Bizmut

Bizmut (Bi, łac. bismutum^[6]) – pierwiastek chemiczny, metal bloku p układu okresowego.

Bizmut

ołów ← bizmut → polon
Sb ↑ Bi ↓ Mc 83 Bi
Wygląd
różowoszary
bizmut naturalny Syntetyczny kryształ bizmutu o dużej czystości (opalizacja jest spowodowana cienką warstwą tlenku na powierzchni)
Widmo emisyjne bizmutu
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a.	bizmut, Bi, 83 (łac. bismutum)
Grupa, okres, blok	15, 6, p
Stopień utlenienia	III, V
Właściwości metaliczne	metal
Właściwości tlenków	średnio kwaśne
Masa atomowa	208,98 ± 0,01[a][1]
Stan skupienia	stały
Gęstość	9790 kg/m³[2]
Temperatura topnienia	271,406 °C[2]
Temperatura wrzenia	1564 °C[2]
Numer CAS	7440-69-9
PubChem	5359367
Właściwości atomowe Promień • atomowy • walencyjny 160 (obl. 143) pm 146 pm Konfiguracja elektronowa [Xe]4f145d106s26p3 Zapełnienie powłok 2, 8, 18, 32, 18, 5 (wizualizacja powłok) Elektroujemność • w skali Paulinga • w skali Allreda 2,02 1,67 Potencjały jonizacyjne I 703 kJ/mol II 1610 kJ/mol III 2466 kJ/mol
Właściwości fizyczne Ciepło parowania 104,8 kJ/mol Ciepło topnienia 11,3 kJ/mol Ciśnienie pary nasyconej 6,27×10–4 Pa (600 K) Konduktywność 0,867×106 S/m Ciepło właściwe 122 J/(kg·K) Przewodność cieplna 7,87 W/(m·K) Układ krystalograficzny trygonalny[3] Twardość • w skali Mohsa 2,25 Prędkość dźwięku 1790 m/s (293,15 K) Objętość molowa 21,31×10–6 m³/mol
Najbardziej stabilne izotopy izotop wyst. o.p.r. s.r. e.r. MeV p.r. 207Bi {syn.} 31,55 lat w.e. 2,399 207Pb 208Bi {syn.} 3,368×106 lat w.e. 2,880 208Pb 209Bi 100% (1,9 ±0,2)×1019 lat α 3,14 205Tl 210mBi {syn.} 3×106 lat α 0,271 206Tl
Niebezpieczeństwa Karta charakterystyki: dane zewnętrzne firmy Sigma-Aldrich [dostęp 2025-05-27] Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Na podstawie podanej karty charakterystyki Uwaga Zwroty H H228 Zwroty P P210, P240, P280, P370+P378 NFPA 704 Na podstawie podanego źródła[4] 3 0 3   Dawka śmiertelna >2 g/kg (szczur, doustnie)[5]
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Syntetyczne kryształy czystego bizmutu. Obok sześcian (1 cm³) bizmutu o czystości 99,99%

Kryształ lejkowaty bizmutu

Nazwa pochodzi od zlatynizowanego niemieckiego słowa Wismut^[7][8] (alternatywna pisownia: Wiesemut, Wiesmut, Wismuth^[6]; później Wisuth i Bisemutum^[9]), pochodzącego od określenia weisse Masse, „biała masa”^[7]. W polskim nazewnictwie XIX-wiecznym początkowo dominowała nazwa bismut. Zmianę na bizmut wprowadził Jędrzej Śniadecki w III wydaniu „Początków chemii” i ta wersja została ostatecznie przyjęta przez innych autorów^[6].

Występowanie

Jest pierwiastkiem bardzo rzadkim^[6]. Jego ilość w skorupie ziemskiej szacowana jest na od 8,5 (ok. 2 razy więcej niż złoto)^[10], przez 25^[11], do 170–200^[12] ppb, co daje mu 64 miejsce wśród wszystkich pierwiastków^[12]. Występuje w postaci kilku rud: bizmutynitu Bi
2S
3, bizmutytu (BiO)
2CO
3, bizmitu(inne języki) Bi
2O
3^[13][11][12] i ochry bizmutowej Bi
2O
3·3H
2O^[12]. W rudach niklu, kobaltu, srebra, cyny i uranu spotykany jest też bizmut rodzimy, w postaci metalicznej. Pozyskiwany jest zazwyczaj jako produkt uboczny podczas wytopu ołowiu i miedzi^[13][11].

Otrzymywanie

Wolny bizmut uzyskuje się przez redukcję jego związków^[14]:

• Bi
  2O
  3 za pomocą węgla wobec węglanu sodu jako topnika
• BiCl
  3 za pomocą kwasu podfosforawego, H
  3PO
  2.

Roczna światowa produkcja bizmutu i jego związków wynosi ok. 8000 ton. Głównymi producentami są Australia, Boliwia, Chiny, Japonia, Kanada, Meksyk, Peru i USA^[13].

Właściwości

Właściwości fizyczne

Czysty bizmut jest kruchym, a zarazem miękkim metalem^[6] o dużej gęstości (9,80 g/cm^3[2]) i srebrnym połysku z różowymi refleksami^[15]. Przy powolnym zestalaniu tworzy duże, kruche kryształy^[12]. Jest słabym przewodnikiem prądu elektrycznego^[9], zwłaszcza w formie stałej^[12]. Spośród wszystkich metali wykazuje najsilniejszy diamagnetyzm (podatność magnetyczna 16×10⁻⁹ m³/kg^[12]) i efekt Halla oraz ma najniższą po rtęci przewodność cieplną^[9][12]. Jako jedna z nielicznych substancji wykazuje inwersję rozszerzalności termicznej – w temperaturze topnienia gęstość bizmutu w stanie stałym jest mniejsza o 3,3% niż w stanie ciekłym^[9][12] (podobnie zachowuje się gal i antymon, a także woda przechodząc w lód^[6]). Ze względu na kruchość w temperaturze pokojowej, obróbkę plastyczną można przeprowadzać jedynie na gorąco, powyżej 225 °C^[13].

Podobnie jak inne azotowce, w fromie stałej tworzy kilka form alotropowych^[13].

Właściwości chemiczne

Bizmut jest najbardziej elektrododatni spośród naturalnie występujących azotowców, a jego tritlenek Bi
2O
3 ma charakter zasadowy^[13]. Jest mało reaktywny – pod tym względem plasuje się między ołowiem a srebrem. W suchym powietrzu nie ulega utlenianiu. W formie ciekłej, do ok. 820 °C, przed utlenianiem chroni go cienka warstwa tlenku Bi
2O
3. Powyżej tej temperatury tlenek topi się i następuje szybkie utlenianie metalu. Jest palny, na powietrzu płonie niebieskim ogniem z wytworzeniem żółtego dymu zawierającego jego tlenki^[9].

Podobnie jak arsen i antymon, roztwarza się w stężonym kwasie azotowym (jednak jako jedyny z tej grupy pierwiastków daje sól, azotan bizmutu(III) Bi(NO
3)
3) i gorącym stężonym kwasie siarkowym; reaguje z fluorowcami, przy czym w chlorze ulega zapłonowi^[16]. Nie reaguje natomiast z kwasem solnym^[6].

Właściwości biologiczne

Znaczenie biologiczne – brak lub nieznane^[17][15]. Występuje w kościach i krwi (ok. 0,2 ppm). Jego sole i tlenki są nietoksyczne, mimo że jest metalem ciężkim. Sole bizmutu stosowane są w leczeniu wrzodów żołądka spowodowanych zakażeniem Helicobacter pylori^[18]. Niewiele wiadomo o toksyczności bizmutu^[19][5]. Nie wykazano upośledzenia i odstępstw od normy w rozwoju szczurów, którym przez 28 dni podawano bizmut w dawkach do 1 g/kg masy ciała. LD₅₀ wyniosło >2 g/kg masy ciała^[5].

Izotopy

Bizmut ma 35 izotopów z przedziału mas 184–218. Żaden z nich nie jest trwały. W 2003 roku we francuskim Institut d’Astrophysique Spatiale w Orsay wyznaczono półokres rozpadu najtrwalszego izotopu bizmutu 209
Bi na ok. 1,9×10¹⁹ lat (tj. ponad miliard razy więcej niż szacowany wiek Wszechświata)^[20], wcześniej szacowanego na 10^18[21] lat. Ta śladowa radioaktywność nie stanowi zagrożenia biologicznego, ma jednak znaczenie naukowe, gdyż potwierdziła wcześniejsze obliczenia teoretyczne wskazujące na niestabilność wszystkich izotopów bizmutu. W naturalnym bizmucie występują też śladowe ilości radioizotopów, np. 210
Bi (ok. 50 ppm składu izotopowego).

Bizmut-210

Emituje promieniowanie beta o energii 1,162 MeV, przekształcając się w 210
Po. Często występuje w równowadze promieniotwórczej ze swoim prekursorem, 210
Pb. Jest wysoce radiotoksyczny. Narząd krytyczny stanowią nerki, a dopuszczalne skażenie zostało ustalone na 1,5 kBq.

Zastosowanie

Pierwsze doniesienia o bizmucie pochodzą z końca XIV w., kiedy to opisano jego otrzymywanie poprzez ogrzewanie z węglem drzewnym i zastosowanie jako podkład do lakierowania lub złocenia^[22]. Od przełomu XIV i XV wieku stosowany był jako dodatek stopowy do cyny^[6]. Zastosowania współczesne to:

• Dodatek do stopów niskotopliwych (np. stop Wooda), w Niemczech także do produkcji stopów, z których odlewano czcionki drukarskie.
• Niektóre jego kompleksy karbonylkowe znalazły zastosowanie jako katalizatory metatezy węglowodorów.
• Ochra bizmutowa Bi
  2O
  3 o barwie różowo-brązowej jest czasami stosowana jako barwnik w przemyśle kosmetycznym.
• Wykorzystuje się go do produkcji tworzyw sztucznych, farb. Tlenek bizmutu jest stosowany jako żółty pigment^[15].
• Stosuje się (np. w postaci zawiesiny) jako środek kontrastowy przy wykonywaniu zdjęć rentgenowskich (np. chlorek bizmutylu).
• Związki bizmutu wykazują właściwości antybakteryjne i są lub były stosowane jako leki (np. chlorek bizmutylu, zasadowy azotan bizmutawy, zasadowy węglan bizmutawy, zasadowy salicylan bizmutawy, koloidalny cytrynian bizmutu(III)(inne języki)), jodek bizmutawo-chininowy lub środki antyseptyczne (np. dermatol, kseroform).
• Katalizator w procesie polimeryzacji.
• Włókno w bezpiecznikach elektrycznych.
• Zastępuje ołów w procesach przemysłowych^[19].

Związki

W związkach bizmut jest zazwyczaj trójwartościowy (stopień utlenienia III)^[12]. Tworzy tlenek bizmutu(III)(inne języki) Bi
2O
3, wodorotlenek bizmutu(III)(inne języki) Bi(OH)
3 oraz szereg soli zasadowych zawierających ugrupowanie bizmutylowe O=Bi+
(np. chlorek bizmutylu, O=Bi−Cl). Jako jedyny pierwiastek 15 grupy tworzy trwałe sole z kwasami tlenowymi, np. siarczan bizmutu(III)(inne języki), Bi
2(SO
4)
3. Ponadto znane są sole bizmutu i kwasów beztlenowych (halogenki BiX
3, siarczek bizmutu(III)(inne języki) Bi
2S
3). Wszystkie sole bizmutu łatwo ulegają hydrolizie do soli bizmutylowych.

Bizmutowodór (bizmutyna), BiH
3, jest nietrwałym, trującym gazem (temp. wrz. ok. 20 °C) o właściwościach redukujących. Bizmut(III) tworzy też bezpośrednie połączenia z metalami, bizmutki typu M
3Bi, np. bizmutek sodu Na
3Bi i bizmutek magnezu Mg
3Bi
2.

Znanych jest wiele związków kompleksowych bizmutu, np. zawierających anion [BiCl
4]−
, [BiCl
5]2−
, [BiCl
5]3−
, [Bi
2Cl
7]−
, [Bi(SO
4)
2]−
i in. Z ligandami kleszczowymi tworzy chelaty, np. [Bi(O
2C
6H
4)
2]−
. Halogenki bizmutu są kwasami Lewisa i z donorami elektronów tworzą kompleksy typu Et₂O→BiCl₃.

Na stopniu utlenienia V bizmut wykazuje właściwości kwasowe i tworzy nietrwałe sole – bizmutany(inne języki) typu MBiO
3 o silnych właściwościach utleniających (np. bizmutan potasu(inne języki), KBiO
3).

Związki bizmutoorganiczne

Podobnie jak pozostałe pierwiastki grupy 15, bizmut(III) tworzy połączenia z resztami organicznymi typu R
3Bi oraz R
3BiZ
2 (R – reszta organiczna, Z – anion nieorganiczny), np. (CH
3)
3Bi, Ph
3Bi, Ph
3BiF
2 lub Ph
3Bi(OH)
2.

Uwagi

1. Podana wartość stanowi przybliżoną standardową względną masę atomową (ang. abridged standard atomic weight) publikowaną wraz ze standardową względną masą atomową, która wynosi 208,98040 ± 0,00001. Zob. Prohaska i in. 2021 ↓, s. 584.