铋

铋（；Bismuth），是一种化学元素，其化学符号为，原子序数为83，原子量为。铋是一种贫金属，化学性质类似于同属氮族的砷和锑。铋可以在自然界中找到，它的硫化物和氧化物是重要的商业矿石。纯铋的密度是纯铅的86%。它刚产出时是银白色的易脆金属，但表面氧化后呈粉红色。铋是天然的反磁性金属，也是金属中热导率最低的元素之一。
铋长久以来一直被认为是原子序最大的稳定元素，但是在2003年，科学家发现其唯一的稳定同位素铋-209其实有极其微弱的放射性，会进行α衰变，半衰期超过宇宙年龄的十亿倍。因为铋的半衰期极长，其微乎其微的放射性不会对生物造成任何影响（甚至比人体的放射性低得多），仅是物理模型预言有放射性才被发现，所以在几乎所有应用方面中，它还是可以基本视为稳定元素。
铋金属自古以来就被人们所知。在现代分析方法出现之前，由于铋与铅和锡在冶金过程中的特性相似，因此常常导致铋与这两种金属相混淆。的产量约占全球铋产量的一半，该化合物被广泛应用于化妆品、颜料以及一些药品中，尤其是用于治疗腹泻和胃灼热的次水杨酸铋。铋在固化的过程中会产生不同寻常的膨胀，这一特性使其在某些应用中得到利用，例如铸造铅字。铋作为纯金属时的毒性远低于许多其他重金属。随着铅的毒性和其的环境治理成本在20世纪逐渐显现，铋合金作为铅的替代品得到了广泛应用。目前，全球大约三分之一生产出来的铋用于替代铅曾经满足的需求。
历史.
古时候人们就已经知道铋金属的存在。它是最早发现的十种金属之一，但其英文名称Bismuth词源不详。它可能起于德语Bismuth、Wismut、Wissmuth（16世纪初）；它们可能与古高地德语hwiz（“白色”）有关。新拉丁语bisemutium （由格奥尔格·阿格里科拉创造；他当时将许多德语的采矿和技术词汇转为拉丁词语）源自德语Wistuth，可能来自weiße Masse（“白色的物质”）。
因为铋的性质与锡和铅相似，所以早期人们常常把这三个元素搞混。由于铋很早发现，没有人能确定它最先是被谁发现的。格奥尔格·阿格里科拉（1546年）指出，铋属于一类独特的金属，这一类也包括锡和铅。炼金术时代的矿工也将铋命名为Tectum argenti（“正在制造的银”）。
印加人也知道铋的存在，将其和铜、锡一起混合，制造一种特殊的青铜，用来铸刀。
从1738年的约翰·海因里希·波特、卡尔·威廉·舍勒和托尔贝恩·贝里曼开始，铅和铋渐渐得以区分。1753年，克劳德·弗朗索瓦·若弗鲁瓦证明这种金属不同于铅和锡。
性质.
物理性质.
铋是深银色，略带粉红色的脆性金属，表面通常覆盖着彩虹色的氧化层。铋晶体的螺旋阶梯状结构源自晶体生长过程中各个地方不同的生长速度。表面氧化层不同的厚度会导致薄膜干涉，造就了铋晶体的彩色。铋在氧气中燃烧时会产生蓝色火焰和黄色的氧化铋蒸汽。铋的毒性比元素周期表旁边的铅、锑低。
在金属之中，铋的抗磁性最强、热导率几乎最低（仅次于镎、钚、锰）、霍尔系数最高。它的电阻高。铋在液态时的密度比固态时大，具有类似性质的物质还有锗、硅、镓、水。
高纯铋可以形成独特的彩虹色晶体。因为铋相对无毒、熔点也只有271 °C，所以使用家用炉灶就足以制造铋晶体。在标准情况下，铋有着与砷、锑相同的层状晶体结构，呈三方晶系，皮尔逊符号hR6，空间群Rm（No. 166）。常压下的Bi-I结构在2.55 GPa下会变成单斜晶系的Bi-II，在2.7 GPa下变成四方晶系的Bi-III，最终在7.7 GPa下变成体心立方晶系的Bi-V。这些晶体结构变化可通过电导率的变化监测。这些变化可重复且突然，因此用于高压设备的校准。
化学性质.
铋的化学性质和砷、锑相似。常温的铋不会与空气的水及氧反应，但炽热的铋会与水反应生成氧化铋：
加热至熔点时，铋的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，但是铋在500 °C下会与氟反应生成五氟化铋。三卤化物具腐蚀性，容易与水分反应，生成化学式为BiOX的卤氧化物。
在高温下，金属铋能与很多非金属和金属反应，生成三价铋的化合物。铋的还原电势为正值，即在电动序中位于氢后，所以铋不会与非氧化性酸反应。铋能溶于热的浓硫酸中，生成硫酸铋和二氧化硫（1）；也可以与硝酸反应，生成硝酸铋（2）。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。
铋也可以在氧的存在下溶于盐酸：
需要指出的是，铋与氧化剂反应时通常只生成三价铋而不是五价铋。五价铋远不如五价砷以及五价锑稳定。这不仅是因为铋的第IV电离能和第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，所以用低氧化态的铋生成五价铋化合物很困难。
此外，铋还能形成原子簇化合物。
同位素.
铋唯一的天然同位素是铋-209，自从得到发现以来被认为是最重的稳定同位素。它是镎衰变链的最终产物。然而，科学家长期以来一直怀疑它在理论上是不稳定的。2003年，法国奥赛的研究人员证实铋-209具有极其微弱的放射性，会发生α衰变形成铊-205，测得的半衰期为 ，此后纠正半衰期为，相当于目前估计的宇宙年龄的十几亿倍。由于其具有极长的半衰期，极微的放射性对人体不会造成任何影响，甚至比人体本身的放射性低得多，因此在所有目前已知的医疗和工业应用中，铋可以当作稳定的非放射性元素；由于过于稳定，本来人们对其放射性一无所知，而对其放射性的研究纯粹是基于学术兴趣，因为铋-209是少数几个在理论上被预测有放射性，之后才真的从实验室中被检测出的核素之一。铋-209具有已知最长的α衰变半衰期，不过仍短于碲-128发生双β衰变的半衰期，长达。
几个半衰期较短的铋同位素存在于自然界的铀衰变链、锕衰变链和钍衰变链中，其中铋-213也存在于镎-237和铀-233的衰变链中。此外，还有更多的同位素通过实验合成出来。
在商业中，可以在中利用轫致辐射光子轰击镭，来生产放射性同位素铋-213。1997年开始，一种与铋-213结合的抗体复合体可以用来治疗白血病患者。铋-213的半衰期为45分钟，在体内会随著α粒子的发射而衰减。铋-213也试过用在癌症的放射治疗，例如（TAT）中。
化合物.
铋可以形成三价和五价化合物，其中三价化合物较为常见。铋的许多化学性质类似于砷和锑，尽管铋化合物的毒性比这两个元素的化合物的低。
氧化物和硫化物.
在高温下，金属铋的蒸气会与氧迅速结合，形成黄色的氧化铋(III)。熔融时，在710 °C以上的温度中，这种氧化物会腐蚀任何金属氧化物，甚至是铂。与碱反应时，它会形成两种含氧离子系列： (为聚合物，会形成线性链）和。中的负离子是立方形的八聚体阴离子，而中的负离子则是四聚体。
深红色的铋(V)氧化物不稳定，加热时会释放出氧气。
NaBiO3是一种强氧化剂。
硫化铋(III)存在于天然的铋矿石中。它由熔融的铋和硫结合产生而来。
在化学计量上，氯氧化铋（BiOCl，右图）和硝酸氧铋（BiONO3）以铋酰离子（BiO+）的简单阴离子盐的形式出现。铋酰离子通常在含水铋化合物中出现。然而，在BiOCl的情况下，盐晶体以Bi、O和Cl原子的交替板的结构形成，其中每个氧在相邻平面中与四个铋原子配位。这种矿物化合物被用作颜料和化妆品（见下文）。
氢化铋(III)和铋化物.
与较轻的氮族元素氮、磷和砷不同，但与锑相似，铋不能形成稳定的氢化物。氢化铋 ()是在室温下自发分解的吸热化合物。它仅在-60°C以下稳定。铋化物是铋与其他金属之间的金属间化合物。
在2014年，研究人员发现，铋钠可以以一种称为“三维拓扑狄拉克半金属”(3DTDS)的形式存在，该物质散装具有3D狄拉克费米子。它是石墨烯的天然三维对应物，具有相似的电子移动率和漂移速度。石墨烯和拓扑绝缘体(例如3DTDS中的绝缘体)都是晶体材料，它们在内部是与电绝缘的, 但在表面上是可以导电的，从而可使用在电晶体和其他电子设备上。尽管铋钠()太不稳定,以至于无法在没有包装的设备中使用, 但它仍可以展示出3DTDS系统的潜在应用，且在半导体和自旋电子学的应用中, 它与平面石墨烯相比, 具有明显的效率和制造优势。
卤化物.
低氧化态的铋卤化物已被证明具有不同寻常的结构。最初被认为是氯化铋(I)（BiCl），结果是由Bi阳离子和BiCl、BiCl阴离子组合成的复合化合物。
Bi阳离子具有扭曲的三键三角柱状分子几何形状, 也存在于之中，是通过将四氯化铪和氯化铋与元素铋的混合物还原而制成的，具有的结构。其他多原子铋阳离子也已经被知悉，例如：在中被发现的Bi。 铋也能形成具有与“BiCl”相同结构的低价溴化物。另外，还有一个真正的单一碘化物BiI，它包含单元链。BiI可加热分解为碘化铋和元素铋。此外，也存在有相同结构的一溴化物。
在氧化态为+3时，铋与所有的卤素（即三氟化铋、氯化铋、溴化铋、碘化铋 ）都会形成三卤化物。这些卤素除了之外，都会被水水解。
氯化铋与氯化氢在乙醚溶液中会反应生成酸。
铋很少出现+5的氧化态。其中一种这样的化合物便是五氟化铋，一种强效的氧化剂和氟化剂。它也是强氟化物的受体，会与四氟化氙反应形成阳离子：
含水化合物.
在水溶液中，Bi离子在强酸的条件下会被溶剂化，形成水离子。 在pH> 0的条件下，则会存在多核物质，其中最重要的是八面体复合物[]。
产地和生产.
在地壳中，铋的含量大约是金的两倍。铋最重要的是矿石是砷铋矿和辉铋矿。天然铋矿的产地主要来自澳洲、玻利维亚和中国。
根据美国地质调查局的研究，2016年全球的铋采矿产量为10,200公吨，主要产自中国（7,400吨）、越南（2,000吨）、墨西哥（700吨） 。2016年的全球精炼厂产量则为17,100吨，其中中国生产11,000吨、墨西哥539吨、日本428吨 ；这个数量上的差异显示出，铋的地位是作为提取其他金属（例如：铅、铜、锌、锡、钼、钨等）的副产品。精炼厂生产的全球铋产量的统计数据是较为完整与可靠的。
铋存在于粗铅锭中（含铋量高达10％），经过数个精炼的阶段，直到透过白特顿-克洛耳法的程序将之分离出来例如炉渣等的杂质，或是以贝滋电解法将之提炼出来。铋与另一种主要金属铜的作用相似。生铋矿经过上述两种处理程序后，仍存有相当多的其他金属，其中最主要的是铅。借由熔融混合物与氯气反应，其他金属可以转化为氯化物，而铋则仍保持不变。杂质也可以透过各种其他方法去除，例如：使用助熔剂等处理方法，来制成高纯度的铋金属（纯度超过99％）。
金属冶炼.
在工业上主要通过氧化铋的氧化还原反应冶炼铋，反应方程式为：
所产生的一氧化碳还可能把杂质金属的氧化物还原：
这些杂质溶于金属铋中，形成粗铋。如果铋矿中还含有铜，则通常加入黄铁矿来回收铜：
可以往硫化铋矿中加入铁屑来冶炼铋，反应方程式为：
同样，有部分杂质熔入金属铋，形成粗铋。
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，冶炼过程使用氧化铋和硫化铋之间的氧化还原反应：
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：
其中，FeCl3还能溶解铋矿中的天然铋：
矿中如果有氧化铋则直接被盐酸溶解：
盐酸有另一个作用，是防止所生成的BiCl3水解成不溶的BiOCl沉淀。铁粉则是把生成的氯化铋中的铋置换出来：
这时沉淀出来的铋是海绵状的。海绵状的铋直接在空气中加热会氧化，因此工业上通常在熔融的氢氧化钠中将铋熔化，这样既可以防止铋的氧化，又可以让形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。
价格.
铋金属全球产量和年平均价格除了1970年代的飙升之外，在20世纪的大部分时间里，纯铋金属的价格一直相对地稳定。铋一直以来主要是作为提炼铅的副产品而生产的，因此价格通常反映出生产、需求和回收成本之间的平衡。
在第二次世界大战之前，对铋的需求很小，而且主要是用在医药上，铋化合物被用来治疗消化系统的疾病、性传播疾病和烧伤等。少数铋金属则是用在消防喷水系统和保险丝的易熔合金。在第二次世界大战期间，铋被认为是一种战略性材料，用于焊料、易熔合金、药物和原子研究。为了稳定市场，生产商在战争期间将价格定为每磅1.25美元（每公斤2.75美元），从1950年到1964年的价格则定为每磅2.25美元（每公斤4.96美元）。
1970年代初期，由于作为铝、铁和钢的冶金添加剂，铋的需求量逐渐增加，因此价格迅速上涨。随后由于全球产量增加、消耗量稳定，以及1980年、1981年至1982年的经济衰退，其价格下降。到了1984年，随著全球消费量的增加，价格又开始攀升，特别是在美国和日本。在1990年代初期，开始对铋进行评估研究，因为铋可以作为铅的无毒替代品，例如可用于：陶瓷釉料、鱼坠、食品加工设备、管线应用的车床加工黄铜、润滑油脂和水禽狩猎。尽管得到了美国联邦政府的铅替代政策支持，在1990年代中期，在这些领域中铋的使用率依然增长缓慢，直到2005年左右，增长有所加剧，导致价格迅速且持续地上涨。
回收.
大多数铋是作为提取其他金属的副产品而生产的，包括铅，钨和铜的冶炼，该材料的可持续性取决于废料回收业的投入。
曾有人认为，铋可以从电子设备的焊接接头中完整的回收，可是随著最近电子设备中焊料应用的效率增加，因此焊料的用量明显减少，故而难以回收。要从含银焊料中回收银仍具有经济效益，但回收铋的经济效益则少了许多。
因此，未来可行的回收方式，主要是回收铋含量较大的催化剂，例如磷钼酸铋、用于镀锌的铋，以及作为快削加工的冶金添加剂。
铋最广泛使用的用途包括胃药（次水杨酸铋）、油漆涂料（钒酸铋）、珠光化妆品（氯氧化铋）和含铋子弹，但从这些用途回收铋是不切实际的。
应用.
目前在铋的产量中，其化合物态就占了一半。铋在商业上的应用不多，且需要使用的量通常相对于其他原材料较少。在美国，2016年消耗了733吨铋，其中70%用于化学品（包括药品、颜料和化妆品），11％用于铋合金。
一些制造商使用铋作为阀门等饮用水系统设备的替代品，以满足美国的“无铅”要求（始于2014年）。这是一个相当广泛的应用，因为它涵盖了所有住宅和商业建筑。
在1990年代初期，研究人员开始评估将铋作为铅的无毒替代品的可行性。
药理学.
铋是一些药物的成分，但其中部分药物的用量逐渐下降。
化妆品和颜料.
氯氧化铋（BiOCl）有时用于化妆品中，作为眼影，发胶和指甲油中的颜料。这种化合物是一种矿物质双晶石，并且以晶体形式包含原子层，其以光为基础折射光，产生类似于珍珠母珍珠层的虹彩外观。它曾在古埃及等其他地方作为化妆品。铋白(又称西班牙白)，是一种白色颜料，它包括氧氯化铋或硝酸氧铋。钒酸铋是一种具有光稳定性的非反应性涂料，通常作为毒性较强的硫化镉黄和橙黄色颜料的替代品。这使得它常用在柠檬黄色颜料，而且和原本的含镉颜料在视觉上无法区分。
金属和合金.
铋和铁等金属可制造合金，用于自动喷水灭火系统。它也被用来制造青铜时代使用的铋青铜。
铅的代替品.
铋在重金属中毒性比较低，随著人们越来越重视铅的毒性，铋合金（大约是铋产量的三分之一）越来越常作为铅的替代品。因为铅（11.32克/立方公分）和铋（9.78克/立方公分）之间的密度差异小，在子弹和配重等方面，铋可以代替铅。例如，它可以取代铅制造铅坠。现已替代铅弹作为镇暴霰弹枪中的弹药。荷兰，丹麦，英国，威尔斯，美国和许多其他国家现在禁止使用铅弹来捕猎湿地的鸟类，因为许多鸟类以为铅弹可帮助消化而误食，导致铅中毒。而荷兰甚至禁止在所有狩猎行为中使用铅弹。铋锡合金子弹是一种替代方案，其性能与铅弹相似。（另一种较便宜但性能较差的替代品是“钢”弹）然而，铋由于缺乏可塑性而不适合用作为狩猎子弹。
铋是一种高原子量的致密元素，浸渍铋的乳胶护罩用于阻挡医学检查（如电脑断层扫描）中的X射线，一般认为它是无毒的。
危害性物质限制指令（RoHS）减少了铅的使用，并扩大铋在电子产品中作为低熔点焊料的成分，作为传统锡铅焊料的替代品。它的低毒性使它可作为食品加工设备和铜水管的焊料，而在欧盟，它也被应用于汽车工业。
铋已被评估为用于的易切削黄铜中的铅的替代品，虽然它和含铅钢的性能不同。
其他金属用途和特殊合金.
大部分的铋合金熔点很低，可用于特殊用途如焊料。火灾探测和扑灭系统中的许多自动洒水器、熔断器和安全装置常见到易熔的In19.1-Cd5.3-Pb22.6-Sn8.3-Bi44.7合金，熔点为47°C(117°F)。这是一个方便的温度，因为在正常的生活条件下不太可能超过该温度。会在70°C熔化的Bi-Cd-Pb-Sn合金，可用于汽车和航空工业。在薄壁金属零件变形之前，先填充熔融液或覆盖一层薄薄的合金以减少断裂的机会，然后将零件浸入沸水中以除去合金。因为铋在凝固的时候会异常膨胀，所以适合用于某些地方，例如印刷铸件。
铋用于制造易切削钢和，以实现精密加工性能。因为铅的凝固收缩和铋的膨胀幅度差不多，因此铅和铋的含量通常一样。含相同比例的铋铅合金在熔化、凝固时变化不明显。这样的合金可用于高精度铸造中，例如在牙科领域可以创建模型和模型。铋还用作锻铸铁的合金剂和热电偶材料。
铋还会用在铝矽合金中，用来改善矽的型态。一些铋合金（例如Bi35-Pb37-Sn25）会与不粘材料（云母、玻璃、搪瓷）结合使用。因为它们很容易润湿，从而可以与其他零件接合。在铯中添加铋可以提高铯阴极的产率。铋粉和锰粉在300°C的温度下烧结会产生永久磁铁和磁致伸缩材料，可于10–100 kHz范围内的超声波发生器和接收器以及磁存储设备中工作。
毒理学与生态毒理学.
科学文献指出，与其他重金属（铅、砷、锑等）相比，铋化合物对人体的毒性较小，可能是因为铋盐在水中的溶解度相对较低、造成其中的铋离子较难以被人体吸收所致。研究指出，铋滞留于全身的生物半衰期为5天，但它会在接受铋药物治疗的人的肾脏中积存多年。
铋可能会引发中毒，在近年来越来越普遍。与铅中毒一样，铋中毒会导致在牙龈上形成黑色沉淀物，称为铋线。铋中毒或许可用二巯基丙醇治疗，其疗效目前尚不明确。
铋对环境的影响尚不清楚，它可能比其他的重金属更不容易产生生物积累，而这是一个目前正在积极研究的领域。
生物修复.
硬柄小皮伞（"Marasmius oreades"）可以用来修复被铋污染的土壤。