# Bismuto

Il bismuto è l'elemento chimico di numero atomico 83 e il suo simbolo è Bi. È il quinto elemento del gruppo 15 (gruppo dell'azoto) del sistema periodico (6° periodo), fa parte del blocco p ed è l'elemento che nel gruppo viene dopo l'arsenico e l'antimonio. Come per questi e gli altri elementi del gruppo, le sue valenze principali sono 3 e 5 e gli stati di ossidazione, pur con varia stabilità, vanno da -3 a +5. Fino al 2003 è stato ritenuto l'ultimo elemento non radioattivo.
Appare come un metallo pesante, anche se meno del piombo, fragile, di aspetto bianco-roseo, scarso conduttore elettrico e termico; il suo comportamento chimico assomiglia in vari aspetti a quello dell'arsenico e dell'antimonio. Tra i metalli è il più diamagnetico e uno dei peggiori conduttori di elettricità e calore. A differenza dell'arsenico e dell'antimonio, ma anche del piombo, il bismuto è relativamente non tossico. Composti del bismuto esenti da piombo sono usati nell'industria cosmetica e in applicazioni mediche.

## Caratteristiche

Il bismuto è un elemento chimico dal tipico aspetto metallico: mostra la caratteristica lucentezza metallica di colore grigio-argenteo con lieve sfumatura rosata, è un conduttore di elettricità, sebbene in questo sia parecchio scadente, e inoltre è fragile (come pure Sb e As che lo precedono nel suo gruppo). Dopo l'arsenico e l'antimonio che sono considerati metalloidi, il bismuto, tenuto conto anche del suo comportamento chimico, viene per lo più considerato un elemento metallico e, più specificamente, un metallo di post-transizione, sebbene venga talvolta descritto come metalloide.
Insieme al silicio, gallio e germanio è un elemento che, a pressione ambiente, diminuisce di volume (aumenta di densità) all'atto della fusione, come accade per l'acqua. In forma finemente suddivisa, per riscaldamento in aria può infiammarsi e bruciare con fiamma blu, producendo fumi gialli di ossido di bismuto (Bi$_2$O$_3$).
Da un punto di vista fisico, a temperatura e pressione ambiente il bismuto non è un metallo, ma un semimetallo: il minimo della sua banda di conduzione è collocato più in basso in energia del massimo della sua banda di valenza (come accade nello stato metallico), sebbene di pochissimo, ma il massimo e il minimo sono situati a valori diversi del vettore d'onda. La minima ricopertura delle bande (≈ 10 meV) e lo scarto nel loro posizionamento sono i fattori che limitano la conduzione elettrica: la resistività del bismuto (ρ = 130×10$^{-8}$ Ω·m) è perfino maggiore di quella dell'antimonio (40×10$^{-8}$ Ω·m) e dell'arsenico (30×10$^{-8}$ Ω·m), anch'essi fisicamente semimetalli, nonostante siano elementi chimicamente meno metallici rispetto a esso; d'altro canto lo stesso andamento qualitativo trova riscontro nella loro conducibilità termica (As > Sb > Bi).

### Strutture cristalline

Il bismuto ha varie strutture cristalline in dipendenza delle condizioni di temperatura e pressione. In condizioni ambiente la struttura termodinamicamente stabile (α-Bi) è analoga a quella comune all'arsenico (arsenico grigio, α-As) e all'antimonio (α-Sb). La struttura è romboedrica e consiste in strati increspati, sovrapposti, di atomi bismuto. Questi sono disposti sopra e sotto il piano medio di ogni strato; in un dato strato questi atomi formano anelli esagonali in conformazione a sedia e gli esagoni sono connessi fra loro con giunzioni trans (come nella trans-decalina). Ogni atomo di bismuto in uno strato è legato a tre primi vicini e la distanza Bi–Bi è di 307 pm, con un angolo Bi-Bi-Bi di 95,5° (109,5° idealmente nell'anello del cicloesano); inoltre è meno fortemente legato a tre atomi Bi dello strato sottostante con distanze di 353 pm, valore che è alquanto inferiore al doppio del raggio di van der Waals di Bi (414 pm). in questa struttura il suo coefficiente dell'effetto Hall è il più alto di ogni altro elemento metallico. A pressioni di ~8 GPa e oltre la struttura stabile diviene quella cubica a corpo centrato, struttura comune in molti metalli.

### Strutture molecolari

La molecola Bi$_4$, che si suppone sia analoga a quelle dei congeneri superiori (P, As, Sb), è stata indagata con calcoli quantomeccanici. Sono state trovate due strutture che sono minimi locali sulla superficie di energia potenziale. La più stabile è tetraedrica regolare, esattamente analoga alla ben nota molecola P$_4$, con simmetria molecolare T$_d$; i legami Bi–Bi risultano lunghi 301,6 pm e gli angoli sono ovviamente di 60°.
L'altra struttura, meno stabile rispetto alla prima di 162,0 kJ/mol, ha simmetria molecolare C$_{2v}$ e consta di due triangoli isoscele uniti per la base, come nel biciclobutano. Il legame centrale (la base del comune dei triangoli) è di 315,2 pm (> 301,6 pm), gli altri sono più corti, 296,1 pm. La dissociazione di Bi$_4$ in due molecole Bi$_2$ (Bi≡Bi) è calcolata essere esotermica per 270,9 kJ/mol e la dissociazione di Bi$_2$ in due atomi richiede 232,2 kJ/mol.

### Cristalli artificiali

Il bismuto in forma altamente pura può formare cristalli iridescenti con colori gialli, blu, rosa-porpora, verde scuro, generalmente venduti come oggetto di collezionismo. Il colore si origina dall'interferenza che si crea nel sottile strato di ossido di bismuto, che è di spessore variabile e confrontabile con la lunghezza d'onda della luce visibile.
* Cristallo artificiale di bismuto
* Cristallo artificiale di bismuto
* Cristallo artificiale di bismuto

## Isotopi

Il bismuto, come anche il fosforo e l'arsenico che lo precedono nello stesso gruppo 15, è un elemento mononuclidico: l'unico isotopo presente in natura è $^{209}$Bi (spin 9/2-). Questo isotopo, come si è scoperto nel 2003, è radioattivo (vide infra), per cui il bismuto, a differenza di P e As, non è un elemento monoisotopico. Questo isotopo è dotato di spin nucleare e questo permette così di usare la tecnica della risonanza magnetica nucleare per i composti di bismuto.

### Instabilità dell'elemento

Il bismuto è stato a lungo creduto l'ultimo elemento stabile (non radioattivo) della tavola periodica. La sua instabilità, sospettata teoricamente fin dal 1972, ha avuto una conferma sperimentale solo nel 2003, quando i ricercatori dell'Institut d'Astrophysique Spatiale di Orsay hanno misurato il tempo di dimezzamento per decadimento alfa dell'isotopo $^{209}$Bi, ricavando il valore di 1,90×10$^{19}$ anni, un tempo che è oltre un miliardo di volte superiore all'attuale stima dell'età dell'Universo. Pertanto ai fini pratici il bismuto può essere di fatto considerato un elemento stabile per qualsiasi applicazione e può essere trattato come ogni altro materiale non radioattivo; benché a livelli praticamente nulli, inferiori a quelli dovuti al carbonio-14 normalmente contenuto nel corpo umano, la radioattività del bismuto è di interesse accademico in quanto prevista teoricamente prima dell'osservazione sperimentale in laboratorio.
Il $^{209}$Bi decade emettendo una particella alfa (nucleo $^4$He) trasformandosi in $^{205}$Tl, il secondo dei due isotopi stabili del tallio; l'energia di decadimento è 3,137 MeV.

### Isotopi radioattivi

Oltre al $^{209}$Bi, si conoscono altri 35 radionuclidi del bismuto, aventi numeri di massa compresi tra A = 184 e A = 219.
Il $^{205}$Bi (spin 9/2-) decade per emissione di positrone (β$^+$) per dare piombo-205, rilasciando 1,686 MeV, con un'emivita è di 15,3125 giorni; il Pb-205 così prodotto è radioattivo e decade per cattura elettronica (ε) a tallio-205 (T$_½$ = 1,73×10$^7$ anni; ΔΕ = 50,5 keV), che è stabile.
Il $^{206}$Bi (spin 6) decade per emissione di positrone (β$^+$) per dare piombo-206 (stabile), rilasciando 2,735 MeV, con un'emivita è di 6,243 giorni.
Il $^{207}$Bi (spin 9/2-) decade per emissione di positrone (β$^+$) per dare piombo-207 (stabile), rilasciando 1,375 MeV, con un'emivita è di 32,978 anni.
Il $^{208}$Bi (spin 5) decade per emissione di positrone (β$^+$) per dare piombo-208 (stabile), rilasciando 1,856 MeV, con un'emivita di 367.834 anni.
Il $^{210}$Bi (spin 1-) in quasi il 100% dei casi decade per il emissione di elettrone (β$^−$) per dare polonio-210, rilasciando 1,161 MeV; il polonio-210 così prodotto è radioattivo e decade alfa a piombo-206 (stabile), rilasciando 5,407 MeV; in piccolissima percentuale (0,000132%) il $^{210}$Bi decade alfa a tallio-206, rilasciando 5,0364 MeV; il tallio-206 così prodotto decade β- a piombo-206 (T$_½$ = 4,202 minuti; ΔΕ = 1,532 MeV), che è stabile. L'emivita complessiva di $^{210}$Bi è di 5,012 giorni.
Di questo isotopo è noto uno stato eccitato (metastabile) a 271,31 keV sopra il livello fondamentale, il $^{210m}$Bi (spin 9-); decade alfa a tallio-206, con emivita di 3,04×10$^6$ anni.
Il $^{211}$Bi (spin 9/2-) in quasi il 100% dei casi decade alfa per dare tallio-207, rilasciando 6,750 MeV; il tallio-207 così prodotto è radioattivo e decade β$^−$ a piombo-207 (stabile), rilasciando 1,418 MeV; in piccolissima percentuale (0,276%) il $^{211}$Bi decade β$^−$ a polonio-211, rilasciando 574,09 keV; il polonio-211 così prodotto decade alfa a piombo-207 (T$_½$ = 515 millisecondi; ΔΕ = 7,594 MeV), che è stabile. L'emivita complessiva di $^{211}$Bi è di 2,14 minuti.

## Applicazioni

Viene usato principalmente nel campo siderurgico e per preparare leghe a basso punto di fusione come quelle per i fusibili.
L'ossicloruro di bismuto è molto usato nell'industria cosmetica mentre il subnitrato di bismuto e il subcarbonato di bismuto trovano uso in medicina. Il subsalicilato di bismuto è usato come farmaco anti-diarroico.
Tra gli altri usi si annoverano:
* produzione di forti magneti permanenti, in lega con il manganese;
* applicazione in sistemi antincendio di molte leghe di bismuto che hanno bassi punti di fusione;
* come additivo del ferro per renderlo malleabile;
* realizzazione di catalizzatori per la produzione di fibre acriliche;
* produzione di termocoppie;
* come refrigerante nel reattore nucleare al piombo, allo stato liquido in lega eutettica con il piombo;
* realizzazione di leghe per saldatura, anche perché queste si espandono leggermente per raffreddamento;
* realizzazione di smalti vetrosi usati per finissaggi iridescenti di cui il subnitrato di bismuto è un componente;
* come scintillatore inorganico utilizzato nella PET (germanato di bismuto);
* come sostituto dell'acciaio per simulazioni fluidodinamiche in campo di ricerca siderurgico
Dai primi anni novanta il bismuto è oggetto di studio come sostitutivo non tossico del piombo in diversi materiali come ceramiche e smalti, specialmente per quelli destinati al contatto con i cibi.
A partire dagli anni 2000 viene utilizzato in alternativa al piombo per il caricamento di munizioni da caccia.
Recenti ricerche (2007) hanno utilizzato il bismuto per realizzare dei superconduttori a bassa temperatura (90 K). Questi superconduttori mostrano proprietà molto interessanti e potrebbero essere utilizzati nelle future macchine per l'imaging a risonanza magnetica.
Altre ricerche molto rencenti (2025) da parte di scienziati cinesi lo indicano come possibile sostituto del silicio per le prossime generazioni di transistor.

## Storia

Non è possibile stabilire con certezza se la scoperta del bismuto sia stata opera di un alchimista o di una persona che lavorava con i minerali di bismuto. Sembra che attorno alla metà del XV secolo venisse utilizzata una nuova lega per produrre i caratteri di stampa nella cui formula segreta il bismuto svolgeva un ruolo fondamentale.
Anche l'origine del nome non è molto chiara: deriva da una parola tedesca Wismut dal significato incerto, forse con il significato di metallo bianco o forse derivato dal toponimo di una miniera. Anche su chi ne ha latinizzato il nome agli inizi del XVI secolo in bisemutum c'è incertezza: alcuni indicano G. Bauer, chiamato anche Agricola, mentre altri parlano di Paracelso.
Data la sua somiglianza con lo stagno e il piombo, il bismuto nell'antichità fu confuso con questi. Fu Claude Geoffroy Junine nel 1753 a dimostrare che si trattava di un elemento a sé.

## Disponibilità

I più importanti minerali del bismuto sono la bismutinite e la bismite. Canada, Bolivia, Giappone, Messico e Perù sono i principali produttori. Il bismuto prodotto negli Stati Uniti d'America è principalmente un sottoprodotto della lavorazione dei minerali di rame, oro, argento, stagno e soprattutto del piombo.