Металлический висмут Ви1

Висмут (Bi) — тяжёлый цветной металл серебристо-белого цвета с характерным розоватым оттенком. Атомный номер 83, атомная масса 208,98. В периодической системе элементов располагается в 15-й группе (главная подгруппа V группы), шестой период. Висмут металлический отличается хрупкостью при комнатной температуре, низкой теплопроводностью и выраженными диамагнитными свойствами. В промышленности используется как компонент легкоплавких сплавов, легирующая добавка в металлургии, а также в фармацевтике, электронике, атомной энергетике, стекловарении и керамическом производстве.

Физические свойства висмута

Висмут — один из немногих металлов, плотность которого при плавлении увеличивается, а при затвердевании объём возрастает примерно на 3,3 %. Аналогичным свойством обладает вода. Эта особенность важна для литейных процессов, поскольку расплавленный висмут при затвердевании точно заполняет формы.

Висмут является наиболее диамагнитным из всех металлов. Его электросопротивление существенно изменяется в магнитном поле, что используется на практике для измерения напряжённости магнитных полей. При температурах 120–150 °C металл становится ковким, что позволяет обрабатывать его давлением.

Марки висмута и нормативные документы

Промышленный висмут металлический выпускается в нескольких марках, различающихся степенью чистоты. Основным нормативным документом для технического висмута является ГОСТ 10928-90 «Висмут. Технические условия», который распространяется на висмут в слитках и гранулах для химической промышленности, металлургии, медицины и других отраслей. Высокочистые марки (Ви0000, Ви000) регламентируются серией стандартов ГОСТ 16274.

Марки висмута по ГОСТ 10928-90

По ГОСТ 10928-90 в висмуте марки Ви00 массовая доля кобальта не должна превышать 0,00003 %, марганца — 0,00001 %. По согласованию изготовителя с потребителем допускается в висмуте Ви1 массовая доля свинца не более 2,5 %, серебра — не более 0,2 %; в висмуте Ви2 — массовая доля серебра не более 0,45 %. Для висмута, предназначенного для выплавки свинцово-висмутового сплава, допускается не ограничивать массовую долю примеси свинца.

Висмут высокой чистоты

Для полупроводниковой техники, электроники и научных целей выпускается висмут высокой чистоты марок Ви0000 и Ви000 по серии стандартов ГОСТ 16274. Марка Ви0000 (чистота 99,9999 %, обозначение 6N) содержит минимум примесей и применяется в полупроводниковых устройствах, для синтеза особо чистых химических соединений и в научных исследованиях.

Формы поставки висмута

В зависимости от назначения и технологических требований потребителя, висмут поставляется в нескольких товарных формах.

Висмут в слитках

Висмут в слитках (чушках) — основная форма поставки для металлургических предприятий. По ГОСТ 10928-90 слитки всех марок (Ви00, Ви1, Ви2) имеют массу не более 16 кг. Поверхность слитков не должна содержать шлака и инородных включений. На каждом слитке литьём или клеймением указывают марку металла и номер плавки. Слитки упаковывают в деревянные ящики или тканевые мешки массой не более 30 кг.

Висмут в гранулах

Гранулированный висмут выпускается для марок Ви00 и Ви2. Размер гранул: поперечное сечение 1–5 мм, длина до 10 мм. Массовая доля частиц класса минус 1 мм — не более 2 %. Гранулы помещают в мешки по ГОСТ 30090, затем укладывают в ящики типа I по ГОСТ 2991. Гранулированная форма удобна для дозирования при получении сплавов и в химических процессах.

Висмутовый порошок и проволока

Помимо стандартных форм по ГОСТ 10928-90, висмут также поставляется в виде порошка и проволоки. Порошок висмутовый востребован в фармацевтике, керамическом и стекольном производстве, где требуется тонкое диспергирование материала. Проволока висмутовая изготавливается из высокочистого металла и используется для намотки обмоток датчиков магнитного поля, работающих на принципе зависимости электросопротивления висмута от напряжённости внешнего магнитного поля.

Применение висмута в промышленности

Легкоплавкие сплавы на основе висмута

Основная область потребления висмута — производство легкоплавких сплавов. Сплавы висмута с оловом, свинцом, кадмием и индием плавятся при температурах существенно ниже 100 °C. Наиболее известные — сплав Вуда (температура плавления ~70 °C) и сплав Розе (~94 °C). Такие составы применяются для изготовления плавких предохранителей, элементов противопожарных систем, выплавляемых моделей в точном литье, штампов, а также в качестве уплотнительных прокладок в вакуумной технике.

Висмут в металлургии

В чёрной и цветной металлургии висмут используется как легирующая добавка. Введение нескольких сотых долей процента Bi в сталь и алюминиевые сплавы существенно улучшает их обрабатываемость резанием на станках, что востребовано при производстве двигателей для авиационной и автомобильной промышленности. В свинцовой металлургии висмут выступает компонентом свинцово-висмутового сплава, применяемого в различных технических целях.

Висмут в атомной энергетике

Свинцово-висмутовый теплоноситель используется в реакторах определённых типов благодаря ряду свойств: высокая температура кипения (значительно выше рабочих температур), малое сечение захвата тепловых нейтронов, способность к растворению урана, относительно невысокая агрессивность к конструкционным материалам. Эвтектика свинец–висмут обеспечивает эффективный отвод тепла из активной зоны.

Висмут в фармацевтике и медицине

Фармацевтическая промышленность — второй по объёму потребитель висмута после металлургии. Соединения висмута (субсалицилат, субнитрат, субцитрат и другие) входят в состав антисептических, вяжущих и ранозаживляющих препаратов. Оксохлорид висмута используется как рентгеноконтрастное вещество. Низкая токсичность висмута по сравнению с другими тяжёлыми металлами — основное преимущество при использовании в медицинских целях.

Электроника и полупроводниковая техника

Висмут высокой чистоты (марки Ви0000, Ви000) применяется в электронике для создания полупроводниковых материалов и термоэлектрических преобразователей. Соединения висмута с галлием, германием и иодом востребованы в качестве детекторов ионизирующего излучения в компьютерных томографах и приборах ядерной физики. Из-за сильной зависимости электросопротивления от магнитного поля проволока из чистого висмута используется в датчиках для измерения магнитной индукции.

Постоянные магниты на основе висмута

Интерметаллид марганец–висмут (MnBi) обладает выраженными ферромагнитными свойствами и значительной коэрцитивной силой. Этот материал позволяет быстро получать пластичные непроводящие постоянные магниты любой формы и размеров. Помимо марганца, ферромагнитные свойства проявляют соединения висмута с хромом, индием и европием.

Стекловарение, керамика и химическая промышленность

Оксид висмута Bi₂O₃ применяется в стекловарении для увеличения коэффициента преломления стекла, а также в производстве легкоплавких эмалей для керамики. В химической промышленности соединения висмута выступают катализатором при производстве синтетических волокон, акриловых полимеров и в процессах нефтепереработки.

Замена свинца в экологически безопасных изделиях

Ввиду низкой токсичности висмут всё шире применяется как замена свинца в экологически чувствительных областях: бессвинцовые легкоплавкие припои, рыболовные грузила, охотничья дробь, вентили и фитинги для систем питьевого водоснабжения.

Химическая стойкость висмута

На сухом воздухе висмут устойчив. Во влажной атмосфере на поверхности образуется тонкая оксидная плёнка, создающая характерные радужные переливы (побежалость). Висмут не реагирует с разбавленными кислотами (кроме азотной) и со щелочами. Растворяется в концентрированной азотной и горячей серной кислоте. Характерные степени окисления: +3 (основная), +5 (только в щелочной среде при действии сильных окислителей). С металлами образует интерметаллиды — висмутиды.

Условия хранения и транспортировки

Слитки висмута маркируют литьём или клеймением с указанием марки металла и номера плавки. Транспортная маркировка выполняется по ГОСТ 14192. Слитки упаковывают в деревянные ящики или тканевые мешки из плотного полотна. Гранулированный висмут помещают в полиэтиленовые мешки по ГОСТ 30090, затем укладывают в деревянные ящики по ГОСТ 2991. Висмут устойчив при нормальных условиях хранения, не требует специальных мер защиты от атмосферного воздействия.

Приёмка висмута по ГОСТ 10928-90

Висмут принимают партиями. Каждая партия сопровождается документом о качестве с указанием наименования продукции, марки, массы нетто, номера партии, результатов анализа химического состава и обозначения стандарта. Для проверки химического состава от каждой партии отбирают пробу в соответствии с установленными правилами выборки.