Mýty o bismutu
Je těžké odolat jeho duhovému vzoru, který pod mikroskopem vypadá jako procesory Intel. Představím vaší pozornosti BISMUT – minerál z třídy přírodních prvků.
Pár zajímavých faktů:
1. Bismut je přirozeně se vyskytující chemický prvek (Bi) a není považován za kámen v tradičním slova smyslu. Toto je křehký kov.
2. Je to jeden z nejméně toxických těžkých kovů. Na rozdíl od mnoha jiných (jako je olovo nebo rtuť) je vizmut pro člověka relativně netoxický a má nízký potenciál pro akumulaci v těle.
3. Bismut je přirozeně se vyskytující diamagnetický prvek (může odpuzovat severní i jižní pól magnetu). Tato vlastnost umožňuje, aby byl vizmut zvednut do vzduchu nebo přemístěn magnetickými poli.
4. Bismut má nízkou teplotu tání přibližně 271,4 stupňů Celsia (520,5 stupňů Fahrenheita). To z něj dělá jeden z kovů s nejnižší teplotou tání. Vizmut se snadno roztaví na běžném sporáku.
5. Bismut má na svém povrchu výrazné duhové zbarvení. Tato barva je výsledkem tenké vrstvy oxidu, která se tvoří, když bismut reaguje se vzduchem. Barvy se mohou pohybovat od žluté po modrou a fialovou a mohou vytvořit krásný duhový efekt.
6. Bismut se v tradiční medicíně používá po staletí. Bylo zdokumentováno, že je součástí různých léků na zažívací problémy a kožní onemocnění. V moderní medicíně se subsalicylát bismutitý používá v antacidních a protiprůjmových lécích.
7. Kvůli svým duhovým a perleťovým vlastnostem se oxychlorid bismutitý někdy používá v kosmetice k vytvoření očních stínů, laků na nehty a rtěnky. Dodává jim šmrnc.
8. V přírodě se vizmut tvoří procesem zvaným primární obohacení, ke kterému dochází v hydrotermálních žilách. Hydrotermální tekutiny bohaté na vizmut spolu s dalšími minerály proudí trhlinami v zemské kůře. Když se tyto kapaliny ochladí a interagují s okolními horninami, minerály bismutu se vysrážejí a tvoří žíly bohaté na bismut.
Kromě primárního obohacení lze vizmut získat také jako produkt sekundárního obohacení. K tomu dochází, když se vizmut uvolňuje ze svých původních minerálů zvětráváním a erozí. Uvolněný vizmut pak může cestovat s vodou a ukládat se na nová místa a vytvářet sekundární usazeniny bohaté na vizmut.
9. Uměle rostoucí krystaly bismutu je fascinující proces, který zahrnuje tavení a chlazení kovu za kontrolovaných podmínek. Tato metoda se nazývá „tahání krystalů“. V tomto procesu se vysoce čistý vizmut taví v kelímku (válci nebo komolém kuželu) a poté se pomalu ochladí. Paralelně se zárodečný krystal ponoří do roztaveného kovu.
Jak se roztavený vizmut ochlazuje, začíná kolem zárodečného krystalu tuhnout a vytváří větší krystal s jedinečnou geometrickou strukturou. Rychlost chlazení a regulace teploty během procesu růstu krystalů jsou rozhodující pro dosažení požadovaných tvarů a velikostí krystalů. Pečlivou manipulací s těmito faktory mohou vědci a nadšenci pěstovat krystaly bismutu se složitými vzory a zářivými barvami.
10. Je důležité si uvědomit, že uměle vypěstované krystaly bismutu, přestože vypadají úžasně, nemusí mít stejný geologický původ nebo přírodní nečistoty jako přirozeně se vyskytující minerály bismutu.
1. „Německý vizmut je lepší než čínský!“
Přestože je vizmut všudypřítomný, jeho koncentrace v polymetalických rudách se liší. Jen na malém počtu ložisek je jeho těžba ekonomicky proveditelná. Hlavní země vyvážející bismut: Čína (37 %), Mexiko (23 %), Peru (21 %), Japonsko (8 %), Kanada (4 %), Rusko (1 %).
Celá Evropa produkuje ne více než 2–3 % tohoto kovu vzácných zemin (až 100 tun/rok), přičemž většina (95 %) pochází z Bulharska a Rumunska. Bismut se v Německu netěží.
2. „Německý vizmut je krásnější!“
Krystaly vizmutu se získávají v laboratořích po celém světě z čínských surovin (jsou levnější). Některé nadšence baví pěstování krystalů doma. YouTube je plný videí, podívejte se na to.
Pěstování krystalů bismutu není extrémně obtížné; nepotřebujete drahé vybavení, magisterský titul v chemii, sofistikované odlévání nebo pokojový mikroskop. Proces získávání krystalů bismutu je extrémně jednoduchý.
Nejprve je třeba roztavit vizmut v misce při teplotě 271.4 stupňů Celsia. Poté vytvořte podmínky, které vám umožní řídit chlazení (obalte vnější stranu formy tepelně izolačním materiálem). Umístěte tělo semena (často šroub nebo jinou malou podložku s vyšším bodem tání) a nechte jej pomalu (nebo velmi pomalu) chladnout, dokud se nevytvoří pevná krystalická struktura. Vizmut se také může usazovat na stěnách uvnitř misky: nepravidelnosti, háčky a nerovnosti se stanou středy krystalizace.
A nakonec je potřeba z misky vypustit přebytečný vizmut a nechat uvnitř ztvrdlé krystaly. Nebo vypěstovaný zázrak opatrně vyjměte a odlomte z těla semínka. Proces krystalizace probíhá přirozeně; přesný tvar nelze předem předvídat. Co vyrostlo, vyrostlo.
A. Pomalejší ochlazování vede k tvorbě velkých tlustostěnných krystalů, zatímco rychlejší ochlazování vede k tvorbě tenkostěnných malých krystalů.
B. Žíhání umožňuje změnit barvu krystalů bismutu a mírně zvýšit jejich tvrdost. Tento proces zahrnuje opětovné zahřátí (na teplotu pod bodem tání), udržení po určitou dobu na této teplotě a pomalé ochlazení na pokojovou teplotu.
3. „Čínský vizmut je toxický!“
Teoreticky může přidání antimonu (Sb), olova (Pb), teluru (Te), selenu (Se) a kadmia (Cd) k vizmutu ovlivnit vlastnosti a vzhled krystalů bismutu. Tyto legující prvky v zanedbatelném (stopovém) množství mají znatelný vliv na růstový vzorec, vzhled a vlastnosti krystalů bismutu. I když je pro mě těžké pochopit, ve které laboratoři by to bylo praktické a užitečné. Bismut je levný a křehký kov, většinu jeho nákladů tvoří logistika. Jakékoli účinné úpravy vyžadují vybavení a profesionalitu, a to je drahé.
I když předpokládáme, že se někdo rozhodl pracovat se ztrátou, stopových množství antimonu, olova, telluru, selenu a kadmia se není třeba obávat. Ve znatelných koncentracích se s nimi setkáváme v běžném životě.
— Barvy na bázi olova byly v minulosti široce používány k nátěrům fasád, oken a dveří. Některé starší vodovodní systémy obsahují olověné trubky nebo olověnou pájku. Olověné autobaterie obsahují olovo.
— Dobíjecí nikl-kadmiové (Ni-Cd) baterie obsahují kadmium. Kadmium je přítomno i v některých typech levných plastů.
— Selen je základní mikroživina a lze jej nalézt v ořechách, semenech a mořských plodech. Používá se také v některých doplňcích stravy a šamponech a při výrobě fotovoltaických článků pro solární panely.
— Sloučeniny antimonu se používají jako zpomalovače hoření v plastech, textiliích a dalších materiálech. Antimon se také používá v některých typech baterií (olověné baterie).
— Tellur se používá při výrobě solárních panelů a v některých kovových slitinách.
4. Obzvláště se mi líbila otázka: „Braško, bylo v pořádku držet v ruce radioaktivní látku kvůli fotce?“
Bismut je netoxický. Stabilní izotop bismut-209 (Bi-209), který je v přírodě nejhojnějším izotopem, nepředstavuje zdravotní riziko. Proto se jeho sloučeniny používají pro různé lékařské a kosmetické účely, a to nejen pro pěstování krystalů.
Poločas rozpadu radioaktivních izotopů:
Bismut-205 (Bi-205) – 15,31 dne.
Bismut-206 (Bi-206) – 6,24 dne.
Bismut-207 (Bi-207) – 31,55 let.
Bismut-208 (Bi-208) – 26800 let.
Tyto sloučeniny jsou vysoce ceněné a používané ve vědeckém výzkumu zahrnujícím jaderné reakce nebo procesy rozpadu v kontrolovaném prostředí, a proto mají slušnou cenu. Jakýkoli velký komerční těžební provoz bedlivě sleduje nejen bezpečnostní standardy, ale i finanční stránku problému. Zdražovat krystaly bismutu pomocí drahých surovin a nečistot, obtížných laboratorních podmínek a práce profesionálů se nevyplácí.
A ještě jedna věc. Buďme objektivní. Přírodní prostředí obsahuje radioaktivní prvky jako uran, thorium, draslík-40 atd. Tyto prvky mohou být přítomny v různých koncentracích v zemské kůře, horninách a půdách, stejně jako v betonu (ve kterém trávíme značnou část našeho času), drceném kameni a asfaltové vozovce. Záření vyzařované těmito zdroji je na nízké úrovni a je považováno za běžnou součást přirozeného pozadí, kterému jsou lidé vystaveni.
Na obrázku je bismut, stříbřitý kov známý pro své krásné a neobvyklé krystalové tvary. Křišťál, který vidíte, je vypěstován uměle – lze to snadno udělat i doma, stačí roztavit vizmut a nechat vychladnout. V pevném stavu má tento kov nižší hustotu než v kapalném stavu a při vytvrzení výrazně expanduje do objemu. Když se tedy roztavený vizmut ochladí, krystaly začnou samy růst a získávají bizarní tvar, který je způsoben nerovnoměrným růstem krystalu: na okrajích je proces mnohem intenzivnější než ve středu, a proto se objevuje stupňovitá pravoúhlá spirálovitá struktura.
Krásné duhové zbarvení krystalu je dáno oxidovým filmem vytvořeným na povrchu. Na krystalech čistého vizmutu (asi 98 %) se tvoří sám a při velkém množství nečistot krystal zešedne. To však lze napravit aplikací směrovaného proudu kyslíku na chladící kov. Dokonce i kmeny Inků hojně využívaly bismut při výrobě čepelových zbraní, což dodávalo jejich mečům zvláštní krásu a duhový lesk.
Syntetizovaný krystal bismutu a 1 cm³ kostka kovového bismutu. Fotografie z en.wikipedia.org
S tímto úžasným kovem se setkali i středověcí horníci v domnění, že je to napůl stříbro, olovo nebo antimon, protože se nejčastěji nacházel společně s jejich rudami. První zmínka o vizmutu jako samostatném kovu se vyskytuje v roce 1546 v dílech otce mineralogie Georgiuse Agricoly a o 273 let později získal vizmut svůj vlastní symbol Bi a místo v chemické nomenklatuře od zakladatele moderních symbolů pro chemické prvky Jönse Jacoba Berzelia.
Bismut ve své přírodní, minerální formě. Fotografie z en.wikipedia.org
Bismut je zajímavý také svými fyzikálními vlastnostmi. Má mnoho alotropních modifikací (látky podobné kvalitativním složením, ale lišící se strukturou a vlastnostmi) – zejména se vyznačuje změnami krystalové mřížky, což má klíčový význam při výrobě velmi přesných a tvarově složitých litých výrobků, protože tvar vizmutu lze měnit bez poškození struktury. Vizmut je navíc nejsilnější diamagnetický ze všech kovů. Diamagnet je látka, která může být magnetizována v opačném směru, než je aplikované magnetické pole; Mezi nekovy patří mezi diamagnetické látky například vodík, dusík a inertní plyny. Účinek vizmutového diamagnetismu lze snadno pozorovat bez speciálního vybavení: pokud je umístěn mezi póly běžného magnetu, pak při pokusu odrazit od obou pólů stejnou silou zaujme pozici ve stejné vzdálenosti od nich. Jedná se o tzv. diamagnetickou levitaci (viz video níže).
Diamagnetická levitace vizmutu. Video z youtube.com
Je zajímavé, že rozsah použití vizmutu není omezen na metalurgii a přesné strojírenství. Velmi často se jeho sloučeniny používají v lékařství. Ve formě prášku a mastí se používá k léčbě píštělí, ran a popálenin. Dusičnan bismutitý zásaditý BiОNO3 (vicair, vikalin) má adstringentní, antacidní a středně projímavý účinek. Je známo, že po výbuchu ropné plošiny Deepwater Horizon v Mexickém zálivu byli ptáci nuceni spolknout vizmutité soli, aby si z těla odstranili ropné produkty.
Alexandr Samigullin