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

Óxido de bismuto (III)
Trióxido de bismuto
AlfaBi2O3structure.jpg
Nomes
Nomes IUPAC
Trióxido de
bismuto Óxido de bismuto (III)
Bismita (mineral)
Outros nomes
Óxido de bismuto, sesquióxido de bismuto
Identificadores
Modelo 3D ( JSmol )
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.013.759 Edite isso no Wikidata
Número EC
UNII
  • InChI = 1S / 2Bi.3O VerificaY
    Chave: WMWLMWRWZQELOS-UHFFFAOYSA-N VerificaY
  • InChI = 1 / 2Bi.3O / rBi2O3 / c3-1-5-2-4
    Chave: WMWLMWRWZQELOS-JOBWJGIYAA
  • O = [Bi] O [Bi] = O
Propriedades
Bi 2 O 3
Massa molar 465,96 g / mol
Aparência cristais ou pó amarelo
Odor inodoro
Densidade 8,90 g / cm 3 , sólido
Ponto de fusão 817 ° C (1.503 ° F; 1.090 K)
Ponto de ebulição 1.890 ° C (3.430 ° F; 2.160 K)
insolúvel
Solubilidade solúvel em ácidos
-83,0 · 10 −6 cm 3 / mol
Estrutura
monoclínico , mP20 ,
grupo espacial P2 1 / c (No 14)
pseudo-octaédrico
Perigos
Ficha de dados de segurança Veja: página de dados
MallBaker MSDS
Pictogramas GHS GHS07: Nocivo
Palavra-sinal GHS Aviso
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 fogo)
1
0
0
Ponto de inflamação Não inflamável
Compostos relacionados
Outros ânions
Trissulfeto de
bismuto Seleneto de
bismuto Telureto de bismuto
Outros cátions
Trióxido de dinitrogênio Trióxido de
fósforo Trióxido de
arsênio Trióxido de
antimônio
Página de dados suplementares
Índice de refração ( n ),
constante dielétricar ), etc.

Dados termodinâmicos
Comportamento da fase
sólido-líquido-gás
UV , IR , NMR , MS
Exceto onde indicado de outra forma, os dados são fornecidos para materiais em seu estado padrão (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
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Referências da Infobox

O óxido de bismuto (III) é talvez o composto de bismuto mais importante industrialmente . É também um ponto de partida comum para a química do bismuto. É encontrado naturalmente como o mineral bismita (monoclínico) e esferobismoita (tetragonal, muito mais raro), mas geralmente é obtido como um subproduto da fundição de minérios de cobre e chumbo . O trióxido de dibismuto é comumente usado para produzir o efeito " ovos de dragão " em fogos de artifício , como uma substituição do chumbo vermelho .

Estrutura

As estruturas adotadas pelo Bi 2 O 3 diferem substancialmente daquelas do óxido de arsênio (III) , As 2 O 3 , e do óxido de antimônio (III) , Sb 2 O 3 .

Domínios de existência dos quatro polimorfos de Bi 2 O 3 em função da temperatura. (a) A fase α transforma-se em fase δ quando aquecida acima de 727 ° C, que permanece a estrutura até que o ponto de fusão, 824 ° C, seja atingido. Quando resfriada, a fase δ se transforma na fase β a 650 ° C, mostrada em (b), ou na fase γ a 639 ° C, mostrada em (c). A fase β transforma-se na fase α a 303 ° C. A fase γ pode persistir até a temperatura ambiente quando a taxa de resfriamento é muito lenta, caso contrário, ela se transforma para a fase α a 500 ° C.

O óxido de bismuto, Bi 2 O 3 tem cinco polimorfos cristalográficos . A fase de temperatura ambiente, α-Bi 2 O 3 tem uma estrutura de cristal monoclínica . Existem três fases de alta temperatura, uma fase β tetragonal , uma fase γ cúbica centrada no corpo , uma fase δ-Bi 2 O 3 cúbica e uma fase ε. A fase α da temperatura ambiente tem uma estrutura complexa com camadas de átomos de oxigênio com camadas de átomos de bismuto entre eles. Os átomos de bismuto estão em dois ambientes diferentes que podem ser descritos como coordenadas 6 e 5 distorcidas, respectivamente.

O β-Bi 2 O 3 tem uma estrutura semelhante à da fluorita .

O γ-Bi 2 O 3 possui uma estrutura semelhante à do Bi 12 SiO 20 ( silenita ), onde uma fração dos átomos Bi ocupa a posição ocupada pelo Si IV , e pode ser escrita como Bi 12 Bi 0.8 O 19.2 .

δ-Bi 2 O 3 tem uma estrutura de cristal do tipo fluorita defeituosa , na qual dois dos oito sítios de oxigênio na célula unitária estão vazios. ε- Bi 2 O 3 tem uma estrutura relacionada às fases α e β, mas como a estrutura está totalmente ordenada, é um isolante iônico. Pode ser preparado por meio hidrotérmico e se transforma em fase α a 400 ° C.

A fase α monoclínica transforma-se em δ-Bi 2 O 3 cúbico quando aquecida acima de 729 ° C, que permanece a estrutura até que o ponto de fusão, 824 ° C, seja alcançado. O comportamento do Bi 2 O 3 no resfriamento da fase δ é mais complexo, com a possível formação de duas fases metaestáveis intermediárias ; a fase β tetragonal ou a fase γ cúbica centrada no corpo . A fase γ pode existir à temperatura ambiente com taxas de resfriamento muito lentas, mas α-Bi 2 O 3 sempre se forma no resfriamento da fase β. Mesmo que quando formado por calor, ele reverte para α- Bi 2 O 3 quando a temperatura cai abaixo de 727 ° C, δ-Bi 2 O 3 pode ser formado diretamente por eletrodeposição e permanecer relativamente estável à temperatura ambiente, em um eletrólito de compostos de bismuto que também são ricos em hidróxido de sódio ou potássio de modo a ter um pH próximo de 14.

Condutividade

A fase α exibe condutividade eletrônica tipo p (a carga é transportada por orifícios positivos) à temperatura ambiente, que se transforma em condutividade tipo n (a carga é transportada por elétrons) entre 550 ° C e 650 ° C, dependendo do oxigênio parcial pressão. A condutividade nas fases β, γ e δ é predominantemente iônica, com íons óxido sendo o principal transportador de carga. Destes, o δ-Bi 2 O 3 tem a maior condutividade relatada. A 750 ° C, a condutividade de δ-Bi 2 O 3 é tipicamente cerca de 1 Scm -1 , cerca de três ordens de magnitude maior do que as fases intermediárias e quatro ordens maior do que a fase monoclínica . δ-Bi 2 O 3 tem uma estrutura cristalina do tipo fluorita defeituosa, na qual dois dos oito sítios de oxigênio na célula unitária estão vazios. Essas vacâncias intrínsecas são altamente móveis devido à alta polarização da sub-rede catiônica com os 6 s 2 pares de elétrons isolados de Bi 3+ . As ligações Bi-O têm caráter de ligação covalente e, portanto, são mais fracas do que as ligações puramente iônicas, de modo que os íons de oxigênio podem saltar para os espaços vazios com mais liberdade.

O arranjo dos átomos de oxigênio dentro da célula unitária de δ-Bi 2 O 3 foi objeto de muito debate no passado. Três modelos diferentes foram propostos. Sillén (1937) usou difração de raios-X de pó em amostras extintas e relatou que a estrutura de Bi 2 O 3 era uma fase cúbica simples com vacâncias de oxigênio ordenadas ao longo de <111>, ou seja, ao longo da diagonal do corpo do cubo. Gattow e Schroder (1962) rejeitaram esse modelo, preferindo descrever cada local de oxigênio (local 8c) na célula unitária como tendo 75% de ocupação. Em outras palavras, os seis átomos de oxigênio são distribuídos aleatoriamente pelos oito locais de oxigênio possíveis na célula unitária. Atualmente, a maioria dos especialistas parece favorecer a última descrição, já que uma sub-rede de oxigênio completamente desordenada é responsável pela alta condutividade de uma maneira melhor.

Willis (1965) usou difração de nêutrons para estudar o sistema de fluorita (CaF 2 ). Ele determinou que não poderia ser descrito pela estrutura de cristal de fluorita ideal, em vez disso, os átomos de flúor foram deslocados das posições regulares 8c em direção aos centros das posições intersticiais. Shuk et al. (1996) e Sammes et al. (1999) sugerem que, devido ao alto grau de desordem em δ-Bi 2 O 3 , o modelo de Willis também poderia ser usado para descrever sua estrutura.

Uso em células de combustível de óxido sólido (SOFCs)

O interesse está centrado no δ-Bi 2 O 3 , pois é principalmente um condutor iônico. Além das propriedades elétricas, as propriedades de expansão térmica são muito importantes ao considerar possíveis aplicações para eletrólitos sólidos. Altos coeficientes de expansão térmica representam grandes variações dimensionais sob aquecimento e resfriamento, o que limitaria o desempenho de um eletrólito. A transição a partir da alta temperatura δ- Bi 2 O 3 para o intermediário β- Bi 2 O 3 é acompanhada por uma grande variação de volume e, consequentemente, uma deterioração das propriedades mecânicas do material. Isso, combinado com a faixa de estabilidade muito estreita da fase δ (727–824 ° C), levou a estudos sobre sua estabilização à temperatura ambiente.

Bi 2 O 3 forma facilmente soluções sólidas com muitos outros óxidos metálicos. Esses sistemas dopados exibem um conjunto complexo de estruturas e propriedades que dependem do tipo de dopante, da concentração de dopante e da história térmica da amostra. Os sistemas mais amplamente estudados são aqueles envolvendo óxidos de metais de terras raras, Ln 2 O 3 , incluindo ítria , Y 2 O 3 . Os cátions de metais de terras raras são geralmente muito estáveis, têm propriedades químicas semelhantes entre si e são semelhantes em tamanho a Bi 3+ , que tem um raio de 1,03 Å, tornando-os todos excelentes dopantes. Além disso, seus raios iônicos diminuem de maneira bastante uniforme de La 3 + (1,032 Å), através de Nd 3+ , (0,983 Å), Gd 3+ , (0,938 Å), Dy 3+ , (0,912 Å) e Er 3+ , ( 0,89 Å), a Lu 3+ , (0,861 Å) (conhecido como a ' contração dos lantanídeos '), tornando-os úteis para estudar o efeito do tamanho do dopante na estabilidade das fases Bi 2 O 3 .

Bi 2 O 3 também tem sido usado como aditivo de sinterização no sistema de zircônia dopado com Sc 2 O 3 para SOFC de temperatura intermediária.

Preparação

O trióxido pode ser preparado por ignição do hidróxido de bismuto . Trióxido de bismuto pode também ser obtida por aquecimento de subcarbonato de bismuto em cerca de 400 0 C.

Reações

O dióxido de carbono atmosférico ou CO 2 dissolvido em água reage prontamente com Bi 2 O 3 para gerar subcarbonato de bismuto . O óxido de bismuto é considerado um óxido básico, o que explica a alta reatividade com o CO 2 . No entanto, quando cátions ácidos como o Si (IV) são introduzidos na estrutura do óxido de bismuto, a reação com o CO 2 não ocorre.

O óxido de bismuto (III) reage com uma mistura de hidróxido de sódio aquoso concentrado e bromo ou hidróxido de potássio aquoso e bromo para formar bismutato de sódio ou potássio, respectivamente,

Uso de dispositivo médico

O óxido de bismuto é ocasionalmente usado em materiais dentários para torná-los mais opacos aos raios X do que a estrutura dentária circundante. Em particular, o óxido de bismuto (III) tem sido usado em cimentos de silicato hidráulico (HSC), originalmente em " MTA " (um nome comercial que significa " agregado de trióxido mineral " quimicamente sem significado ) de 10 a 20% em massa com um mistura principalmente de pós de silicato de di e tri-cálcio. Tal HSC é utilizado para tratamentos dentários como: apicoectomia, apicificação , capeamento pulpar, pulpotomia, regeneração pulpar, reparo interno de perfurações iatrogênicas, reparo de perfurações de reabsorção, selamento e obturação de canais radiculares. O MTA torna-se um material de enchimento duro quando misturado com água. Alguns materiais à base de resina também incluem um HSC com óxido de bismuto. Supostamente, surgiram problemas com o óxido de bismuto porque ele não é inerte em pH alto, especificamente porque retarda a configuração do HSC, mas também com o tempo pode perder a cor pela exposição à luz ou reação com outros materiais que possam ter sido usados no tratamento dentário, como o hipoclorito de sódio.

Referências

Leitura adicional