Óxido de bismuto (III) - Bismuth(III) oxide

Óxido de bismuto (III)
Trióxido de bismuto
AlfaBi2O3structure.jpg
Nombres
Nombres IUPAC
Trióxido de
bismuto Óxido de bismuto (III)
Bismita (mineral)
Otros nombres
Óxido de bismuto, sesquióxido de bismuto
Identificadores
Modelo 3D ( JSmol )
ChemSpider
Tarjeta de información ECHA 100.013.759 Edita esto en Wikidata
Número CE
UNII
  • InChI = 1S / 2Bi.3O chequeY
    Clave: WMWLMWRWZQELOS-UHFFFAOYSA-N chequeY
  • InChI = 1 / 2Bi.3O / rBi2O3 / c3-1-5-2-4
    Clave: WMWLMWRWZQELOS-JOBWJGIYAA
  • O = [Bi] O [Bi] = O
Propiedades
Bi 2 O 3
Masa molar 465,96 g / mol
Apariencia cristales amarillos o polvo
Olor inodoro
Densidad 8,90 g / cm 3 , sólido
Punto de fusion 817 ° C (1.503 ° F; 1.090 K)
Punto de ebullición 1.890 ° C (3.430 ° F; 2.160 K)
insoluble
Solubilidad soluble en ácidos
-83,0 · 10 −6 cm 3 / mol
Estructura
monoclínico , mP20 ,
grupo espacial P2 1 / c (No 14)
pseudo-octaédrico
Riesgos
Ficha de datos de seguridad Ver: hoja de datos
MallBaker MSDS
Pictogramas GHS GHS07: Nocivo
Palabra de señal GHS Advertencia
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 (diamante de fuego)
1
0
0
punto de inflamabilidad No es inflamable
Compuestos relacionados
Otros aniones
Trisulfuro de
bismuto Seleniuro de
bismuto Telururo de bismuto
Otros cationes
Trióxido de dinitrógeno Trióxido de
fósforo Trióxido de
arsénico Trióxido de
antimonio
Página de datos complementarios
Índice de refracción ( n ),
constante dieléctricar ), etc.

Datos termodinámicos
Comportamiento de fase
sólido-líquido-gas
UV , IR , RMN , MS
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
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Referencias de Infobox

El óxido de bismuto (III) es quizás el compuesto de bismuto más importante industrialmente . También es un punto de partida común para la química del bismuto. Se encuentra naturalmente como el mineral bismita (monoclínica) y esfaerobismoita (tetragonal, mucho más raro), pero generalmente se obtiene como un subproducto de la fundición de minerales de cobre y plomo . El trióxido de dibismuto se usa comúnmente para producir el efecto de " huevos de dragón " en los fuegos artificiales , como reemplazo del plomo rojo .

Estructura

Las estructuras adoptadas por Bi 2 O 3 difieren sustancialmente de las del óxido de arsénico (III) , As 2 O 3 , y del óxido de antimonio (III) , Sb 2 O 3 .

Dominios de existencia de los cuatro polimorfos de Bi 2 O 3 en función de la temperatura. (a) La fase α se transforma en la fase δ cuando se calienta por encima de 727 ° C, que permanece como estructura hasta que se alcanza el punto de fusión, 824 ° C. Cuando se enfría, la fase δ se transforma en la fase β a 650 ° C, que se muestra en (b), o la fase γ a 639 ° C, que se muestra en (c). La fase β se transforma en fase α a 303 ° C. La fase γ puede persistir a temperatura ambiente cuando la velocidad de enfriamiento es muy lenta; de lo contrario, se transforma en la fase α a 500 ° C.

El óxido de bismuto, Bi 2 O 3 tiene cinco polimorfos cristalográficos . La fase a temperatura ambiente, α-Bi 2 O 3 tiene una estructura cristalina monoclínica . Hay tres fases de alta temperatura, una fase β tetragonal , una fase γ cúbica centrada en el cuerpo , una fase δ-Bi 2 O 3 cúbica y una fase ε. La fase α a temperatura ambiente tiene una estructura compleja con capas de átomos de oxígeno con capas de átomos de bismuto entre ellas. Los átomos de bismuto se encuentran en dos entornos diferentes que pueden describirse como coordenadas 6 y 5 distorsionadas respectivamente.

El β-Bi 2 O 3 tiene una estructura relacionada con la fluorita .

γ-Bi 2 O 3 tiene una estructura relacionada con la de Bi 12 SiO 20 ( sillenita ), donde una fracción de los átomos de Bi ocupa la posición ocupada por Si IV , y puede escribirse como Bi 12 Bi 0.8 O 19.2 .

δ- Bi 2 O 3 tiene una estructura cristalina de tipo fluorita defectuosa en la que dos de los ocho sitios de oxígeno en la celda unitaria están vacíos. ε- Bi 2 O 3 tiene una estructura relacionada con las fases α y β, pero como la estructura está completamente ordenada es un aislante iónico. Se puede preparar por medios hidrotermales y se transforma a la fase α a 400 ° C.

La fase α monoclínica se transforma en δ-Bi 2 O 3 cúbica cuando se calienta por encima de 729 ° C, que permanece la estructura hasta que se alcanza el punto de fusión, 824 ° C. El comportamiento del Bi 2 O 3 al enfriarse desde la fase δ es más complejo, con la posible formación de dos fases intermedias metaestables ; la fase β tetragonal o la fase γ cúbica centrada en el cuerpo . La fase γ puede existir a temperatura ambiente con velocidades de enfriamiento muy lentas, pero α-Bi 2 O 3 siempre se forma al enfriar la fase β. Aunque cuando se forma por calor, vuelve a α- Bi 2 O 3 cuando la temperatura desciende por debajo de 727 ° C, δ-Bi 2 O 3 se puede formar directamente por electrodeposición y permanecer relativamente estable a temperatura ambiente, en un electrolito de compuestos de bismuto que también son ricos en hidróxido de sodio o potasio para tener un pH cercano a 14.

Conductividad

La fase α exhibe conductividad electrónica tipo p (la carga es transportada por orificios positivos) a temperatura ambiente que se transforma en conductividad tipo n (la carga es transportada por electrones) entre 550 ° C y 650 ° C, dependiendo del oxígeno parcial. presión. La conductividad en las fases β, γ y δ es predominantemente iónica , siendo los iones óxido el principal portador de carga. De estos, δ-Bi 2 O 3 tiene la conductividad más alta reportada. A 750 ° C, la conductividad de δ-Bi 2 O 3 es típicamente aproximadamente 1 Scm -1 , aproximadamente tres órdenes de magnitud mayor que las fases intermedias y cuatro órdenes mayor que la fase monoclínica . δ- Bi 2 O 3 tiene una estructura cristalina de tipo fluorita defectuosa en la que dos de los ocho sitios de oxígeno en la celda unitaria están vacíos. Estas vacantes intrínsecas son altamente móviles debido a la alta polarización de la subrejilla de cationes con los electrones de par solitario de 6 s 2 de Bi 3+ . Los enlaces Bi-O tienen carácter de enlace covalente y, por lo tanto, son más débiles que los enlaces puramente iónicos, por lo que los iones de oxígeno pueden saltar a las vacantes con mayor libertad.

La disposición de los átomos de oxígeno dentro de la celda unitaria de δ-Bi 2 O 3 ha sido objeto de mucho debate en el pasado. Se han propuesto tres modelos diferentes. Sillén (1937) usó difracción de rayos X en polvo en muestras templadas e informó que la estructura de Bi 2 O 3 era una fase cúbica simple con las vacantes de oxígeno ordenadas a lo largo de <111>, es decir, a lo largo de la diagonal del cuerpo del cubo. Gattow y Schroder (1962) rechazaron este modelo, prefiriendo describir cada sitio de oxígeno (sitio 8c) en la celda unitaria con una ocupación del 75%. En otras palabras, los seis átomos de oxígeno se distribuyen aleatoriamente en los ocho posibles sitios de oxígeno en la celda unitaria. Actualmente, la mayoría de los expertos parecen estar a favor de la última descripción, ya que una sub-red de oxígeno completamente desordenada explica mejor la alta conductividad.

Willis (1965) utilizó la difracción de neutrones para estudiar el sistema de fluorita (CaF 2 ). Determinó que no podía describirse mediante la estructura ideal del cristal de fluorita, sino que los átomos de flúor se desplazaron desde las posiciones 8c regulares hacia los centros de las posiciones intersticiales. Shuk y col. (1996) y Sammes et al. (1999) sugieren que debido al alto grado de desorden en δ-Bi 2 O 3 , el modelo de Willis también podría usarse para describir su estructura.

Uso en pilas de combustible de óxido sólido (SOFC)

El interés se ha centrado en δ- Bi 2 O 3 ya que es principalmente un conductor iónico. Además de las propiedades eléctricas, las propiedades de expansión térmica son muy importantes al considerar las posibles aplicaciones de los electrolitos sólidos. Los altos coeficientes de expansión térmica representan grandes variaciones dimensionales bajo calentamiento y enfriamiento, lo que limitaría el rendimiento de un electrolito. La transición del δ-Bi 2 O 3 de alta temperatura al intermedio β-Bi 2 O 3 se acompaña de un gran cambio de volumen y, en consecuencia, un deterioro de las propiedades mecánicas del material. Esto, combinado con el rango de estabilidad muy estrecho de la fase δ (727–824 ° C), ha llevado a estudios sobre su estabilización a temperatura ambiente.

Bi 2 O 3 forma fácilmente soluciones sólidas con muchos otros óxidos metálicos. Estos sistemas dopantes exhiben una compleja serie de estructuras y propiedades que dependen del tipo de dopante, la concentración de dopante y el historial térmico de la muestra. Los sistemas más estudiados son los que involucran óxidos de metales de tierras raras , Ln 2 O 3 , incluyendo itria , Y 2 O 3 . Los cationes de metales de tierras raras son generalmente muy estables, tienen propiedades químicas similares entre sí y son similares en tamaño a Bi 3+ , que tiene un radio de 1,03 Å, lo que los convierte en excelentes dopantes. Además, sus radios iónicos disminuyen de manera bastante uniforme desde La 3 + (1.032 Å), pasando por Nd 3+ , (0.983 Å), Gd 3+ , (0.938 Å), Dy 3+ , (0.912 Å) y Er 3+ , ( 0,89 Å), a Lu 3+ , (0,861 Å) (conocida como la ' contracción del lantánido '), lo que los hace útiles para estudiar el efecto del tamaño del dopante sobre la estabilidad de las fases Bi 2 O 3 .

Bi 2 O 3 también se ha utilizado como aditivo de sinterización en el sistema de circonio dopado con Sc 2 O 3 para SOFC de temperatura intermedia.

Preparación

El trióxido se puede preparar mediante ignición de hidróxido de bismuto . Trióxido de bismuto también puede obtenerse por calentamiento de subcarbonato de bismuto a aproximadamente 400 0 C.

Reacciones

El dióxido de carbono atmosférico o el CO 2 disuelto en agua reacciona fácilmente con Bi 2 O 3 para generar subcarbonato de bismuto . El óxido de bismuto se considera un óxido básico, lo que explica la alta reactividad con el CO 2 . Sin embargo, cuando se introducen cationes ácidos como Si (IV) dentro de la estructura del óxido de bismuto, no se produce la reacción con CO 2 .

El óxido de bismuto (III) reacciona con una mezcla de hidróxido de sodio acuoso concentrado y bromo o hidróxido de potasio acuoso y bromo para formar bismutato de sodio o potasio, respectivamente.

Uso de dispositivos médicos

El óxido de bismuto se usa ocasionalmente en materiales dentales para hacerlos más opacos a los rayos X que la estructura dental circundante. En particular, el óxido de bismuto (III) se ha utilizado en cementos de silicato hidráulico (HSC), originalmente en " MTA " (un nombre comercial, que significa " agregado de trióxido mineral " químicamente sin significado ) del 10 al 20% en masa con un mezcla de polvos de silicato principalmente di y tri-cálcico. Dicho HSC se utiliza para tratamientos dentales tales como: apicectomía, apexificación , recubrimiento pulpar, pulpotomía, regeneración pulpar, reparación interna de perforaciones iatrogénicas, reparación de perforaciones por reabsorción, sellado y obturación del conducto radicular. El MTA se fija en un material de relleno duro cuando se mezcla con agua. Algunos materiales a base de resina también incluyen un HSC con óxido de bismuto. Supuestamente han surgido problemas con el óxido de bismuto porque se afirma que no es inerte a un pH alto, específicamente porque ralentiza el fraguado del HSC, pero también con el tiempo puede perder color por exposición a la luz o reacción con otros materiales que puedan haber sido utilizados. en el tratamiento dental, como hipoclorito de sodio.

Referencias

Otras lecturas