Висмут (Bi)

[bismuth] — элемент V группы Периодической системы; атомный номер 83, атомная масса 208,980; серебристо-серый металл с розоватым оттенком. Природный Bi состоит из одного стабильного изотопа ²⁰⁹Bi.
Содержание Bi в земной коре 2 • 10^-5 мас. %, встречается в самородном виде и в виде соединений с кислородом (бисмит Bi₂O₃), с серой (висмутовый блеск Bi₂S₃), теллуром (тетрадимит Bi₂Te₂S). В большом количестве, но в малых концентрациях Bi встречается как изоморфная примесь в Pb-Zn-, Cu-, Mo-Co и Sn-W-рудах.
Bi имеет ромбоэдрическую решетку с периодом а = 0,47457 нм и углом а = 57° 14'13"; γ = 9,80 г/см³; t_пл = 271,3 °С, t_кип = 1560 °С; С_{20 °С} = 123,5 Дж/(кг • К); α_{20 °С} = 1 3,3 • 10^-6; λ_{20 °С} = 8,37 Вт/(м • К); ρ_{20 °С} = 106,8 • 10^-8 Ом • м. Bi-самый диамагнитный металл. Удельная магнитная восприимчивость х = 1,35 • 10^-6 А/м. При комнатной температуре Bi хрупок, но при 120 — 150 °С может подвергаться пластической деформации; горячим прессованием (при 240 — 250 °С) из него можно изготовить проволоку диаметром до 0,1 мм, а также полосу толщиной 0,2 — 0,3 мм; твёрдость по Бринеллю измеряется в пределах 72 — 93 МПа. При плавлении Bi уменьшается в объеме на 3,27 %.
В сухом виде Bi устойчив, во влажном постепенно покрывается буроватой пленкой оксидов. Заметное окисление начинается с t ≈ 500 °С. Выше 1000 °С Bi горит голубоватым пламенем с образованием Bi₂O₃; не реагирует с H₂, С, N₂, Si. С большинством металлов при сплавлении образует интерметаллические соединения-висмутиды, например Na₃Bi, <3Bi.
Bi не реагирует с НСl и разбавленной H₂SO₄; с HN0₃ образует нитрат. Соли Bi легко гидролизуются.
Около 90 % мирового потребления Bi покрывается его попутной добычей при переработке полиметаллических руд. В свинцовом производстве Bi получают по классической схеме: агломерирующий обжиг концентратов, шахтная восстановительная плавка свинцового Bi-содержащего агломерата с извлечением из чернового свинца (стадия обезвисмучивания) с выделением Bi в дроссы (висмутовые съемы) и затем электролитическое разделение висмутистого свинца с получением шламов и рафинированного Bi. При плавке Cu-Bi-концентратов Bi концентрируется в пылях плавильных печей и конвертеров, из которых его извлекают восстановительной плавкой содой и углем. Cu-Bi-концентраты перерабатываются также гидрометаллургическим способом. Выщелачивание проводится при 105 °С НСl или H₂SO₄ с добавлением хлоридов металлов. Bi выделяют из растворов либо гидролитическим осаждением в виде окси- или гидрооксихлоридов, либо восстановлением железом в виде металла (цементация). Для отделения Bi от сопутствующих металлов могут быть использованы экстракция или ионный обмен.
Извлечение Bi в свинцовом производстве составляет 86 — 95 %, в медном и оловянном — 73 — 80 %. Собственно Bi-концентраты (содержащие обычно 3-5 мас. %, в редких случаях до 6 %) получают обогащением висмутовых руд флотацией и другими способами. Перерабатывают концентраты путем восстановительной плавки с добавлением металлического железа. Известны содовая плавка, а также щелочная с NaOH.
Рафинирование Bi заключается в последовательной обработке его расплавленной серой с добавлением угля (для удаления Fe и Cu); щелочью с добавлением окислителя или продувкой воздухом (для удаления Ag, Sb и Sn); цинком (для удаления Au и Ag) и др. Применяют также электролитическое рафинирование как в водных растворах BiCl₂, Bi2(SiF6)3, так и в солевых расплавах. Для получения Bi высокой чистоты используют комбинацию разных методов: электролиз, электрорафинирование с твердыми электродами в электролитах разной природы, методы дистилляции в глубоком вакууме, кристаллофизические методы и пирометаллургические процессы, включающие хлорирование, обработку щелочами и другими реагентами, а также электрохимическую переработку Bi-содержащих сплавов в ионных расплавах.
Значительное количество Bi идет для получения легкоплавких сплавов, содержащих Pb, Sn, Cd (см., например, Сплав Вуда), которые применяют в зубоврачебном протезировании, для изготовления клише, в автоматических противопожарных устройствах и т. п. Быстро увеличивается потребление Bi в соединениях с Te для термоэлектрогенераторов. Добавка Bi к нержавеющим сталям улучшает их обрабатываемость резанием. Соединения Bi применяют в стекловарении и эмалировании. Наибольшее количество Bi потребляет фармацевтическая промышленность для изготовления обеззараживающих и подсушивающих средств.