बिस्मथ (Bi) - JEE/NEET आणि CBSE साठी सर्वसमावेशक अभ्यास मार्गदर्शक

प्रस्तावना: बिस्मथ का महत्त्वाचे आहे

बिस्मथ (Bi) हा एक संक्रमणोत्तर धातू आहे, ऐतिहासिकदृष्ट्या नायट्रोजन कुटुंब (गट 15) मध्ये वर्गीकृत केला गेला आहे. या गटातील हा सर्वात जड स्थिर सदस्य आहे, जो विशिष्ट धातूंचे गुणधर्म आणि ‘अक्रिय युग्म परिणाम’ (inert pair effect) द्वारे प्रभावित रसायनशास्त्र दर्शवितो. त्याची कमी विषारीता, अद्वितीय भौतिक गुणधर्म आणि विविध रासायनिक उपयोग यामुळे तो अनेक औद्योगिक आणि औषधी क्षेत्रांमध्ये महत्त्वाचा ठरतो, अनेक उपयोगांमध्ये शिसेसाठी (lead) एक सुरक्षित पर्याय उपलब्ध करून देतो.

CBSE/JEE त्वरित उजळणी नोट्स

• चिन्ह: Bi
• अणुक्रमांक: 83
• अणुवस्तुमान: 208.98 u
• गट: 15 (नायट्रोजन कुटुंब, स्फुरजनक (Pnictogens))
• आवर्त: 6
• खंड: p-खंड
• स्वरूप: धातू
• इलेक्ट्रॉन संरूपण:
  • पूर्ण: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s² 6p³
  • संक्षिप्त: [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p³
• सामान्य ऑक्सिडेशन अवस्था: +3, +5 (अक्रिय युग्म परिणामामुळे, +3 अधिक स्थिर आहे)
• संयुजा: 3, 5
• घनता (20°C ला): 9.78 g/cm³
• द्रवणांक: 271.4°C
• उत्कलन बिंदू: 1564°C
• विद्युतऋणता (पॉलिंग): 2.02
• आयनिकरण ऊर्जा (पहिली): 703 kJ/mol
• प्रमुख वैशिष्ट्य: 82 पेक्षा जास्त अणुक्रमांक असलेले नैसर्गिकरित्या आढळणारे एकमेव मूलद्रव्य जे किरणोत्सर्गी नाही (जरी याला अनेकदा सर्वात जड स्थिर मूलद्रव्य मानले जाते, तरीही ते प्रत्यक्षात थोडे किरणोत्सर्गी आहे, ज्याचा अल्फा क्षय होऊन थॅलियम-205 मध्ये रूपांतर होण्यासाठी 1.9 x 10¹⁹ वर्षांचे अत्यंत दीर्घ अर्धायुष्य आहे, जे सर्व रासायनिक हेतूंसाठी व्यावहारिकदृष्ट्या स्थिर आहे).

इलेक्ट्रॉन संरूपण आणि बंध वर्तन

बिस्मथचे इलेक्ट्रॉन संरूपण [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p³ पाच संयुजा इलेक्ट्रॉन (6s² 6p³) दर्शवते.

• ऑक्सिडेशन अवस्था:
  • +3 ऑक्सिडेशन अवस्था: बिस्मथसाठी ही सर्वात स्थिर आणि सामान्य ऑक्सिडेशन अवस्था आहे. ही अवस्था तीन 6p इलेक्ट्रॉन्सच्या बंधात सहभागी होण्यामुळे उद्भवते, तर दोन 6s इलेक्ट्रॉन्स अक्रिय युग्म परिणामामुळे (inert pair effect) अविभाजित राहतात. p-खंडातील जड मूलद्रव्यांसाठी हा परिणाम महत्त्वाचा ठरतो, जिथे f आणि d इलेक्ट्रॉन्सच्या खराब परिरक्षणामुळे s-इलेक्ट्रॉन्स बंधासाठी कमी उपलब्ध असतात, ज्यामुळे s-इलेक्ट्रॉन्सना जास्त केंद्रकीय आवेश जाणवतो.
  • +5 ऑक्सिडेशन अवस्था: या अवस्थेत सर्व पाच संयुजा इलेक्ट्रॉन्स (6s² आणि 6p³) यांचा सहभाग आवश्यक असतो. ही अवस्था +3 अवस्थेपेक्षा कमी स्थिर असते आणि एक मजबूत ऑक्सिडायझिंग एजंट म्हणून कार्य करते (उदा. NaBiO₃ मध्ये). कारण +5 अवस्थेतील बिस्मथ अधिक स्थिर +3 अवस्था प्राप्त करण्यासाठी सहजपणे इलेक्ट्रॉन स्वीकारतो.
• बंधन: बिस्मथ सामान्यतः सहसंयुजी संयुगे बनवतो, विशेषतः हॅलोजन्ससारख्या अधिक विद्युतऋण मूलद्रव्यांसोबत (उदा. BiCl₃). तथापि, उच्च विद्युतऋण मूलद्रव्यांसोबत किंवा मोठ्या प्रतिआयनांसोबत असलेल्या संयुगेमध्ये, तो आयनिक गुणधर्म देखील दर्शवू शकतो (उदा. BiF₃ मध्ये). त्याची संयुगे अनेकदा बहुवारिकी (polymeric) संरचनेत असतात.

महत्त्वाच्या रासायनिक अभिक्रिया

बिस्मथचे रासायनिक वर्तन +3 ऑक्सिडेशन अवस्थेसाठी त्याच्या पसंतीने दर्शविले जाते.

1. हवा/ऑक्सिजनसोबत अभिक्रिया

बिस्मथ खोलीच्या तापमानावर कोरड्या हवेत स्थिर असतो, परंतु गरम केल्यावर ऑक्सिजनमध्ये जळून बिस्मथ(III) ऑक्साईड बनवतो.

• 4Bi(s) + 3O₂(g) → 2Bi₂O₃(s) (बिस्मथ(III) ऑक्साईड)

2. हॅलोजन्ससोबत अभिक्रिया

बिस्मथ थेट हॅलोजन्ससोबत अभिक्रिया करून ट्रायहॅलाइड्स (BiX₃) बनवतो, जिथे X = F, Cl, Br, I. पेंटाहॅलाइड्स (BiX₅) कमी स्थिर असतात आणि सामान्यतः फक्त फ्लोरीनसोबत (BiF₅) बनतात.

• 2Bi(s) + 3F₂(g) → 2BiF₃(s) (बिस्मथ(III) फ्लोराईड)
• 2Bi(s) + 3Cl₂(g) → 2BiCl₃(s) (बिस्मथ(III) क्लोराईड)
• BiF₃(s) + F₂(g) → BiF₅(s) (बिस्मथ(V) फ्लोराईड - मजबूत ऑक्सिडायझिंग एजंट)

3. अम्लांसोबत अभिक्रिया

बिस्मथ अन-ऑक्सिडायझिंग अम्लांसोबत (उदा. विरल HCl, H₂SO₄) अभिक्रिया करत नाही. तो ऑक्सिडायझिंग अम्लांसोबत अभिक्रिया करतो.

• संयुत नायट्रिक अम्लासोबत: Bi(s) + 4HNO₃(conc) → Bi(NO₃)₃(aq) + NO(g) + 2H₂O(l) टीप: NO च्या पुढील ऑक्सिडेशनमुळे वास्तविक उत्पादन अनेकदा डायनायट्रोजन टेट्राऑक्साईड (NO₂) असते. Bi(s) + 6HNO₃(conc) → Bi(NO₃)₃(aq) + 3NO₂(g) + 3H₂O(l)

• संयुत सल्फ्यूरिक अम्लासोबत (गरम): 2Bi(s) + 6H₂SO₄(conc, hot) → Bi₂(SO₄)₃(aq) + 3SO₂(g) + 6H₂O(l)

4. बिस्मथ(III) क्षारांचे जलविच्छेदन

बिस्मथ(III) क्षार, विशेषतः हॅलाइड्स, पाण्यात जलविच्छेदन होऊन अघुलनशील बिस्मथिल (BiO⁺) संयुगे किंवा हायड्रॉक्साईड्स बनवतात, जे Bi(OH)₃ च्या मूलभूत स्वरूपाचे द्योतक आहे.

• BiCl₃(aq) + H₂O(l) ⇌ BiOCl(s) + 2HCl(aq) (बिस्मथिल क्लोराईड किंवा बिस्मथ ऑक्सिक्लोराईड)
• Bi(NO₃)₃(aq) + 3H₂O(l) ⇌ Bi(OH)₃(s) + 3HNO₃(aq)

5. बिस्मथेट्सची निर्मिती

मजबूत ऑक्सिडायझिंग एजंट बिस्मथ(III) संयुगांचे बिस्मथेट्स(V) मध्ये ऑक्सिडेशन करू शकतात, ज्यात BiO₃⁻ आयन असतो, जिथे बिस्मथ +5 ऑक्सिडेशन अवस्थेत असतो.

• NaBiO₃ (सोडियम बिस्मथेट) एक शक्तिशाली ऑक्सिडायझिंग एजंट आहे. 2MnSO₄(aq) + 5NaBiO₃(s) + 14H⁺(aq) → 2MnO₄⁻(aq) + 5Bi³⁺(aq) + 5Na⁺(aq) + 7H₂O(l)

औद्योगिक आणि जैविक महत्त्व

औद्योगिक महत्त्व

1. मिश्रधातू: बिस्मथ अत्यंत कमी द्रवणांक असलेले मिश्रधातू (alloys) बनवतो, ज्यामुळे ते सुरक्षा उपकरणे, फायर स्प्रिंकलर आणि फ्यूसिबल प्लगमध्ये उपयुक्त ठरतात.
   • वुड्स मेटल: Bi, Pb, Sn आणि Cd यांचा मिश्रधातू, ज्याचा द्रवणांक सुमारे 70°C असतो.
   • रोज मेटल: Bi, Pb आणि Sn यांचा मिश्रधातू, ज्याचा द्रवणांक सुमारे 98°C असतो.
   • बिस्मथ असलेले मिश्रधातू शिसे-आधारित सोल्डर आणि प्लंबिंग सामग्रीसाठी गैर-विषारी पर्याय म्हणून अधिकाधिक वापरले जात आहेत.
2. सौंदर्यप्रसाधने: बिस्मथ ऑक्सिक्लोराईड (BiOCl) त्याच्या धातूच्या चमक आणि झगमगाटामुळे आयशॅडो, नेल पॉलिश आणि फाउंडेशनसारख्या सौंदर्यप्रसाधनांमध्ये मोतीसारख्या रंगद्रव्य म्हणून वापरले जाते.
3. उत्प्रेरण (Catalysis): बिस्मथ मोलिब्डेट ॲक्रिलोनायट्राइलच्या उत्पादनात उत्प्रेरक म्हणून वापरले जाते.
4. चुंबकीयत्व: बिस्मथ हा सर्व धातूंमध्ये सर्वात जास्त प्रतिचुंबकीय (diamagnetic) आहे आणि त्याचे मिश्रधातू अद्वितीय चुंबकीय गुणधर्म दर्शवू शकतात.
5. थर्मोइलेक्ट्रिक साहित्य: बिस्मथ टेलुराइड (Bi₂Te₃) आणि त्याचे मिश्रधातू महत्त्वाचे थर्मोइलेक्ट्रिक साहित्य आहेत, जे उष्णतेचे विजेमध्ये रूपांतर करतात आणि याउलट.

जैविक महत्त्व

1. औषधे: बिस्मथ संयुगे औषधी उपयोगासाठी वापरली जातात, मुख्यतः पचनसंस्थेशी संबंधित समस्यांसाठी.
   • बिस्मथ सबसॅलिसिलेट: “पेप्टो-बिस्मॉल” मधील सक्रिय घटक, जो अपचन, मळमळ आणि अतिसारावर उपचार करण्यासाठी वापरला जातो. हे अँटासिड, सौम्य प्रतिजैविक आणि दाहक-विरोधी एजंट म्हणून कार्य करते.
   • बिस्मथ सबगॅलेट: दुर्गंधीनाशकांमध्ये आणि जखमेवर लावण्यासाठी वापरले जाते.
   • प्रतिजैविक एजंट: काही बिस्मथ संयुगे हेलिकोबॅक्टर पायलोरी या जिवाणूविरुद्ध कार्यक्षमता दर्शवतात, जो पेप्टिक अल्सरसाठी जबाबदार आहे.
2. कमी विषारीता: इतर जड धातूंच्या (उदा. शिसे आणि पारा) तुलनेत, बिस्मथ आणि त्याची संयुगे तुलनेने कमी विषारीता दर्शवतात. यामुळे अनेक उपयोगांमध्ये, जिथे ऐतिहासिकदृष्ट्या शिसेचे वर्चस्व होते, तिथे तो एक पसंतीचा पर्याय बनतो.