बिस्मथ

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बिस्मथ (Bismuth) एक रासायनिक तत्व है; इसका प्रतीक Bi और परमाणु क्रमांक 83 है। यह एक पश्च-संक्रमण धातु (post-transition metal) है और निक्टोजन (pnictogen) समूह का सदस्य है, जिसके रासायनिक गुण इसके हल्के समूह 15 के सहोदरों आर्सेनिक और एंटीमनी के समान हैं। तात्विक बिस्मथ प्राकृतिक रूप से पाया जाता है, और इसके सल्फाइड और ऑक्साइड रूप महत्वपूर्ण व्यावसायिक अयस्क हैं। मुक्त तत्व के रूप में इसका घनत्व सीसा (lead) का 86% होता है। यह एक भंगुर धातु है जिसका रंग ताज़ा उत्पादित होने पर चांदी जैसा सफेद होता है। सतही ऑक्सीकरण (Surface oxidation) आमतौर पर धातु के नमूनों को थोड़ा गुलाबी रंग देता है। गर्मी में और अधिक ऑक्सीकरण होने पर, पतली-फिल्म व्यतिकरण (thin-film interference) के कारण बिस्मथ को एक जीवंत इंद्रधनुषी (iridescent) रूप मिल सकता है। बिस्मथ सबसे अधिक प्रतिचुंबकीय (diamagnetic) तत्व है और सभी धातुओं में, यह सबसे अधिक विद्युत प्रतिरोधी (electrically resistive) और सबसे कम ऊष्मीय चालकता (thermally conductive) वाली धातुओं में से एक है।

बिस्मथ को पहले उस तत्व के रूप में समझा जाता था जिसका परमाणु द्रव्यमान सबसे अधिक है और जिसके नाभिक स्वतः क्षय नहीं होते हैं, लेकिन 2003 में, इसे बहुत हल्का रेडियोधर्मी पाया गया। धातु का एकमात्र आदिम समस्थानिक (primordial isotope), बिस्मथ-209, अल्फा क्षय से गुजरता है, जिसकी अर्ध-आयु (half-life) ब्रह्मांड की अनुमानित आयु से लगभग एक अरब गुना अधिक है।[1][2]

बिस्मथ धातु प्राचीन काल से ज्ञात है। आधुनिक विश्लेषणात्मक विधियों से पहले, सीसा और टिन के साथ बिस्मथ की धातुकर्म संबंधी समानताओं के कारण इसे अक्सर उन धातुओं के साथ भ्रमित किया जाता था। "बिस्मथ" की व्युत्पत्ति अनिश्चित है। यह नाम 16वीं शताब्दी के मध्य के जर्मन शब्दों weiße Masse या Wismuth के नव-लैटिन अनुवादों से आ सकता है, जिसका अर्थ है "सफेद द्रव्यमान", जिसे bisemutum या bisemutium के रूप में प्रस्तुत किया गया था।

बिस्मथ यौगिक वैश्विक बिस्मथ उत्पादन का लगभग आधा हिस्सा हैं। इनका उपयोग सौंदर्य प्रसाधनों, वर्णक (pigments) और कुछ दवाओं में किया जाता है, विशेष रूप से बिस्मथ सबसैलिसिलेट, जिसका उपयोग दस्त के इलाज के लिए किया जाता है।[2] जमने पर फैलने की बिस्मथ की असामान्य प्रवृत्ति इसके कुछ उपयोगों के लिए जिम्मेदार है, जैसे कि प्रिंटिंग टाइप की ढलाई में।[2] बिस्मथ, जब अपने तात्विक रूप में होता है, तो भारी धातु के लिए असामान्य रूप से कम विषाक्तता (toxicity) रखता है।[2] जैसे-जैसे 20वीं सदी के दौरान सीसे की विषाक्तता (lead poisoning) और इसके पर्यावरणीय उपचार (environmental remediation) की लागत अधिक स्पष्ट होती गई, उपयुक्त बिस्मथ मिश्र धातु (alloys) ने सीसे के प्रतिस्थापन के रूप में लोकप्रियता हासिल की है। वर्तमान में, वैश्विक बिस्मथ उत्पादन का लगभग एक तिहाई हिस्सा उन जरूरतों के लिए समर्पित है जो पहले सीसे द्वारा पूरी की जाती थीं।

इतिहास और व्युत्पत्ति

बिस्मथ उन पहले 11 धातुओं में से एक था जिनकी खोज की गई थी। "बिस्मथ" नाम लगभग 1665 का है और इसकी व्युत्पत्ति अनिश्चित है। यह नाम संभवतः जर्मन Bismuth, Wismut, Wissmuth (16वीं शताब्दी की शुरुआत) से आया है, जो शायद पुरानी उच्च जर्मन hwiz ("सफेद") से संबंधित है।[3] नव-लैटिन bisemutium (जिसे जॉर्जियस एग्रीकोला द्वारा गढ़ा गया था, जिन्होंने कई जर्मन खनन और तकनीकी शब्दों का लैटिनकरण किया था) जर्मन Wismuth से है, जो स्वयं शायद weiße Masse से है, जिसका अर्थ है "सफेद द्रव्यमान"।[4][5]

प्रारंभिक समय में इस तत्व को टिन और सीसा के साथ भ्रमित किया गया था क्योंकि यह उन तत्वों के समान था। चूंकि बिस्मथ प्राचीन काल से ज्ञात है, इसलिए इसकी खोज का श्रेय किसी एक व्यक्ति को नहीं दिया जाता है। इंका लोगों ने चाकू के लिए एक विशेष बिस्मथ कांस्य (Bismuth bronze) मिश्र धातु में (सामान्य तांबे और टिन के साथ) बिस्मथ का उपयोग किया था, जो संभवतः जानबूझकर किया गया था।[6] एग्रीकोला (1546) का कहना है कि बिस्मथ टिन और सीसे सहित धातुओं के परिवार में एक अलग धातु है। यह धातुओं और उनके भौतिक गुणों के अवलोकन पर आधारित था।[7] कीमिया (alchemy) के युग के खनिकों ने बिस्मथ को tectum argenti नाम भी दिया, या "चांदी का निर्माण" इस अर्थ में कि चांदी अभी भी पृथ्वी के भीतर बनने की प्रक्रिया में है।[8][9][10]

1738 में जोहान हेनरिक पॉट से शुरू होकर,[11] कार्ल विल्हेम शील, और टोरबर्न ओलोफ बर्गमैन, सीसे और बिस्मथ की भिन्नता स्पष्ट हो गई, और क्लाउड फ्रेंकोइस जेफ्री ने 1753 में प्रदर्शित किया कि यह धातु सीसे और टिन से अलग है।[9][12][13]

विशेषताएँ

भौतिक विशेषताएँ

बिस्मथ एक भंगुर धातु है जिसमें गहरा, चांदी-गुलाबी रंग होता है, अक्सर इंद्रधनुषी बिस्मथ(III) ऑक्साइड धूमिलता के साथ जो पीले से नीले रंग तक कई रंग दिखाती है। बिस्मथ क्रिस्टल की सर्पिल, सीढ़ीदार संरचना अंदर के किनारों की तुलना में बाहरी किनारों के चारों ओर उच्च विकास दर का परिणाम है। क्रिस्टल की सतह पर बनने वाली ऑक्साइड परत की मोटाई में भिन्नता के कारण प्रकाश की विभिन्न तरंग दैर्ध्य परावर्तन पर व्यतिकरण करती हैं, जिससे इंद्रधनुष के रंग दिखाई देते हैं। जब ऑक्सीजन में जलाया जाता है, तो बिस्मथ नीली लपट के साथ जलता है और इसका ऑक्साइड पीले धुएं बनाता है।[12] इसकी विषाक्तता आवर्त सारणी में इसके पड़ोसियों, जैसे सीसा और एंटीमनी, की तुलना में बहुत कम है।[14]

कोई अन्य धातु प्राकृतिक रूप से बिस्मथ से अधिक प्रतिचुंबकीय (diamagnetic) नहीं है।[12][15]:171[note 1] किसी भी धातु की तुलना में, इसमें ऊष्मीय चालकता का सबसे कम मान होता है (मैंगनीज, नेप्चूनियम और प्लूटोनियम के बाद) और उच्चतम हॉल गुणांक होता है।[16] इसमें सभी शुद्ध धातुओं में चौथी सबसे अधिक विद्युत प्रतिरोधकता है, जो केवल गैडोलीनियम, मैंगनीज और प्लूटोनियम से पीछे है।[12][17][note 2] जब किसी सब्सट्रेट पर पर्याप्त पतली परतों में जमा किया जाता है, तो बिस्मथ एक अर्धचालक (semiconductor) होता है, इसके बावजूद कि यह एक पश्च-संक्रमण धातु है।[18] तात्विक बिस्मथ ठोस की तुलना में तरल चरण में अधिक सघन होता है, एक विशेषता जो यह जर्मेनियम, सिलिकॉन, गैलियम, प्लूटोनियम और पानी के साथ साझा करता है।[19]:768 बिस्मथ जमने पर 3.32% फैलता है, इसलिए यह लंबे समय से कम गलनांक वाले टाइपसेटिंग मिश्र धातु का एक घटक था, जहां यह अन्य मिश्र धातु घटकों के संकुचन की भरपाई करता था[12][20][21][22] ताकि लगभग आइसोस्टैटिक सीसा-बिस्मथ यूटेक्टिक मिश्र धातु बन सके।

हालांकि प्रकृति में लगभग अदृश्य, उच्च-शुद्धता वाला बिस्मथ विशिष्ट, रंगीन हॉपर क्रिस्टल बना सकता है। यह अपेक्षाकृत गैर-विषाक्त है और इसका गलनांक 271 C से थोड़ा ऊपर है, इसलिए क्रिस्टल को घरेलू स्टोव का उपयोग करके उगाया जा सकता है, हालांकि परिणामी क्रिस्टल प्रयोगशाला में उगाए गए क्रिस्टल की तुलना में कम गुणवत्ता के होते हैं।[23]

परिवेश की स्थितियों में, बिस्मथ आर्सेनिक और एंटीमनी के धात्विक रूपों के समान स्तरित संरचना साझा करता है,[19]:767 जो रॉम्बोहेड्रल जाली में क्रिस्टलीकृत होता है।[15]:172 कमरे के तापमान पर संकुचित होने पर, यह Bi–I संरचना पहले 2.55 GPa पर मोनोक्लिनिक Bi-II में बदल जाती है, फिर 2.7 GPa पर टेट्रागोनल Bi-III में, और अंत में 7.7 GPa पर बॉडी-सेंटर्ड क्यूबिक Bi-V में बदल जाती है। संबंधित संक्रमणों को विद्युत चालकता में परिवर्तन के माध्यम से मॉनिटर किया जा सकता है; वे काफी प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य और अचानक होते हैं, इसलिए उच्च-दबाव वाले उपकरणों के अंशांकन के लिए उपयोग किए जाते हैं।[24][25]

रासायनिक विशेषताएँ

बिस्मथ सामान्य तापमान पर शुष्क और नम दोनों हवाओं के लिए स्थिर है। पर्याप्त उच्च तापमान पर, यह बिस्मथ(III) ऑक्साइड बनाने के लिए जल वाष्प के साथ प्रतिक्रिया कर सकता है।[26]:8

2 Bi + 3 H2O -> Bi2O3 + 3 H2

यह 500 C पर बिस्मथ(V) फ्लोराइड या कम तापमान पर बिस्मथ(III) फ्लोराइड (आमतौर पर Bi पिघल से) बनाने के लिए फ्लोरीन के साथ प्रतिक्रिया करता है; अन्य हैलोजन के साथ यह केवल बिस्मथ(III) हैलाइड देता है।[19]:769–70[27]:559–61[15]:185 ट्राइहैलाइड संक्षारक होते हैं और आसानी से नमी के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, जिससे BiOX सूत्र वाले ऑक्सीहैलाइड बनते हैं।[26]:9

2 Bi + 3 X2 -> 2 BiX3 (X = F, Cl, Br, I)
BiX3 + H2O -> BiOX + 2 HX

बिस्मथ बिस्मथ(III) सल्फेट और सल्फर डाइऑक्साइड बनाने के लिए सांद्र सल्फ्यूरिक एसिड में घुल जाता है।[26]:8

6 H2SO4 + 2 Bi -> 6 H2O + Bi2(SO4)3 + 3 SO2

यह बिस्मथ(III) नाइट्रेट बनाने के लिए नाइट्रिक एसिड के साथ प्रतिक्रिया करता है (जो गर्म होने पर नाइट्रोजन डाइऑक्साइड में विघटित हो जाता है[28])।[29]

Bi + 6 HNO3 -> 3 H2O + 3 NO2 + Bi(NO3)3

यह हाइड्रोक्लोरिक एसिड में भी घुल जाता है, लेकिन केवल ऑक्सीजन की उपस्थिति में।[26]:8

4 Bi + 3 O2 + 12 HCl -> 4 BiCl3 + 6 H2O

समस्थानिक

मुख्य लेख: Isotopes of bismuth

बिस्मथ का एकमात्र आदिम समस्थानिक, बिस्मथ-209, लंबे समय से सबसे भारी स्थिर न्यूक्लाइड माना जाता था, लेकिन सैद्धांतिक आधार पर अल्फा क्षय के लिए अस्थिर होने का संदेह था।[30] यह अंततः 2003 में प्रदर्शित किया गया था, जब ऑर्से, फ्रांस में fr के शोधकर्ताओं ने इस क्षय का पता लगाया; अर्ध-आयु का सबसे अच्छा मान अब 2.01×10^19 years (3 Bq/t) है,[31]ref जो ब्रह्मांड की अनुमानित आयु से ×10^9 गुना अधिक है।[2] अपनी अत्यधिक लंबी अर्ध-आयु के कारण, सभी ज्ञात चिकित्सा और औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए, बिस्मथ को स्थिर माना जा सकता है। रेडियोधर्मिता शैक्षणिक रुचि की है क्योंकि बिस्मथ उन कुछ तत्वों में से एक है जिनकी रेडियोधर्मिता का प्रयोगशाला में पता चलने से पहले ही संदेह और सैद्धांतिक रूप से भविष्यवाणी की गई थी।[2] बिस्मथ की सबसे लंबी ज्ञात α-क्षय अर्ध-आयु है, हालांकि टेल्यूरियम-128 की किसी भी मोड द्वारा सबसे लंबी ज्ञात है: लगभग 2.25×10^24 years पर डबल बीटा क्षय।ref

बिस्मथ के छह समस्थानिक जिनकी अर्ध-आयु कम है (210–215 समावेशी, लेकिन 210m नहीं) एक्टिनियम, रेडियम, थोरियम और नेप्चूनियम की प्राकृतिक रेडियोधर्मी क्षय श्रृंखला में होते हैं, और अधिक संश्लेषित किए गए हैं। (हालांकि सभी आदिम 237Np का क्षय बहुत पहले हो चुका है, यह प्राकृतिक 238U पर (n,2n) नॉकआउट प्रतिक्रियाओं द्वारा लगातार पुनर्जीवित होता है।)[32][33]

चिकित्सा उपयोग के लिए, बिस्मथ-213 का उत्पादन किया जा सकता है, मूल समस्थानिक एक्टिनियम-225 के रूप में, रैखिक कण त्वरक (linear particle accelerator) से ब्रेमस्ट्रालुंग फोटॉन के साथ रेडियम पर बमबारी करके। 1997 में, बिस्मथ-213 (अर्ध-आयु 45.6 मिनट, अल्फा कण उत्सर्जित करता है) के साथ एक एंटीबॉडी संयुग्म का उपयोग ल्यूकेमिया के रोगियों के इलाज के लिए किया गया था, और इसका उपयोग अन्य कैंसर उपचारों में किया गया है, उदाहरण के लिए, लक्षित अल्फा-कण चिकित्सा (targeted alpha-particle therapy) प्रायोगिक कार्यक्रम में।[34][35]

रासायनिक यौगिक

मुख्य लेख: Bismuth compounds

रासायनिक रूप से, बिस्मथ आर्सेनिक और एंटीमनी जैसा दिखता है, लेकिन बहुत कम विषाक्त है।[14] लगभग सभी ज्ञात यौगिकों में, बिस्मथ की ऑक्सीकरण अवस्था +3 है; कुछ में +5 या −3 अवस्थाएं हैं।

ट्राइऑक्साइड[19]:768[27]:553 और ट्राइसल्फाइड दोनों को तत्वों से बनाया जा सकता है,[36][27]:559–61 हालांकि ट्राइऑक्साइड उच्च तापमान पर अत्यधिक संक्षारक है।[15]:185 पेंटोक्साइड कमरे के तापमान पर स्थिर नहीं है, और यदि गर्म किया जाए तो O2 गैस विकसित करता है।[37] दोनों ऑक्साइड जटिल आयन (complex anions) बनाते हैं,[38] और NaBiO3 एक मजबूत ऑक्सीकरण एजेंट है।[27]:578 ट्राइसल्फाइड बिस्मथ अयस्क में सामान्य है।[36]

इसी तरह, बिस्मथ सभी संभावित ट्राइहैलाइड बनाता है, लेकिन एकमात्र पेंटाहैलाइड BiF5 है। सभी लुईस एसिड हैं।[26]:8 बिस्मथ कई औपचारिक Bi^{I} हैलाइड बनाता है; ये असामान्य रूप से संरचित पॉलीएटॉमिक धनायनों और ऋणायनों वाले जटिल लवण हैं।[38][39]

अत्यधिक अम्लीय जलीय घोल में, Bi3+ आयन Bi(H2O)83+ बनाने के लिए विलायकित (solvates) होता है।[40] जैसे-जैसे pH बढ़ता है, धनायन तब तक बहुलकीकृत (polymerize) होते हैं जब तक कि ऑक्टाहेड्रल बिस्मथिल कॉम्प्लेक्स [Bi6O4(OH)4]6+,[41] जिसे अक्सर BiO+ के रूप में संक्षिप्त किया जाता है, नहीं बन जाता। हालांकि बिस्मथ ऑक्सीक्लोराइड और बिस्मथ ऑक्सीनाइट्रेट में स्टोइकोमेट्री होती है जो आयन का सुझाव देती है, वे इसके बजाय डबल लवण (double salts) हैं।[15]:184 बिस्मथ नाइट्रेट पानी में हाइड्रोलाइज होकर ऑक्सीनाइट्रेट बनाता है।

बिस्मथ बहुत कम स्थिर बिस्मथाइड (bismuthides), अंतर्धात्विक (intermetallic) यौगिक बनाता है जिसमें यह −3 ऑक्सीकरण अवस्था प्राप्त करता है।[42] हाइड्राइड कमरे के तापमान पर स्वतः विघटित हो जाता है और केवल −60 C से नीचे स्थिर होता है।[38] सोडियम बिस्मथाइड टोपोलॉजिकल डिरैक इंसुलेटर के रूप में रुचि रखता है।[43][44]

प्राप्ति और उत्पादन

उत्पादन

पृथ्वी की पपड़ी में बिस्मथ की रिपोर्ट की गई प्रचुरता स्रोत के अनुसार 180 ppb (चांदी के समान) से 8 ppb (सोने से दोगुना सामान्य) तक काफी भिन्न होती है। बिस्मथ के सबसे महत्वपूर्ण अयस्क बिस्मथनाइट और बिस्माइट हैं।[12] मूल बिस्मथ ऑस्ट्रेलिया, बोलीविया और चीन से ज्ञात है।[45][15]:172–3

विश्व बिस्मथ उत्पादन[46][47]
देश उत्पादन
(मीट्रिक टन) 		वर्ष
विश्व 16,000 2024
China 13,000 2024
Vietnam 1,938 2022
Laos 1,100 2024
South Korea 1,000 2024
Japan 500 2024
Peru 251 2022
Kazakhstan 180 2024
Bolivia 70 2024
Bulgaria 50 2024
Russia 45 2022
Armenia 4 2022

संयुक्त राज्य भूवैज्ञानिक सर्वेक्षण (USGS) के अनुसार, 2016 में दुनिया भर में खनन द्वारा 10,200 टन और शोधन द्वारा 17,100 टन बिस्मथ का उत्पादन किया गया था। तब से, USGS बिस्मथ के लिए खनन डेटा प्रदान नहीं करता है, क्योंकि उन्हें अविश्वसनीय माना जाता है। विश्व स्तर पर, बिस्मथ का उत्पादन मुख्य रूप से शोधन द्वारा किया जाता है, जो सीसा, तांबा, टिन, मोलिब्डेनम और टंगस्टन जैसी अन्य धातुओं के निष्कर्षण का एक उप-उत्पाद है, हालांकि शोधन-से-खनन का अनुपात देश पर निर्भर करता है।[15]:173[48][49][50]

बिस्मथ कच्चे सीसे के बुलियन (जिसमें 10% तक बिस्मथ हो सकता है) में शोधन के कई चरणों से गुजरता है, जब तक कि इसे क्रोल-बेटरटन प्रक्रिया (Kroll-Betterton process) द्वारा हटा नहीं दिया जाता, जो अशुद्धियों को स्लैग के रूप में अलग करती है, या इलेक्ट्रोलाइटिक बेट्स प्रक्रिया (Betts process) द्वारा अलग नहीं किया जाता। बिस्मथ अपनी अन्य प्रमुख धातुओं, तांबे के साथ भी इसी तरह का व्यवहार करता है।[48] दोनों प्रक्रियाओं से प्राप्त कच्ची बिस्मथ धातु में अभी भी अन्य धातुओं, मुख्य रूप से सीसे की काफी मात्रा होती है। पिघले हुए मिश्रण को क्लोरीन गैस के साथ प्रतिक्रिया कराकर, धातुओं को उनके क्लोराइड में बदल दिया जाता है, जबकि बिस्मथ अपरिवर्तित रहता है। अशुद्धियों को अन्य विभिन्न तरीकों से भी हटाया जा सकता है, उदाहरण के लिए, फ्लक्स और उपचारों के साथ जो उच्च-शुद्धता वाली बिस्मथ धातु (99% से अधिक Bi) प्रदान करते हैं।[51]

मूल्य

[52] शुद्ध बिस्मथ धातु की कीमत 20वीं सदी के अधिकांश समय में अपेक्षाकृत स्थिर रही, सिवाय 1970 के दशक में आई तेजी के। बिस्मथ का उत्पादन हमेशा मुख्य रूप से सीसा शोधन के उप-उत्पाद के रूप में किया गया है, इसलिए कीमत आमतौर पर रिकवरी की लागत और उत्पादन तथा मांग के बीच के संतुलन को दर्शाती है।[52]

द्वितीय विश्व युद्ध से पहले, बिस्मथ की मांग कम थी और मुख्य रूप से औषधीय थी—बिस्मथ यौगिकों का उपयोग पाचन संबंधी विकारों, यौन संचारित रोगों और जलन जैसी स्थितियों के इलाज के लिए किया जाता था। फायर स्प्रिंकलर सिस्टम और फ्यूज वायर के लिए फ्यूसिबल मिश्र धातुओं में बिस्मथ धातु की थोड़ी मात्रा का उपयोग किया जाता था। द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान, बिस्मथ को एक रणनीतिक सामग्री माना जाता था, जिसका उपयोग सोल्डर, फ्यूसिबल मिश्र धातुओं, दवाओं और परमाणु अनुसंधान के लिए किया जाता था। बाजार को स्थिर करने के लिए, उत्पादकों ने युद्ध के दौरान कीमत $1.25 प्रति पाउंड ($2.75 /किग्रा) और 1950 से 1964 तक $2.25 प्रति पाउंड ($4.96 /किग्रा) निर्धारित की।[52]

1970 के दशक की शुरुआत में, एल्युमीनियम, लोहे और स्टील के लिए धातु संबंधी योजक के रूप में बिस्मथ की बढ़ती मांग के कारण कीमत तेजी से बढ़ी। इसके बाद विश्व उत्पादन में वृद्धि, स्थिर खपत और 1980 तथा 1981-1982 की मंदी के कारण गिरावट आई। 1984 में, दुनिया भर में खपत बढ़ने के कारण कीमत फिर से बढ़ने लगी, विशेष रूप से संयुक्त राज्य अमेरिका और जापान में। 1990 के दशक की शुरुआत में, सिरेमिक ग्लेज़, फिशिंग सिंकर, खाद्य-प्रसंस्करण उपकरण, प्लंबिंग अनुप्रयोगों के लिए फ्री-मशीनिंग पीतल, लुब्रिकेटिंग ग्रीस और जलपक्षी शिकार के लिए शॉट में सीसे के गैर-विषाक्त प्रतिस्थापन के रूप में बिस्मथ के मूल्यांकन पर शोध शुरू हुआ।[26]:14 इन क्षेत्रों में विकास 1990 के दशक के मध्य तक धीमा रहा, बावजूद इसके कि संयुक्त राज्य संघीय सरकार द्वारा सीसे के प्रतिस्थापन का समर्थन किया गया था, लेकिन 2005 के आसपास इसमें तेजी आई। इसके परिणामस्वरूप कीमत में तेजी से और निरंतर वृद्धि हुई।[52]

पुनर्चक्रण

अधिकांश बिस्मथ अन्य धातु-निष्कर्षण प्रक्रियाओं के उप-उत्पाद के रूप में उत्पादित होता है, जिसमें सीसा, टंगस्टन और तांबे का प्रगलन शामिल है। इसकी स्थिरता (sustainability) बढ़े हुए पुनर्चक्रण पर निर्भर है, जो समस्याग्रस्त है।[53]

कभी माना जाता था कि बिस्मथ को इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में सोल्डर किए गए जोड़ों से व्यावहारिक रूप से पुनर्चक्रित किया जा सकता है। इलेक्ट्रॉनिक्स में सोल्डर अनुप्रयोग की हालिया दक्षता का मतलब है कि काफी कम सोल्डर जमा होता है, इसलिए पुनर्चक्रण के लिए कम उपलब्ध है। जबकि चांदी युक्त सोल्डर से चांदी की रिकवरी आर्थिक रूप से बनी रह सकती है, बिस्मथ की रिकवरी काफी कम है।[54]

परिक्षिप्त बिस्मथ का उपयोग कुछ पेट की दवाओं (बिस्मथ सबसैलिसिलेट), पेंट्स (बिस्मथ वनाडेट), पर्लेसेंट सौंदर्य प्रसाधनों (बिस्मथ ऑक्सीक्लोराइड) और बिस्मथ-युक्त गोलियों में किया जाता है। इन उपयोगों से बिस्मथ का पुनर्चक्रण अव्यावहारिक है।[51]

अनुप्रयोग

बिस्मथ के बहुत कम व्यावसायिक अनुप्रयोग हैं, और जो इसका उपयोग करते हैं उन्हें आमतौर पर अन्य कच्चे माल की तुलना में कम मात्रा की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, संयुक्त राज्य अमेरिका में, 2016 में 733 टन बिस्मथ की खपत हुई थी, जिसमें से 70% रसायनों (दवाओं, रंजक और सौंदर्य प्रसाधनों सहित) में और 11% बिस्मथ मिश्र धातुओं में गई थी।[51]

दवाएं

बिस्मथ कुछ फार्मास्यूटिकल्स में एक घटक है,[2] हालांकि इनमें से कुछ पदार्थों का उपयोग कम हो रहा है।[15]:184

सौंदर्य प्रसाधन और रंजक

बिस्मथ ऑक्सीक्लोराइड (BiOCl) का उपयोग कभी-कभी सौंदर्य प्रसाधनों में, आई शैडो, हेयर स्प्रे और नेल पॉलिश के लिए पेंट में एक रंजक के रूप में किया जाता है।[2][15]:184[69][70] यह यौगिक बिस्मोकलाइट खनिज के रूप में पाया जाता है और क्रिस्टल रूप में परमाणुओं की परतें होती हैं (ऊपर चित्र देखें) जो प्रकाश को रंगीन रूप से अपवर्तित करती हैं, जिसके परिणामस्वरूप मोती की नैक्रे (nacre) के समान एक इंद्रधनुषी उपस्थिति होती है। इसका उपयोग प्राचीन मिस्र में और तब से कई जगहों पर सौंदर्य प्रसाधन के रूप में किया जाता रहा है। बिस्मथ व्हाइट (जिसे "स्पेनिश व्हाइट" भी कहा जाता है) का उपयोग सफेद रंजक के रूप में किए जाने पर बिस्मथ ऑक्सीक्लोराइड या बिस्मथ ऑक्सीनाइट्रेट (BiONO3) दोनों के लिए किया जा सकता है।[71] बिस्मथ वनाडेट का उपयोग प्रकाश-स्थिर गैर-प्रतिक्रियाशील पेंट रंजक के रूप में किया जाता है (विशेष रूप से कलाकारों के पेंट्स के लिए), अक्सर अधिक विषाक्त कैडमियम सल्फाइड पीले और नारंगी-पीले रंजकों के प्रतिस्थापन के रूप में। कलाकारों के पेंट्स में सबसे आम किस्म नींबू पीला है, जो दृश्य रूप से अपने कैडमियम-युक्त विकल्प से अप्रभेद्य है।[72]

इलेक्ट्रॉनिक्स

ट्रांजिस्टर

बिस्मथ-आधारित सामग्रियों के बारे में दावा किया गया है कि वे पारंपरिक सिलिकॉन की तुलना में छोटे, तेज और अधिक ऊर्जा-कुशल ट्रांजिस्टर को सक्षम बनाती हैं। बिस्मथ एक छोटा बैंडगैप और उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता प्रदान करता है। इसमें टोपोलॉजिकल इंसुलेटर अवस्थाएं होती हैं, जो आंतरिक रूप से इन्सुलेट करते हुए भी अपनी सतह/किनारों के साथ संचालन करती हैं। इससे द्वि-आयामी अर्धचालक (2D) सामग्री का उत्पादन किया जा सकता है, जिससे पतले और उच्च-प्रदर्शन वाले उपकरण सक्षम होते हैं। ऐसी 2D बिस्मथ सामग्री सब-नैनोमीटर चैनल लंबाई का समर्थन करती है, जो सिलिकॉन की व्यावहारिक सीमाओं से आगे निकल जाती है। हालांकि, बिस्मथ का अनिसोट्रोपिक ताप परिवहन चिप डिजाइन को जटिल बना सकता है।[73]

बिस्मथ टेलुराइड (Bi2Te3) का उपयोग थर्मोइलेक्ट्रिक ट्रांजिस्टर में करने के लिए जांच की गई है जो बिजली उत्पन्न करने के लिए तापमान ग्रेडिएंट (जैसे, लेजर रोशनी के माध्यम से) का उपयोग करते हैं, जो प्रयोगात्मक सेटअप में 0.7093 μW उत्पन्न करते हैं। वे सीबेक प्रभाव (Seebeck effect) का लाभ उठाकर काम करते हैं, जो आवेश वाहक गति को चलाने के लिए तापमान अंतर का उपयोग करते हैं।[74]

बिस्मथ ऑक्सीसेलेनाइड्स (Bi2O2Se और Bi2SeO5) का उपयोग फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (FETs) में करने के लिए जांच की गई है। ये 2D सामग्री उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता (जैसे, 10 ± – cm2/(V·s)) और हवा में स्थिरता प्रदर्शित करती हैं। एक अध्ययन में बताया गया है कि इन सामग्रियों ने ऐसे ट्रांजिस्टर सक्षम किए जो इंटेल की 3 nm चिप्स की तुलना में 40% तेज और 10% अधिक कुशल थे।[75][76]

बिस्मथ MoS2 जैसे 2D अर्धचालकों के साथ जोड़े जाने पर संपर्क प्रतिरोध को कम कर सकता है। यह शोट्की बैरियर को समाप्त करता है—जो धातु-अर्धचालक इंटरफेस में एक सामान्य दक्षता समस्या है।[77]

सोल्डर

बिस्मथ का उपयोग चांदी-मुक्त इलेक्ट्रॉनिक सोल्डर में ठोस समाधान सुदृढ़ीकरण (solid solution strengthening) प्रदान करने के लिए किया जाता है। चूंकि बिस्मथ परमाणु टिन परमाणुओं की तुलना में बड़े होते हैं, इसलिए टिन क्रिस्टल जाली में उनका समावेश संरचना को विकृत करता है और क्रिस्टल दोषों (विस्थापन) की गति को प्रतिबंधित करता है। यह परमाणु जाली विरूपण थर्मल साइकलिंग के दौरान यांत्रिक विरूपण के प्रति प्रतिरोध प्रदान करता है। बिस्मथ सामग्री को ठोस घुलनशीलता सीमा से नीचे रखने से इलेक्ट्रॉनिक सर्किटरी की सामान्य ऑपरेटिंग तापमान सीमा में सूक्ष्म संरचनात्मक अस्थिरता और इलेक्ट्रोमाइग्रेशन को रोका जा सकता है। कण-सुदृढ़ मिश्र धातुओं (जैसे SAC305) के विपरीत, यह ठोस समाधान तंत्र विस्थापन ढेर उत्पन्न किए बिना विरूपण का विरोध करता है जो सूक्ष्म संरचनात्मक पुन: क्रिस्टलीकरण को प्रेरित करते हैं, जिससे संयुक्त विफलता और विद्युत निरंतरता के नुकसान का एक प्राथमिक कारण कम हो जाता है।[78]

धातु और मिश्र धातु

बिस्मथ का उपयोग टिन और सीसे जैसी अन्य धातुओं के साथ मिश्र धातुओं में किया जाता है। वुड्स मेटल (Wood's metal), बिस्मथ, सीसा, टिन और कैडमियम की एक मिश्र धातु, का उपयोग आग के लिए स्वचालित स्प्रिंकलर सिस्टम में किया जाता है। यह रोज़ मेटल (Rose's metal) का सबसे बड़ा हिस्सा (50%) बनाता है, जो एक फ्यूसिबल मिश्र धातु है, जिसमें 25-28% सीसा और 22-25% टिन भी होता है। इसका उपयोग बिस्मथ कांस्य बनाने के लिए भी किया जाता था, जिसका उपयोग कांस्य युग के दौरान किया जाता था, जो माचू पिचू में इंका चाकू में पाया गया है।[79]

सीसे का प्रतिस्थापन

सीसे (11.32 g/cm3) और बिस्मथ (9.78 g/cm3) के बीच घनत्व का अंतर इतना कम है कि कई बैलिस्टिक और भार अनुप्रयोगों के लिए, बिस्मथ सीसे की जगह ले सकता है। उदाहरण के लिए, यह फिशिंग सिंकर में सीसे की जगह एक घनी सामग्री के रूप में ले सकता है। इसका उपयोग शॉट, गोलियों और कम घातक दंगा बंदूक गोला-बारूद में सीसे के प्रतिस्थापन के रूप में किया गया है। नीदरलैंड, डेनमार्क, इंग्लैंड, वेल्स, संयुक्त राज्य अमेरिका और कई अन्य देश अब आर्द्रभूमि पक्षियों के शिकार के लिए सीसे के शॉट के उपयोग पर प्रतिबंध लगाते हैं, क्योंकि कई पक्षी पाचन में सहायता के लिए सीसे (छोटे पत्थरों और बजरी के बजाय) के गलत सेवन के कारण सीसा विषाक्तता के शिकार हो जाते हैं, या नीदरलैंड जैसे देशों में सभी शिकार के लिए सीसे के उपयोग पर प्रतिबंध है। बिस्मथ-टिन मिश्र धातु शॉट एक विकल्प है जो सीसे के समान बैलिस्टिक प्रदर्शन प्रदान करता है।[51]

बिस्मथ, उच्च परमाणु भार के एक घने तत्व के रूप में, चिकित्सा परीक्षाओं में एक्स-रे से बचाने के लिए बिस्मथ-संसेचित लेटेक्स शील्ड में उपयोग किया जाता है, जैसे कि सीटी, मुख्य रूप से इसलिए क्योंकि इसे गैर-विषाक्त माना जाता है।[80]

सीसे को कम करने के लिए यूरोपीय संघ के खतरनाक पदार्थों के प्रतिबंध निर्देश (RoHS) ने पारंपरिक टिन-सीसा सोल्डर के प्रतिस्थापन के रूप में कम-गलनांक वाले सोल्डर के एक घटक के रूप में इलेक्ट्रॉनिक्स में बिस्मथ के उपयोग को व्यापक बना दिया है।[51] इसकी कम विषाक्तता खाद्य-प्रसंस्करण उपकरणों और तांबे के पानी के पाइपों में उपयोग किए जाने वाले सोल्डर के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, हालांकि इसका उपयोग अन्य अनुप्रयोगों में भी किया जा सकता है, जिसमें यूरोपीय संघ में ऑटोमोबाइल उद्योग में शामिल हैं।[81]

बिस्मथ का मूल्यांकन प्लंबिंग अनुप्रयोगों के लिए फ्री-मशीनिंग पीतल में सीसे के प्रतिस्थापन के रूप में किया गया है,[82] हालांकि यह सीसा-युक्त स्टील्स के प्रदर्शन के बराबर नहीं है।[81]

अन्य धातु उपयोग और विशेष मिश्र धातु

कई बिस्मथ मिश्र धातु में कम गलनांक होते हैं और ये सोल्डर जैसे विशेष अनुप्रयोगों में पाए जाते हैं। कई स्वचालित स्प्रिंकलर, इलेक्ट्रिक फ्यूज और अग्नि पहचान तथा दमन प्रणालियों में सुरक्षा उपकरणों में यूटेक्टिक In19.1\-Cd5.3\-Pb22.6\-Sn8.3\-Bi44.7 मिश्र धातु होती है जो 47 C पर पिघलती है।[12] यह एक सुविधाजनक तापमान है क्योंकि सामान्य रहने की स्थिति में इससे अधिक होने की संभावना नहीं है। कम गलनांक वाली मिश्र धातुएं, जैसे Bi-Cd-Pb-Sn मिश्र धातु, जो 70 C पर पिघलती है, का उपयोग ऑटोमोटिव और विमानन उद्योगों में भी किया जाता है। पतली दीवार वाले धातु के हिस्से को विकृत करने से पहले, इसे पिघले हुए पदार्थ से भर दिया जाता है या टूटने की संभावना को कम करने के लिए मिश्र धातु की एक पतली परत के साथ कवर किया जाता है। फिर, हिस्से को उबलते पानी में डुबोकर मिश्र धातु को हटा दिया जाता है।[15]:183

बिस्मथ का उपयोग सटीक मशीनिंग गुणों के लिए फ्री-मशीनिंग स्टील और फ्री-मशीनिंग एल्युमीनियम मिश्र धातु बनाने के लिए किया जाता है। इसका सीसे के समान प्रभाव होता है और यह मशीनिंग के दौरान चिप ब्रेकिंग में सुधार करता है। सीसे में जमने पर सिकुड़न और बिस्मथ का विस्तार एक-दूसरे की भरपाई करते हैं, इसलिए सीसा और बिस्मथ का उपयोग अक्सर समान मात्रा में किया जाता है।[83][84] इसी तरह, बिस्मथ और सीसे के तुलनीय भागों वाली मिश्र धातुएं पिघलने, जमने या उम्र बढ़ने पर बहुत कम परिवर्तन (0.01% के क्रम पर) प्रदर्शित करती हैं। ऐसी मिश्र धातुओं का उपयोग उच्च-सटीक कास्टिंग में किया जाता है, जैसे कि दंत चिकित्सा में, मॉडल और सांचे बनाने के लिए।[15]:183 बिस्मथ का उपयोग निंदनीय लोहे (malleable irons) के उत्पादन में एक मिश्र धातु एजेंट के रूप में[51] और एक थर्मोकपल सामग्री के रूप में भी किया जाता है।[12]

बिस्मथ का उपयोग सिलिकॉन आकारिकी को परिष्कृत करने के लिए एल्युमीनियम-सिलिकॉन कास्ट मिश्र धातुओं में भी किया जाता है। हालांकि, इसने स्ट्रोंटियम के संशोधन पर विषाक्त प्रभाव का संकेत दिया।[85][86] कुछ बिस्मथ मिश्र धातु, जैसे Bi35\-Pb37\-Sn25, को अभ्रक (mica), कांच और विट्रियस इनेमल जैसी गैर-चिपकने वाली सामग्रियों के साथ जोड़ा जाता है क्योंकि वे उन्हें आसानी से गीला कर देते हैं, जिससे अन्य भागों के साथ जोड़ बनाना संभव हो जाता है। सीज़ियम में बिस्मथ का योग सीज़ियम कैथोड की क्वांटम उपज को बढ़ाता है।[15]:184 300 C पर बिस्मथ और मैंगनीज पाउडर का सिंटरिंग एक स्थायी चुंबक और मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव सामग्री का उत्पादन करता है, जिसका उपयोग 10 ± – kHz रेंज में काम करने वाले अल्ट्रासोनिक जनरेटर और रिसीवर में तथा चुंबकीय और होलोग्राफिक डेटा स्टोरेज उपकरणों में किया जाता है।[26]:15

यौगिकों के रूप में अन्य उपयोग

  • बिस्मथ को बिस्मथ स्ट्रोंटियम कैल्शियम कॉपर ऑक्साइड में शामिल किया गया है, जो 1988 में खोजे गए समान सुपरकंडक्टिंग यौगिकों का एक समूह है जो उच्चतम सुपरकंडक्टिंग संक्रमण तापमान प्रदर्शित करते हैं।[87]
  • बिस्मथ टेलुराइड एक अर्धचालक और एक उत्कृष्ट थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री है।[15]:184[88] Bi2Te3 डायोड का उपयोग मोबाइल रेफ्रिजरेटर, CPU कूलर और infrared स्पेक्ट्रोफोटोमीटर में डिटेक्टर के रूप में किया जाता है।[15]:184
  • बिस्मथ ऑक्साइड, अपने डेल्टा रूप में, ऑक्सीजन के लिए एक ठोस इलेक्ट्रोलाइट है। यह रूप सामान्यतः उच्च-तापमान सीमा से नीचे टूट जाता है, लेकिन इसे अत्यधिक क्षारीय घोल में इस तापमान से काफी नीचे इलेक्ट्रोडिपॉजिट किया जा सकता है।[89]
  • बिस्मथ जर्मेनेट एक सिंटिलेटर है, जिसका व्यापक रूप से एक्स-रे और गामा रे डिटेक्टरों में उपयोग किया जाता है।[90]
  • बिस्मथ वैनेडेट एक अपारदर्शी पीला वर्णक है जिसका उपयोग कुछ कलाकारों के तेल, ऐक्रेलिक और वॉटरकलर पेंट कंपनियों द्वारा किया जाता है, मुख्य रूप से हरे-पीले (नींबू) से नारंगी-टोन वाले पीले रंग की श्रेणी में अधिक विषाक्त कैडमियम सल्फाइड पीले रंग के प्रतिस्थापन के रूप में। यह व्यावहारिक रूप से कैडमियम वर्णकों के समान ही कार्य करता है, जैसे कि यूवी (UV) जोखिम से गिरावट के प्रतिरोध, अपारदर्शिता, टिंटिंग शक्ति और अन्य वर्णकों के साथ मिश्रित होने पर प्रतिक्रियाशीलता की कमी के संदर्भ में। कलाकारों के पेंट निर्माताओं द्वारा सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली किस्म रंग में नींबू जैसी होती है। कई कैडमियम पीले रंगों के प्रतिस्थापन होने के अलावा, यह जस्ता, सीसा और स्ट्रोंटियम के साथ बने पुराने क्रोमेट वर्णकों के लिए एक गैर-विषाक्त दृश्य प्रतिस्थापन के रूप में भी कार्य करता है। यदि एक हरा वर्णक और बेरियम सल्फेट (बढ़ी हुई पारदर्शिता के लिए) जोड़ा जाता है, तो यह बेरियम क्रोमेट के प्रतिस्थापन के रूप में भी काम कर सकता है, जिसमें दूसरों की तुलना में अधिक हरापन होता है। लेड क्रोमेट की तुलना में, यह हवा में हाइड्रोजन सल्फाइड के कारण काला नहीं पड़ता है (एक प्रक्रिया जो यूवी जोखिम से तेज हो जाती है) और इसमें उनसे विशेष रूप से अधिक चमकीला रंग होता है, विशेष रूप से नींबू रंग, जो सबसे अधिक पारभासी, सुस्त है और उस छाया को उत्पन्न करने के लिए आवश्यक सीसा सल्फेट के उच्च प्रतिशत के कारण सबसे तेजी से काला पड़ता है। इसकी लागत के कारण सीमित आधार पर, इसका उपयोग वाहन पेंट वर्णक के रूप में भी किया जाता है।[91][92] बिस्मथ वैनेडेट का उपयोग हाइड्रोजन पेरोक्साइड संश्लेषण के लिए इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट के रूप में भी किया जा सकता है।[93]
  • बिस्मथ टंगस्टेट का उपयोग फेनोलिक यौगिकों को हटाने के लिए फोटोकैटेलिस्ट के रूप में[94] और साथ ही हाइड्रोजन उत्पादन के लिए किया जा सकता है।[95]
  • बिस्मथ मोलिब्डेट प्रोपलीन ऑक्सीकरण के लिए एक उत्प्रेरक है[96] और साथ ही एक फोटोकैटेलिस्ट भी है।[97]
  • ऐक्रेलिक फाइबर बनाने के लिए एक उत्प्रेरक।[12]
  • CO2 के CO में रूपांतरण में एक इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट के रूप में।[98]
  • स्नेहक ग्रीस में एक घटक।[99]
  • पायरोटेक्निक्स में क्रैकलिंग माइक्रोस्टार्स (ड्रैगन एग्स) में, ऑक्साइड, सबकार्बोनेट या सबनाइट्रेट के रूप में।[100][101]
  • Bi(III)/Bi(V) उत्प्रेरक चक्र के माध्यम से एरील बोरोनिक पिनाकोल एस्टर के फ्लोरीनेशन के लिए उत्प्रेरक के रूप में, जो इलेक्ट्रोफिलिक फ्लोरीनेशन में संक्रमण धातुओं की नकल करता है।[102]

विष विज्ञान और पारिस्थितिक विष विज्ञान

bismuthia भी देखें, एक दुर्लभ त्वचा संबंधी स्थिति जो बिस्मथ के लंबे समय तक उपयोग से होती है।

वैज्ञानिक साहित्य इंगित करता है कि बिस्मथ के कुछ यौगिक अंतर्ग्रहण के माध्यम से मनुष्यों के लिए अन्य भारी धातुओं (सीसा, आर्सेनिक, एंटीमनी, आदि) की तुलना में कम विषाक्त हैं[2] जिसका कारण संभवतः बिस्मथ लवणों की तुलनात्मक रूप से कम घुलनशीलता है।[103] पूरे शरीर में प्रतिधारण के लिए इसकी जैविक अर्ध-आयु 5 दिन बताई गई है, लेकिन बिस्मथ यौगिकों के साथ उपचारित लोगों में यह वर्षों तक गुर्दे में रह सकती है।[104]

बिस्मथ विषाक्तता हो सकती है और कुछ रिपोर्टों के अनुसार, हाल के समय में यह आम रही है।[103][105] सीसे की तरह, बिस्मथ विषाक्तता के परिणामस्वरूप मसूड़ों पर एक काला जमाव हो सकता है, जिसे बिस्मथ लाइन के रूप में जाना जाता है।[106][107][15]:187–8 विषाक्तता का इलाज डिमरकैप्रोल से किया जा सकता है, लेकिन लाभ के प्रमाण स्पष्ट नहीं हैं।[108][109]

बिस्मथ के पर्यावरणीय प्रभाव अच्छी तरह से ज्ञात नहीं हैं; यह अन्य भारी धातुओं की तुलना में जैव-संचय (bioaccumulate) होने की संभावना कम हो सकती है, और यह सक्रिय अनुसंधान का एक क्षेत्र है।[110][111]

यह भी देखें

नोट्स

  1. ↑ सुपरडायमैग्नेटिज्म एक अलग भौतिक घटना है।
  2. ↑ जब लगभग कमरे के तापमान पर मापा जाता है।

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उद्धृत स्रोत

Brown, R. D., Jr. "Annual Average Bismuth Price", USGS (1998).

बाहरी लिंक

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स्रोत: अंग्रेज़ी विकिपीडिया के "Bismuth" लेख पर आधारित। मूल लेख: https://en.wikipedia.org/wiki/Bismuth यह लेख स्वचालित रूप से तैयार किया गया है।

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