Antimon là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về Antimon

Antimon (ký hiệu Sb, từ Latinh: Stibium) là một nguyên tố bán kim loại thuộc nhóm 15 trong bảng tuần hoàn. Ở điều kiện chuẩn, antimon tồn tại dưới dạng tinh thể màu xám ánh kim, giòn và dễ gãy. Khối lượng nguyên tử trung bình của antimon là khoảng 121.76 u, với số nguyên tử Z = 51.

Trong tự nhiên, antimon hiếm khi xuất hiện ở dạng nguyên chất mà chủ yếu gặp dưới dạng các khoáng vật. Hai khoáng vật phổ biến nhất là stibnit (Sb₂S₃) và valentinit (Sb₂O₃). Stibnit thường tạo thành các tinh thể hình kim hoặc dạng vảy xếp chồng, trong khi valentinit có màu trắng hoặc ngả vàng nhạt.

• Biểu tượng: Sb (Stibium)
• Số nguyên tử: $Z = 51$
• Khối lượng nguyên tử: ~121.76 u
• Trạng thái: Rắn, bán kim loại

Lịch sử và nguồn gốc

Antimon đã được con người biết đến từ thời cổ đại. Người Ai Cập và Mesopotamia đã sử dụng bột antimon (kohl) để trang điểm mắt, tạo ra màu đen đặc trưng. Đến thế kỷ 17, nhà hóa học Johann Heinrich Pott lần đầu tiên phân lập được antimon dưới dạng nguyên tố tinh khiết bằng cách nung nóng khoáng stibnit và khử với than.

Trong các thế kỷ sau đó, kỹ thuật khai thác và tinh chế antimon ngày càng phát triển. Thế kỷ 19 chứng kiến sự ra đời của quy trình khử nhiệt bằng than cốc, nâng cao độ tinh khiết và sản lượng. Đến thế kỷ 20, công nghệ điện phân trong dung môi nóng chảy cho phép thu được antimon siêu tinh khiết phục vụ cho ngành điện tử.

• Thời cổ đại: Sử dụng trong trang điểm (kohl).
• 1669: Johann Heinrich Pott phân lập antimon.
• Thế kỷ 19: Phát triển công nghệ khử nhiệt.
• Thế kỷ 20: Ứng dụng điện phân cho antimon siêu tinh khiết.

Khoáng sản antimon phân bố chủ yếu ở một số vùng lãnh thổ như Trung Quốc, Bolivia và Nga. Trung Quốc hiện là quốc gia sản xuất antimon hàng đầu, chiếm khoảng 80% sản lượng thế giới.

Tính chất vật lý

Antimon ở điều kiện thường là chất rắn giòn, có ánh kim bạc và tính chất bán dẫn. Khi tiếp xúc với không khí, bề mặt antimon hình thành một lớp oxit mỏng, góp phần bảo vệ lõi kim loại bên trong.

Độ dẫn điện và dẫn nhiệt của antimon thuộc loại trung bình so với các kim loại. Ở nhiệt độ thấp, tính dẫn điện giảm đáng kể, thể hiện tính bán dẫn rõ rệt. Đồng thời, antimon có tính giòn, dễ cắt gọt bằng dao cứng nhưng khó kéo sợi như các kim loại dẻo.

Tính chất	Giá trị
Khối lượng riêng	6.697 g/cm³
Điểm nóng chảy	630.63 °C
Điểm sôi	1587 °C
Độ dẫn điện (25 °C)	3.3×104 S/m

Bên cạnh đó, antimon có hệ số giãn nở nhiệt thấp, ổn định trong khoảng nhiệt độ rộng và chịu được áp suất cao. Những đặc tính này khiến antimon phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ bền vật lý và chịu nhiệt.

Tính chất hóa học

Cấu hình electron của antimon là $\mathrm{[Kr]\,4d^{10}5s^{2}5p^{3}}$, cho phép nguyên tử antimon có nhiều mức oxi hóa khác nhau, phổ biến nhất là –3, +3 và +5. Trong môi trường axit, antimon có thể phân ly thành các ion Sb³⁺, SbO⁺, SbO₂⁺; trong môi trường kiềm, tạo thành các hợp chất anion như SbO₃³⁻.

Antimon phản ứng với halogen để tạo ra các halogenua SbX₃ (X = Cl, Br, I) và SbX₅ (X = F). Ví dụ, khi cho antimon tác dụng với clo ở nhiệt độ cao, thu được pentaclorua antimon:

• $2\,Sb + 5\,Cl_{2} \rightarrow 2\,SbCl_{5}$

Trong không khí, antimon cháy tạo ra oxit Sb₂O₃ hoặc Sb₂O₅ tùy điều kiện oxy hóa. Khi nung nóng stibnit (Sb₂S₃) với oxy dư, phản ứng chính xảy ra là:

• $2\,Sb_{2}S_{3} + 9\,O_{2} \rightarrow 2\,Sb_{2}O_{5} + 6\,SO_{2}$

Cấp oxi hóa	Ví dụ hợp chất
–3	SbH₃ (antimon hydride)
+3	Sb₂O₃, SbCl₃
+5	Sb₂O₅, SbCl₅

Antimon rất ít tan trong nước nhưng tan trong các acid mạnh và dung dịch kiềm. Khả năng khử của antimon yếu, thường được xem là chất khử nhẹ trong nhiều phản ứng hữu cơ và vô cơ.

Đồng vị và phân bố trong tự nhiên

Antimon có hai đồng vị bền chính là $^{121}\text{Sb}$ (chiếm ~57%) và $^{123}\text{Sb}$ (chiếm ~43%), cả hai đều không phóng xạ và xuất hiện ổn định trong tự nhiên. Ngoài ra, một số đồng vị phóng xạ với thời gian bán rã rất ngắn (< 100 giây) chỉ thu được trong phòng thí nghiệm hạt nhân.

Hàm lượng trung bình của antimon trong vỏ Trái Đất khoảng 0.2 phần triệu khối (ppm). Antimon phân bố chủ yếu trong quặng sulfua, với các mỏ lớn tập trung ở Trung Quốc (tỉnh Hunan), Bolivia (mỏ Oruro) và Nga (vùng Khabarovsk). Mỏ antimon mở rộng còn thấy ở Úc, Nam Phi và Thổ Nhĩ Kỳ.

• Đồng vị bền: ¹²¹Sb, ¹²³Sb
• Đồng vị phóng xạ: ¹¹⁹Sb, ¹²⁵Sb (hơn 100 đồng vị tổng cộng)
• Hàm lượng trong vỏ Trái Đất: ~0.2 ppm
• Địa điểm mỏ tiêu biểu: Trung Quốc, Bolivia, Nga

Quy trình điều chế và tinh chế

Điều chế antimon thương mại thường bắt đầu từ quặng stibnit (Sb₂S₃). Quặng được nung nóng trong lò quay với không khí, tạo ra oxit antimon (III) theo phản ứng:

• $2\,Sb_{2}S_{3} + 9\,O_{2} \rightarrow 2\,Sb_{2}O_{3} + 6\,SO_{2}$

Sau đó, Sb₂O₃ được khử bằng than cốc hoặc than nhựa thành antimon kim loại:

• $Sb_{2}O_{3} + 3\,C \rightarrow 2\,Sb + 3\,CO$

Công nghệ điện phân trong dung môi nóng chảy (SbCl₃–KCl–NaCl) cho phép thu antimon với độ tinh khiết >99.9%. Quy trình này gồm hai giai đoạn:

1. Hòa tan SbCl₃ trong hỗn hợp muối nóng chảy.
2. Điện phân để Sb lắng đọng tại catot, khí Cl₂ sinh ra ở anot được thu hồi.

Bước	Mục đích	Kết quả
Nung quặng	Chuyển sulfua thành oxit	Sb₂O₃, SO₂
Khử nhiệt	Sản xuất kim loại	Sb ≥ 95%
Điện phân	Tinh khiết hóa	Sb ≥ 99.9%

Ứng dụng chính

Antimon là thành phần quan trọng trong nhiều hợp kim và chất hóa học công nghiệp. Trong ắc-quy chì, antimon được hợp kim hóa với chì để tăng độ bền cơ học và giảm mất nước điện phân; hợp kim dễ gia công và chịu mòn cao.

Lĩnh vực chống cháy (flame retardant) sử dụng antimon trioxit (Sb₂O₃) phối hợp với halogen để giảm độ dễ cháy của nhựa PVC, cao su và các vật liệu composite. Sb₂O₃ hấp thụ nhiệt, giải phóng hơi nước và tạo lớp than bảo vệ bề mặt.

• Hợp kim chì-antimon: ắc-quy, linh kiện cơ khí
• Chất chống cháy: nhựa, sơn, vải công nghiệp
• Gương & thủy tinh đặc biệt: tăng độ phản xạ, chống mài mòn
• Bán dẫn & cảm biến: antimon đơn tinh thể, antimon nanô

Tính độc và an toàn

Hợp chất antimon, nhất là antimon hữu cơ và một số muối Sb³⁺, có độc tính trung bình đến cao. Tiếp xúc đường hô hấp hoặc đường tiêu hóa có thể gây kích ứng, buồn nôn, nôn và tổn thương niêm mạc. Triệu chứng ngộ độc cấp tính bao gồm đau bụng, tiêu chảy và mệt mỏi.

Ngộ độc mạn tính khi hít bụi antimon hoặc tiếp xúc lâu dài với hợp chất antimon có thể dẫn đến viêm phế quản mãn, tổn thương gan và thận, thay đổi huyết học và rối loạn thần kinh ngoại biên.

Hợp chất	Độ độc (LD₅₀ chuột, mg/kg)
SbCl₃	450
Sb₂O₃	610
Antimon hữu cơ	200–400

Biện pháp an toàn bao gồm sử dụng hệ thông hút bụi, khẩu trang lọc hạt và bảo hộ da. Chất thải chứa antimon phải được xử lý theo quy chuẩn môi trường để tránh ô nhiễm đất và nước ngầm.

Cơ chế sinh học và vai trò sức khỏe

Antimon không phải là vi chất thiết yếu đối với cơ thể người, nhưng hợp chất antimon pentavalent được nghiên cứu làm dược phẩm kháng ký sinh trùng. Stibogluconat natri và meglumin antimonat là thuốc chính trong điều trị leishmaniasis và bệnh ngủ Chagas.

Trong y học, cơ chế tác dụng liên quan đến khả năng liên kết của Sb⁵⁺ với các enzyme thiol của ký sinh trùng, ức chế tổng hợp năng lượng. Tuy nhiên, tính độc của hợp chất đòi hỏi phải theo dõi chặt chẽ chức năng gan, thận và công thức máu trong quá trình điều trị.

• Stibogluconat natri: điều trị leishmaniasis (NIH PMC)
• Meglumin antimonat: đối phó bệnh ngủ Chagas
• Giám sát độc tính: gan, thận, huyết học

Triển vọng nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào vật liệu antimon nano và hợp chất lai để ứng dụng trong pin lithium-ion, pin kiềm và cảm biến khí. Antimon nano có diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện cao, cải thiện đáng kể hiệu suất lưu trữ năng lượng và nhạy cảm biến.

Các công trình trên tạp chí ACS Accounts chỉ ra rằng antimon tổ hợp với graphene và carbon khối giúp gia tăng độ bền chu kỳ và khả năng sạc/xả nhanh, mở ra hướng phát triển pin thế hệ mới (ACS Publications).

Hợp chất antimon còn được khảo sát như chất kháng khuẩn và tiềm năng trong điều trị ung thư, với cơ chế gây stress oxy hóa và ức chế enzyme trong tế bào đích. Nhiều thử nghiệm tiền lâm sàng đang tiến hành để đánh giá độ an toàn và hiệu quả.

Tài liệu tham khảo

• PubChem: Antimony
• USGS: Antimony Statistics and Information
• IUPAC: Periodic Table of Elements
• ACS: Advances in Antimony-based Nanomaterials for Energy Storage
• NIH PMC: Antimonial Drugs in Parasitic Diseases