铋（元素周期表中较为稳定的金属元素）
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更新时间：2023-05-20
铋
元素周期表中较为稳定的金属元素
铋（英文名称：Bismuth），金属元素，是重金属的一种，元素符号为Bi，位于元素周期表第六周期ⅤA族，原子序数为83，相对原子质量为208.98。常温下铋脆而硬，纯铋为银白色固体，带有淡粉色金属光泽，但易被氧化，会形成超薄氧化层Bi₂O₃。对于铋晶体来说，不同波长光照射时，会发生变色折射，因而表面呈现彩虹色外观。
基本信息
中文名
铋
英文名
Bismuth
拼音
bì
元素符号
Bi
原子序数
83
原子质量
208.98
元素类别
金属元素
族
ⅤA
周期
第六周期
区
p区
电子排布
[Xe]4f¹⁴ 5d¹º 6s² 6p³
CAS编号
7440-69-9
物理性质
物态
固态
密度
9.78 g/cm³（20℃/4℃）
熔点
271 ℃
沸点
1564±5 ℃（760 mmHg）
汽化热
178.63 kJ/mol
蒸气压
78 mmHg（1266℃）
原子性质
氧化态
3,+3,+5
电负性
2.02（鲍林标度）
原子半径
1.63 Â
在自然界中，铋主要分布在矿石中，存在形式大多为化合态，包括氧化物、硫化物以及碱式碳酸盐。虽然属于重金属，但铋并不致癌，且具有非常低的毒性，其化合物的毒性大多数也非常低，甚至比食盐更低。因此，铋在通常情况下被认为是无毒安全的“绿色”元素，但这并不是完全绝对的，比如当药品中的铋可溶且长期大量用于儿童时，其存在的危害性是需要引起重视的。
发现历史
发现过程
虽然元素铋真正被知晓的时间很短，只有几百年，与周期表上其它稳定元素相比，铋的数据库也许是最不完善的，但实际上，铋是一种历史非常悠久的金属元素。早在中世纪时期，铋就已经被大家所知晓了。而继续回溯历史，其实在古罗马和古希腊时，人们就曾经将金属铋制成盒和箱的底座。在那个时候，虽然人们都在使用铋，但铋并没有作为一种新的元素被单独提出，而是被错误地认为是铅、锡等其他较为相似的元素，从外观上看也的确如此。直到1450年，炼金术师巴希尔·瓦伦丁（Basil Valentine）才给铋赋予了名字。但由于早期的化学家获得的样本不纯，人们对它的基本性质了解得并不完全。后来，随着瑞典化学家和博物学家托贝恩·奥洛夫·贝格曼（Torbern Olof Bergman）的研究，铋的性质等才得到了辨别，他调查了铋的特性，确定了它的反应，并首次准确地描述了这种金属。
命名由来
铋的命名由来是德文中的单词Wismut，其中文释义为白色金属。从外观上看，铋是一种银白色至粉红色的金属，因此当时，巴希尔·瓦伦丁以“白色金属”为金属元素铋进行命名。16世纪，其名称被进行了拉丁语化，自此，铋的名称从Wismut变为bisemutum。但在此后很长的一段时间之内，铋仍然被科学家们误认为是铅、锑等其他几种元素，因此长时间没有得到重视。直到几百年后，元素铋才真正地被重新确认，名称也再次发生了一些变化，演化成现代元素周期表中的Bismuth。
分布情况
在自然界中，铋通常以游离金属和矿物的形式存在。在地壳中，铋元素的含量较小，约为2×10⁻⁵ %，属于稀少元素，丰度仅有0.17×10⁻⁵（0.17 ppm）。也就是说，其丰度与其他金属元素相比，接近于银，仅有钨丰度的13%。常见的含有铋元素的矿物有辉铋矿、铜铋矿、泡铋矿等，通常为铋的化合物。在海洋中，铋在大多数情况下也以化合物的形式存在，一般与同族元素一样，来自岩石风化物和废弃物、有机物腐化分解物、极区冰川作用、火山和海底热泉以及大气沉降等等。也有一些陆地上存在的铋元素通过河流汇入海洋，并在海洋中储存下来。
2016年，美国地质调查局曾对全球铋资源储量进行了一系列调查。所公布的调查报告显示，截止至2016年，全球铋金属的储存量达到了37万吨。从地域上看，铋资源的分布较为集中，主要分布在中国、澳大利亚、秘鲁、墨西哥、玻利维亚、美国、加拿大和日本。其中，中国的铋储量居于全球第一，为24万吨，约占世界总量的64.86%。
虽然铋在全世界属于稀有的金属元素，但对于中国来说，却属于丰产元素之一。到2006年，中国已有铋矿70多处，铋资源主要分布在13个省、市和自治区。其中，储量最多的三个省是湖南、广东和江西，三省的总量占到全国总储量的85%。
在铋的供应方面，全球铋供应量很大程度上依赖亚洲尤其是中国、越南的铋矿矿床。美国于2018年将铋列入到了重要矿物的行列，且随着近年来科学家们对于铋的应用的进一步探索，铋在不同领域的应用日益广泛，在不久的将来，铋矿的供应和加工势必呈现出更加大的需求量。
理化性质
物理性质
铋属于金属元素，在整个元素周期表中，其放射性小、稳定性好，位于第五主族，与氮、磷、砷、锑属于同一主族。铋在地壳中的所占比重约为2×10-5%。对于铋的同位素来说，只有铋-209能够在自然界中稳定存在。
铋属于稀有金属，从外观上看，纯铋为银白色固体，带有淡粉色金属光泽。纯铋是柔软的金属，当铋的纯度不够大的时候，则铋会变脆。其晶体结构具有菱形六面体的布拉菲格子。
化学性质
在元素周期表中，铋元素属于ⅤA族，其价层电子的构型是ns²np³，是该族中金属性最强的元素，也是元素周期表中质量最大的稳定元素。对于铋元素来说，其6p轨道上有三个孤对电子，所以铋元素通常使用3个6p电子成键，在最外层中剩余的两个6s电子作为惰性电子对。因此，铋的化合价通常为+3。当两个6s电子也脱离铋原子时，其化合价将成为+5。可以看出，通常情况下铋元素呈现出还原性。此外，铋元素也可以通过得到三个电子使最外层达到八电子稳定状态，此时铋元素呈现出氧化性。
与卤素反应：
与硫反应：
与热的浓硫酸反应：
与浓硝酸反应：
制备方法
火法冶炼
铋大量地以化合态的形式（如氧化物、硫化物等）存在于各种铋矿物中，因此，获得金属铋的最主要、最直接的方法就是对矿物进行冶炼。目前，对于铋矿的最为常见的冶炼方法为火法冶炼，根据对于金属铋的纯度要求，火法冶炼又可以分为粗炼和精炼两步。
火法粗炼
当原料的含铋量大于15%或者用于工艺产出时，首先采用火法粗炼工艺对原料进行处理。在精炼之前，一般也必须经过粗炼对矿物进行提纯。根据处理原料的不同种类、矿物体积大小、形状（粉末状或块状）、含水量大小等各种因素综合考虑，粗炼又可以分为反射炉还原熔炼、转炉还原熔炼、反射炉混合熔炼和真空蒸馏粗炼四种。采用不同的熔炼方法对铋矿进行粗炼之后得到的铋回收率、熔炼周期也各不相同，在冶炼时应考虑到各种因素，找到最佳的、成本最低的冶炼方案进行操作。
火法精炼
对于精炼来说，该操作一般都是在粗炼之后进行的，这是因为进行精炼操作对原料中铋的含量是有一定的要求的。铋精炼对于原料的要求是含铋量约为55%-95%，且已经脱除粗铋中的铜、碲、铅等杂质元素。火法精炼工艺包括除铜、氧化除砷和锑、加碱除碲、氯化除铅、加锌除银或真空蒸馏除银、氯化除锌、高温精炼和铸型。在进行了精炼之后，最终得到的精铋产物的回收率不小于95%。
湿法冶炼
铋常用的湿法冶炼方法主要有以下6种：
三氯化铁浸出——铁粉置换法
该方法工艺流程如图3：
图3三氯化铁浸出—铁粉置换铋工艺流程
该方法主要经过铋矿的浸出与还原、铁粉置换沉淀、氯气氧化再生三氯化铁、铋的熔铸、粗铋火法精炼、选矿回收铋浸出渣中的有价金属6个步骤。在浸出的过程中，其主要反应为：
该方法的工艺成熟，铋产率高，且对环境污染小。但由于氯离子的存在，废液排放量大，处理较困难。
三氯化铁浸出—隔膜电积法
该方法的核心原理在于使用隔膜电积取代三氯化铁浸出—铁粉置换法中的铁粉置换和氯气再生。通过对电位的控制，让铋在阴极发生还原反应，同时阳极发生铁的氧化反应，从而沉积出铋金属。
该方法相比于三氯化铁浸出—铁粉置换法，工艺流程简单，但电流效率低，产率低。
三氯化铁浸出—水解沉铋法
盐酸—亚硝酸浸出法
该方法属于较新的方法，基本反应方程如下：
该方法不足之处在于消耗试剂种类较多。
氯气选择性浸出法
该方法采用控制溶液电位的办法，利用氯气选择性地对硫化铋矿进行浸出，与此同时，抑制杂质的浸出。相比于前面的几种方法，这个方法能够消除大量铁离子在流程中的循环和三价铁的再生问题，提高产品质量，滤渣的过滤、洗涤等相关性能也很好地得到了改善。该方法浸出过程中发生的基本反应为：
虽然铋的浸出率相对较高，但由于氯气消耗量较大，部分单质硫会进一步和氯气发生氧化还原反应，生成硫酸根；该反应中，氯气的污染和腐蚀问题也比较严重，对于设备的密封性要求更高，在经济学方面不占优势。
新氯化水解法
图4新氯化水解法原则工艺流程
新氯化水解法浸出硫化铋矿，能够解决大量铁在溶液中的循环和浸出剂的氧化再生问题，且浸出液中有价金属的浓度相比之下更高。但由于反应需要的浸出温度高，元素硫的氧化严重，杂质元素的浸出率也非常高，因而对于氧化剂的消耗量也较大，不仅如此，该方法还存在设备腐蚀、废液排放量大等问题急需解决。
其他冶炼方法
除火法冶炼和湿法冶炼以外，在铋金属精炼阶段，还有一种常用的、高效的铋金属的精炼方法为电解精炼，这种方法一般采用硅氟酸盐对原料进行电解精炼。原料经过粗炼处理后，若含铋量要求区间为80%-90%，含铅量小于5%，就可以考虑电解精炼。该方法的原理为利用粗铋作为铋阳极板，紫铜片或不锈钢片作为阴极板，产生电解池，使杂质脱除，提升铋含量。经过电解后铋回收量一般不小于99%。需要注意的是电解时应配置酸性气体收集装置，以免冶炼过程中产生的有害气体对环境造成污染。
应用领域
珠宝行业
铋晶体呈现出色彩斑斓的阶梯状，具有极高的欣赏价值。经过氧化处理后，铋晶体在充足光照下会呈现出华丽的虹色。正是由于其外观欣赏价值高，因此铋晶体已逐渐进入珠宝行业，成为一种的装饰性商品。
医疗行业
由于铋元素稳定性好，铋元素相关的化合物在进入人体之后非常容易代谢，经过人体肾脏24小时后其代谢率可以达到100%，因此可以作为许多药物开发中的一种主要成分。临床研究表明，金属铋的生物学活性主要可以在三个方面得到有效体现：抗肿瘤活性、溃疡修复作用和抗菌活性。
癌症在历史上一直都是难以解决的疑难杂症，死亡率高，难以痊愈。铋基纳米材料对于癌症诊断的成像可以用在光声成像、转换发光成像等多种成像技术方面，在早期就可以对癌症进行诊断，且可以检测疾病进程和状态。治疗方面，铋基纳米材料能够广泛地运用于放射疗法、光热疗法等多种治疗方案中。
化工行业
在化工行业领域中，铋元素的应用范围极其广泛，主要运用于生产工业颜料、催化剂等化工产品。
工业颜料方面，铋可以制备铋黄颜料。其中较为常见的铋黄颜料一般为钒酸铋（Bi-V-Mo-O；Bi-V-O）和钼酸铋（Bi₂MoO₆）的混合物。钒酸铋发挥的作用是进行发色，而钼酸铋的作用是对颜色进行调整。。铋黄颜料拥有铬黄、铅黄等颜料的优点，且没有类似于它们的高毒性，一般用于对于各项指标要求较高的工艺或者高档制品的着色上。如：喷涂汽车外壳最后一道工序、喷涂电器线圈所使用的涂料以及工业颜料等等，在塑料、橡胶等高分子制品的着色、印刷油墨的着色方面自己的一席之地。
催化剂方面，铋催化剂在有机化工领域发挥着巨大的作用。研究表明，铋及其化合物对于光催化、电催化、光电催化和热催化等多个方面都具有较高的催化活性。对于丙烯晴和丙烯醛的制备生产而言，铋-钼催化剂发挥着不可代替的作用。
其他行业
铋的化合物可以用于精细化工，其金属形态可以用于合成易熔合金、合金添加剂、可锻铸铁添加剂等，并且可以用于电子陶瓷、电池等电子工业领域。铋也是制造铋系高温超导材料的重要原料。此外，铋在核能的发展方面，在未来有极大的可能代替铀，成为新的核能源，这样一来，能够大大减小核能源的放射性，更为安全健康。
安全事宜
通常情况下铋元素的稳定性好，安全性高。作为绿色金属，铋毒性低，但仍然是人体非必需的有毒元素。对于环境来说，目前还存在争议。
健康相关
由于铋的低毒性，在短期内使用铋剂，对于身体健康的影响不大。相关实验表明，服用常规剂量的相关药品、且严格遵循疗程要求而进行铋剂的服用，铋剂在患者体内的含量低，出现毒副作用的可能性是非常小的。但大剂量、长时间食用铋剂，可能会造成一些不良反应，如锥体外系损伤、肾衰竭、口炎、齿龈肿胀等。因此使用铋剂仍然要注意可能存在的由于体内存积而导致的潜在风险。
防护措施
铋剂在短期内对身体造成的影响微乎其微。对于急性铋中毒以及铋过敏等铋带来的急性健康问题而言，如果出现任何身体上的不良反应，应立即停药，并前往专业的医院进行就医。铋中毒的防护重点仍然在于对铋剂长期使用、日积月累所带来的不良影响的防护。
对于动物体的临床实验研究表明，铋剂在脏器内的积累将可能导致肝、肾组织产生病理性损伤。相关研究证明，服药时，使用铋剂尽量不要超过28天，且两次密集服用铋剂的间隔最好大于14天，同时也要控制一次密集服药的时间不大于28天，部分药物甚至最好不超过7天，以防铋在体内的大量累积，如有需要可以向医生进行咨询，以进一步进行判断。此外，研究表明，同时服用铋剂和抑酸药，产生不良影响的概率将会大大增加。因此，患者在服用铋剂时，应尽可能避免与抑酸药合用。
