عنصر بیسموت به طور رسمی در سال 1753 توسط کلود جفری جونین کشف شد، اما از قرون وسطی و در مصر باستان مورد استفاده قرار گرفته است. این یک عنصر فلزی سخت و شکننده است که در گروه 15 جدول تناوبی یافت می شود. یکی از ویژگی های متمایز آن، رنگ مایل به قرمز مایل به صورتی روی فلز سفید و کریستالی آن است.

محصولات روزمره مانند سایه چشم، پپتو بیسمول و اسپرینکلرهای آتش نشانی همگی حاوی این عنصر هستند. بیایید در این مورد بیشتر بدانیم!

چند واقعیت جالب در مورد بیسموت
بیسموت مقاومت الکتریکی بالایی دارد و در بین تمام فلزات، در کنار جیوه، دومین کمترین رسانایی حرارتی را دارد.
این فلز در برابر اکسیژن و آب پایدار است. وقتی در معرض هوا قرار می گیرد کدر نمی شود و وقتی در آب قرار می گیرد یک ترکیب نامحلول تشکیل می دهد.
در نقطه جوش، عنصر به سرعت اکسید می شود و یک پوشش اکسیدی تشکیل می دهد. این پوشش یک رنگ زرد قابل تشخیص است.
در حالی که این عنصر نسبتاً غیر فعال است، با اسید نیتریک رقیق و غلیظ واکنش حساسی نشان می دهد. در صورت ترکیب، نیترات بیسموت (III)، اکسید نیتریک و آب تشکیل می شود.
در محیط زیست، بیسموت در پوسته زمین وجود دارد و دو برابر طلا فراوان است.
این فلز بیشتر به عنوان یک محصول جانبی در طی تولید سایر سنگ‌های فلزی مانند سرب و مس به دست می‌آید. برخی از کشورها مانند ژاپن، بولیوی و مکزیک نیز آن را استخراج می کنند. با این حال، این روش فقط مقادیر کمی را به دست می آورد. بیسموت را می توان از قرص های پپتو بیسمول نیز استخراج کرد.
نام بیسموت از کلمه آلمانی “wissmuth” و کلمه لاتین “bisemutum” به معنای توده سفید گرفته شده است.
اینکاها از بیسموت با ترکیب آن با مس و قلع برای تولید چاقو استفاده می کردند. مصر باستان از بیسموکلیت برای اهداف زیبایی استفاده می کرد.
بیسموت-209 یک ایزوتوپ است. دانشمندان قبلاً فکر می کردند که سنگین ترین ایزوتوپ پایدار است. با این حال، مطالعات در واقع نشان داده اند که بیسموت-209 ناپایدار است و از طریق واپاشی آلفا به تالیم-205 تجزیه می شود. نیمه عمر آن در حدود 20,000,000,000,000,000 سال است و بسیار ضعیف رادیواکتیو است.
بیسموت یکی از معدود عناصری است که به عنوان مایع چگال تر از جامد است. چگالی مایع آن 10.05 گرم بر سانتی متر مکعب است
بیسموت بعد از سرب در جدول تناوبی قرار دارد و برخی از خواص را با سرب مشترک است، به عنوان مثال چگالی بالا و نقطه ذوب پایین. یکی از تفاوت های مهم این است که بیسموت سمی بسیار کمتری دارد، به همین دلیل است که به عنوان یک گلوله غیر سمی برای تفنگ های ساچمه ای استفاده می شود.
خواص مهم بیسموت

بیسموت یک فلز پس از گذار است که بخشی از گروه نیتروژن (در اینجا درباره کشف نیتروژن بیشتر بدانید) در جدول تناوبی است. فلزات پس از انتقال به طور کلی رسانای نرم و ضعیفی هستند و بیسموت از روندهای دوره ای پیروی می کند، اما بیسموت در مقایسه با بقیه خواص رسانایی حتی پایین تری دارد. به دلیل نقطه ذوب پایین 271.40 درجه سانتیگراد (520.52 درجه فارنهایت) با سایر فلزات مانند قلع و آهن آلیاژهای ذوب کم تشکیل می دهد. از این آلیاژها برای تولید محصولات رایج مانند کپسول آتش نشانی، تفنگ ساچمه ای و حتی سینک های ماهیگیری استفاده می شود.

بیسموت در حالت جامد خود خواص فرومغناطیسی یا حافظه های ساختاری حالت مایع خود را حفظ می کند. هنگامی که به حالت مایع ذوب می شود و به حالت جامد خنک می شود، حالت جامد ساختار حالت مایع را به یاد می آورد. علاوه بر این، بیسموت جامد دیامغناطیس ترین فلز است. این بدان معنی است که میدان مغناطیسی فلز را دفع می کند. با این حال، هنگامی که تحت شرایط فشار و دمای بالا قرار دارد، به مایع تبدیل می شود و فرومغناطیسی می شود. این بدان معنی است که میدان مغناطیسی عنصر را جذب می کند.

بیسموت خالص به راحتی ذوب می شود و می تواند کریستال های زیبایی را تشکیل دهد. چگونه؟ وقتی شکل مایع یخ می زند، منبسط می شود و کریستال هایی را تشکیل می دهد. این یک ویژگی منحصر به فرد است، زیرا اکثر مواد با انجماد منقبض می شوند. این کریستال ها نقره ای هستند و به سرعت اکسید می شوند و رنگ های رنگین کمانی منحصر به فرد تولید می کنند. در اینجا یاد بگیرید که چگونه می توانید این کریستال ها را در خانه بسازید!

ایزوتوپ های بیسموت

بیسموت دارای 41 ایزوتوپ است. یکی از این ایزوتوپ ها، بیسموت-213، به عنوان یک رادیونوکلئید درمانی در آلفا درمانی هدفمند برای درمان سرطان های مختلف استفاده می شود.

بیسموت-213 نیمه عمر کوتاهی معادل 46 دقیقه دارد. هنگامی که بیسموت-213 یک ذره آلفا ساطع می کند، به تالیم-209 تجزیه می شود. وقتی یک ذره بتا ساطع می کند، تبدیل به پلونیوم 213 می شود.

عنصر بیسموت در طبیعت

مقادیر کمی بیسموت در پوسته زمین وجود دارد. از بین تمام عناصر موجود در گروه نیتروژن، کمترین فراوانی را دارد و نسبتاً کمیاب است. دو سنگ معدنی مهم بیسموتیمیت و بیسمیت هستند که هر دو حاوی این عنصر هستند. استخراج و پالایش بیسموت عمدتاً در چین و ویتنام انجام می شود.

کاربردهای بیسموت در دنیای امروز

بیسموت یک عنصر همه کاره است که در زمینه های زیر کاربرد دارد: داروسازی، آرایشی و بهداشتی، جایگزینی سرب، آلیاژها و الیاف مصنوعی.

صنعت داروسازی

هنگامی که معده درد یا اسهال دارید، معمولاً به چه چیزی دست می یابید؟ بسیاری به Pepto-Bismol، نام تجاری بیسموت ساب سالیسیلات (C7H5BiO4) روی می آورند. جالب توجه است که بیسموت هیچ نقش بیولوژیکی طبیعی شناخته شده ای ندارد، اما از قرن هجدهم در پزشکی استفاده می شود. امروزه شناخته شده ترین کاربرد Pepto-Bismol است.

که یک عامل ضد اسهال است که برای درمان علائم گوارشی استفاده می شود. بیسموت ساب سالیسیلات نوعی کمپلکس نمک کلات است که به افزایش جذب معروف است. به عنوان ماده فعال پپتو بیسمول، با تحریک جذب مایعات و الکترولیت ها در دیواره روده عمل می کند.

لوازم آرایشی و رنگدانه

ممکن است در مورد آرایش معدنی و تمام ادعاهای آن مبنی بر انتخاب “پاک تر” و “پاک تر” برای پوست شما شنیده باشید. اکسی کلرید بیسموت معمولاً به مواد معدنی اضافه می شود. از ترکیب بیسموت با کلرید و آب به دست می آید. این ترکیب نه تنها ارزان است، بلکه ظاهری زیبا، براق و مرواریدی می دهد تا ظاهری درخشان داشته باشد. علاوه بر این، احساس خوبی و نرمی به پوست می دهد. با این حال، مصرف کنندگان باید از لوازم آرایشی حاوی بیسموت دوری کنند. این ماده شیمیایی یک فلز سنگین است که می تواند باعث تحریک و التهاب شود.

نیترات بیسموت معمولاً به عنوان رنگدانه استفاده می شود و ماده اولیه برای رنگدانه های بیسموت وانادات است. بیسموت وانادات یک جامد زرد رنگ روشن و غیر سمی، پایدار و مقاوم در برابر آب و هوای مختلف است. این مزایا آن را برای مصارف معماری و صنعتی، کویل و پوشش پودری ایده آل می کند. همچنین یک پودر مخفی شگفت انگیز است که همانطور که از نامش پیداست سطح یک جسم را پنهان می کند.

تعویض سرب

بیسموت یک عنصر “سبز” است. در محیط زیست، این فلز غیر سمی است و خطر صنعتی ندارد. صنعت تولید اغلب سرب مضر را با فلز بیسموت ایمن جایگزین می کند، زیرا آنها ویژگی های مشترکی مانند چگالی مشابه دارند. این معمولاً جایگزین سرب موجود در مهمات تفنگ ساچمه ای می شود تا از هر گونه خطر آلودگی سرب در آب هایی که برای شکار پرندگان استفاده می شود جلوگیری شود.

آلیاژهای بیسموت

افزودن بیسموت به آلیاژ دمای ذوب را کاهش می دهد. آلیاژهای با ذوب کم معمولاً در الکترونیک استفاده می شوند که باید در برابر حرارت مقاوم باشند، مانند اسپرینکلرهای آتش نشانی، اعلام حریق، و شاخه های دیگ بخار. علاوه بر این، بیسموت در هنگام تغییر از حالت مایع به جامد، حجم آن 3.3 درصد افزایش می یابد. هنگامی که به یک آلیاژ اضافه می شود، از انقباض انجماد جلوگیری می کند. این به جلوگیری از عدم امکان استفاده مجدد از آن کمک می کند.

الیاف مصنوعی

در نهایت، ترکیبات بیسموت کاتالیزور در تولید آکریلونیتریل هستند که ماده اولیه برای الیاف مصنوعی و لاستیک است.

تاریخچه بیسموت

بیسموت یک عنصر باستانی است. این یکی از ده فلزی بود که برای اولین بار کشف شد. در ابتدا، دانشمندان معتقد بودند که بیسموت آلیاژی از قلع و سرب است. سپس یک شیمیدان فرانسوی به نام کلود جفروی در نهایت در سال 1753 بیسموت را به عنوان عنصر خود متمایز کرد.

واکنش های بیسموت
بیسموت + اسیدها

هنگامی که به اسیدهای قوی مانند اسید سولفوریک (H2SO4)، اسید نیتریک (HNO3) یا اسید هیدروکلریک (HCl) اضافه می شود، بیسموت حل می شود و یون بیسموت (III) را تشکیل می دهد. این سه اسید از نظر سرعت حل شدن بیسموت با یکدیگر تفاوت دارند. HNO3 به سرعت فلز را حل می کند، در حالی که HCl کندترین اثر را دارد.

بیسموت + پایه ها

آمونیاک و هیدروکسید سدیم با بیسموت (III) واکنش داده و Bi(OH)3 را تشکیل می دهند. هنگامی که این بازها با بیسموت (III) واکنش نشان می دهند، منجر به یک واکنش رسوبی و تشکیل نمک نامحلول می شود.

بیسموت + آب

بیسموت با آب تبخیر شده واکنش می دهد و اکسید بیسموت (III) تری اکسید (Bi2O3) را تشکیل می دهد. توجه به این نکته ضروری است که برای انجام این واکنش، بیسموت باید “قرمز داغ” باشد، به این معنی که بیسموت جامد آنقدر داغ است که قرمز می شود. آب سرد و بدون هوا با بیسموت واکنش نمی دهد.

بیسموت + هالوژن ها

خانواده هالوژن شامل فلوئور، کلر، برم و ید است. هنگامی که بیسموت با یک هالوژن واکنش می دهد، یک تری هالید تشکیل می دهد. برای مثال: 2 Bi(s) + 3 F2(g) → 2 BiF3.

بیسموت + فلزات

استاننیت یک ماده معدنی است که بیسموت (III) را در شرایط قلیایی کاهش می دهد. بیسموت به ذرات کوچک سیاه تبدیل می شود. مرحله مهمی که برای موفقیت این واکنش مهم است، تهیه یون استنیت است. فرآیند آماده سازی باید درست قبل از استفاده انجام شود و شامل تصفیه محلول قلع (II) کلرید با هیدروکسید سدیم اضافی است.

ترکیبات بیسموت

در حالی که بیسموت خالص را می توان در طبیعت یافت، بیشتر در ترکیبات یافت می شود. اتم بیسموت سه ظرفیتی و پنج ظرفیتی است و بنابراین ترکیبات سه ظرفیتی و پنج ظرفیتی را تشکیل می دهد. این یعنی چی؟ برای مثال، اگر اتم در حال تشکیل یک ترکیب سه ظرفیتی باشد، به این معنی است که سه الکترون بین دو اتم به اشتراک گذاشته شده است. این را می توان با پیکربندی لایه الکترونی بیسموت توضیح داد که عبارت است از: [Xe] 4f145d106s26p3. این نشان می دهد که اتم دارای پنج الکترون ظرفیت است. علاوه بر این، بیسموت از سه الکترون 6p در تشکیل پیوند استفاده می کند.

چند نوع مختلف از ترکیبات طبیعی بیسموت وجود دارد: اکسیدها، سولفیدها و کربناتها. بیسمیت، Bi2O3 یک اکسید زرد مایل به سبز است که محصول سوختن فلز بیسموت در واکنش با اکسیژن است. بیسموتینیت، Bi2S3 یک سولفید سفید مایل به خاکستری است که در سنگ معدن بیسموت یافت می شود. این دو ترکیب از مهم ترین و رایج ترین کانسنگ ها محسوب می شوند

f بیسموت; بیسمیت حاوی 89.7 درصد بیسموت و بیسموتینیت حاوی 81.3 درصد است. کربنات بیسموت شامل بیسموتیت، (BiO)2CO3 و بیسموتوسفریت است. آنها در آب نامحلول هستند و مفید هستند زیرا می توانند با حرارت دادن به سایر ترکیبات بیسموت مانند اکسیدها تبدیل شوند.

بیسموتین، BiH3 یک هیدرید است. این یک ترکیب گرماگیر است که دارای نقطه جوش پایین 17 درجه سانتیگراد (62.6 درجه فارنهایت) است. در فاز گاز خود، این ترکیب تحت فشار معمولی ناپایدار است. فقط در دماهای کمتر از -60 درجه سانتیگراد (-76 درجه فارنهایت) پایدار است و در دمای اتاق به طور خود به خود تجزیه می شود. برخلاف سایر هیدریدهای بیسموت، مانند BiH4 یا BiH5، BiH3 با افزایش فشار از نظر ترمودینامیکی پایدارتر نمی شود.

بیسموت هالیدس

بیسموت معمولاً در حالت اکسیداسیون +3 یافت می شود. در این حالت، اتم با هالوژن ها واکنش داده و تری هالیدها را تشکیل می دهد. این هالوژن ها شامل فلوئور، کلر، برم و ید هستند که BiF3، BiCl3، BiBr3 و BiI3 را تشکیل می دهند. به استثنای BiF3، این ترکیبات در آب هیدرولیز می شوند.

یدید بیسموت (III) با یون‌های یدید اضافی واکنش می‌دهد و یک یون تترایودوبیسموتات با رنگ نارنجی زیبا، BiI4- ایجاد می‌کند.

سنتز بیسموت

یک روش پرکاربرد برای استخراج عنصر بیسموت فرآیند Betterton-Kroll است. ابتدا کلسیم و منیزیم به حمام مذاب سرب-بیسموت اضافه می شود. این یک ترکیب بیسموت را تشکیل می دهد که نقطه ذوب بالاتر و چگالی کمتری نسبت به سرب دارد. این دو ویژگی امکان جداسازی و حذف سرب را فراهم می کند. سپس کلر اضافه می شود تا فلز بیسموت خالص از کلسیم و منیزیم جدا شود.

برای استخراج بیسموت از سنگ معدن آن، مانند بیسمیت و بیسموتینیت، فرآیند خشکی انجام می شود. اکسیدها و سولفیدها به راحتی احیا می شوند، در حالی که بیسموت نقطه ذوب پایینی دارد و استخراج را آسان می کند. یک فرآیند خشک برای انجام جداسازی فلز بیسموت خالص وجود دارد. ابتدا سنگ معدن را حرارت می دهند تا بیسموت ذوب شود. این مرحله ذوب برای بار دوم تکرار می شود، اما با افزودن عوامل احیا کننده، مانند کربن برای بیسمیت و اتانول برای بیسموتینیت. عوامل کاهنده برای خلاص شدن از شر اکسید یا سولفید کار می کنند.

در آزمایشگاه خانگی، فلز بیسموت را می توان از محلول کلرید بیسموت (II) به سادگی با افزودن فویل آلومینیومی تولید کرد. بهتر است محلول را اسیدی نگه دارید تا از هیدرولیز شدن کلرید بیسموت (III) جلوگیری شود.

ایالات اکسیداسیون بیسموت

بیسموت بیشتر در حالت اکسیداسیون 3+ یافت می شود اما در حالت 5+ و به ندرت 3- و 2+ نیز دیده می شود. BiF5 و NaBiO3 دو ترکیب شناخته شده بیسموت +5 هستند، اما آنها فقط به سختی ساخته می شوند.

خواص عنصر بیسموت

نقطه ذوب: 544.55 K; 271.40 درجه سانتی گراد; 520.52 درجه فارنهایت

نقطه جوش: 1837 K; 1564 درجه سانتی گراد; 2847 درجه فارنهایت

چگالی: 9.78 گرم بر سانتی‌متر مربع

وزن اتمی: 208.980

عدد اتمی: 83

الکترونگاتیوی: 2.02

طبقه بندی: فلز پس از انتقال گروه 15

فراوانی طبیعی در پوسته زمین: 0.00002%

پیکربندی پوسته الکترونی: [Xe] 4f14 5d10 6s2 6p3

ایزوتوپ ها: بیسموت-209 تنها ایزوتوپ پایدار است

به طور طبیعی در مواد معدنی: بیسموتینیت و بیسمیت یافت می شود

سمیت: به طور کلی غیر سمی در نظر گرفته می شود

کجا می توانم بیسموت کنم؟

تکه های فلز بیسموت را می توان در آمازون، eBay و وب سایت های تخصصی یافت.

آزمایشات سرگرم کننده

نحوه ساخت کریستال های رنگین کمان با عنصر بیسموت را اینجا ببینید!
فویل آلومینیومی را به پودر مس تبدیل کنید