Висмуты в химии и материаловедении¶

Висмуты — в широком смысле группа химических соединений, минералов и материалов, содержащих химический элемент висмут (Bi). В узком и наиболее употребительном значении термин чаще всего относится к неорганическим соединениям висмута — оксидам, солям, сульфидам и комплексным соединениям, — а также к природным минералам этого элемента. Сам висмут — тяжёлый металл V группы периодической системы с атомным номером 83, известный с XV века, однако устойчивое применение его соединений началось лишь в XIX–XX столетиях.

¶Общая характеристика

Висмут — серебристо-белый металл с розоватым оттенком, хрупкий, с плотностью около 9,8 г/см³ и температурой плавления 271,4 °C. В соединениях он проявляет степени окисления +3 и +5, причём трёхвалентные формы наиболее устойчивы. Висмут относится к числу редких элементов: его содержание в земной коре оценивается примерно в 2·10⁻⁵ %. Основные минералы — висмутин (сульфид Bi₂S₃), бисмит (оксид Bi₂O₃) и висмутовый блеск; промышленно значимые месторождения сосредоточены в Китае, Мексике, Боливии и Перу. Значительная часть висмута получается попутно при переработке свинцовых, медных и оловянных руд.

¶Классификация соединений

Соединения висмута удобно разделять по типу аниона и по практическому назначению.

Оксид висмута(III) Bi₂O₃ — жёлтый порошок, проявляющий амфотерные свойства: он реагирует и с кислотами, и со щелочами. Сульфид Bi₂S₃ встречается в природе как висмутин и обладает полупроводниковыми свойствами. Галогениды, особенно иодид BiI₃, применяются как компоненты сцинтилляционных детекторов.

¶История изучения

Висмут как самостоятельный металл был описан в трудах немецкого минералога Георгия Агриколы в 1546 году, хотя сплавы на его основе использовались ещё в античности. Долгое время его смешивали со свинцом и оловом. Лишь в XVIII веке французские химики установили его elementalную природу. Систематическое изучение соединений началось в XIX веке, а промышленное значение они приобрели в XX веке — с развитием фармакологии, электроники и ядерной техники.

¶Применение

¶Медицина и фармакология

Основные соли висмута — субцитрат и субсалицилат — применяются в гастроэнтерологии как антацидные и противовоспалительные средства, а также в составе комбинированной терапии инфекции Helicobacter pylori. Субгаллат используется как антисептик. Механизм действия связан с образованием защитной плёнки на слизистой оболочке желудка и подавлением активности бактерий.

¶Материаловедение и электроника

Сплавы висмута (например, с свинцом, оловом, кадмием) отличаются низкой температурой плавления и применяются в предохранителях, припоях и легкоплавких сплавах. Сульфид и теллурид висмута служат основой термоэлектрических преобразователей и охлаждающих элементов Пельтье. Германат висмута Bi₄Ge₃O₁₂ используется как сцинтиллятор в детекторах гамма-излучения и в позитронно-эмиссионной томографии.

¶Химия и аналитика

Соединения висмута применяются как катализаторы в органическом синтезе, например в реакциях окисления. В аналитической химии висмут используют для количественного определения ряда веществ, а его соли — как реактивы в качественном анализе.

¶Физические и химические свойства

Висмут и его соединения обладают рядом характерных особенностей. Металлический висмут — диамагнетик, обладает наименьшей среди металлов теплопроводностью и аномально низкой электропроводностью. При кристаллизации он образует характерные ступенчатые кристаллы с радужной побежалостью. Соединения висмута, как правило, малорастворимы в воде, что определяет их применение в медицине: они действуют локально и почти не всасываются в кровь.

Токсичность висмута и его соединений относительно невысока по сравнению с солями свинца и ртути, однако длительное поступление больших доз может вызывать поражения почек и нервной системы. В ряде стран применение некоторых соединений висмута ограничено санитарными нормами.

¶Распространение и добыча

Мировое производство висмута оценивается в несколько десятков тысяч тонн в год. Крупнейшим производителем является Китай, за ним следуют Мексика, Вьетнам и Казахстан. Значительная доля металла извлекается попутно при рафинировании свинца и меди. Вторичное сырьё — отходы металлургии и отработанные катализаторы — также служит источником висмута.

¶Значение и перспективы

Соединения висмута рассматриваются как относительно безопасная альтернатива соединениям свинца в припоях, пигментах и стабилизаторах пластмасс. В электронике растёт интерес к висмутсодержащим полупроводникам и топологическим материалам. В медицине продолжаются исследования новых форм висмута для терапии желудочно-кишечных заболеваний и в качестве контрастных агентов.