Многим из вас знакомы красивые кристаллы радужного цвета, которые больше похожи на работу какой-то инопланетной цивилизации или проделки Alienов. Правильные прямоугольные формы и странный блеск являются буквально визитной карточкой этого интересного элемента.
Но оказывается удивляет он не только странной формой кристаллов, несвойственной для множества других металлов, но и ещё рядом дополнительных свойств, которые мы не ожидаем наблюдать. Причём не только у этого интересного элемента, но и у всех остальных металлов.
Он самый диамагнитный (т.е. намагничивается против направления магнитного поля) из всех металлов, один из худших "теплопроводников" среди остальных металлов (хуже только ртуть) и расширяется при затвердевании, как вода и галлий. Он почти нетоксичен для человека (в отличие от свинца, с которым его долго путали). Этот элемент долгое время считали абсолютно стабильным, но в итоге он и тут нас обманул. И это только начало.
Скорее всего вы уже догадались о каком элементе речь. Сегодня в центре внимания у нас Висмут.
Висмут (Bi) - 83-й номер в таблице Менделеева, тяжёлый, хрупкий металл с легким розовым оттенком. Формально он родственник мышьяка и сурьмы, но по странности свойств ближе к научной фантастике.
Как выглядит ненормальный металл?
Если взять "кусок" висмута, то первое впечатление будет, что он какой-то неправильный.
Цвет у него серебристый с розовым отливом. При нагреве и окислении поверхность покрывается радужной плёнкой. Это тонкий слой оксида и он вызывает интерференцию света, как в мыльном пузыре.
Его кристаллы растут ступенчатой лестницей и вы точно видели опыты с ним дома.
Это так называемые ступенчатые кристаллы или hopper crystals - его края растут быстрее, чем центр, и вместо плотного кубика формируется каркас из ступеней. Такое повдеение обусловлено спецификой конструкции его атома и образования связей.
По ощущениям металл хрупкий, ломкий и как будто стеклянный, хотя по массе тяжелее железа.
Металл, который убегает от магнита
Самое странное в висмуте - его диамагнетизм.
Большинство материалов либо слегка притягиваются к магниту (парамагнетики), либо сильно (ферромагнетики — железо, никель). Висмут делает наоборот. Его выталкивает из области сильного магнитного поля.
Величина его диамагнетизма - рекорд среди всех металлов. Если поместить небольшой кусочек висмута в очень сильное магнитное поле, он будет стремиться занять область меньшей напряжённости и буквально выскользнуть из поля. Это характерно для таких материалов, но странно для металлов.
В диамагнетиках внешнее поле наводит в электронной оболочке токи, которые создают противоположное магнитное поле. У висмута электроны в кристаллической решётке и особая зонная структура таковы, что этот эффект максимален - индуцированное поле эффективно компенсирует внешнее.
Это не сверхпроводимость (там поле вообще вытесняется из образца), но для обычного металла степень антимагнитности у висмута впечатляющая.
Почти не проводит тепло, хотя и металл
Вторая странность - очень низкая теплопроводность.
По теплопроводности висмут находится в самом низу таблицы металлов - хуже только ртуть и несколько экзотических элементов. Обычно металлы проводят тепло хорошо, а свободные электроны одновременно переносят и электрический ток, и энергию. Но у висмута высокая электрическая сопротивляемость (электронам тяжело двигаться) и сложная электронная структура с малым числом носителей заряда.
В результате и ток, и тепло он переносит крайне неохотно.
Металл, который расширяется, когда застывает
Ещё один удар по интуиции - при затвердевании висмут увеличивает объём.
Для большинства веществ всё логично. Охлаждаем, частицы сближаются, плотность растёт и объём уменьшается. Для висмута при переходе из жидкого в твёрдое состояние объём увеличивается примерно на 3%.
То есть, если залить расплавленный висмут в форму и дать ему застыть, он чуть распирает форму изнутри. Ровно эту особенность десятилетиями использовали в технике.
Например, в типографских сплавах, чтобы компенсировать усадку свинца и олова и получать чёткие, выдавленные буквы или в низкотемпературных припоях и плавких вставках - сплавы с висмутом плавятся при низких температурах, но при затвердевании надёжно заполняют форму и держатся без зазоров.
Почему он расширяется? Примерно по той же причине, что и обычная вода. Сложная структура расположения атомов подразумевает, что их раз ориентация в итоге увеличит объём материала. Впрочем, не стоит опять это повторять, я делал видео по теме.
Висмут тяжёлый, но почти безвредный
Ещё один парадокс Висмута - он тяжёлый элемент, который при этом считается малоопасным. Долгое время висмут путали со свинцом и по массе, и по внешнему виду. Но токсичность у него значительно ниже. Из-за этого его часто используют как экологичную замену свинца.
Долгое время висмут-209 считали самым тяжёлым стабильным ядром. Потом выяснилось, что он всё-таки радиоактивен, но с настолько огромным периодом полураспада, что для всех практических задач его можно считать стабильным.
Почему висмут так странен?
Удивительно, но все свойства, которые кажутся нам контринтуитивными, могут быть объяснены современной наукой.
Это тяжёлый p-элемент с 83 протонами, сложной электронной структурой и сильной спин-орбитальной связью. Так мы легко объясним аналогии со свинцом, непонятную радиоактивность и многие физические свойства.
У него особая кристаллическая решётка - слоистая структура, похожая на мышьяк и сурьму, но с более выраженными анизотропией и рыхлостью решётки.
У него малое число носителей заряда и необычные энергетические зоны. От этого растут и электрические, и магнитные аномалии.
Всё это довольно логично... Хотя и чрезвычайно интересно.
Подборка про тайны химических элементов:
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram!
Хочется помочь проекту? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️! Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями