बिस्मथ हे आधुनिक आवर्त सारणीमधील गट १५ मधील मूलद्रव्य आहे. या मूलद्रव्याची रासायनिक संज्ञा Bi अशी असून अणुक्रमांक ८३ आणि अणुभार २०८.९८ इतका आहे. याचे इलेक्ट्रॉन संरूपण २, ८, १८, ३२, १८, ५ असे आहे.
इतिहास : मानवाला ज्या पहिल्या दहा धातूंचा शोध लागला त्यामधील एक धातू बिस्मथ होय. परंतु चमकदार चंदेरी रंगाच्या आणि लालसर गुलाबी व इतरही अनेक रंगांच्या छटा असलेल्या या धातूने मानवाला बराच काळ संभ्रमात टाकले होते. शिसे, अँटिमनी, कथिल हे धातू त्याकाळी मानवाला ज्ञात झाले होते. बिस्मथ धातूच्या बाह्यरूपामुळे त्याला त्यावेळी अँटिमनी धातू समजले जात असे. अरेबियन संशोधकांनी त्याला बिइस्मिड (म्हणजेच अँटिमनीसारखा) असे नाव दिले होते. शिसे, बिस्मथ, अँटिमनी आणि कथिल यांच्या काही गुणधर्मांत साधर्म्य आढळते. किमयागारांच्या (alchemist) काळात बिस्मथविषयी एक असा समज होता की, बिस्मथ म्हणजे नैसर्गिकरित्या चांदी तयार होण्याच्या प्रक्रियेतील एक टप्पा आहे. या गैरसमजामुळे बिस्मथला टेक्टम अर्जेंटी (म्हणजे चांदी तयार करणारा) असे संबोधले जात असे.
पंधराव्या शतकात बॅसिल व्हॅलेंटाइन यांनी आपल्या लेखनात बिस्मथचा उल्लेख ‘विस्मट’ असा केला. जर्मन भाषेत विस्मट या शब्दाचा अर्थ पांढऱ्या रंगाचा पदार्थ असा होतो. पुढे जॉर्जिअस अॅग्रिकोला (Georgius Agricola) या धातू-खाणतज्ज्ञाने ‘विस्मट’ या नावाचे लॅटिन भाषेत ‘बिसेमटम’ असे रूपांतर केले. जॉर्जिअस अॅग्रिकोलाने बिस्मथच्या वेगवेगळ्या गुणधर्मांचा अभ्यास केला आणि खनिजापासून बिस्मथ विलग करण्याच्या पद्धती सुचवल्या. परंतु बिस्मथचा शोध लागल्यानंतर ३-४ शतकांनंतर म्हणजेच अठराव्या शतकात बिस्मथला धातू म्हणून मान्यता मिळाली. जर्मन रसायनशास्त्रज्ञ योहान हाइन्रिख पॉट (Johann Heinrich Pott) यांनी १७३९ साली आणि फ्रेंच रसायनशास्त्रज्ञ क्लोद फ्रांस्वा झॉफऱ्वा (Claude Francois Geoffroy) यांनी १७५३ मध्ये प्रसिद्ध केलेल्या संशोधनाच्या आधारे बिस्मथला एक स्वतंत्र धातू म्हणून मान्यता मिळाली.
आढळ : भूकवचातील बिस्मथचे प्रमाण ०.००००२% इतके आहे. बोलिव्हिया, अर्जेंटिना, चीन, कोरिया, नैर्ऋत्य आफ्रिका, द. आफ्रिका, युगांडा व मोझँबीक या देशात बिस्मथाची धातुके प्रामुख्याने आढळतात. गंधकाबरोबर बिस्मथिनाइट (Bi2S3), टेल्युरियमाबरोबर टेट्राडायमाइट (Bi2Te3), ऑक्सिजनबरोबर बिस्माइट (Bi2O3) व बिस्मटाइट हे जलयुक्त कार्बोनेट [(BiO)2 CO3 . H2O] अशा संयुगांच्या स्वरूपांत बिस्मथ निसर्गात आढळते. शिसे, तांबे व कथिल यांच्या धातुकांतही बिस्मथ अल्प प्रमाणात असते.
भौतिक गुणधर्म : बिस्मथ हा करड्या पांढऱ्या रंगाचा, चमकदार, ठिसूळ व मोठे स्फटिक असलेला धातू आहे. बिस्मथचे स्फटिकीभवन जलद होते. स्फटिकरूप बिस्मथ स्फटिकाची रचना जिन्याच्या अनेक पायऱ्यांप्रमाणे दिसते. बिस्मथच्या स्फटिकाची वाढ ही बाहेरच्या कडांवर जास्त प्रमाणात होत असल्याने अशा प्रकारची रचना तयार झाल्याचे आढळते. ऑक्सिजनशी संपर्क आल्याने बिस्मथच्या स्फटिकावर ऑक्साइडचे थर जमा होतात. या थरांची जाडी वेगवेगळी असल्याने त्यावर प्रकाश पडल्यावर वेगवेगळ्या तरंगलांबीचे प्रकाशकिरण परावर्तित होतात. याच कारणामुळे या धातूच्या स्फटिकावर अनेक रंग असल्याचे दिसते.
ऑक्सिजनच्या सान्निध्यात बिस्मथ निळ्या ज्योतीने जळतो आणि पिवळ्या रंगाच्या बिस्मथ ऑक्साइडच्या वाफा बाहेर पडताना दिसतात.
बिस्मथ हा धातू असला तरी तो इतर धातूंसारखा उष्णतेचा आणि विजेचा सुवाहक नाही. विद्युत सुवाहक असण्यासाठी त्या पदार्थाच्या अणुमध्ये मुक्त इलेक्ट्रॉन असणे गरजेचे असते. परंतु एक लाख बिस्मथ अणूंमागे एखादा मुक्त इलेक्ट्रॉन असतो. यामागचे मुख्य कारण म्हणजे हा संक्रामक मूलद्रव्यांनंतर येणारा धातू आहे. परंतु -२७३.१५० से. तापमानाला पातळ थराच्या स्वरूपातील बिस्मथ अतिवाहक बनतो. हे अत्यंत महत्त्वपूर्ण संशोधन मुंबईच्या टाटा मूलभूत संशोधन केंद्रातील प्रा. श्रीनिवास रामकृष्णन, ओमप्रकाश शुक्ल, अनिलकुमार आणि त्यांच्या इतर सहकाऱ्यांनी डिसेंबर २०१६ मध्ये प्रसिद्ध केले. #
बिस्मथचे विसंगत आचरण : अँटिमनी, जर्मेनिअम, सिलिकॉन, गॅलिअम या मूलद्रव्यांबरोबरच बिस्मथ हा धातूसुद्धा विसंगत आचरण दाखवतो. सामान्य तापमानाला बिस्मथची घनता ९.७८ ग्रॅ./घसेंमी. इतकी असते. द्रवरूपात गेल्यावर मात्र बिस्मथची घनता १०.०५ ग्रॅ./घसेंमी. इतकी होते. म्हणजेच स्थायुरूप बिस्मथची घनता द्रवरूप बिस्मथच्या घनतेपेक्षा कमी असते. साहजिकच, बिस्मथचा तुकडा द्रवरूप अवस्थेतील बिस्मथवर तरंगू शकतो. अर्थात, बिस्मथ द्रवरूपात जाण्यासाठी त्याचे तापमान २७१.५० से. असणे आवश्यक आहे. कारण, हे तापमान म्हणजे बिस्मथचा द्रवणांक आहे.
तापमानवाढीच्या संदर्भात देखील बिस्मथ असंगत आचरण दाखवतो. सर्वसाधारणपणे धातूचे तापमान वाढविले असता त्याचा विद्युत रोध वाढत जातो. परंतु बिस्मथ मात्र ठराविक तापमान मर्यादेत वेगळा गुणधर्म दाखवतो. २००० से. तापमानापर्यंत इतर धातूंप्रमाणे बिस्मथचा विद्युत रोध वाढत जातो; परंतु त्यानंतर २७५० से. पर्यंत तापमान वाढवत नेले तर त्याचा रोध कमी होतो. २७५० से. तापमानानंतर मात्र पुन्हा एकदा बिस्मथचा विद्युत रोध वाढायला सुरुवात होते.
रासायनिक गुणधर्म : बिस्मथ कोरड्या हवेत नेहमीच्या तापमानाला निष्क्रिय असतो. परंतु आर्द्र हवेत त्याचे अल्प ऑक्सिडीकरण होते. बिस्मथ तापविल्यास ज्वलनामुळे पिवळे बिस्मथ ऑक्साइड (Bi2O3) तयार होते. बिस्मथचा हॅलोजन, गंधक, सिलिनियम व टेल्युरियम यांच्याशी प्रत्यक्ष संयोग होतो; परंतु नायट्रोजन व फॉस्फरस यांच्याबरोबर प्रत्यक्ष संयोग होत नाही. नेहमीच्या तापमानाला बिस्मथवर पाण्याची कोणतीही अभिक्रिया होत नाही. परंतु लाल होईपर्यंत तापविल्यास पाण्याच्या वाफेने बिस्मथचे हळूहळू ऑक्सिडीभवन होते. नायट्रिक अम्ल आणि तप्त सल्फ्युरिक अम्लाबरोबर बिस्मथची अभिक्रिया होऊन अनुक्रमे बिस्मथचे नायट्रेट व सल्फेट मिळतात.
निष्कर्षण :बिस्मथिनाइट (Bi2S3) आणि बिस्माइट (Bi2O3) ही बिस्मथची प्रमुख धातुके आहेत. यांपैकी बिस्माइटचे कार्बनच्या साहाय्याने आणि बिस्मथिनाइट या सल्फाइड धातुकाचे लोखंडाच्या मदतीने क्षपण करून बिस्मथ मिळवितात. बिस्मथची ही धातुके हायड्रोक्लोरिक अम्लात विरघळवून बिस्मथ ऑक्सिक्लोराइडाचा (BiOCI) साका तयार करतात. तो धुवून व वाळवून त्याचे क्षपण करून बिस्मथ मिळविले जाते.
बिस्मथचे बहुतांश जागतिक उत्पादन तांबे व शिसे यांच्या शुद्धीकरण प्रक्रियेत उपपदार्थ म्हणून केले जाते. तांबे व शिसे यांच्या धातुकांचे प्रगलन (smelting) केल्यावरही बिस्मथ तांबे व शिसे यांबरोबर राहते. ते अलग करण्याच्या निरनिराळ्या पद्धती उपलब्ध आहेत.
बेट्स निष्कर्षण पध्दती : ए. जी. बेट्स (Anson Gardner Betts) यांच्या विद्युत अपघटन पद्धतीत (द्रावणातून किंवा वितळलेल्या पदार्थातून विद्युत् प्रवाह जाऊ देऊन घटक अलग करण्याच्या पद्धतीत) शिसेमिश्रित अशुद्ध बिस्मथचे धनाग्र व शुद्ध शिशाचे ऋणाग्र वापरून विद्युत अपघटन करण्यात येते. शिसे ऋणाग्रावर जमते, तर धनाग्राभोवती बिस्मथचा साका जमतो. तो बाजूला काढून धुवून वाळवतात आणि वितळवून शुद्ध करतात. वितळलेल्या स्थितीत बाकीचे धातू ऑक्सिडीकरण प्रक्रियेने काढून टाकले असता शुद्ध बिस्मथ मिळविता येते.
बेटरटन-क्रोल निष्कर्षण पध्दती : जे. ओ. बेटरटन (Jesse Oatman Betterton) व विल्यम क्रोल (William Justin Kroll) यांच्या पद्धतीत शिसेयुक्त अशुद्ध बिस्मथ वितळवितात आणि त्यामध्ये थोड्या प्रमाणात कॅल्शियम व मॅग्नेशियम धातू घालतात. बिस्मथबरोबर त्यांची अभिक्रिया होते आणि कॅल्शियम बिस्मथाइड (Ca3Bi2) व मॅग्नेशियम बिस्मथाइड (Mg3Bi2) ही संयुगे तयार होतात. या संयुगांचे वितळबिंदू शिशापेक्षा जास्त असून घनता कमी असल्यामुळे ती वर तरंगतात व काढून घेता येतात. नंतर त्यांतून कॅल्शियम व मॅग्नेशियम क्लोराइडाची प्रक्रिया करून काढून टाकतात व नंतर बिस्मथ मिळविले जाते.
शुद्धीकरण : अशुद्ध बिस्मथ वितळवून त्यामध्ये कॉस्टिक सोडा व नायटर मिसळतात. त्यामुळे आर्सेनिक, अँटिमनी, कथिल, सिलिनियम व टेल्युरियम ही अपद्रव्ये काढून टाकली जातात. त्यांचे प्रमाण ०.०००१% किंवा त्याहूनही कमी करण्यात येते. अशुद्ध बिस्मथमध्ये असलेला तांब्याचा अंश गंधकाची प्रक्रिया करून आणि शिशाचा अंश क्लोरिनची प्रक्रिया करून काढून टाकला जातो. या पद्धतीने ९९.९९९% शुद्ध बिस्मथ मिळते.
उपयोग : (१) बिस्मथ ऑक्सिक्लोराइडसारखी संयुगे रंगनिर्मितीच्या उद्योगात, औष्ठ्यशलाका (lipstick) यांसारख्या सौंदर्य प्रसाधनांमध्ये आणि औषधनिर्मिती उद्योगांत वापरतात. (२) पोटाचे काही विकार, अपचन आणि हगवण यांवर बिस्मथ सॅलिसिलेट (पेप्टो-बिस्मॉल) गुणकारी आहे. (३) जलरंग आणि तैलरंगात पिवळ्या आणि नारिंगी रंगाच्या छटा येण्याकरिता बिस्मथ व्हॅनाडेट वापरले जाते. (४) महामार्गावरील रहदारी नियंत्रित करण्यासाठी ज्या वेगवेगळ्या खुणा केलेल्या असतात त्या रंगामध्ये बिस्मथचे क्षार मिसळतात. यामुळे तो रंग प्रकाश पडल्यावर चमकतो आणि अंधारात सहज दृष्टीस पडतो. (५) बिस्मथ, टेल्युरियम, सिलिनियम आणि अँटिमनी यांच्यापासून तयार केलेल्या मिश्रधातूला वैशिष्ट्यपूर्ण गुणधर्म आहेत. या मिश्रधातूमधून विद्युत प्रवाह जाऊ दिल्यास हा मिश्रधातू एकदम थंडगार होतो. त्यामुळे याचा उपयोग शीतक म्हणून संगणकाच्या प्रक्रियकामध्ये, वातानुकुलित यंत्रणा, लघुशीतपेटी (mini-refrigerator) यांमध्ये केला जातो. या मिश्रधातूचा उपयोग काही प्रमाणात विद्युतनिर्मिती करण्यासाठीसुद्धा केला जातो. (६) बिस्मथ टेल्युराइडचा अर्धवाहक (semiconductor) म्हणून वापर केला जातो. (७) बिस्मथ आणि मँगेनीजच्या मिश्रधातूपासून बिस्मानॉल हा उपयुक्त असा शक्तिशाली चुंबक तयार केला जातो. (८) बिस्मथचे काही मिश्रधातू कमी तापमानाला देखील सहज वितळतात. त्यामुळे त्यांचा उपयोग आग धोकासूचक घंटा (fire alarm) तसेच विद्युत परिपथ भंजक (circuit breaker) म्हणून करतात.
संदर्भ :
• https://www.britannica.com/science/bismuth
• #O. Prakash et al. Evidence for bulk superconductivity in pure bismuth single crystals at ambient pressure, Science (2016). DOI: 10.1126/science.aaf8227
