铋

铋（；），是一種化學元素，其化學符號为，原子序數为83，原子量為。铋是一種貧金屬，化學性質類似於同屬氮族的砷和锑。鉍可以在自然界中找到，它的硫化物和氧化物是重要的商業礦石。純鉍的密度是純鉛的86%。它剛產出時是銀白色的易脆金屬，但表面氧化後呈粉紅色。铋是天然的反磁性金属，也是金屬中熱導率最低的元素之一。

铋長久以來一直被認為是原子序最大的穩定元素，但是在2003年，科學家發現其唯一的穩定同位素鉍-209其實有極其微弱的放射性，會進行α衰變，半衰期超過宇宙年齡的十億倍。因為鉍的半衰期極長，其微乎其微的放射性不會對生物造成任何影響（甚至比人體的放射性低得多），僅是物理模型預言有放射性才被發現，所以在几乎所有应用方面中，它还是可以基本視為穩定元素。

歷史 
古時候人們就已經知道鉍金屬的存在。它是最早發現的十種金屬之一，但其英文名稱Bismuth詞源不詳。它可能起於德語Bismuth、Wismut、Wissmuth（16世紀初）；它們可能與古高地德語hwiz（“白色”）有關。新拉丁語bisemutium （由格奧爾格·阿格里科拉創造；他當時將許多德語的採礦和技術詞彙轉為拉丁詞語）源自德語Wistuth，可能來自weiße Masse（“白色的物質”）。

因為铋的性質與錫和鉛相似，所以早期人們常常把這三個元素搞混。由於鉍很早發現，沒有人能確定它最先是被誰發現的。格奧爾格·阿格里科拉（1546年）指出，鉍屬於一類獨特的金屬，這一類也包括錫和鉛。煉金術時代的礦工也將鉍命名為Tectum argenti（“正在製造的銀”）。

印加人也知道鉍的存在，將其和銅、錫一起混合，製造一種特殊的青銅，用來鑄刀。

從1738年的約翰·海因里希·波特、卡爾·威廉·舍勒和托爾貝恩·貝里曼開始，鉛和鉍漸漸得以區分。1753年，克勞德·弗朗索瓦·若弗魯瓦證明這種金屬不同於鉛和錫。

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：
PbO + CO → Pb + CO2

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：
2 Cu + FeS2 → Cu2S + FeS

可以往硫化铋矿中加入铁屑来冶炼铋，反应方程式为：
Bi2S3 + 3 Fe → 2 Bi + 3 FeS

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：
Bi2S3 + 2 Bi2O3 → 6 Bi + 3 SO2↑

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 + 6 FeCl3 → 2 BiCl3 + 6 FeCl2 + 3 S

其中，FeCl3还能溶解铋矿中的天然铋：
3 FeCl3 + Bi → BiCl3 + 3 FeCl2

矿中如果有氧化铋则直接被盐酸溶解：
Bi2O3 + 6 HCl → 2 BiCl3 + 3 H2O

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：
3 Fe + 2 BiCl3 → 2 Bi + 3 FeCl2

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。

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：

 2 Bi + 3 H2O → Bi2O3 + 3 H2

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。

 4 Bi + 6 X2 → 4 BiX3 (X = F, Cl, Br, I)
 4 BiX3 + 2 O2 → 4 BiOX + 4 X2

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。

 (1) 6 H2SO4 + 2 Bi → 6 H2O + Bi2(SO4)3 + 3 SO2
 (2) Bi + 6 HNO3 → 3 H2O + 3 NO2 + Bi(NO3)3

铋也可以在氧的存在下溶于盐酸：

 4 Bi + 3 O2 + 12 HCl → 4 BiCl3 + 6 H2O

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

放射性的推論與發現
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。它是錼衰變鏈的最終產物。然而，科學家长期以来一直怀疑它在理論上是不稳定的。2003年，法国奧賽的研究人員證實铋-209具有極其微弱的放射性，會發生α衰变形成鉈-205，測得的半衰期为 ，相当于目前估計的宇宙年龄的十亿倍。由于其具有極长的半衰期，極微的放射性對人體不會造成任何影響，甚至比人體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；由於過於穩定，本來人們對其放射性一無所知，而对其放射性的研究纯粹是基於学术兴趣，因为铋-209是少數幾個在理论上被預測有放射性，之後才真的從实验室中被檢測出的核素之一。铋-209具有已知最长的α衰变半衰期，不過仍短於碲-128發生雙β衰變的半衰期，長達。

幾個半衰期較短的鉍同位素存在於自然界的鈾衰變鏈、錒衰變鏈和釷衰變鏈中，其中鉍-213也存在於錼-237和鈾-233的衰變鏈中。此外，還有更多的同位素通過實驗合成出来。

在商业中，可以在中利用軔致輻射光子轰击鐳，來生產放射性同位素铋-213。1997年開始，一種與铋-213結合的抗體複合體可以用来治療白血病患者。铋-213的半衰期為45分鐘，在體內會隨著α粒子的發射而衰減。铋-213也试过用在癌症的放射治療，例如（TAT）中。

化合物 

鉍可以形成三價和五價化合物，其中三價化合物較為常見。铋的許多化學性質類似於砷和銻，儘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 

在高溫下，金屬鉍的蒸氣会與氧迅速結合，形成黃色的。熔融時，在710 °C以上的溫度中，這種氧化物會腐蝕任何金屬氧化物，甚至是鉑。與鹼反應時，它會形成兩種含氧離子系列： (为聚合物，会形成線性鏈）和。中的負離子是立方形的八聚體陰離子，而中的負離子則是四聚體。

深紅色的鉍(V)氧化物不穩定，加熱時會釋放出。

NaBiO3是一種強氧化劑。

硫化鉍(III)存在於天然的鉍礦石中。它由熔融的鉍和硫結合產生而来。

在化學計量上，氯氧化鉍（BiOCl，右圖）和硝酸氧鉍（BiONO3）以鉍酰离子（BiO+）的簡單陰離子鹽的形式出現。铋酰离子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）。

氫化鉍(III)和鉍化物
與較輕的氮族元素氮、磷和砷不同，但與銻相似，鉍不能形成穩定的氫化物。氫化鉍 ()是在室溫下自發分解的吸熱化合物。它僅在-60°C以下穩定。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()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，且在半導體和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。

鹵化物 
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Bi陽離子和BiCl、BiCl陰離子組合成的複合化合物。
Bi陽離子具有扭曲的三鍵三角柱狀分子幾何形狀, 也存在於之中，是通過將四氯化鉿和氯化鉍與元素鉍的混合物還原而製成的，具有的結構。其他多原子鉍陽離子也已經被知悉，例如：在中被發現的Bi。 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，它包含單元鏈。BiI可加熱分解為和元素鉍。此外，也存在有相同結構的一溴化物。

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

氯化鉍與氯化氫在乙醚溶液中會反應生成酸。

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

含水化合物 
在水溶液中，Bi離子在強酸的條件下會被溶劑化，形成水離子。 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[]。

產地和生產 

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。

根據美國地質調查局的研究，2016年全球的鉍採礦產量為10,200公噸，主要產自中國（7,400噸）、越南（2,000噸）、墨西哥（700噸） 。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 ；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。

鉍存在於粗鉛锭中（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。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，其中最主要的是鉛。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（純度超過99％）。

價格 

鉍金屬全球產量和年平均價格除了1970年代的飆升之外，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。鉍一直以來主要是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。

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。在第二次世界大戰期間，鉍被認為是一種戰略性材料，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（每公斤2.75美元），從1950年到1964年的價格則定為每磅2.25美元（每公斤4.96美元）。

1970年代初期，由於作為鋁、鐵和鋼的冶金添加劑，鉍的需求量逐漸增加，因此價格迅速上漲。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，例如可用於：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。儘管得到了美國聯邦政府的鉛替代政策支持，在1990年代中期，在這些領域中鉍的使用率依然增長緩慢，直到2005年左右，增長有所加劇，導致價格迅速且持續地上漲。

回收 
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，該材料的可持續性取決於廢料回收業的投入。

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。要從含銀焊料中回收銀仍具有經濟效益，但回收鉍的經濟效益則少了許多。

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

鉍最廣泛使用的用途包括胃藥（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，但從這些用途回收鉍是不切實際的。

應用 
目前在鉍的產量中，其化合物態就佔了一半。鉍在商業上的應用不多，且需要使用的量通常相對於其他原材料較少。在美國，2016年消耗了733噸鉍，其中70%用於化學品（包括藥品、顏料和化妝品），11％用於鉍合金。

一些製造商使用鉍作為閥門等飲用水系統設備的替代品，以滿足美國的“無鉛”要求（始於2014年）。這是一個相當廣泛的應用，因為它涵蓋了所有住宅和商業建築。

在1990年代初期，研究人員開始評估將鉍作為鉛的無毒替代品的可行性。

藥理學 

鉍是一些藥物的成分，但其中部分藥物的用量逐漸下降。

 次水楊酸鉍（Bismuth Subsalicylate）作為止瀉劑。例如"粉紅鉍"製劑中的活性成分，以及2004年的重新配製版本。它還用於治療一些胃腸疾病及鎘中毒。儘管在某些情況可能涉及（小劑量重金屬離子對微生物的毒性作用），但是仍不清楚完整的作用機理。 該化合物水解產生的水楊酸對於會產生毒素的大腸桿菌（旅行者腹瀉中的重要病原體）具有抗菌作用。
 次水楊酸鉍和（Bismuth Subcitrate）的組合可用於治療細菌引起的胃潰瘍。
 鉍溴酚（Bibrocathol）是一種含鉍的有機化合物，可用於治療眼部感染。
 （Bismuth Subgallate） — Devrom裡的活性成分，作為除臭劑以治療胃脹氣和糞便中的惡臭。
 一些鉍化合物（包括酒石酸鉍鈉）以前被用於治療梅毒。
 鉍乳（氫氧化鉍和次碳酸鉍的懸浮液）在20世紀初被作為助消化藥物銷售。
 次硝酸鉍（Bismuth subnitrate）和次碳酸鉍（Bismuth subcarbonate）也被用於醫學中。

化妝品和顏料 
氯氧化铋（BiOCl）有時用於化妝品中，作為眼影，髮膠和指甲油中的顏料。這種化合物是一種礦物質雙晶石，並且以晶體形式包含原子層，其以光為基礎折射光，產生類似於珍珠母珍珠層的虹彩外觀。它曾在古埃及等其他地方作為化妝品。鉍白(又稱西班牙白)，是一種白色顏料，它包括氧氯化鉍或硝酸氧鉍。釩酸鉍是一種具有光穩定性的非反應性塗料，通常作為毒性較強的硫化鎘黃和橙黃色顏料的替代品。這使得它常用在檸檬黃色顏料，而且和原本的含鎘顏料在視覺上無法區分。

金屬和合金 
鉍和鐵等金屬可製造合金，用於自動噴水滅火系統。它也被用來製造青銅時代使用的鉍青銅。

鉛的代替品 
鉍在重金屬中毒性比較低，隨著人們越來越重視鉛的毒性，鉍合金（大約是鉍產量的三分之一）越來越常作為鉛的替代品。因為鉛（11.32克/立方公分）和鉍（9.78克/立方公分）之間的密度差異小，在子弹和配重等方面，鉍可以代替鉛。例如，它可以取代鉛製造鉛墜。現已替代鉛彈作為鎮暴霰彈槍中的彈藥。荷蘭，丹麥，英國，威爾斯，美國和許多其他國家現在禁止使用鉛彈來捕獵濕地的鳥類，因為許多鳥類以為鉛彈可幫助消化而誤食，導致鉛中毒。而荷蘭甚至禁止在所有狩獵行為中使用鉛彈。鉍錫合金子彈是一種替代方案，其性能與鉛彈相似。（另一種較便宜但性能較差的替代品是“鋼”彈）然而，鉍由於缺乏可塑性而不適合用作為狩獵子彈。

鉍是一種高原子量的緻密元素，浸漬鉍的乳膠護罩用於阻擋醫學檢查（如電腦斷層掃描）中的X射線，一般認為它是無毒的。

危害性物質限制指令（RoHS）減少了鉛的使用，並擴大鉍在電子產品中作為低熔點焊料的成分，作為傳統錫鉛焊料的替代品。它的低毒性使它可作為食品加工設備和銅水管的焊料，而在歐盟，它也被應用於汽車工業。

鉍已被評估為用於的易切削黃銅中的鉛的替代品，雖然它和含鉛鋼的性能不同。

其他金屬用途和特殊合金 
大部分的鉍合金熔點很低，可用於特殊用途如焊料。火災探測和撲滅系統中的許多自動灑水器、熔斷器和安全裝置常見到易熔的In19.1-Cd5.3-Pb22.6-Sn8.3-Bi44.7合金，熔點為47°C(117°F)。這是一個方便的溫度，因為在正常的生活條件下不太可能超過該溫度。會在70°C熔化的Bi-Cd-Pb-Sn合金，可用於汽車和航空工業。在薄壁金屬零件變形之前，先填充熔融液或覆蓋一層薄薄的合金以減少斷裂的機會，然後將零件浸入沸水中以除去合金。因為鉍在凝固的時候會異常膨脹，所以適合用於某些地方，例如印刷鑄件。

鉍用於製造易切削鋼和，以實現精密加工性能。因為鉛的凝固收縮和鉍的膨脹幅度差不多，因此鉛和鉍的含量通常一樣。含相同比例的鉍鉛合金在熔化、凝固時變化不明顯。這樣的合金可用於高精度鑄造中，例如在牙科領域可以創建模型和模型。鉍還用作鍛鑄鐵的合金劑和熱電偶材料。

鉍還會用在鋁矽合金中，用來改善矽的型態。一些鉍合金（例如Bi35-Pb37-Sn25）會與不粘材料（雲母、玻璃、搪瓷）結合使用。因為它們很容易潤濕，從而可以與其他零件接合。在銫中添加鉍可以提高銫陰極的產率。鉍粉和錳粉在300°C的溫度下燒結會產生永久磁鐵和磁致伸縮材料，可於10–100 kHz範圍內的超聲波發生器和接收器以及磁存儲設備中工作。

鉍化合物的其他用途 

 鉍包含在(BSCCO)中，鉍鍶鈣氧化銅是1988年發現的一群類似超導化合物，具有最高超導轉變溫度。
 次硝酸鉍是製造虹彩釉料的一種成分，用作油漆中的顏料。
 碲化鉍是一種半導體和優良的熱電材料。碲化鉍二極管用於移動式冰箱，CPU冷卻器和紅外光分光光度計中的探測器。
 氧化鉍的δ形式是氧的固體電解質。這種形式通常在高溫閾值以下分解，但在強鹼性溶液中可在遠低於該閾值的溫度下電鍍。
 鍺酸鉍是一種閃爍體，廣泛用於X射線和伽馬射線探測器。
 釩酸鉍是一種不透明的黃色顏料，被一些藝術家作為畫油畫的染料，亦被水彩顏料公司使用，主要用作替代毒性較大的硫化鎘當作黃色染料，最常被製作為檸檬色的顏料。它在抗紫外線降解性，不透明度，著色力和不易與其他顏料反應等方面與鎘顏料相同。除了作為幾種鎘黃的替代品外，它還可作為以往用鋅、鉛和鍶製成的鉻酸鹽顏料的無毒替代品。如果將釩酸鉍添加入綠色顏料及硫酸鋇（增加透明度），它也可以作為鉻酸鋇的替代品，甚至比其他的更綠。而與鉻酸鉛相比，它不會因空氣中的硫化氫而變黑（受紫外線照射將加速反應），並且具有更明亮的顏色，尤其是檸檬黃，由於產生該顏色所需的硫酸鉛百分比較高，它是最透明、無光澤且最快變黑的。它也被用來作為汽車烤漆，但由於成本較高，仍不普遍。
 作為製造丙烯酸纖維時的催化劑。
 將 CO2 轉化為 CO 的。
 潤滑油的成分。

毒理學與生態毒理學 

鉍沉著症是一種因長期接觸鉍而引起的罕見皮膚病。

科學文獻指出，與其他重金屬（鉛、砷、銻等）相比，鉍化合物對人體的毒性較小，可能是因為鉍鹽在水中的溶解度相對較低、造成其中的鉍離子較難以被人體吸收所致。研究指出，鉍滯留於全身的生物半衰期為5天，但它會在接受鉍藥物治療的人的腎臟中積存多年。

鉍可能會引發中毒，在近年來越來越普遍。與鉛中毒一樣，鉍中毒會導致在牙齦上形成黑色沉澱物，稱為鉍線。鉍中毒或許可用二巯基丙醇治療，其療效目前尚不明確。

鉍對環境的影響尚不清楚，它可能比其他的重金屬更不容易產生生物積累，而這是一個目前正在積極研究的領域。

生物修復 
硬柄小皮伞（Marasmius oreades）可以用來修復被鉍汙染的土壤。

參見
氮族元素
铋酸钠

参考资料

延伸閱讀

外部連結

氮族元素
 
B
6c
6c
重金屬
热缩冷胀材料
炼金术物质