A szabályos, téglalap alakú formák és a különös csillogás szó szerint ennek az érdekes elemnek a védjegyei.
De mint kiderült, nem csupán a furcsa kristályformája miatt meglepő – ami amúgy is szokatlan a többi fémnél –, hanem számos olyan kiegészítő tulajdonsága is van, amire egyáltalán nem számítanál. Ráadásul ez nemcsak ennél az érdekes elemnél fura, hanem bármely más fémet tekintve is.
Ő a legdiamágnesesebb (vagyis a mágneses mező irányával ellentétesen mágneseződik) az összes fém közül, az egyik legrosszabb hővezetőnek számít a többi fém között (csak a higany rosszabb), és megmerevedéskor kitágul, akárcsak a víz vagy a gallium. Szinte egyáltalán nem mérgező az emberre (szemben az ólommal, amivel sokáig összekeverték). Ezt az elemet hosszú ideig teljesen stabilnak hitték, de végül ebben is becsapott minket. És ez még csak a kezdet.
Valószínűleg már ki is találtad, melyik elemről beszélünk. Ma a bizmut áll a figyelem középpontjában.
A bizmut (Bi) – a 83. számú elem a Mengyelejev-táblázatban, nehéz, törékeny fém, enyhe rózsaszínes árnyalattal. Formálisan az arzén és az antimon rokona, de furcsa tulajdonságai miatt közelebb áll a „sci-fi” kategóriához.
Hogy néz ki egy nem mindennapi fém?
Ha a kezedbe veszel egy darab bizmutot, az első benyomásod az lesz, hogy valami „hibás” benne.
A színe ezüstös, rózsaszínes fénnyel. Melegítés és oxidáció hatására a felületét szivárványos filmréteg borítja be. Ez egy vékony oxidréteg, amely fényinterferenciát vált ki, akárcsak egy szappanbuborék.
A kristályai lépcsőzetesen, mintegy lépcsőként növekednek, és valószínűleg már láttál is vele kísérleteket.
Ezek az úgynevezett lépcsős kristályok (hopper crystals) – a szélei gyorsabban növekednek, mint a közepe, és egy tömör kocka helyett lépcsőkből álló váz jön létre. Ez a viselkedés az atomjának felépítésével és a kötések létrejöttének sajátosságaival magyarázható.
Tapintásra a fém törékeny, omlós és mintha üvegből lenne, noha tömegét tekintve nehezebb a vasnál.
A fém, amely menekül a mágnes elől
A bizmut legfurcsább tulajdonsága a diamágnesessége.
A legtöbb anyag vagy enyhén vonzódik a mágneshez (paramágneses anyagok), vagy erősen (ferromágneses anyagok – vas, nikkel). A bizmut pont az ellenkezőjét teszi. Kitaszítja őt az erős mágneses mező.
Diamágnesessége rekord az összes fém között. Ha egy kis darab bizmutot rendkívül erős mágneses mezőbe helyezel, igyekszik majd a kisebb térerősségű területre kerülni, és szó szerint kiugrik a mezőből. Ez a viselkedés jellemző az ilyen típusú anyagokra, de szokatlan a fémeknél.
A diamágneses anyagokban a külső mező olyan áramot indukál az elektronhéjban, amely ellentétes mágneses mezőt hoz létre. A bizmut esetében az elektronok kristályrácsban elfoglalt helyzete és a speciális sávszerkezet miatt ez a hatás maximális: az indukált mező hatékonyan kompenzálja a külső mezőt.
Ez még nem szupravezetés (ott a mező teljesen kiszorul a mintából), de egy átlagos fémhez képest az antimágnesesség mértéke lenyűgöző a bizmutnál.
Szinte alig vezeti a hőt, pedig fém
A második furcsaság a rendkívül alacsony hővezető képessége.
Hővezetés szempontjából a bizmut a fémek listájának legvégén kullog – csak a higany és néhány egzotikus elem teljesít gyengébben nála. A fémek általában jól vezetik a hőt, mivel a szabad elektronok egyszerre szállítják az elektromos áramot és az energiát. A bizmutnak azonban magas az elektromos ellenállása (az elektronok nehezen mozognak) és összetett az elektronszerkezete, kevés töltéshordozóval.
Ennek eredményeként mind az áramot, mind a hőt rendkívül vonakodva továbbítja.
A fém, amely kitágul, amikor megdermed
Egy újabb pofon az intuícióknak: megmerevedéskor a bizmut megnöveli a térfogatát. A legtöbb anyagnál a dolog logikus: ha hűtjük, a részecskék közelednek egymáshoz, a sűrűség nő, a térfogat pedig csökken. A bizmutnál viszont, amikor folyékonyból szilárd állapotba megy át, a térfogat nagyjából 3%-kal nő.
Ez azt jelenti, hogy ha olvadt bizmutot öntesz egy formába, és hagyod megdermedni, az kissé szétfeszíti a formát belülről. Pontosan ezt a különleges tulajdonságot használták ki évtizedeken át a műszaki életben.
Például a nyomdai ötvözetekben azért, hogy kompenzálják az ólom és az ón zsugorodását és tiszta, dombornyomott betűket kapjanak, vagy alacsony hőmérsékletű forrasztásokban és olvadó betétekben. A bizmutot tartalmazó ötvözetek alacsony hőmérsékleten olvadnak meg, de megdermedéskor megbízhatóan kitöltik a formát és hézagmentesen tapadnak.
Miért tágul? Nagyjából ugyanazon okból, mint a sima víz. Az atomok elrendeződésének összetett szerkezete azt eredményezi, hogy az atomok másféle orientációja végül megnöveli az anyag térfogatát.
A bizmut nehéz, de szinte ártalmatlan
A bizmut egy újabb paradoxona, hogy nehéz elem létére mégis csekély veszélyességi besorolást kapott. Hosszú ideig összekeverték az ólommal, mind a tömege, mind a megjelenése miatt. Azonban a toxicitása sokkal alacsonyabb, emiatt gyakran használják az ólom környezetbarát helyettesítőjeként.
Sokáig a bizmut-209-et tartották a legnehezebb stabil atommagnak. Később kiderült, hogy mégiscsak radioaktív, de olyan hatalmas a felezési ideje, hogy minden gyakorlati feladat szempontjából stabilnak tekinthető.
Miért ilyen furcsa a bizmut?
Meglepő, de minden tulajdonság, ami ellentétesnek tűnik az intuíciónkkal, megmagyarázható a modern tudomány által.
Ez egy nehéz p-elem 83 protonnal, összetett elektronszerkezettel és erős spin-pálya kapcsolattal. Ez könnyen megmagyarázza az ólommal való hasonlóságát, a meg nem értett radioaktivitását és sok fizikai tulajdonságát.
Különleges kristályrácsa van – réteges szerkezete hasonló az arzénhez és az antimonhoz, de kifejezettebb anizotrópiával és lazább rácsszerkezettel bír.
Kevés töltéshordozóval és szokatlan energiasávokkal rendelkezik. Ebből erednek az elektromos és mágneses anomáliák. Mindez tehát tudományos szemmel nézve logikus… bár rendkívül érdekes.
