Відкрити головне меню

Стибій

хімічний елемент з атомним номером 51

Сти́бій (Sb), інші назви антимон, сурма́ — хімічний елемент із атомним номером 51, сріблясто-білий крихкий напівметал, який застосовують у металургійній, гумовій, фармацевтичній промисловості, піротехніці тощо.

Стибій (Sb)
Атомний номер 51
Зовнішній вигляд простої речовини твердий сріблясто-білий
крихкий напівметал
Властивості атома
Атомна маса (молярна маса) 121,760 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома 159 пм
Енергія іонізації (перший електрон) 833,3(8,64) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація [Kr] 4d10 5s2 5p3
Хімічні властивості
Ковалентний радіус 140 пм
Радіус іона (+6e)62 (-3e)245 пм
Електронегативність (за Полінгом) 2,05
Електродний потенціал 0
Ступені окиснення 5, 3, -3
Термодинамічні властивості
Густина 6,691 г/см³
Молярна теплоємність 0,205 Дж/(К·моль)
Теплопровідність 24,43 Вт/(м·К)
Температура плавлення 903,9 К
Теплота плавлення 20,08 кДж/моль
Температура кипіння 1908 К
Теплота випаровування 195,2 кДж/моль
Молярний об'єм 18,4 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки тригональна
Період ґратки 4,510 Å
Відношення с/а n/a
Температура Дебая 207[1] К
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
* La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Стибій у Вікісховищі?

Символ Sb, ат. н. 51; ат. м. 121,75. У природі представлений двома стабільними ізотопами 121Sb (57,25 %) та 123Sb (42,75 %).

Зміст

ВластивостіРедагувати

Фізичні властивостіРедагувати

Проста речовина — стибій — сріблясто-білий блискучий метал, дуже крихкий. Густина 6618 кг/м³, tплав 630,5 °C; tкип 1634 °C.

Твердість за Брінеллем — від 320 до 580 МПа у технічного стибію, в залежності від чистоти (у чистого стибію 260 МПа). Модуль зсуву — 20 ГПа, модуль Юнга — 56 ГПа[2].

Енергія іонізації (еВ)[2]:

Перший електрон Другий Третій Четвертий П'ятий
8,64 16,5 25,3 44,0 55,4

Питомий опір — 39×10−8 Ом·м (в 25 разів більший, ніж у срібла), температурний коефіцієнт опору — 5,1×10−3 К−1. Діамагнетик[2].

Алотропні формиРедагувати

За нормальних умов має ромбоедричну кристалічну ґратку з періодом 450,64 пм і кутом 57,1°. Цю форму називають сірим стибієм. Стибій не переходить в інші алотропічні форми при збільшенні температури, проте при збільшенні тиску вище 5 ГПа переходить в стан з кубічною ґраткою з періодом a=299,22 пм, вище 7,5 ГПа — утворює гексагональну ґратку з параметрами а=337,6 пм і с=534,1 пм, вище 14 ГПа — моноклінну з параметрами а=556 пм, b=404 пм, с=422 пм, β=86°[3].

Крім цього, відомі три аморфні форми: жовта, чорна і вибухова.

Жовтий стибій отримують реакцією чистого або озонованого кисню на рідкий гідрид стибію SH3. Ця модифікація є стабільною лише за низьких температур, а при -90 °C або під дією сонячного світла переходить в чорну[4].

Вибуховий стибій отримують електролізом. Він має чорний колір, і вкрай нестабільний — детонує від удару, нагрівання до 125 °C, електричної іскри. В присутності хлору, парів брому або йоду вибухає за кімнатної температури. З часом перетворюється на сіру металічну форму. Має густину 5,64—5,97 г/см³[4].

Чорний стибій отримують конденсацією парів стибію у вакуумі, окисненням гідриду стибію при температурі вище -90 °C або нагріванням жовтого стибію. Густина 5,3 г/см³. Має напівпровідникові властивості[4].

Хімічні властивостіРедагувати

Стибій має 5 валентних електронів — 3 неспаренних p-електрони, і 2 спаренних s-електрони. Завдяки цьому, його характерна валентність 3, рідше 5.

Хімічно подібний до арсену і вісмуту. За звичайних умов стибій на повітрі не змінюється. На світлі або у вологому повітрі втрачає блиск, стає матовим. З киснем взаємодіє лише в розплавленому стані, утворюючи Sb2O3; з воднем і азотом при нормальних умовах не реагує. Активно взаємодіє з галогенами (за винятком F2).

Утворює оксиди Sb2О3, Sb2О4, Sb2О5, сполуки з металами — антимоніди, сульфіди Sb2S3 та ін.

Сполуки оксидів стибію і води є дуже слабкими кислотами. Виділяють стибієву кислоту (HSbO3), метастибієву кислоту (HSbO2), піростибієву кислоту (H4Sb2O7) та інші.

Металічний стибій не розчиняється в хлоридній кислоті (як розбавленій так і концентрованій), проте розчиняється у азотній і концентрованій сульфатній кислотах[5].

При 360—400 °C реагує з сірководнем, а при 830—1100 °C з двоокисом вуглецю[5].

Металічний стибій не є отруйним для людини, проте багато його сполук, особливо з тривалентним стибієм, токсичні[5]. Гранично допустима концентрація — 0,5 мг/м³.

ІзотопиРедагувати

Природний стибій є сумішшю двох ізотопів з масовими числами 121 (57.21 %) і 123 (42.79 %). Крім них, були штучно отримані 50 ізотопів стибію з масовими числами від 103 до 140, 14 з яких — метастабільні. Найбільш довгоживучим є ізотоп Sb125, період напіврозпаду якого — 2,75 року[6].

ІсторіяРедагувати

 
Алхімічні символи стибію

Стибій відомий з глибокої давнини. У країнах Сходу він вживався приблизно за 3000 років до н. е. для виготовлення посуду. У Стародавньому Єгипті вже в 19 ст. до н. е. порошок сурм'яного блиску (природній Sb2S3) під назвою mesten або stem застосовувався для чорніння брів.

У Стародавній Греції він був відомий як στίμμι, στἰβι (сходить до єгипетського джерела), звідси латинська назва stibium[7]. Близько 12-14 ст. н. е. з'явилася назва antimonium (від грец. ανθήμόνιον — «квітка», з огляду на форму самородних кристалів).

Алхіміки не включали стибій до металів, проте використовували його у своїй роботі. Наприклад, він згадується у роботах Артефіуса[en]. Проте, сучасні дослідники вважають, що алхіміки називали антимонієм не чистий стибій, а його мінерали, в першу чергу, антимоніт. Метал, що виплавлявся з антимоніту зазвичай вважали забрудненим свинцем. Перша достовірна згадка про стибій як окремий метал відноситься до 16 століття — італійський вчений, інженер і металург Бірінгуччо Ванноччо описує спосіб його виплавки і зовнішній вигляд[8].

Ісаак Ньютон відкрив, що чистий металічний стибій формує на поверхні зірчастий малюнок, якщо охолоджувати його повільно, і провів багато досліджень цієї структури, яку він назвав «Star regulus»[9].

У 1789 А. Лавуазьє включив стибій до списку хімічних елементів під назвою antimoine. Українська назва «сурма» запозичена з тюркських мов (тур. sürme, крим-тат. sürmë — так називалась чорна фарба для підмальовування брів, вусів[10], які в свою чергу, походили від перс. surma‎ — «метал»[11]).

ПоширенняРедагувати

Середній вміст в земній корі (кларк) 5•10−5 %. Стибій концентрується в гідротермальних родовищах. Відомі власне стибієві, а також стибієво-ртутні, стибієво-свинцеві, золото-стибієві, стибієво-вольфрамові родовища. Відомо 120 мінералів, що містять стибій. Найголовнішим в первинних рудах є антимоніт Sb2S3 (71,4 %), менше значення мають: в первинних рудах лівінгстоніт НgSb4S7 (51,6 %), бертьєрит FeSb2S4 (57,0 %), гудмундит FeSbS (57,8 %), тетраедрит Сu12Sb4S13 (29,2 %), джемсоніт Pb4FeSb6S14 (35,4 %), буланжерит Pb5Sb4S11 (25,7 %), надорит PbSbO2Cl (31 %); в окиснених рудах — валентиніт Sb2O3 ромб. (83,5 %), сенармонтит Sb2O3 куб. (83,5 %), сервантит Sb2O4 (79,2 %), кермезит Sb2SO (75,0 %) і стибіконіт (Са, Sb)2 Sb2O6 (О, ОН) (76,4 %). Завдяки спорідненості до сірки С. у вигляді домішок часто входить в сульфіди арсену, бісмуту, нікелю, свинцю, ртуті, срібла.

В 2010 році у світі було видобуто 167 тис. тонн стибію, 150 з яких — у Китаї. Також у трійку найбільших світових постачальників стибію входить Болівія (5 тис. тонн) і Росія (3 тис. тонн)[12].

ОтриманняРедагувати

 
Зірчаста поверхня зливка стибію

Стибій отримують зі стибієвих, ртутно-стибієвих і золото-стибієвих руд, попутно з поліметалічних, олов'яних і вольфрамових руд. Якщо концентрація Sb у руді становить менше 10 %, її попередньо збагачують. Рудні концентрати далі переробляють пірометалургійними і гідрометалургійними методами. В першому випадку руду прожарюють у присутності заліза (сульфур більш охоче взаємодіє з залізом, ніж зі стибієм), а в другому — руду оброблюють розчином сульфіду натрію і гідроксиду натрію, після чого стибій, що перейшов у розчин видобувається електролізом[13]. Гідрометалургічні методи краще підходять для руд з низькою концентрацією Sb. Вміст стибію в чорновому металі понад 90 %.

Для подальшої очистки метал піддають вогняному рафінуванню. Зливки стибію високої частоти традиційно мають «зірчасту» поверхню. Для її отримання стибій плавлять з «зірчастим» шлаком, що складається з антимонатів натрію (nSb2O3·mNa2O)[14].

Хімічно чистий стибій отримують у процесі зонного плавлення в інертній атмосфері.

ЗастосуванняРедагувати

Найбільш широко застосовуваною сполукою стибію є триоксид стибію (Sb2O3), що використовується як антипірен — сполука, що ускладнює займання інших речовин, в першу чергу різноманітних полімерів і тканин[15][16]. Близько 60% усього стибію, що видобувається в світі використовується таким чином[17].

Металічний стибій переважно застосовується у сплавах. У 2000 році таким чином було використано 20% стибію у світі[17].

Додавання стибію до свинцю робить його більш твердим. Такий свинець відомий під назвою гартблей, або твердий свинець, і використовується для виготовлення труб, оболонок кабелів, куль та дробу, тощо[18]. Найбільш масовим застосуванням металічного стибію є його використання у сплавах зі свинцем у автомобільних акумуляторах[16].

Сплави стибію зі свинцем або оловом (бабіти) є антифрикційними сплавами, і використовуються для виготовлення підшипників та в інших галузях.

Сплав, що містить 82 % свинцю, 3 % олова і 15 % стибію називають типографський метал, або гарт, і використовується для виготовлення типографських літер і стереотипів завдяки своїй легкоплавкості, твердості і дуже малій усадці при твердненні.

Сплави стибію з міддю і сріблом використовуються як припій[17].

Надчистий стибій використовують як донорну домішку до германію для виготовлення напівпровідників.

Антимонід індію має найбільшу рухливість електронів і довжину їх вільного пробігу. Він використовується у детекторах інфрачервоного випромінювання, сенсорах Холла (компактні прилади для вимірювання напруженості магнітного поля), фотоелементах високої чутливості, швидкодіючих транзисторах[19].

Антимоніди галію та алюмінію використовуються для виготовлення високочастотних діодів і тріодів[15].

З чистого стибію виготовляють електроди, що використовуються для вимірювання pH[15].

Багато сполук стибію використовуються для виготовлення фарб, емалей та глазурей. Наприклад, пігмент неаполітанський жовтий є свинцевою сіллю стибієвої кислоти (Sb2O5·nPbO)[20]. Серед інших фарб стибієвої групи можна назвати стибієву кіновар (Sb2S3) і стибієві білила[21], а також метасурмянокислий натрій (NaSbO3), що використовується у глазурях.

Сульфід стибію міститься у суміші, що нанесена на бічну поверхню коробок сірників[22].

Суміш стибію і берилію використовується як джерело нейтронів дуже вузького спектру (97% з них мають енергію близько 23 кеВ). Для цього суміш опромінюють нейтронами зі стороннього джерела, що призводить до захоплення стибієм-123 нейтронів, і перетворенням на радіоактивний стибій-124 з періодом напіврозпаду 60 днів. Розпадаючись, стибій-124 випромінює фотони, які реагують з ядрами берилію, вивільняючи нейтрони. Вузькість спектру нейтронів спричинена вузькістю спектру фотонів[23].

Див. такожРедагувати

ПриміткиРедагувати

  1. A Course In Thermodynamics, Volume 2(англ.)
  2. а б в Poole, 2004, с. 80
  3. Martienssen, Warlimont, 2006, с. 104
  4. а б в Рипан,Четяну, 1971, с. 479
  5. а б в Рипан,Четяну, 1971, с. 480
  6. Isotopes of the Element Antimony(англ.)
  7. Harper, Douglas. «antimony». Online Etymology Dictionary.
  8. Haeffner, 2004, с. 46
  9. Replication of Isaac Newton's Regulus of Antimony(англ.)
  10. Етимологічний словник української мови : у 7 т. / редкол.: О. С. Мельничук (гол. ред.) та ін. — К. : Наукова думка, 1982— ., т. 4. — C. 480.
  11. Словник іншомовних слів. — К.: УРЕ, 1974. — С. 645.
  12. [https://pubs.usgs.gov/of/2013/1184/ U.S. Mineral Dependence—Statistical Compilation of U.S. and World Mineral Production, Consumption, and Trade, 1990–2010 ](англ.)
  13. Петрянов-Соколов, 1983, с. 57
  14. Петрянов-Соколов, 1983, с. 58
  15. а б в Немодрук, 1978, с. 10
  16. а б Antimony Statistics and Information(англ.)
  17. а б в Mineral Commodity Profiles. Antimony(англ.)
  18. Петрянов-Соколов, 1983, с. 59
  19. ИНДИЯ АНТИМОНИД(рос.)
  20. Беленький,Рискин, 1960, с. 492
  21. Беленький,Рискин, 1960, с. 306
  22. Спички(рос.)
  23. Sb-Be Source — Antimony-Beryllium Source

ЛітератураРедагувати

ПосиланняРедагувати