Висмутсодержащие соединения и материалы¶

Висмутсодержащие — обобщающее название веществ, материалов и препаратов, в состав которых входит химический элемент висмут (Bi). Благодаря сочетанию низкой токсичности, высокой плотности, химической инертности и специфических полупроводниковых свойств соединения висмута применяются в металлургии, фармацевтике, электронике, ядерной технике и производстве пигментов. Висмут — относительно редкий элемент: его содержание в земной коре оценивается примерно в 0,009 г/т, а мировое производство измеряется тысячами тонн в год, что делает висмутсодержащие материалы сравнительно дорогими по сравнению с аналогами на основе свинца.

¶Общая характеристика

Висмут — металл серебристо-белого цвета с розоватым оттенком, атомный номер 83, атомная масса 208,98. Он относится к группе 15 периодической системы (подгруппа азота). Характерные свойства элемента, определяющие области применения его соединений:

• высокая плотность (9,84 г/см³) и большой атомный номер, обеспечивающие эффективное поглощение рентгеновского и гамма-излучения;
• низкая температура плавления (271,4 °C) и склонность к образованию легкоплавких сплавов;
• малая токсичность по сравнению с соседними тяжёлыми элементами — свинцом, сурьмой, мышьяком;
• способность образовывать соединения в степенях окисления +3 и +5, причём степень +5 характерна преимущественно для сильных окислителей;
• полупроводниковые и термоэлектрические свойства ряда соединений.

Висмут практически не встречается в самородном виде в промышленных количествах; его получают главным образом как побочный продукт переработки свинцовых, медных, оловянных и вольфрамовых руд.

¶Классификация соединений

Висмутсодержащие соединения принято разделять по химической природе и области применения.

¶Неорганические соединения

• Оксиды. Оксид висмута(III) Bi₂O₃ — жёлтый порошок, применяется в стекловарении, керамике и как компонент катализаторов. Оксид висмута(V) Bi₂O₅ — сильный окислитель.
• Гидроксиды и основные соли. Нитрат висмута и его производные (например, субнитрат, субсалицилат, субцитрат) — основа большинства лекарственных препаратов висмута.
• Сульфиды. Сульфид висмута(III) Bi₂S₃ — тёмный полупроводниковый материал, используется в термоэлектрических элементах.
• Галогениды. Хлорид, иодид, фторид висмута применяются в аналитической химии, оптике и как прекурсоры для синтеза других соединений.
• Висмутаты. Соли висмутовых кислот, например висмутат натрия NaBiO₃, — сильные окислители, используемые в анализе марганца.

¶Органические и металлоорганические соединения

Органические производные висмута (например, трифенилвисмут) применяются в органическом синтезе как реагенты для реакций арилирования и в качестве катализаторов. Ряд висмутсодержащих комплексных соединений изучается в медицинской химии как потенциальные противоопухолевые агенты.

¶Сплавы и композиты

Висмут входит в состав легкоплавких сплавов (например, сплав Вуда, сплав Розе), применяемых в пожарных извещателях, предохранителях и литейных моделях. Висмутсодержащие припои рассматриваются как замена свинцовым в электронике.

¶Применение

¶Медицина и фармацевтика

Препараты висмута — одна из наиболее известных групп висмутсодержащих веществ. Субсалицилат висмута применяется при диарее и диспепсии, субцитрат висмута — в схемах эрадикации бактерии Helicobacter pylori при язвенной болезни. Механизм действия связан с образованием защитной плёнки на слизистой оболочке желудка и антибактериальным эффектом. Висмутсодержащие рентгеноконтрастные средства используются в диагностической визуализации желудочно-кишечного тракта.

¶Металлургия

Висмут вводят в сплавы для улучшения обрабатываемости резанием (например, в автоматные стали и алюминиевые сплавы). Он также служит модификатором структуры чугуна и стали, способствуя образованию мелкозернистой структуры.

¶Электроника и оптика

Соединения висмута применяются в производстве полупроводников, термоэлектрических генераторов и охладителей (на основе Bi₂Te₃ и Bi₂Se₃), а также в высокотемпературных сверхпроводниках (висмутовые купраты). В оптике висмутсодержащие стёкла используются для создания волоконных усилителей и лазеров ближнего инфракрасного диапазона.

¶Ядерная техника

Благодаря большому атомному номеру и низкой температуре плавления висмут и его соединения применяются как теплоносители в ядерных реакторах (например, эвтектика свинец-висмут) и как материалы для защиты от гамма-излучения.

¶Пигменты и косметика

Висмутсодержащие пигменты — оксихлорид висмута, ванадат висмута — используются в производстве красок и глазурей. Оксихлорид висмута ранее применялся в косметике как перламутровая добавка.

¶Получение

Основной источник висмута — побочные продукты переработки свинцовых концентратов. Металл извлекают пирометаллургическими и гидрометаллургическими методами, включая экстракцию и электролиз. Соединения висмута получают из металла или его оксида действием соответствующих кислот и реагентов. Мировое производство висмута в начале 2020-х годов оценивалось примерно в 15–20 тыс. тонн в год, при этом значительная часть приходится на Китай.

¶Безопасность и регулирование

Висмут и его нерастворимые соединения относятся к веществам умеренной токсичности. Растворимые соли висмута при длительном воздействии могут вызывать поражения почек и нервной системы, поэтому их применение в медицине ограничено курсами и дозировками. В ряде стран висмутсодержащие соединения рассматриваются как более безопасная альтернатива свинцу в электронике и пигментах, что стимулирует рост спроса на них.