Βισμούθιο: από την κοιλιά ως τα νύχια

Μικρό βιογραφικό για το στοιχείο βισμούθιο. Κάθε Κυριακή «Το Βήμα» μάς ταξιδεύει και σε μια άλλη γωνιά του περιοδικού πίνακα.

Βίος και πολιτεία

Ηταν Μάρτιος του 2003 όταν στο Ινστιτούτο Αστροφυσικής της Γαλλίας, στο Ορσέ, έχοντας κατασκευάσει έναν καινούργιο ανιχνευτή σωματιδίων άλφα (δηλαδή πυρήνες ηλίου, με δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια), με σκοπό να εξερευνήσουν το μεγάλο πρόβλημα της ύπαρξης σκοτεινής ύλης στο Σύμπαν, σκέφθηκαν να δοκιμάσουν την ευαισθησία του με λίγο βισμούθιο. Στην πραγματικότητα ο εξαιρετικός αυτός ανιχνευτής ήταν διπλός. Αντιδρούσε σε ασυνήθιστα μικρές αυξήσεις της θερμοκρασίας και ανεπαίσθητους σε ένταση και διάρκεια παλμούς φωτός. Ηταν κλεισμένος μέσα σε μια ανακλαστική κοιλότητα και είχαν προνοήσει, για μεγαλύτερη ευαισθησία, η θερμοκρασία εκεί μέσα να είναι μόλις 20 mK, δηλαδή κάποια πολύ λίγα χιλιοστά επάνω από το απόλυτο μηδέν των -273 βαθμών Κελσίου. Ο ένας ανιχνευτής χρησιμοποιούσε βισμούθιο-209 – γερμάνιο – οξυγόνο, εκδηλώνοντας πολύ μικρή άνοδο θερμοκρασίας όταν απορροφηθεί ένα σωματίδιο άλφα, μεταφράζοντας αυτό σε παλμό τάσης, ανάλογο και με τη διαφορά θερμοκρασίας. Ο άλλος ανιχνευτής, από γερμάνιο, ήταν ευαισθητοποιημένος στους παλμούς φωτός των σωματιδίων άλφα. Σε δύο μετρήσεις, τοποθετώντας 31 και 62 γραμμάρια βισμουθίου είχαν τη μεγάλη ανακάλυψη. Σε πέντε ημέρες κατεγράφησαν 128 σωματίδια άλφα και μια ασυνήθιστη φασματική γραμμή. Ολα αυτά τελικά, ύστερα και από σχετικό ψάξιμο, κατέρριπταν την ακλόνητη ως τότε πειραματικά άποψη ότι το βισμούθιο-209 ήταν ένα σταθερό και όχι ραδιενεργό ισότοπο, δηλαδή ότι δεν υπήρχε περίπτωση ξαφνικά να εκπέμψει κάποιο σωματίδιο άλφα και να μεταστοιχειωθεί σε θάλλιο-205. Επιβεβαιώθηκε έτσι και μια κορυφαία επίδοση. Ο χρόνος ημιζωής του βισμουθίου-209 τελικά είναι περίπου 19 δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων ετών, δηλαδή απείρως μεγαλύτερος από την ηλικία της Γης. Η σχετική ανακοίνωση στο «Nature» βρίσκεται εδώ: https://kinardf.people.cofc.edu/Readings/Ch03_BismuthDecay.pdf. Και αξίζει να σημειώσουμε ότι θεωρητικά είχε υπολογιστεί ο χρόνος αυτός σε 4,6 δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων χρόνια, δηλαδή είχε γίνει και εκεί μια εξαιρετική θεωρητική δουλειά.

Γιατί το είπαν έτσι

Οσον αφορά το όνομα του εν λόγω στοιχείου, είναι αυτό που λέμε «άσε καλύτερα, μην ψάχνεις». Μπέρδεμα. Είχε ανακαλυφθεί σε γερμανικό έδαφος από το 1450 τουλάχιστον. Συγκεκριμένα στην οροσειρά Erz-gebirge, όπου «das Erz» σημαίνει «μετάλλευμα», άρα στην οροσειρά των μεταλλευμάτων, που βρίσκεται στην Ανατολική Γερμανία. Το συνέχεαν για αρκετό καιρό με τον μόλυβδο, μετά το ανακάτευαν με αυτόν για την κατασκευή των πρώτων τυπογραφικών στοιχείων και μόλις το 1739 έχουμε μια πιο ξεκάθαρη περιγραφή. Πάντως ο γάλλος χημικός Claude Geoffroy ο Νεότερος έδωσε τις περισσότερες αποδείξεις για το ότι επρόκειτο για ξεχωριστό στοιχείο και όχι για μόλυβδο. Στα γερμανικά ονομαζόταν Wismut προτού υιοθετήσουν και οι Γερμανοί το Β σαν αρχικό από τα λατινικά. Γερμανικές πηγές πάντως αναφέρουν ως επικρατέστερη εκδοχή για το όνομά του τις λέξεις «Weisse Masse», δηλαδή «λευκή μάζα», που όμως στη γλώσσα των ορεσίβιων μεταλλωρύχων δεν προφερόταν ακριβώς έτσι καθαρά, και τελικά φθάσαμε στο σημερινό Bismut στα γερμανικά ή στο Bismuth στα αγγλικά.

Αριθμοί κυκλοφορίας

Ατομικός αριθμός: 83

Ατομικό βάρος: 208,98

Σημείο τήξης: 272^οC

Σημείο ζέσης: 1.560^οC

Αριθμός ισοτόπων: 35

Τα ισότοπα αυτά του βισμουθίου έχουν χρόνο ημιζωής από 7,6 λεπτά (Bi-215) ως και 3 εκατομμύρια χρόνια (Bi-210).

Τι θέλει από τη ζωή μας;

Αν και όχι πολύ γνωστό στη σχολική Χημεία, είναι ένα ενδιαφέρον στοιχείο για τις πολυποίκιλες εφαρμογές του. Δύο από αυτές και αρκετά παλιές είναι ένα φάρμακο για το έλκος του στομάχου και ένα για τη διάρροια. Από το 1780 οι γιατροί συνταγογραφούσαν μια ένωση, το βασικό νιτρικό βισμούθιο, για τα έλκη του στομάχου. Από το 1860 η συνταγή βελτιώθηκε με τη χρήση μιας άλλης δραστικής ουσίας με το όχι και εύκολο όνομα υποανθρακικό βισμούθιο, ενώ σήμερα είμαστε στο κολλοειδές υποκιτρικό βισμούθιο ή CBS. Η δράση όλων αυτών ήταν να προστατεύουν το βλεννογόνο του στομάχου από δραστικά ένζυμα όπως οι πεψίνες, αλλά και (σε συνδυασμό με αντιβίωση) από το ελικοβακτηρίδιο του πυλωρού, το οποίο, όπως αποδείχθηκε, ήταν υπεύθυνο για ό,τι αποκαλούσαμε έλκος του στομάχου, το οποίο πιστεύαμε πως το παθαίνεις μόνο από στενοχώρια και πίεση. Υπάρχει όμως και μια άλλη ένωση, το υποσαλικυλικό βισμούθιο, η οποία χρησιμοποιείται για τη διάρροια και τις στομαχικές διαταραχές, όπου δρα ελαττώνοντας τη ροή υγρών στα έντερα, σκοτώνει τους μικροοργανισμούς τους υπεύθυνους για τη μόλυνση και περιορίζει τη φλεγμονή.

Στη γη το βισμούθιο συναντάται πιο πολύ με τη μορφή του βισμουθινίτη, ενός σουλφιδίου του βισμουθίου, μιας ένωσης δηλαδή με θειάφι, και προκύπτει ως υποπροϊόν της μεταλλουργίας στους φούρνους για τον χαλκό και τον μόλυβδο. Η Κίνα, το Μεξικό και το Περού είναι οι κύριες χώρες παραγωγής του. Οπως φαίνεται και από τους αριθμούς κυκλοφορίας, έχει πολύ χαμηλό σημείο τήξης, το οποίο σε κράμα με μόλυβδο και κασσίτερο, χαμηλώνει κι άλλο, και γι’ αυτόν τον λόγο χρησιμοποιήθηκε στα εύτηκτα συρματάκια στις παλιές ασφάλειες. Σήμερα με 12% πρόσμειξη καδμίου χρησιμοποιείται στους πίδακες νερού των πυροσβεστικών συσκευών για τις πυρκαγιές στα δωμάτια, με το σημείο τήξης να έχει πέσει στους 70 βαθμούς Κελσίου.

Ενα ακόμη κράμα του βισμουθίου είναι το Bismanol, όπου συνυπάρχει μαζί με μαγγάνιο και σίδηρο, δημιουργημένο από το Αμερικανικό Ναυτικό το 1950 για την κατασκευή δυνατών μόνιμων μαγνητών. Βέβαια το βισμούθιο είναι διαμαγνητικό υλικό όταν βρεθεί μόνο του και αυτό οδηγεί σε διάφορες αξιοπερίεργες κατασκευές.

Τα άτομα και τα μόρια που συνιστούν ένα υλικό, εξαιτίας της «έμφυτης» συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων, σαν να εκτελούν κάποια περιστροφή (αυτό βέβαια είναι σχήμα λόγου, διότι είναι τόσο μικρά σε διαστάσεις που δεν είναι εύκολο να θεωρήσεις πως περιστρέφονται), παρουσιάζουν μαγνητικές ιδιότητες, όπως λέμε. Αντιδρούν δηλαδή όταν βρεθούν σε μαγνητικό πεδίο. Μόνο που έχουμε τέσσερις διαφορετικές αντιδράσεις: Σιδηρομαγνητική, όπου μέσα σε ορισμένα όρια θερμοκρασίας όλα τα μόρια προσανατολίζονται έτσι ώστε να έχουμε αυτό που λέμε μόνιμο μαγνήτη. Αντισιδηρομαγνητική, όπου κάτω από ορισμένη θερμοκρασία το σιδηρομαγνητικό υλικό παύει να συμπεριφέρεται ως καλός μαγνήτης. Παραμαγνητική, όπου το υλικό μαγνητίζεται λίγο αλλά δεν γίνεται μόνιμος μαγνήτης. Διαμαγνητική, όταν ο μαγνητισμός συμβαίνει αντίθετα από το εφαρμοζόμενο πεδίο. Αυτό δημιουργεί διάφορα παράδοξα φαινόμενα, όπως το να ισορροπεί στον αέρα ένας δίσκος από βισμούθιο ανάμεσα σε δύο μαγνήτες, καθώς απωθείται από τα πεδία τους.

Με έμπνευση από τα λέπια των ψαριών, οι ιριδισμοί στα βερνίκια των νυχιών γρήγορα κατέκτησαν την αγορά. Με τη βοήθεια του βισμουθίου

Ανάμεσα στα άλλα καλλωπιστικά «υλικά» κάποιοι ευφυείς χημικοί δημιούργησαν μια βαφή νυχιών που βασιζόταν σε ουσίες βγαλμένες από τα λέπια των ψαριών! Γουανίνη και υποξανθίνη ήταν αυτές, και με τους κρυστάλλους που διαθλούν και ανακλούν το φως έδιναν στα νύχια ιριδισμούς ανάλογους με αυτούς που παρατηρούμε όταν πλέον είναι ξαπλωμένα στον ψαρόπαγκο του εμπόρου, αλλά και εκεί υπήρχαν σε περιεκτικότητα μόλις 1%. Αρα ήταν κάτι για λίγες (και για λίγους). Επιπλέον δεν έδιναν καλό προϊόν και έπρεπε να είναι πάντοτε σε υγρή μορφή. Τη λύση έδωσε το οξυχλωριούχο βισμούθιο, ένα παλιό καλλυντικό, από τον 19ο αιώνα, κάτι μεταξύ λευκού χρώματος και πούδρας, με ιριδισμούς όμως, γι’ αυτό το αποκαλούσαν blanc de perles. Το προϊόν αυτό στα εργαστήρια των εταιρειών που ενδιαφέρθηκαν εξελίχθηκε, δημιουργήθηκαν μεγαλύτεροι και ακόμη πιο ιριδίζοντες κρύσταλλοι, μπήκε σε βαφές χειλιών, σκιές ματιών και κάθε άλλου είδους ψιμύθια, τα οποία έγιναν πιο φθηνά, και τελικά οι καταναλωτές, αν το ήξεραν, θα έλεγαν και ένα «μπράβο» στο βισμούθιο, που τους κάνει πιο… λαμπερούς.