آشنایی با فلز بیسموت و کاربردهای آن

بیسموت (Bismuth) یک عنصر شیمیایی با نماد Bi و عدد اتمی 83 است. بیسموت طبیعی ترین عنصر دیامغناطیس است و کمترین رسانایی حرارتی را در بین فلزات دارد.

بیسموت یک فلز سفید شکننده، کریستالی و دارای رنگ سفید تا صورتی ملایم است. این فلز کاربردهای مختلفی دارد که از بین آنها می توان به تولید لوازم آرایشی، آلیاژ، خاموش کننده آتش و مهمات اشاره کرد.

این ترکیب کاربرد دارویی نیز دارد و به عنوان ماده اصلی داروهای ضد درد معده مانند پپتو بیسمول شناخته می شود.

تا همین اواخر، بیسموت سنگین ترین عنصر در نظر گرفته می شد که هسته ای پایدار دارد. اما در سال 2003، محققان فرانسوی دریافتند که این فلز در تالیم ایجاد پوسیدگی می کند، اما نیمه عمر بسیار طولانی دارد. بنابراین هنوز هم سرب به عنوان سنگین ترین عنصر موجود با هسته پایدار شناخته می شود.

تاریخچه کشف فلز بیسموت:
بیسموت در حدود سال 1400 میلادی توسط یک کیمیاگر ناشناس کشف شد. سپس آن را با سرب آلیاژ کردند تا نوعی قالب برای چاپگرها بسازد و همچنین جعبه های تزئینی از این فلز ساخته می شدند. این فلز اغلب با سرب اشتباه گرفته می شد چون یک فلز سنگین بود و در دمای نسبتاً کم ذوب می شد و کار با آن را آسان می کرد.

جورجیوس آگریکولا در اوایل 1500 میلادی حدس می زد که این فلز کاملاً متفاوت است و کاسپار نومان نیز در اوایل دهه 1700 متوجه تفاوت های این فلز شده بود اما اثبات این امر بالاخره در سال 1753 به لطف Claude Geoffroy انجام شد و این فلز کشف شد.

این ماده به عنوان یک فلز آلیاژی در ترکیب برنز در آمریکای جنوبی در حدود سال 1500 میلادی مورد استفاده قرار گرفت. بیسموت در آن زمان به عنوان سنگ معدن استخراج نشده بود اما به نظر می رسد به عنوان فلز بومی در طبیعت یافت شده است.

بیسموت از یک کلمه آلمانی قدیمی به نام وایسموت یا ماده سفید گرفته شده است که احتمالاً به دلیل اکسید سفید رنگ این عنصر نامگذاری شده است.

تولید و استخراج فلز بیسموت:
این فلز تقریباً به اندازه نقره در پوسته زمین فراوان است. فراوانی کیهانی آن تقریباً یک اتم در هر 7000، 000 اتم سیلیکون تخمین زده شده است. این فلز هم به صورت بومی و هم به صورت ترکیب در طبیعت وجود دارد. این ترکیب در رسوبات سنگ معدنی سرب، روی، قلع و نقره در بولیوی، کانادا، انگلیس و آلمان یافت می شود.

ترکیبات طبیعی اصلی آن اکثراً اکسید، سولفید و دو کربنات هستند. با این حال بیسموت تجاری، به طور عمده به عنوان محصول جانبی ذوب و پالایش سنگ معدن سرب، قلع، مس، نقره و طلا تولید می شود.

به عنوان مثال، این فلز از سنگ معدن تنگستن در کره جنوبی، از سنگ معدن سرب در مکزیک، از سنگ معدن مس در بولیوی و از سنگ معدن سرب و مس در ژاپن به دست می آید.

با این وجود، تا اوایل قرن بیست و یکم، چین هم در معدن و هم در پالایش بیسموت در جهان پیشرو بود. بیسموت خالص همچنین با کاهش اکسید توسط کربن یا گداختن سولفید در حضور ذغال سنگ و آهن فلزی برای از بین بردن گوگرد حاصل می شود.

این فلز تنها یک ایزوتوپ پایدار تشکیل می دهد ولی تعداد زیادی ایزوتوپ رادیواکتیو شناخته شده دارد که اکثر آنها بسیار ناپایدار هستند.

ویژگیها و واکنش پذیری فلز بیسموت:
بیسموت یک فلز نسبتاً شکننده و دارای یک درخشش فلزی نقره ای است. Bi دیامغناطیس ترین فلز با بلورهایی سخت و درشت است.

این فلز هنگامی که در حالت مذاب جامد شود 3.3 درصد انبساط را تجربه می کند. رسانایی الکتریکی آن بسیار ضعیف است اما در حالت مایع تا حدودی بهتر از جامدعمل می کند. این ماده از نظر هدایت حرارتی ضعیف تر از همه فلزات به جز جیوه است.

اگرچه این فلز در دماهای معمولی در هوا لکه دار نمی شود اما وقتی گرم می شود یک پوشش اکسید تشکیل می دهد و در نقطه جوش خود یعنی 1.560 درجه سانتی گراد به سرعت اکسیده می شود. رنگ زرد این اکسید آن را از رنگهای دیگر فلزات متمایز می کند.

در گرمای قرمز بیسموت با بخار واکنش نشان می دهد، اما تحت تأثیر آب سرد و فاقد هوا قرار نمی گیرد. این ماده مستقیماً با گوگرد و هالوژنها (فلوئور، کلر، برم، ید) ترکیب می شود.

این عنصر توسط هیدروکلریک اسید مورد حمله قرار نمی گیرد و فقط کمی توسط اسید سولفوریک داغ حل می شود اما به سرعت توسط اسید نیتریک رقیق یا غلیظ حل می شود.

اتم های بیسموت همان ساختار الکترونیکی سایر عناصر گروه نیتروژن را در خارجی ترین پوسته خود دارند. بنابراین می توانند سه پیوند کووالانسی منفرد تشکیل دهند و حالت اکسیداسیون +3 یا − 3 را به نمایش بگذارند.

این عنصر از الکتروونگاتیویتمی پایین تری نسبت به سایر فلزات برخوردار است و جفت الکترون تنهای آن کاملاً بی اثر است و باعث می شود حالت +5 بیسموت نادر و ناپایدار باشد.

این فلز نسبتاً غیر سمی است و کمترین میزان سمیت را در بین فلزات سنگین دارد و به طور کلی خطر صنعتی ندارد. اگرچه بیسموت و برخی از ترکیبات آن کاربرد درمانی قابل توجهی دارند، اما برخی از مقامات توصیه می کنند که با سایر داروها جایگزین شوند. توجه داشته باشید که محلول ترکیبات بیسموت معدنی سمی هستند و باید هنگام کار با آنها احتیاطات لازم را رعایت کرد.

کاربردهای فلز بیسموت:
این فلز کاربردهای تجاری کمی دارد و در مقادیر کمی نسبت به سایر مواد اولیه استفاده می شود. به عنوان مثال در ایالات متحده، 733 تن بیسموت در سال 2016 مصرف شده که از این میزان 70٪ برای مواد شیمیایی (از جمله داروسازی، رنگدانه ها و مواد آرایشی) و 11٪ برای آلیاژهای بیسموت مصرف شدند.

برخی از تولید کنندگان از این فلز به عنوان جایگزین سرب در تجهیزات سیستم های آب آشامیدنی مانند دریچه ها در ایالات متحده استفاده می کنند. این یک برنامه نسبتاً بزرگ است زیرا کلیه ساخت و سازهای ساختمانهای مسکونی و تجاری را در بر می گیرد. در اوایل دهه 1990، محققان شروع به ارزیابی Bi به عنوان جایگزینی غیر سمی برای سرب در کاربردهای مختلف کردند.

کاربرد در پزشکی:
بیسموت یکی از ترکیبات دارویی است اگرچه استفاده از آن رو به کاهش است. این فلز در درمان اسهال مسافرتی و ناراحتی های گوارشی مانند درد معده، شیگلوزیس و مسمومیت با کادمیوم استفاده می شود.

این ترکیب برای درمان عفونت های چشمی و درمان سیفلیس بکار می رود و در ترکیب بسیاری از داروهای دیگر استفاده می شود.

لوازم آرایشی و رنگدانه ها:
این فلز و ترکیبات آن گاهی اوقات در مواد آرایشی به عنوان رنگدانه ای برای سایه های چشم، اسپری مو و لاک ناخن استفاده می شوند.

این ماده زمانی به عنوان یک لوازم آرایشی در مصر باستان و در بسیاری از مناطق استفاده می شد. بیسموت سفید به عنوان رنگدانه سفید استفاده می شود. بیسموت وانادات به عنوان یک رنگدانه غیر واکنش پذیر با ثبات سبک به خصوص برای نقاشی ها مورد استفاده قرار می گیرد و اغلب به عنوان جایگزینی برای سولفید کادمیوم زرد و نارنجی سمی مورد استفاده قرار می گیرد.

فلز و آلیاژ:
Bi در آلیاژهای فلزی با سایر فلزات مانند آهن استفاده می شود. این آلیاژها در سیستم های آبپاش اتوماتیک برای آتش سوزی ها استفاده می شوند. این فلز بزرگ ترین قسمت (50٪) فلز رز را تشکیل می دهد که یک آلیاژ قابل جوش است که حاوی 25 تا 28٪ سرب و قلع 22-25٪ است. همچنین از آن برای ساخت برنز بیسموت در عصر برنز استفاده می شد.

عوارض و خطرات فلز بیسموت:
ترکیبات بیسموت نسبت به سایر فلزات سنگین (سرب، آرسنیک، آنتیموان و غیره) برای انسان سمیت کمتری دارند که احتمالاً به دلیل حلالیت نسبتاً کم نمک های آن است. نیمه عمر بیولوژیکی این فلز برای احتباس در بدن به مدت 5 روز گزارش شده است اما در افرادی که تحت درمان با بیسموت قرار گرفته اند می تواند سالها در کلیه باقی بماند.

مسمومیت با این فلز ممکن است رخ دهد. مانند سرب، مسمومیت با بیسموت می تواند منجر به تشکیل رسوبات سیاه رنگ روی لثه شود که به خط بیسموت معروف است. این مسمومیت با دیمرکاپرول قابل درمان است.

تأثیرات زیست محیطی بیسموت به خوبی شناخته نشده است ولی ممکن است از سایر فلزات سنگین تجمع بیولوژیکی کمتری داشته باشد.