щелочами этот металл не реагирует.
Висмут при нагревании взаимодействует с оксидами азота.
6NO2 + Bi → Bi(NO3)3 + 3NO+ 3N2O4 → Bi(NO3)3 + 3NO
Висмут участвует в окислительно-восстановительных реакциях с образованием комплексов.
Bi +4H2O + 3O2 + 2CO2 → 2Bi2CO3(OH)4↓
Соединения висмута
Оксид висмута (III)
Моноклинные или тетрагональные желтые (коричневые в нагретом состоянии) кристаллы с tпл = 820°С, tкип = 1890 оС, плотность равна 8,9 г/см3. Устойчив до 1750°С. Диамагнитен. Мало растворим в воде, ацетоне, жидком аммиаке, гидроксидах. Растворяется в кислотах. Применяют для получения органических производных, в качестве катодов щелочных аккумуляторов, в качестве красителя в производстве цветного стекла и фарфора.
В природе Bi2O3 можно наблюдать в виде землистых скоплений желтого и бурого цвета - это минерал бисмит или висмутовая охра. Оксид висмута (III) можно получить при прокаливании висмута на воздухе, а также при разложении нитрата висмута Bi(NO3)3∙5H2O. Bi2O3 имеет основный характер и легко растворяется в кислотах с образованием солей висмута (III), но практически не растворим в щелочах, даже концентрированных.
При окислении хлором суспензии Bi2O3 в среде водного раствора КОН при температуре около 100° C образуется кислородное соединение высшего типа - висмутовый ангидрид - Bi2O5 - темный порошок, разлагающийся при нагревании, а также с большою легкостью при действии восстановителей. Кроме того, известны оксиды висмута составов Bi2O, Bi6O7 и Bi8O11. Bi2O5 не растворяется в воде, но способен образовать гидрат Bi2O5∙H2O, или BiHO3, так называемую висмутовую кислоту, метагидрат. Висмутовая кислота получается при пропускании хлора через кипящий крепкий раствор едкого калия, в котором размешана окись висмута в виде тонкого порошка. Полученная жидкость сначала окрашивается, затем осаждается красный порошок - соединение висмутового ангидрида и окиси калия. Порошок промывают кипящей водой, затем крепкой азотной кислотой, затем более и более слабой, наконец, снова водой. Висмутовая кислота BiHO3, высушенная при 100°С, представляет светло-красный порошок, теряющий при 130°С воду и превращающийся в ангидрид, который при этой температуре начинает разлагаться с выделением кислорода. Этот гидрат к основаниям относится как слабая кислота, более слабая, чем сурьмяная. Соли ее со щелочными металлами легко разлагаются водой и поэтому мало исследованы.
Гидроксид висмута (III)
Белый аморфный порошок с плотностью 4,36 г./см3 проявляет основные свойства. Мало растворим в воде, концентрированных щелочах. Растворяется в глицерине, хлориде аммония и в минеральных кислотах. Взаимодействует с кислотами с образованием солей висмута (III). При нагревании происходит дегидратация. При этом сначала образуется гидроксид висмутила BiOOH, а затем оксид висмута и вода. Получается действием щелочей на растворы солей висмута (III).
Гидроксид висмута (III), или гидроокись висмута, Bi(OH)3 получается в виде белого осадка при действии щелочей на растворимые соли висмута:
Bi(NO3)3 + 3NaOH → Bi(OH)3↓ + 3NaNO3
Гидроксид висмута - очень слабое основание. Поэтому соли висмута (III) легко подвергаются гидролизу, переходя в основные соли, малорастворимые в воде.
Действием очень сильных окислителей на соединения висмута (III) можно получить соединения висмута (V). Важнейшие из них это висмутаты - соли не стабильной висмутовой кислоты, например висмутат калия KBiO3. Эти соединения представляют собой очень сильные окислители.
Нитрат висмута (III)
Бесцветные гигроскопичные кристаллы tпл = 75,5°С, плотность равна 2,83 г./см3 разлагается при 80°С. Растворяется в ацетоне и эфире и в подкисленной азотной кислотой воде.
Bi(OH) + 3HNO3(конц) → Bi(NO3)3 + 3H2O
Нитрат висмута образуется при растворении порошкообразного висмута в азотной кислоте. Последний образуется также и при растворении нитрата висмута в воде наряду с другими основными нитратами в зависимости от условий опыта. Приготовленный определенным образом основной нитрат висмута Magisterium bismuti или Bismutum subnitri - широко применяют в медицине в качестве дезинфицирующего, уничтожающего запахи и одновременно вяжущего средства. Его используют в качестве порошка для присыпки ран, при желудочных и кишечных заболеваниях и особенно при дизентерии и холере. Наконец, его применяют под названием жемчужных или испанских белил в качестве неядовитого - белого грима.
|
|
|
