Tlenek bizmutu(III) - Bismuth(III) oxide

Tlenek bizmutu(III)
Trójtlenek bizmutu
AlfaBi2O3struktura.jpg
Nazwy
Nazwy IUPAC
Trójtlenek
bizmutu Tlenek bizmutu(III)
Bizmut (mineralny)
Inne nazwy
Tlenek bizmutu, półtoratlenek bizmutu
Identyfikatory
Model 3D ( JSmol )
ChemSpider
Karta informacyjna ECHA 100.013.759 Edytuj to na Wikidata
Numer WE
Identyfikator klienta PubChem
UNII
  • InChI=1S/2Bi.3O sprawdzaćTak
    Klucz: WMWLMWRWZQELOS-UHFFFAOYSA-N sprawdzaćTak
  • InChI=1/2Bi.3O/rBi2O3/c3-1-5-2-4
    Klucz: WMWLMWRWZQELOS-JOBWJGIYAA
  • O=[Bi]O[Bi]=O
Nieruchomości
Bi 2 O 3
Masa cząsteczkowa 465,96 g/mol
Wygląd zewnętrzny żółte kryształy lub proszek
Zapach bezwonny
Gęstość 8,90 g / cm 3 , stałe
Temperatura topnienia 817 ° C (1503 ° F; 1090 K)
Temperatura wrzenia 1890 ° C (3430 ° F; 2160 K)
nierozpuszczalny
Rozpuszczalność rozpuszczalny w kwasach
-83,0 x 10 -6 cm 3 / mol
Struktura
jednoskośna , mP20 ,
grupa przestrzenna P2 1 /c (nr 14)
pseudooktaedryczny
Zagrożenia
Arkusz danych dotyczących bezpieczeństwa Patrz: strona danych
MallBaker MSDS
Piktogramy GHS GHS07: Szkodliwy
Hasło ostrzegawcze GHS Ostrzeżenie
H315 , H319 , H335 , H413
P261 , P264 , P271 , P273 , P280 , P302+352 , P304+340 , P305+351+338 , P312 , P321 , P332+313 , P337+313 , P362 , P403+233 , P405 , P501
NFPA 704 (ognisty diament)
1
0
0
Temperatura zapłonu Nie palne
Związki pokrewne
Inne aniony
Trisiarczek
bizmutu Selenek
bizmutu Tellurek bizmutu
Inne kationy
Trójtlenek diazotu Trójtlenek
fosforu Trójtlenek
arsenu Trójtlenek
antymonu
Strona z danymi uzupełniającymi
Współczynnik załamania ( n ),
stała dielektrycznar ) itp.

Dane termodynamiczne
Zachowanie fazowe
ciało stałe-ciecz-gaz
UV , IR , NMR , MS
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w ich stanie standardowym (przy 25 °C [77 °F], 100 kPa).
sprawdzaćTak zweryfikuj  ( co to jest   ?) sprawdzaćTak☒n
Referencje do infoboksu

Tlenek bizmutu(III) jest prawdopodobnie najważniejszym przemysłowo związkiem bizmutu . Jest to również powszechny punkt wyjścia dla chemii bizmutu. Występuje w naturze jako mineralny bizmit (jednoskośny) i sphaerobismoit (czterokątny, znacznie rzadszy), ale zwykle pozyskiwany jest jako produkt uboczny wytapiania rud miedzi i ołowiu . Trójtlenek dibizmutu jest powszechnie używany do wywołania efektu „ smoczych jaj ” w fajerwerkach , jako zamiennik czerwonego ołowiu .

Struktura

Struktury przyjęte przez Bi 2 O 3 różnią się zasadniczo od struktur tlenku arsenu(III) As 2 O 3 i tlenku antymonu (III) Sb 2 O 3 .

Domeny egzystencji czterech polimorfów Bi 2 O 3 w funkcji temperatury. (a) Faza α przechodzi w fazę δ po podgrzaniu powyżej 727 °C, która pozostaje strukturą aż do osiągnięcia temperatury topnienia 824 °C. Po schłodzeniu, faza δ przekształca się albo w fazę β w 650°C, pokazaną w (b), albo w fazę γ w 639°C, pokazaną w (c). Faza β przechodzi w fazę α w 303°C. Faza γ może utrzymywać się w temperaturze pokojowej, gdy szybkość chłodzenia jest bardzo niska, w przeciwnym razie przechodzi w fazę α w 500°C.

Tlenek bizmutu Bi 2 O 3 ma pięć krystalograficznych polimorfów . Faza w temperaturze pokojowej, α-Bi 2 O 3, ma jednoskośną strukturę krystaliczną. Istnieją trzy fazy wysokiej temperatury, czworokątny β-fazowe i ciało skoncentrowane sześcienny γ-fazowe i sześcienny δ-Bi 2 O 3 fazy i fazę ε-. Faza α w temperaturze pokojowej ma złożoną strukturę z warstwami atomów tlenu z warstwami atomów bizmutu pomiędzy nimi. Atomy bizmutu znajdują się w dwóch różnych środowiskach, które można opisać jako odpowiednio zniekształconą koordynację 6 i 5.

β-Bi 2 O 3 ma strukturę zbliżoną do fluorytu .

γ-Bi 2 O 3 ma budowę zbliżoną do struktury Bi 12 SiO 20 ( sylenitu ), gdzie część atomów Bi zajmuje pozycję zajmowaną przez Si IV i można go zapisać jako Bi 12 Bi 0,8 O 19,2 .

δ- Bi 2 O 3 ma wadliwą strukturę krystaliczną typu fluorytu , w której dwa z ośmiu miejsc tlenu w komórce elementarnej są wolne. ε-Bi 2 O 3 ma strukturę związaną z fazami α- i β-, ale ponieważ struktura jest w pełni uporządkowana, jest izolatorem jonowym. Może być wytwarzany metodami hydrotermalnymi i przechodzi w fazę α w 400°C.

W jednoskośnej przekształca α-fazowe do sześcienny δ-Bi 2 O 3 , przy ogrzewaniu powyżej 729 ° C, która pozostaje na strukturę do temperatury topnienia 824 ° C jest osiągnięta. Zachowanie Bi 2 O 3 podczas chłodzenia z fazy δ jest bardziej złożone, z możliwym utworzeniem dwóch pośrednich faz metastabilnych ; czworokątny β fazy lub sześcienny ciała wyśrodkowany γ-fazy. Faza γ może występować w temperaturze pokojowej z bardzo małą szybkością chłodzenia, ale α-Bi 2 O 3 zawsze tworzy się podczas chłodzenia fazy β. Chociaż uformowany przez ciepło, powraca do α-Bi 2 O 3, gdy temperatura spadnie poniżej 727 ° C, δ-Bi 2 O 3 może być utworzony bezpośrednio przez osadzanie elektrolityczne i pozostaje względnie stabilny w temperaturze pokojowej, w elektrolicie o związki bizmutu, które są również bogate w wodorotlenek sodu lub potasu, dzięki czemu mają pH bliskie 14.

Przewodność

Faza α wykazuje przewodnictwo elektronowe typu p (ładunek jest przenoszony przez dodatnie dziury) w temperaturze pokojowej, która przekształca się w przewodnictwo typu n (ładunek jest przenoszony przez elektrony) między 550 ° C a 650 ° C, w zależności od cząstkowego tlenu nacisk. Przewodnictwo w fazach β, γ i δ jest głównie jonowe, a głównym nośnikiem ładunku są jony tlenkowe. Spośród nich δ-Bi 2 O 3 ma najwyższą zgłoszoną przewodność. W temperaturze 750 ° C Przewodność δ- Bi 2 O 3 wynosi zwykle około 1 Scm -1 , o trzy rzędy wielkości większy niż faz pośrednich i czterech rzędów większy niż jednoskośnej fazie. δ- Bi 2 O 3 ma wadliwą strukturę krystaliczną typu fluorytu, w której dwa z ośmiu miejsc tlenu w komórce elementarnej są wolne. Te wewnętrzne wakaty są wysoce ruchome ze względu na wysoką polaryzowalność podsieci kationowej z 6 s 2 samotnych par elektronów Bi 3+ . Wiązania Bi-O mają charakter wiązania kowalencyjnego i dlatego są słabsze niż wiązania czysto jonowe, dzięki czemu jony tlenu mogą swobodniej wskakiwać do wakatów .

Układ atomów tlenu w komórce elementarnej δ-Bi 2 O 3 był w przeszłości przedmiotem wielu dyskusji. Zaproponowano trzy różne modele. Sillen (1937) zastosował proszkową dyfrakcję rentgenowską na wygaszonych próbkach i stwierdził, że struktura Bi 2 O 3 jest prostą fazą sześcienną z wakancjami tlenu uporządkowanymi wzdłuż<111>, tj. wzdłuż przekątnej bryły sześcianu. Gattow i Schroder (1962) odrzucili ten model, woląc opisać każde miejsce tlenu (8c) w komórce elementarnej jako mające 75% zajętości. Innymi słowy, sześć atomów tlenu jest losowo rozmieszczonych w ośmiu możliwych miejscach tlenu w komórce elementarnej. Obecnie większość ekspertów wydaje się faworyzować ten drugi opis, ponieważ całkowicie nieuporządkowana podsieć tlenowa lepiej odpowiada za wysokie przewodnictwo.

Willis (1965) zastosował dyfrakcję neutronów do badania układu fluorytu (CaF 2 ). Stwierdził, że nie można tego opisać przez idealną strukturę kryształu fluorytu, raczej atomy fluoru zostały przesunięte z regularnych pozycji 8c w kierunku środków pozycji międzywęzłowych. Shuk i in. (1996) oraz Sammes i in. (1999) sugerują, że ze względu na wysoki stopień nieuporządkowania δ-Bi 2 O 3 , model Willisa mógłby być również wykorzystany do opisu jego struktury.

Zastosowanie w ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem (SOFC)

Zainteresowanie skupiło się na δ-Bi 2 O 3, ponieważ jest to głównie przewodnik jonowy. Oprócz właściwości elektrycznych, przy rozważaniu możliwych zastosowań elektrolitów stałych bardzo ważne są właściwości rozszerzalności cieplnej . Wysokie współczynniki rozszerzalności cieplnej reprezentują duże różnice wymiarowe podczas ogrzewania i chłodzenia, które ograniczałyby wydajność elektrolitu. Przejściu od wysokotemperaturowego δ-Bi 2 O 3 do pośredniego β- Bi 2 O 3 towarzyszy duża zmiana objętości, a co za tym idzie pogorszenie właściwości mechanicznych materiału. To, w połączeniu z bardzo wąskim zakresem stabilności fazy δ (727-824 °C), doprowadziło do badań nad jej stabilizacją do temperatury pokojowej.

Bi 2 O 3 łatwo tworzy stałe roztwory z wieloma innymi tlenkami metali. Te domieszkowane systemy wykazują złożony zestaw struktur i właściwości zależnych od rodzaju domieszki, stężenia domieszki i historii termicznej próbki. Najszerzej badanymi układami są te, w których występują tlenki metali ziem rzadkich , Ln 2 O 3 , w tym itru , Y 2 O 3 . Kationy metali ziem rzadkich są na ogół bardzo stabilne, mają podobne do siebie właściwości chemiczne i mają podobny rozmiar do Bi 3+ , który ma promień 1,03 Å, co czyni je doskonałymi domieszkami. Ponadto ich promienie jonowe zmniejszyć dość równomiernie z LA 3 + (1032 A), poprzez Nd 3+ (0,983 a), Gd 3+ (0,938 a), Dy 3+ (0,912 nm) i Er 3+ ( 0,89 Å) do Lu 3+ (0,861 Å) (znane jako " skurcz lantanowców "), co czyni je użytecznymi do badania wpływu wielkości domieszek na stabilność faz Bi 2 O 3 .

Bi 2 O 3 jest również stosowany jako dodatek do spiekania w układzie domieszkowanego tlenku cyrkonu Sc 2 O 3 do pośrednich temperatur SOFC.

Przygotowanie

Trójtlenek można otrzymać przez zapłon wodorotlenku bizmutu . Trójtlenek bizmutu można również otrzymać przez ogrzewanie subwęglanu bizmutu w temperaturze około 400 ° C.

Reakcje

Atmosferycznym dwutlenkiem węgla lub CO 2 rozpuszcza się w wodzie, łatwo reaguje z Bi 2 O 3 do generowania węglan bizmutylu . Tlenek bizmutu jest uważany za tlenek zasadowy, co wyjaśnia wysoką reaktywność z CO 2 . Jednak, kiedy kwasowe kationy, takie jak Si (IV), które są wprowadzane w strukturę tlenku bizmutu, reakcja z CO 2 nie występuje.

Tlenek bizmutu(III) reaguje z mieszaniną stężonego wodnego wodorotlenku sodu i bromu lub wodnego wodorotlenku potasu i bromu, tworząc odpowiednio bizmutan sodu lub potasu,

Korzystanie z urządzeń medycznych

Tlenek bizmutu jest czasami stosowany w materiałach dentystycznych, aby uczynić je bardziej nieprzeźroczystymi dla promieni rentgenowskich niż otaczająca je struktura zęba. W szczególności tlenek bizmutu (III) był stosowany w hydraulicznych cementach krzemianowych (HSC), pierwotnie w „ MTA ” (nazwa handlowa, oznaczająca chemicznie bez znaczenia „ mineralne kruszywo trójtlenkowe ”) od 10 do 20% mas. mieszanina głównie proszków krzemianów dwu- i trójwapniowych. Taki HSC stosuje się przy zabiegach stomatologicznych takich jak: apikoektomia, apeksyfikacja, przykrycie miazgi, pulpotomia, regeneracja miazgi, wewnętrzna naprawa perforacji jatrogennych, naprawa perforacji resorpcyjnych, uszczelnianie i obturacja kanałów korzeniowych. MTA po zmieszaniu z wodą zastyga w twardy materiał wypełniający. Niektóre materiały na bazie żywic zawierają również HSC z tlenkiem bizmutu. Podobno pojawiły się problemy z tlenkiem bizmutu, ponieważ twierdzi się, że nie jest obojętny przy wysokim pH, w szczególności spowalnia wiązanie HSC, ale także z czasem może tracić kolor pod wpływem światła lub reakcji z innymi materiałami, które mogły być używane w leczeniu zębów, np. podchloryn sodu.

Bibliografia

Dalsza lektura