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原子序数为83的化学元素

Bismuth)是一种化学元素,它的化学符号Bi,它的原子序数是83,是有银白色光泽的金属

铋   83Bi
氫(非金屬)
氦(惰性氣體)
鋰(鹼金屬)
鈹(鹼土金屬)
硼(類金屬)
碳(非金屬)
氮(非金屬)
氧(非金屬)
氟(鹵素)
氖(惰性氣體)
鈉(鹼金屬)
鎂(鹼土金屬)
鋁(貧金屬)
矽(類金屬)
磷(非金屬)
硫(非金屬)
氯(鹵素)
氬(惰性氣體)
鉀(鹼金屬)
鈣(鹼土金屬)
鈧(過渡金屬)
鈦(過渡金屬)
釩(過渡金屬)
鉻(過渡金屬)
錳(過渡金屬)
鐵(過渡金屬)
鈷(過渡金屬)
鎳(過渡金屬)
銅(過渡金屬)
鋅(過渡金屬)
鎵(貧金屬)
鍺(類金屬)
砷(類金屬)
硒(非金屬)
溴(鹵素)
氪(惰性氣體)
銣(鹼金屬)
鍶(鹼土金屬)
釔(過渡金屬)
鋯(過渡金屬)
鈮(過渡金屬)
鉬(過渡金屬)
鎝(過渡金屬)
釕(過渡金屬)
銠(過渡金屬)
鈀(過渡金屬)
銀(過渡金屬)
鎘(過渡金屬)
銦(貧金屬)
錫(貧金屬)
銻(類金屬)
碲(類金屬)
碘(鹵素)
氙(惰性氣體)
銫(鹼金屬)
鋇(鹼土金屬)
鑭(鑭系元素)
鈰(鑭系元素)
鐠(鑭系元素)
釹(鑭系元素)
鉕(鑭系元素)
釤(鑭系元素)
銪(鑭系元素)
釓(鑭系元素)
鋱(鑭系元素)
鏑(鑭系元素)
鈥(鑭系元素)
鉺(鑭系元素)
銩(鑭系元素)
鐿(鑭系元素)
鎦(鑭系元素)
鉿(過渡金屬)
鉭(過渡金屬)
鎢(過渡金屬)
錸(過渡金屬)
鋨(過渡金屬)
銥(過渡金屬)
鉑(過渡金屬)
金(過渡金屬)
汞(過渡金屬)
鉈(貧金屬)
鉛(貧金屬)
鉍(貧金屬)
釙(貧金屬)
砈(類金屬)
氡(惰性氣體)
鍅(鹼金屬)
鐳(鹼土金屬)
錒(錒系元素)
釷(錒系元素)
鏷(錒系元素)
鈾(錒系元素)
錼(錒系元素)
鈽(錒系元素)
鋂(錒系元素)
鋦(錒系元素)
鉳(錒系元素)
鉲(錒系元素)
鑀(錒系元素)
鐨(錒系元素)
鍆(錒系元素)
鍩(錒系元素)
鐒(錒系元素)
鑪(過渡金屬)
𨧀(過渡金屬)
𨭎(過渡金屬)
𨨏(過渡金屬)
𨭆(過渡金屬)
䥑(預測為過渡金屬)
鐽(預測為過渡金屬)
錀(預測為過渡金屬)
鎶(過渡金屬)
鉨(預測為貧金屬)
鈇(貧金屬)
鏌(預測為貧金屬)
鉝(預測為貧金屬)
鿬(預測為鹵素)
鿫(預測為惰性氣體)




外觀
银白色光泽
概況
名稱·符號·序數 铋(bismuth)·Bi·83
元素類別 贫金属
·週期· 15 ·6·p
標準原子質量 208.98040(1)
電子排布

[Xe] 4f14 5d10 6s2 6p3
2, 8, 18, 32, 18, 5

铋的电子層(2, 8, 18, 32, 18, 5)
歷史
發現 克劳德·弗朗索瓦·若弗鲁瓦(1753年)
物理性質
物態 固体
密度 (接近室温
9.78 g·cm−3
熔點時液體密度 10.05 g·cm−3
熔點 544.7 K,271.5 °C,520.7 °F
沸點 1837 K,1564 °C,2847 °F
熔化熱 11.30 kJ·mol−1
汽化熱 179 kJ·mol−1
比熱容 25.52 J·mol−1·K−1

蒸氣壓

壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 941 1041 1165 1325 1538 1835
原子性質
氧化態 5, 4, 3, 2, 1, −1, −2, −3
((a mildly acidic oxide))
電負性 2.02(鲍林标度)
電離能

第一:703 kJ·mol−1
第二:1610 kJ·mol−1
第三:2466 kJ·mol−1

更多
原子半徑 156 pm
共價半徑 148±4 pm
范德華半徑 207 pm
雜項
晶體結構 三方[1]
磁序 抗磁性
電阻率 (20 °C)1.29 µΩ·m
熱導率 7.97 W·m−1·K−1
膨脹係數 (25 °C)13.4 µm·m−1·K−1
聲速(細棒) (20 °C)1790 m·s−1
楊氏模量 32 GPa
剪切模量 12 GPa
體積模量 31 GPa
泊松比 0.33
莫氏硬度 2.25
布氏硬度 70–95 MPa
CAS號7440-69-9
最穩定同位素

主条目:铋的同位素

同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變
方式 能量MeV 產物
207Bi syn 31.55 y β+ 2.399 207Pb
208Bi syn 3.68×105 y β+ 2.880 208Pb
209Bi 100% 1.9×1019 y α 3.137 205Tl
210Bi trace 5.012 d β 1.426 210Po
α 5.982 206Tl
210mBi syn 3.04×106 y IT 0.271 210Bi
α 6.253 206Tl

铋的化学性质与类似。铋是最反磁性(又稱抗磁性)的金属,亦是除以外有最低热导率的金属。铋还拥有最高的霍尔系数 ,它具有较高的电阻 。当铋以極薄的层在物体表面沉积时具有半导体的性质,尽管铋是一个后过渡金属。可用于制备易熔合金及与融合防止锡疫

鉍是一種脆性金屬,在自然界中,常以單質形式出現。鉍晶體的表面有時會呈現出不同顏色的色調,這是由於鉍晶體在空氣中氧化時形成的氧化層厚度不一,導致不同波長的光受到不同程度的反射,因此呈現出彩虹的顏色。

以前鉍被認爲是最重的穩定元素,然而在2003年時发现,铋唯一的天然同位素铋-209可經α衰變變爲-205[3]。其半衰期為1.9×1019年左右,達到宇宙年龄的10億倍,因此放射性極弱,可以被视为稳定的非放射性元素。但其「質量最大的穩定元素」的身分應改由(原子序82)獲取。

與其他重金屬不同的是,铋的毒性與鉛或銻相比相對較低。铋不容易被身體吸收、不致癌、不損害DNA構造、可透過排尿帶出體外。基於這些原因,鉍經常被用於取代鉛的應用上(約占目前铋产量的三分之一)。例如用於無鉛子彈,無鉛銲錫、藥物和化妝品上,特别是次水杨酸铋,用来治疗腹泻。而铋的化合物的产量约占铋总产量的一半。

金属冶炼编辑

 
化学元素铋的合成晶体,表面是非常薄并闪光的氧化层。

工业上将冶炼铋主要是通过氧化铋氧化还原反应,冶炼炉中的反应方程式主要为:

Bi2O3+3C→2Bi+3CO↑
Bi2O3+3CO→2Bi+3CO2

其中,产生的一氧化碳还可能把杂质金属的氧化物还原:

PbO+CO→Pb+CO2

这些杂质溶于金属铋中组成还原熔炼产物粗铋。如果铋矿中还含有铜,则通常加入黄铁矿来回收铜:

2Cu+FeS2→Cu2S+FeS

硫化铋矿可以加入屑来冶炼铋,主要的反应方程式是:

Bi2S3+3Fe→2Bi+3FeS

同样,有部分杂质熔入金属铋得到粗铋。

氧化铋和硫化铋的混合矿则可以通过混合熔炼法来冶炼金属铋,冶炼过程是根据氧化铋和硫化铋彼此之间的氧化还原反应:

Bi2S3+2Bi2O3→6Bi+3SO2↑。

湿法冶炼铋常用氯化铁-盐酸法和铁粉置换法。氯化铁-盐酸法是将硫化铋矿溶解在三氯化铁和盐酸(HCl)的混合溶液中:

Bi2S3+6FeCl3→2BiCl3+6FeCl2+3S

其中,FeCl3还能溶解铋矿中的天然铋:

3FeCl3+Bi→BiCl3+3FeCl2

矿中如果有氧化铋则直接被盐酸溶解:

Bi2O3+6HCl→2BiCl3+3H2O。

盐酸的另外一个作用是防止生成的BiCl3水解成不溶性的BiOCl沉淀。铁粉置换法则是把生成的氯化铋中的铋置换出来:

3Fe+2BiCl3→2Bi+3FeCl2

这时沉淀出来的铋为海绵状的。海绵铋如果直接在空气中加热会导致氧化,因此工业上熔融铋是在熔融的氢氧化钠中进行的,这样既可以防止铋的氧化,又可以让生成的液态铋下沉易于聚集,铋中的氧化物及杂质能被氢氧化钠溶解。[4]

化学性质编辑

 

铋的化学性质相似,常温下不与作用,因此,铋在空气中稳定。在加热至熔点时,铋表面逐渐生成灰黑色的氧化物。金属铋可以在一定条件下和卤素直接反应生成三卤化铋。高温下,金属铋能和很多非金属及金属生成三价铋的化合物,铋的还原电势为正值,即在电动序中位于后,所以铋不和非氧化性酸反应。铋能溶于热的浓硫酸中,也能顺利地和硝酸反应。与砷、锑不同,铋有生成含氧酸盐的明显趋势,如硫酸铋硝酸铋砷酸铋等。铋不和碱反应。

需要指出的是,铋与氧化剂作用时通常只生成3价铋而不是5价铋。+5氧化态的铋远不如砷(V)以及锑(V)稳定。这不仅仅是因为铋的第IV电离能及第V电离能之和(9.776mJ·mol-1),而且还因为6s2的一个电子激发到6d空轨道需要很大的能量,所以由低氧化态的铋生成Bi(V)的化合物是很艰难的。[5]

此外,铋还能形成原子簇化合物。

铋唯一的天然同位素铋是铋209,在传统上也被视为最重的稳定同位素,但它长期以来一直怀疑是不稳定的。在2003年最终表明,当研究人员在法国的l'Institut d'Astrophysique Spatiale d'Orsay,测得铋209的半衰期为1.9×1019 年s ,相当于十亿倍于现在宇宙年龄。由于其特别长的半衰期,为所有目前已知的医疗和工业应用,铋可以被视为稳定的非放射性。而对它的放射性是纯粹是学术兴趣,因为铋是少数几个元素,它的放射性首先在理论上被怀疑而不会在实验室中被发现。铋具有最长已知α衰变半衰期,虽然碲-128具有双重β衰变以上的半衰期 2.2×1024 年

具有短半衰期的几种同位素也已被发现,可以衰变为锕,镭和钍。铋213还被发现衰变成铀233。

在商业上,放射性同位素铋-213可以通过一个子直线粒子加速器轰击产生镭用制造辐射。在1997年,抗体结合物与铋213,其具有45分钟的半衰期和衰变与α粒子的排放,被用来治疗患者的白血病。这种同位素也已尝试了在癌症治疗中,例如,在靶向α治疗(TAT)程序。

化合物编辑

鉍形成三價和五價化合物,三價化合物較為常見。它的許多化學性質類似於,儘管它們的毒性低於那些較輕元素的衍生物的毒性。

氧化物和硫化物编辑

在高溫下,金屬鉍的蒸氣與氧迅速結合,形成黃色的Bi2O3[6][7] [8] 熔融時,在710℃以上的溫度之下,這種氧化物會腐蝕任何金屬氧化物,甚至是鉑。在與鹼反應時,它會形成兩種含氧離子系列:BiO2- (其聚合物為線性鏈);和BiO3−
3
Li3BiO3的負離子Bi8O24−
24
實際上是立方八聚體陰離子,而Na3BiO3中的負離子則是四聚體。[9]

深紅色的鉍(V)氧化物Bi2O5不穩定,加熱時會釋放出O2[10]

化合物 NaBiO3是一種強氧化劑。[11]

Bi2S3存在於天然的鉍礦石中。它也是由熔融的鉍和硫結合產生的。[12] [13]

 
氯氧化鉍(BiOCl)結構(礦物氯鉍礦)。鉍原子顯示為灰色,氧為紅色,氯為綠色。.

氯氧化鉍(BiOCl,請參見右圖)和硝酸氧鉍(BiONO3)在化學計量上以鉍(III)陽離子(BiO +)的簡單陰離子鹽的形式出現,其通常在含水鉍化合物中出現。然而,在BiOCl的情況下,鹽晶體以Bi、O和Cl原子的交替板的結構形成,其中每個氧在相鄰平面中與四個鉍原子配位。這種礦物化合物被用作顏料和化妝品(見下文)。[14]

氫化鉍(III)和鉍化物编辑

與較輕的氮族元素氮、磷和砷不同,但與相似,鉍不能形成穩定的氫化物氫化鉍 (BiH3)是在室溫下自發分解的吸熱化合物。它僅在-60°C以下穩定。[9]鉍化物是鉍與其他金屬之間的金屬間化合物

在2014年,研究人員發現,鉍鈉可以以一種稱為“三維拓撲狄拉克半金屬”(3DTDS)的形式存在,該物質散裝具有3D狄拉克費米子。它是石墨烯的天然三維對應物,具有相似的電子移動率和漂移速度。石墨烯和拓撲絕緣體(例如3DTDS中的絕緣體)都是晶體材料,它們在內部是與電絕緣的, 但在表面上是可以導電的,從而可使用在電晶體和其他電子設備上。儘管鉍鈉(Na3Bi)太不穩定,以至於無法在沒有包裝的設備中使用, 但它仍可以展示出3DTDS系統的潛在應用,且在半導體自旋電子學的應用中, 它與平面石墨烯相比, 具有明顯的效率和製造優勢。 [15][16]

鹵化物编辑

低氧化態的鉍鹵化物已被證明具有不同尋常的結構。最初被認為是氯化鉍(I)(BiCl),結果是由Bi5+
9
陽離子和BiCl2−
5
、Bi
2
Cl2−
8
陰離子組合成的複合化合物。 [9][17]Bi5+
9
陽離子具有扭曲的三鍵三角柱狀分子幾何形狀, 也存在於Bi10Hf3Cl18之中,Bi10Hf3Cl18是通過將氯化鉿(IV)氯化鉍與元素鉍的混合物還原而製成的,具有[Bi+]、[Bi5+
9
]、[HfCl2−
6
]3
的結構。[9]:50其他多原子鉍陽離子也已經被知悉,例如:在Bi8(AlCl4)2中被發現的Bi2+
8
[17] 鉍也能形成具有與“BiCl”相同結構的低價溴化物。另外,還有一個真正的單一碘化物BiI,它包含Bi4I4單元鏈。BiI可加熱分解為BiI3和元素鉍。此外,也存在有相同結構的一溴化物。[9]

在氧化態為+3時,鉍與所有的鹵素(即BiF3BiCl3BiBr3BiI3 )都會形成三鹵化物。這些鹵素除了BiF3之外,都會被水水解。[9]

氯化鉍(III)氯化氫乙醚溶液中會反應生成酸HBiCl4[18]

很少出現+5的氧化態。其中一種這樣的化合物便是BiF5,一種強效的氧化劑和氟化劑。它也是強氟化物的受體,與四氟化氙反應形成XeF+
3
陽離子[18]

BiF5 + XeF4XeF+
3
BiF6-

含水化合物编辑

水溶液中,Bi3+
離子在強酸的條件下會被溶劑化,形成水離子Bi(H2O)3+
8
[19] 在pH> 0的條件下,則會存在多核物質,其中最重要的是八面體複合物[Bi6O4(OH)4]6+
[20]

產地和生產编辑

 
砷鉍礦


在地殼中,鉍的含量大約是金的兩倍。鉍最重要的是礦石是砷鉍礦和輝鉍礦。天然鉍礦的產地主要來自澳洲、玻利維亞和中國。[21] Native bismuth is known from Australia, Bolivia, and China.[22][23]

根據美國地質調查局的研究,2016年全球鉍的採礦產量為10,200公噸,主要產自中國(7,400噸)、越南(2,000噸)、墨西哥(700噸)。[24] 2016年的全球精煉廠產量則為17,100噸,其中中國生產11,000噸、墨西哥539噸、日本428噸。[25] 這個數量上的差異顯示出,鉍的地位是作為提取其他金屬(例如:鉛、銅、鋅、錫、鉬、鎢等)的副產品。 精煉廠生產的全球鉍產量的統計數據是較為完整與可靠的。[26] [27][28][29]

鉍存在於粗鉛金條中(含鉍量高達10%),經過數個精煉的階段,直到透過白特頓-克洛耳法的程序將之分離出來例如爐渣等的雜質,或是以貝滋電解法將之提煉出來。鉍與另一種主要金屬銅的作用相似。[27] 生鉍礦經過上述兩種處理程序後,仍存有相當多的其他金屬,其中最重要的是鉛。藉由熔融混合物與氯氣反應,其他金屬可以轉化為氯化物,而鉍則仍保持不變。雜質也可以透過各種其他方法去除,例如:使用助熔劑等處理方法,來製成高純度的鉍金屬(Bi含量超過99%)。

價格编辑

 
World mine production and annual averages of bismuth price (New York, not adjusted for inflation).[30]

鉍金屬全球產量和年平均價格 在20世紀的大部分時間裡,純鉍金屬的價格一直相對地穩定,除了1970年代的飆升之外。鉍一直以來是主要作為提煉鉛的副產品而生產的,因此價格通常反映出生產、需求和回收成本之間的平衡。[30]

在第二次世界大戰之前,對鉍的需求很小,而且主要是用在醫藥上--鉍化合物被用來治療消化系統的疾病、性傳播疾病和燒傷等。少數鉍金屬則是用在消防噴水系統和保險絲的易熔合金上。 在第二次世界大戰期間,鉍被認為是一種戰略性的材料,用於焊料、易熔合金、藥物和原子研究。 為了穩定市場,生產商在戰爭期間將價格定為每磅1.25美元(2.75美元/公斤),從1950年到1964年的價格則定為每磅2.25美元(4.96美元/公斤)。 [30]

1970年代初期,由於對於作為鋁、鐵和鋼的冶金添加劑的鉍的需求量增加,價格因此迅速上漲。 隨後由於全球產量增加、消耗量穩定,以及1980年、1981年至1982年的經濟衰退,其價格下降。到了1984年,隨著全球消費量的增加,價格又開始攀升,特別是在美國和日本。在1990年代初期,開始對鉍進行評估研究,因為鉍可以作為鉛的無毒替代品,例如用於:陶瓷釉料、魚墜、食品加工設備、管線應用的車床加工黃銅、潤滑油脂和水禽狩獵[31] 儘管得到了美國聯邦政府的鉛替代政策的支持,在1990年代中期,這些領域的使用率依然增長緩慢,直到2005年左右,有所加劇,導致價格迅速且持續地上漲。[30]

回收编辑

大多數鉍是作為提取其他金屬的副產品而生產的,包括:鉛,鎢和銅的冶煉。它的可持續性取決於增加回收,但這是有困難的。

曾有人認為,鉍可以從電子設備的焊接接頭中完整的回收,可是隨著最近電子設備中焊料應用的效率增加,因此焊料的用量明顯減少,故而難以回收。要從含銀的焊料中回收銀,可能仍然具有經濟效益,但回收鉍的經濟效益則少了許多。[32]

因此,未來可行的回收方式,主要是要回收鉍含量較大的催化劑,例如:磷鉬酸鉍[來源請求]、用於鍍鋅的鉍,以及作為快削加工的冶金添加劑。[來源請求]

鉍最廣泛使用的用途包括:某些胃藥(次水楊酸鉍)、油漆塗料(釩酸鉍)、珠光化妝品(氯氧化鉍)和含鉍子彈。但從這些用途中回收鉍,是不切實際的。

參見编辑

参考资料编辑

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  4. ^ 无机化学丛书.第四卷.P472.铋的生产与应用
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外部連結编辑