鉍為銀白色至粉紅色的金屬,質脆易粉碎,帶你了解化學

2020-12-14 生活就是一杯茶

鉍(Bismuth)是一種化學元素,它的化學符號是Bi,它的原子序數是83,是紅白色的金屬。在自然界中以游離金屬和礦物的形式存在。礦物有輝鉍礦、鉍華等。金屬鉍由礦物經煅燒後成三氧化二鉍,再與碳共熱還原而獲得,可用火法精煉和電解精煉製得高純鉍。

概述:鉍,原子序數83,原子量208.98037,化學符號源於拉丁文,原意是「白色物質」。1450年德國化學家瓦倫丁發現鉍。鉍在地殼中的含量為十萬分之二,在自然界中主要以單質或化合物的形式存在。自然界中只有一種穩定同位素:鉍209。鉍的化學性質與砷及銻類似。鉍是最反磁性(又稱抗磁性)的金屬,亦是除汞以外有最低熱導率的金屬。可用於製備易熔合金及與錫融合防止錫疫。

以前鉍被認為是最重的穩定元素,但在2003年,發現了鉍微弱的放射性,可經α衰變變為鉈-205。其半衰期為1.9*1019年左右,達到宇宙壽命的10億倍。自此以後,鉛是質量最大的穩定元素。鉍為有銀白色光澤的金屬,質脆易粉碎;熔點271.3°C,沸點1560°C,密度9.8克/釐米3;導電導熱性差;由液態到固態時體積增大。鉍在紅熱時與空氣作用;鉍可直接與硫、滷素化合;不溶於非氧化性酸,溶於硝酸、熱濃硫酸。鉍可制低熔點合金,用於自動關閉器或活字合金中;碳酸氧鉍和硝酸氧鉍用作藥物;氧化鉍用於玻璃、陶瓷工業中。

特點:元素類型:金屬,晶體結構:晶胞為三斜晶胞。室溫下,鉍不與氧氣或水反應,在空氣中穩定,加熱到熔點以上時能燃燒,發出淡藍色的火焰,生成三氧化二鉍,鉍在紅熱時也可與硫、滷素化合。鉍不溶於水,不溶於非氧化性的酸(如鹽酸)即使濃硫酸和濃鹽酸,也只是在共熱時才稍有反應,但能溶於王水和濃硝酸。其中+5價化合物NaBiO5(鉍酸鈉)是強氧化劑,在分析化學中用於檢測Mn。元素在海水中的含量(ppm):太平洋表面 0.00000004,元素在太陽中的含量(ppm):0.01

超長半衰期:鉍曾一度被認為是穩定的元素,其實不然。但鉍的半衰期使得它和穩定元素幾乎無差別:1.9*10^19年。

發現過程:古希臘和羅馬就使用金屬鉍,用作盒和箱的底座。但直到1556年德意志G.阿格裡科拉才在《論金屬》一書中提出了銻和鉍是兩種獨立金屬的見解。1737年赫羅特(Hellot)用火法分析鈷礦時曾獲得一小塊樣品,但不知何物。 1753年英國C.若弗魯瓦和T.伯格曼確認鉍是一種化學元素,定名為bismuth。1757年法國人日夫魯瓦(Geoffroy)經分析研究,確定為新元素。

來源及用途:元素來源,鉍在自然界中以游離金屬和礦物的形式存在。礦物有輝鉍礦、鉍華等。金屬鉍由礦物經煅燒後成三氧化二鉍,再與碳共熱還原而獲得,可用火法精煉和電解精煉製得高純鉍。

元素用途:鉍主要用於製造易熔合金,熔點範圍是47~262℃,最常用的是鉍同鉛、錫、銻 、銦等金屬組成的合金,用於消防裝置、自動噴水器、鍋爐的安全塞,一旦發生火災時,一些水管的活塞會「自動」熔化,噴出水來。 在消防和電氣工業上,用作自動滅火系統和電器保險絲、焊錫。鉍合金具有凝固時不收縮的特性,用於鑄造印刷鉛字和高精度鑄型。碳酸氧鉍和硝酸氧鉍用於治療皮膚損傷和腸胃病。

存在形式:鉍在地殼中的含量不大,為2×10-5%,自然界中鉍以單質和化合物兩種狀態存在,主要礦物有輝鉍礦(Bi2S3)、泡鉍礦( Bi2O3)、菱鉍礦(nBi2O3mCO2H2O)、銅鉍礦(3Cu2S4Bi2S3)、方鉛鉍礦(2PbSBi2S)。

鉍在自然界中有硫化物的輝鉍礦(Bi2S3)和氧化物氧化鉍(Bi2O3),或稱鉍黃土,是由輝鉍礦和其他含鉍的硫化物氧化後形成的。由於鉍的熔點低,因此用炭等可以將它從它的天然礦石中還原出來。所以鉍早被古代人們取得,但由於鉍性脆而硬,缺乏延展性,因而古代人們得到它後,沒有找到它的應用,只是把它留在合金中。鉍是由阿格裡科拉首先明確它是一種金屬的。鉍的拉丁名稱bismuthum和元素符號來自德文weisse masse(白色物質),但是金屬鉍並非銀白色,而是粉紅色。[1]

類別:自然鉍,名字來源:從阿拉伯語 bismid而來,意思是像銻一樣;化學組成:主要成份是鉍,也常混有微量砷﹑銻和硫;類別:自然元素-半金屬元素-自然砷族;晶系和空間群:三方晶系,R3-m;晶胞參數:a0= 0.657nm,α=87034』;

形態:晶體少見,常為塊狀;顏色:新鮮時呈銀白色,帶有特有的淺紅色,氧化後呈黃色至深灰色;條痕:灰色;透明度::不透明;光澤:強金屬光澤;硬度:2~2.5;解理和斷口:解理完全,晶體長度內單向劈理良好,斷口呈貝殼狀;比重:9.7~9.8 g/cm3;g/cm3,其他性質:脆性至弱延展性,具有強逆磁性,遇冷發生膨脹;鑑定特徵淺紅色,一組完全解理,硬度低為其特徵;成因和產狀:產於高溫熱液礦床中,與錫石,黑鎢礦、輝鉍礦等共生,還可見於偉晶巖脈中;

主要用途:鉍含量低的樣品可用於人造再生長,以形成有趣晶形標本作為收藏;由於逆磁性,可用於電子場;隔火設備和耐熱合金的主要原材料;配藥。著名產地:最好的樣品來自德國,其次是瑞典和玻利維亞。還有加拿大安大略省科搏爾特區和西北地區大熊湖,及美國加利福尼亞州和南卡羅來納州切斯特菲爾德區。

鉍晶體:為了培養出高品質的晶體,必須使用純度大於或等於為99.99%的鉍金屬,這種純度更適合於培養的高品質的金屬晶體。影響鉍晶體質量和大小的重要因素是冷卻時間。通過使鉍單質從熔化狀態緩慢冷卻並且固化,或許就能夠生長出較大的晶體。鉍的熔點與其它金屬單質相比相對較低,只有271℃(520°F),使用一個小型的丙烷噴燈或電爐就可以輕鬆的將其熔化。但是,值得注意的是,這仍舊是非常燙的熔融金屬,就像任何液體一樣容易流動和飛濺,並可能導致嚴重的燒傷。根據使用的鉍的體積,在各種容器中放入適量的鉍單質,同時保持它的熔化狀態。一塊中等大小鋼板和量杯適合用來製作鉍晶體。

【方法】:第1步:熔化鉍:將鉍單質放入一個鋼製量杯中並放置在高溫的熱板上。作為鉍的熔液,該液體的表面暴露在空氣中並被迅速氧化,因為高溫和氧氣形成灰色的表層,這是正常的。第2步:澆注熔融鉍,鉍熔化後,將液體鉍緩慢地,小心地倒到另一個乾淨並且預熱過的鋼製量杯中。通過將鉍熔液轉移到新的容器中,可以除去影響晶體生長的已經氧化的表面。將鉍液體倒進新的容器之後,可以觀察到殘餘的鉍的氧化物仍然留在原容器中。第3步:使液態鉍冷卻。

將鉍放置在新的容器中,絕緣和耐熱的表面冷卻後開始凝固。將盛有鉍的容器放已回到關閉電源的熱板上,通過餘熱使它緩慢降溫至室溫。一段時間後,新容器中的鉍出現一層清晰可見的新的氧化層。新的氧化層並不如上一層那麼厚。新的氧化層在不斷增厚的同時將會吸收不同波長的光線導致不斷變色。因為相同的原因所以鉍晶體表面會有那麼多種顏色。  

第4步:倒出多餘的鉍,完全凝固之後,將多餘的液態鉍倒入另一個容器中。不要讓鉍充分固化;如果不倒出多餘的液體,晶體將會成為被困在量杯中的金屬塊。通常鉍晶體生長時間的長短會導致晶體的大小變化。但是,如果等待時間太長,尚未形成晶體的過量液態鉍將凝固並影響已經形成的結晶。

什麼時候倒出多餘的液態鉍並沒有固定的時間限制,因為它取決於現場的實驗條件。通過照明設備我們可以觀察到液態鉍的即時狀態。如果在液體表面上的還會有波紋,並且鉍仍是液態。隨著越來越多的鉍凝固,波紋將會越來越小並且晶體變得可見。請注意,不能經常移動正在能股的液態鉍,因為它會影響晶體的形成:將會有很多小的鉍晶體出現,並不會生成大的單晶。可能需要多次嘗試才能獲得良好的晶體。如果等待太久,溶液凝固只能重新熔化,然後再試一次。甚至可以嘗試使用倒出過量的液態鉍在二級容器中以形成新的晶體。  

第5步:取出晶體,過濾出多餘的液態鉍之後,在鉍晶體生長的容器內應該可以看到生長完成的鉍晶體。在鉍晶體暴露於空氣中的幾分鐘內其表面將會出現很多顏色。鉍晶體可能會被卡在容器內,或者會有粘稠的液態鉍附著在鉍晶體上。待它們冷卻之後可以輕鬆地折斷它們並從容器中取出。容器的內表面會導致晶體出現固有的缺陷,因為總是會有晶體附著在容器的內表面上。避免這一缺陷的方法是通過使用一顆晶種懸浮在熔融的液態鉍上作為晶體生長過程中的成核點。之後,只需要將鉍晶體從溶液中提出,而不是到處過量的液態鉍。晶种放置時間不宜過長,否則可能會與容器中其他晶體融合導致過大無法取出。

應用:1.冶金添加劑,鋼中加人微量鉍,可改善鋼的加工性能,可鍛鑄鐵加入微量鉍,能使可鍛鑄鐵具備類似不鏽鋼的性能。Cu-Bi多元合金可以取代目前飲水管件上用的含鉛銅合金,成本相差不大,可解決自來水鉛汙染問題。CuSn3Zn8Bi2-7,合金以鉍代替鉛可獲得相同類似的複合材料,達到類似的鑄造、機械和加工性能。在鋁、鎂和青銅中加入鉍,可改善機械加工性能和耐磨性能。

2.鉍基低熔點易熔合金,易熔合金的熔點一般在38~230。(2,在熔點下不易受溫度和壓力的影響而發生變化。英國研究出一種無鉛錫合金焊料,其成分Sn>82、Zn6.0~4.5、In約3.5、Bi約1.0。合金無毒性,適合作易於過熱受損電晶體組裝電路板焊接用。鉍鋁配製的合金作彎曲薄壁管的填充料,能保持管內壁平滑光潔,且填料可多次反覆使用。鉍錫合金配製的合金製作模具,用作金屬薄板材的冷衝壓成型,不低於鋼模的溫度,而且成型快,更新快,合金可多次返回使用。鉍與鋁、錫、鎘、銦組成的一系列低熔點合金,製作電器、保險器,自動裝置訊號器等。用鉍錫合金子彈代替鉛彈。

3.醫藥治療:鉍化合物

4.鉍在阻燃劑方面的應用:在阻燃劑的添加劑中,Bi203的效果比Sb203更好,而且安全無毒,燃燒時發生的煙氣致死性極小,同時不影響阻燃製品的穩定性。5.鉍在化工中的應用:鉍黃顏料是釩酸鉍和鉬酸鉍的混合體。用於取代鉛、鎘等顏料具有雙晶面的黃色顏料,具有更好的表面抗化學腐蝕性,而且黏合力極強,色澤光亮,又不易脫落褪色,用於黃色汽車外殼最後一道工序的噴漆,黃色工業塗料,電氣線圈用材的塗料,及橡膠、塑料製品印刷油墨的著色。鉍鹽在生產人造纖維製品的一種原料丙烯腈時,需要大量鉍鹽作催化劑。氧化鉍,2005年日本計劃用鉍代替鉛,用於生產汽車玻璃,這種玻璃含鉛10%,生產商將用鉍取代這部分鉛,生產環保無鉛玻璃。化學試劑、鉍鹽、高折光率玻璃,核工業玻璃和核反應堆燃料。氫氧化鉍用在塑料中作添加劑,使產品煥發美麗的珍珠光澤,還可用於製造無鉛顏料和化妝品。氯化鉍用於還原燃料性的柏油、雜酚油和非幹性油。

6.電子陶瓷:含鉍的電子陶瓷如鍺酸鉍晶體,是一種新型閃爍晶體,用於核輻射探測器,x射線層面掃描儀、電光、壓電雷射等器件製造;鉍鈣釩(石榴型鐵氧體是重要的微波旋磁材料和磁包材料)、摻氧化鉍的氧化鋅壓敏電阻,含鉍的邊界層高頻陶瓷電容器,錫鉍永磁體,鈦酸鉍陶瓷和粉末、矽酸鉍晶體,含鉍易熔玻璃等10多種材料也均開始在工業上應用。7.半導體:用高純鉍與碲、硒、銻等組合、拉晶的半導體元件,用於溫差電偶,低溫溫差發電和溫差製冷。用於裝配空調器和電冰箱。用人工硫化鉍可製造光電動設備中的光電阻,增大可見光譜區域的靈敏度。8.核工業:高純鉍(99.999%Bi)用於核工業堆中作載熱體或冷卻劑,用於防護原子裂變裝置材料。

鉍礦國內產地:中國鉍資源儲量居世界首位,我國目前已有鉍礦70多處,鉍金屬儲量在1萬噸以上的大中型礦區有6處,儲量佔全國總儲量的78%,其中5萬噸以上金屬儲量的大型礦區2處,儲量佔全國總儲量的66%。我國鉍資源分布在13個省市自治區,其中儲量最大的是湖南、廣東和江西,這三個省的儲量佔全國總儲量的85%左右;其次分布在雲南、內蒙古、福建、廣西和甘肅等省。 其中,湖南省郴州市金般塘礦區勘探儲量累計估算錫鉍資源量82萬噸(包括鉍10萬噸)、潛在經濟價值70億人民幣,使我國成為世界鉍的絕對優勢國家,勘查成果使金船塘礦一躍成為世界最大鉍礦床。

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