美しきビスマスの世界

金属ビスマスの結晶。色は表面の酸化膜による構造色。
結晶は堀石廉様提供。2012/12/31 筆者撮影。
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【ビスマス】 蒼鉛:Bismuth

原子番号83、元素記号Bi。

第6周期第15族（窒素族）元素。

Biはだいぶ後ろの元素。

単体は人畜無害、低融点（271℃）、重い（比重:9.78）。

そのため、鉛の代替品としてハンダや魚釣りのオモリ等に用いられます。

化合物も無害なものが多く、酸化ビスマスBi₂O₃は整腸剤に用いられます。

胃もたれや胸やけの薬である次サリチル酸ビスマスC₇H₅O₃BiOH製剤は有効成分の57%がビスマスであるというから、まさにビスマスを飲むようなものです。

また最近、有機ビスマス化合物は発光材料としても注目されてきました。（後述）

胃薬である次サリチル酸ビスマスの構造。
なかなか面白い構造をしている。

今筆者が最も注目している元素なのですが、なんとBi結晶を石華工廠の堀石廉様に頂きました！
（しかも3つも！）

今回はそんなビスマスの魅力を大紹介！

まず美しき彼らの写真をご覧ください！



ビスマス結晶

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2012/12/31 筆者撮影

ビスマスの人工結晶。

融解したビスマスをゆっくり冷却し、一部生じた結晶部分をつまみ上げたり、結晶部分以外を流し除く等して作られるようです。

冷却の際、表面に酸化膜が生じ、それが美しい構造色^※を生み出します。

また、ビスマスには結晶の面よりも稜が成長しやすい性質があります。

これがビスマス結晶の"じょうご"型構造の所以です。
（この形を「骸晶」と言います。）

もっと美しい写真や、結晶の作り方や詳しい話は石華工廠HP様にありますので、興味のある方はぜひご覧ください。


※ 構造色
物体表面に被膜構造があったりデコボコ構造があったりすると、光が干渉して波長の強め合い・弱め合いが生じて反射光に色が付く現象。
例えば水に油を垂らすと生じる虹色や（油膜の厚みによる干渉）、CDの記録面の緑やピンク（デコボコによる回折・干渉）。
ビスマス結晶の赤や緑はビスマスという物質そのものの色ではなくて、酸化被膜という表面構造によるもの。


ちなみにビスマスのインゴットはビスマス本来の色である銀色です。

2012/12/31 筆者撮影
インゴットも堀石廉様提供。

インゴットを割った断面には美しい内部結晶が見られます。

2012/12/31 筆者撮影

ビスマスはオール放射性元素！

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実はビスマスには安定同位体がありません。

全てが放射性同位体です。

ゆえに、上の写真はまさに放射性同位体の塊なのです。

「え、ヤバいんじゃないの！？」

と思われるかもしれません。

でもご安心ください！

ビスマスはほぼ100%、²⁰⁹Biから成っているのですが、これは半減期が1900京年もあります。

宇宙の年齢が100億年くらいなので、ビスマスは超長寿です。

これは100億個の²⁰⁹Bi原子があるとすると、100億年後は4つだけ減っているという計算です。

要するに、実用上ビスマスは減ることのないほぼ安定元素ということです。


ちなみに²⁰⁹Biは超超ゆっくりα崩壊（⁴He²⁺を放出）して²⁰⁵Tlになります。

²⁰⁹Bi → ²⁰⁵Tl + α


☆ 放射性元素ポロニウムの合成法

²⁰⁹Biに中性子nを照射すると²¹⁰Biが生じ、徐々にβ崩壊（電子を放出）して²¹⁰Poになります。

²⁰⁹Bi + n → ²¹⁰Bi → ²¹⁰Po + β

こうして合成されたPoはα線源や静電気除去ブラシの材料として用いられます。



ビスマスの最新研究

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さて、ここからは筆者の専門領域（有機金属化合物）になってきますが、ビスマスの最新情報をご紹介いたします。

例えば、有機ビスマス化合物：ジチエノビスモール。

ジチエノビスモール誘導体^[4]

これはりん光性発光材料を指向して合成されました。

原子番号の大きな元素（原子核の正電荷が大きな元素）が高い発光効率を示すのですが、ビスマスは使い物になる元素で最大の原子番号を持つので有望です。

現在、原子番号の大きな元素として白金やイリジウム等の高価なレアメタルがりん光性有機金属錯体に用いられています。

一方、ビスマスは2円/gで取引されている安価な金属であり、これまた注目されている所以になっています。



白金と言えば、最近2012年、こんな不思議な化合物が発表されました。

Pt-Bi化合物：Pt→Bi結合がある^[5]

この化合物、Pt-Bi結合があるんですが、

「Bi:→Pt」ではなく「Pt:→Bi」

なんです！

普通に考えたら前者なのに。

ビスマスは窒素族元素ですが、例えばテトラアンミン銅(II)イオン[Cu(NH₃)₄]²⁺はN:→Cu配位結合を持つし、同じく窒素族であるPも上構造式の中でもP:→Pt配位結合を作っています。

が、ビスマスは配位が逆なのです。

これもビスマスが大きな原子番号を持っていることが原因になっているようです。
（例えば、ビスマスの非共有電子対はとても安定になっている：不活性電子対効果）

※ もっと専門的に言うと、上の例でビスマス原子が持つ配位サイトはBi-Cl結合のσ*軌道。
Bi-X結合と180°反対側に、比較的低エネルギーで十分な大きさのσ*軌道が形成される。


以上。

無害で安定な不安定元素で、安価で不思議な性質を持つ金属、ビスマス。

上記性質以外にも、最強の反磁性、大きな熱電効果、凝固すると体積が増す等、面白い性質が盛りだくさん。

これからもっともっと注目されるかもしれません。



参考

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• 石華工廠HP様 Special Thanks!
• 『世界で一番美しい元素図鑑』セオドア・グレイ著, 創元社
• 石と元素の周期表
• 『Synthesis of Dithienobismoles as Novel Phosphorescence Materials』Joji Ohshita et al, Organometallics, Vol. 29, 3239-3241, 2010
• 『Gold- and Platinum-Bismuth Donor-Acceptor Interactions Supported by an Ambiphilic PBiP Pincer Ligand』Christian Limberg et al, Angewandte, Volume 51, Issue 20, pages 4989-4992, May 14, 2012