Періодична система Менделєєва Д. І. встановлює закони залежності хімічних властивостей елементів від їх місця знаходження. Однак деякі елементи можуть вести себе у фізичних і хімічних процесах інакше, ніж від них очікується. Яскравим прикладом є вісмут. Розглянемо докладніше цей метал, зробивши упор на питання температури плавлення вісмуту.
Хімічний елемент вісмут
Поглянувши на періодичну таблицю, можна побачити, що вісмут позначається символом Bi, має 83 номер і атомну масу 208,98 а.е.м. У земній корі він знаходиться в невеликих кількостях (8,5*10-7%) і є таким же рідкісним, як срібло.
Якщо говорити про хімічні властивості елемента, то слід зазначити його інертність і труднощі участі в реакціях. Останній факт наближає його до групи благородних металів. Зовні вісмут являє собою сірий кристал з рожевим відтінком. Найбільша кількість цього елементу зустрічається в родовищах на території Південної Америки і США.
Елемент, відомий із старовини
Перш ніж розглянути питання фізичних властивостей вісмуту і температури плавлення, необхідно зазначити, що відкриття цього елемента не належить нікому. Вісмут входить в число 10 металів, які відомі людині з давніх часів, зокрема за деякими свідченнями його сполуки використовувалися в Давньому Єгипті в якості косметичних засобів.
Походження слова “вісмут” точно не відомо. Існуючі думки більшості фахівців схиляються до того, що він походить від давньогерманських слів Bismuth або Wismut, що означає “біла маса”.
Оскільки температури плавлення вісмуту і свинцю дуже близькі між собою (271,4 °C і 327,5 °C відповідно), а також близькі щільності цих металів (9,78 г/см3 і 11,32 г/см3 відповідно), то вісмут постійно плутали зі свинцем, а також з оловом, плавлення якого відбувається при температурі 231,9 °C. Тільки в середині XVIII століття європейські вчені-хіміки продемонстрували, що вісмут є самостійним металом.
Цікаві фізичні властивості
Вісмут є нетиповим металом. Крім його хімічної інертності і стійкості до окислення киснем, він є диамагнетиком, погано проводить тепло і електричний струм.
Ще більш цікавим є його перехід з твердого стану в рідкий. Як було зазначено, температура плавлення вісмуту нижче для свинцю і складає всього 271,4 °C. Під час плавлення обсяг металу зменшується, тобто тверді шматки металу не тонуть в його розплаві, а плавають на поверхні. В цій властивості він схожий на такі напівпровідники, як галій і кремній, а також на воду.
Не менш дивним є стійкість вісмуту до радіоактивного розпаду. Доведено, що будь-який елемент таблиці Менделєєва Д. І., який стоїть правіше ніобію (тобто має порядковий номер більше, ніж 41), потенційно є нестабільним. Вісмут розташовується під номером 83 і є самим важким стабільним елементом, період його напіврозпаду оцінюється в 2*1019 років. Завдяки великій щільності і високої стабільності він міг би замінити свинцеву захист в атомній енергетиці, однак рідкість вісмуту в природі не дозволяє цього зробити.
Використання елемента людської діяльності
Оскільки вісмут стабільний, хімічно інертний і нетоксичний, то він використовується для виробництва деяких медичних препаратів і косметики.
Подібність фізичних властивостей елемента характеристиками свинцю і олова дозволяє його використовувати в якості замінника, оскільки останні два металу є токсичними. Так, Данія, Нідерланди, США та багато інших країн ввели заборону на використання свинцю в якості наповнювача в мисливської дробу, оскільки птахи, плутаючи його з маленькими камінчиками, проковтують свинець і зазнають подальше отруєння. Також розвиваються технології виробництва висмутовых грузил для риболовлі в місце свинцевих.
Оскільки температури плавлення свинцю і вісмуту близькі (різниця становить всього 40 °C), то часто вісмутові сплави з низькою температурою плавлення використовують в якості заміни токсичних свинцево-олов’яних припоїв, особливо при виробництві харчової тари.
Задачка з новою температурної шкали
В курсі фізики можна зустріти завдання на визначення температури плавлення вісмуту за шкалою Генія. Скажемо відразу, що це просто завдання, і ніякої шкали Генія не існує. У фізиці в даний час прийняті всього три температурні шкали: Цельсія, Фаренгейта і Кельвіна (у системі СІ).
Отже, умови завдання такі: “Нова шкала температур, яка виражається в градусах Генія (°G), пов’язана з шкалою Цельсія так: 0 °G = 127 °C і 80 °G = 255 °С, потрібно визначити температуру плавлення вісмуту в градусах нової шкали”.
Складність завдання полягає в тому, що інтервал в 1 °G не відповідає інтервалу 1 °C. А яким значенням він відповідає в Цельсіях? Використовуючи умову задачі, отримуємо: (255-127)/80 = 1,6 °C. Це означає, що збільшення температури на 1°G буде еквівалентно її збільшення на 1,6 °C. Для вирішення завдання згадаємо, що вісмут плавиться при температурі 271,4 °C, що більше температури 255 °C на 16,4 °C або на 10,25 °G (16,4/1,6). Оскільки температура 255 °C відповідає 80 °G, отримуємо, що за шкалою Генія вісмут буде плавитися при температурі 90,25 °G (80+10,25).
