鉍(金屬元素)

鉍，是一種金屬元素，元素符號為Bi，原子序數為83，位於元素周期表第六周期V A族。單質為銀白色至粉紅色的金屬，質脆易粉碎。鉍的化學性質較穩定。鉍在自然界中以游離金屬和礦物的形式存在。

以前鉍被認為是相對原子質量最大的穩定元素，但在2003年，發現了鉍有極其微弱的放射性，會發生α衰變緩慢變為鉈，同時測定了它的半衰期長達1.9×10年。這意味著或許在人類滅亡之前，鉍也不會發生太明顯的衰變。

基本介紹

• 中文名：鉍
• 外文名：Bismuth
• CAS登錄號：7440-69-9
• EINECS登錄號：231-177-4
• 熔點：271.5 ℃
• 沸點：1564 ℃
• 密度：9.78 g/cm
• 外觀：銀白色至粉紅色的金屬
• 安全性描述：S16；S45；S36/37/39；S26
• 危險性符號：R11
• UN危險貨物編號：3264
• 元素符號：Bi
• 原子量：208.98
• 原子序數：83
• 元素類別：金屬元素
• 周期：第六周期
• 族：V A
• 電子排布：[Xe] 4f 5d 6s 6p
• 電負性：2.02（鮑林標度）

發展簡史

15世紀時已知，1737年由埃洛（J.Hellot）和日夫魯瓦（C.J.Geoffroy）製得鉍。

熔化鉍

古希臘和羅馬就使用金屬鉍，用作盒和箱的底座。但直到1556年德意志G.阿格里科拉才在《論金屬》一書中提出了銻和鉍是兩種獨立金屬的見解。1737年赫羅特（Hellot）用火法分析鈷礦時曾獲得一小塊樣品，但不知何物。1753年英國C.若弗魯瓦和T.伯格曼確認鉍是一種化學元素，定名為bismuth。1757年法國人日夫魯瓦（Geoffroy）經分析研究，確定為新元素。

鉍塊

含量分布

鉍在自然界中以游離金屬和礦物的形式存在。礦物有輝鉍礦、鉍華等。金屬鉍由礦物經煅燒後成三氧化二鉍，再與碳共熱還原而獲得，可用火法精煉和電解精煉製得高純鉍。

取出晶體

鉍在地殼中的含量不大，為2×10%，自然界中鉍以單質和化合物兩種狀態存在，主要礦物有輝鉍礦（Bi₂S₃）、泡鉍礦（Bi₂O₃）、菱鉍礦（nBi₂O₃·mCO₂·H₂O）、銅鉍礦（3Cu₂S·4Bi₂S₃）、方鉛鉍礦（2PbS·Bi₂S）。

鉍在自然界中有硫化物的輝鉍礦（Bi₂S₃）和氧化物氧化鉍（Bi₂O₃），或稱鉍黃土，是由輝鉍礦和其他含鉍的硫化物氧化後形成的。由於鉍的熔點低，因此用炭等可以將它從它的天然礦石中還原出來。所以鉍早被古代人們取得，但由於鉍性脆而硬，缺乏延展性，因而古代人們得到它後，沒有找到它的套用，只是把它留在合金中。

據美國地質調查局資料顯示，全球鉍金屬儲量33萬噸，略低於白銀的40萬噸。中國鉍資源儲量居世界首位，中國已有鉍礦70多處，鉍金屬儲量在1萬噸以上的大中型礦區有6處，儲量占全國總儲量的78%，其中5萬噸以上金屬儲量的大型礦區2處，儲量占全國總儲量的66%。中國鉍資源分布在13個省市自治區，其中儲量最大的是湖南、廣東和江西，這三個省的儲量占全國總儲量的85%左右；其次分布在雲南、內蒙古、福建、廣西和甘肅等省。其中，湖南省郴州市金船塘礦區勘探儲量累計估算錫鉍資源量82萬噸（包括鉍10萬噸）、潛在經濟價值70億人民幣，使中國成為世界鉍的絕對優勢國家，勘查成果使金船塘礦一躍成為世界最大鉍礦床。

世界主要產鉍國分別為中國、墨西哥、秘魯、日本、澳大利亞、哈薩克斯坦、加拿大以及玻利維亞等。全球鉍年產量預計在15000噸左右，其中中國的產量超過10000噸，占70%以上，墨西哥大約8%，比利時5%左右。由於受資源和環保因素的影響，鉍產量在不斷下降，日本和美國等國家由於成本和環保的要求，鉍產量也在逐年減少。2010年全球金屬鉍產量預計接近16,000噸，其中中國的產量超過12000噸，墨西哥大約1200噸，比利時800噸，秘魯650噸，日本400噸。

同族的銻，Bi的顏色對比

理化性質

物理性質

純鉍是柔軟的金屬，不純時性脆。常溫下穩定。主要礦石為輝鉍礦（Bi₂S₃）和赭鉍石（Bi₂O₃）。液態鉍凝固時有膨脹現象。

澆注熔融鉍

性脆，導電和導熱性都較差。鉍的硒化物和碲化物具有半導體性質。

鉍晶體

金屬鉍為有銀白色（粉紅色）到淡黃色光澤的金屬，質脆易粉碎；室溫下，鉍不與氧氣或水反應，在空氣中穩定。.導電導熱性差；以前鉍被認為是相對原子質量最大的穩定元素，但在2003年，發現了鉍微弱的放射性，可經α衰變變為鉈-205。其半衰期為1.9X10年左右，達到宇宙年齡的10億倍。

化學性質

加熱到熔點以上時能燃燒，發出淡藍色的火焰，生成三氧化二鉍，鉍在紅熱時也可與硫、鹵素化合。鉍不溶於水，不溶於非氧化性的酸（如鹽酸）即使濃硫酸和濃鹽酸，也只是在供熱時才稍有反應，但能溶於王水和濃硝酸。其中+5價化合物NaBiO₃（鉍酸鈉）是強氧化劑。

鉍

製備方法

工藝原理及流程：

高品位鉍精礦的處理，大部分採用火法反射爐熔煉，鉍精礦和還原劑煤粉、置換劑鐵屑、組溶劑純鹼等配料混合，加入反射爐混合熔煉，產出爐渣、冰銅和粗鉍，粗鉍經過精煉生產出精鉍。中國開始致力於鉍礦濕法冶金新工藝的研究。用FeCl₃作浸出劑，在酸性氯化物體系中浸出鉍，使礦物中的鉍呈鉍氯配合物的形態進入溶液，用鐵粉置換產出海綿鉍，經過火法精煉生產精鉍，首先在雲錫第三冶煉廠建成濕法車間，處理錫鉍混合精礦。

工藝流程圖

二十一世紀後，中國的許多科研單位根據鉍礦的不同組成和原料差異，圍繞降低作業成該，解決環境污染、FeCl₃的再生和溶液中的有價金屬的富集問題，研究了許多濕法冶金流程。

主要試劑和儀器

鹽酸（工業純），FeCl₃（化學純）。電動攪拌器，721可見分光光度計，pH計。浸出劑由工業鹽酸、FeCl₃、蒸餾水按一定比例配製而成；鉍礦在研缽中研磨30min，浸出在500mL燒杯中進行；攪拌器為常規的電動攪拌。

實驗儀器裝置圖

浸出工藝原理

在鹽酸溶液中，三氯化鐵可將鉍礦中輝鉍礦的硫元素氧化，使Bi轉入溶液，硫元素轉變為單質硫。加入鹽酸，既可提高鉍的浸出率，又可防止溶液中三氯化鉍的水解。浸出液中加入鉍礦還原，使溶液中殘留的三氯化鐵還原為二價，浸出液中加入鐵粉置換生成海綿鉍。置換後的溶液通入氯氣氧化再生。

工藝流程

稱量20g鉍礦在研缽中研磨30min，裝入500mL燒杯中，將配製好的浸出劑按液固體積比為3:1直接加入燒杯中，用攪拌器攪拌，一定時間後過濾，濾渣用1.5mol/L鹽酸溶液洗滌2～3次，取1mL浸出液配製成250mL溶液，測定Bi濃度。其餘濾液加入一定量的鐵粉進行置換沉澱製成海綿鉍，濾渣在100°C溫度下烘乾，測定其中鉍的含量。其餘尾礦用清水洗至中性，轉入銅鉬分選工序。部分廢水用石灰中和後排放。

工藝流程如圖。

主要套用

工業用途

鉍主要用於製造易熔合金，熔點範圍是47～262℃，最常用的是鉍同鉛、錫、銻、銦等金屬組成的合金，用於消防裝置、自動噴水器、鍋爐的安全塞，一旦發生火災時，一些水管的活塞會“自動”熔化，噴出水來。在消防和電氣工業上，用作自動滅火系統和電器保險絲、焊錫。鉍合金具有凝固時不收縮的特性，用於鑄造印刷鉛字和高精度鑄型。碳酸氧鉍和硝酸氧鉍用於治療皮膚損傷和腸胃病。

倒出多餘的鉍

用於制低熔合金，在消防和電氣安全裝置上有特殊的重要性。

在分析化學中用於檢測Mn。鉍可制低熔點合金，用於自動關閉器或活字合金中。

生理功能

鉍屬微毒類。大多數化合物、特別是鹽基性鹽類，在消化道中難吸收。不溶於水，僅稍溶於組織液。不能經完整皮膚黏膜吸收。鉍吸收後分布於身體各處，以腎最多，肝次之。大部分貯存在體內的鉍，在數周以至數月內由尿排出。

鉍在體內的代謝與鉛相似。在鉛中毒時，組織可將積存的鉍釋放。鉍與鉛可互相影響。在體內，鉍化合物能形成不易溶於水和稀酸的硫化鉍，沉澱在組織中或栓塞在毛細血管中，發生局部潰瘍，甚至壞死。硝酸鉍在腸道內細菌的作用下，可還原為亞硝酸鉍，吸收後引起高鐵血紅蛋白血症。嚴重慢性中毒時，由於鉍多存在於腎臟，可出現嚴重腎炎，其中以腎小管上皮細胞的損害最重，肝亦可累及。反覆經口或經其他途徑慢性中毒患者可出現“鉍線”。

未見吸入鉍及其化合物引起的職業中毒。慢性中毒主要由含可溶性鉍鹽的藥物所引起。靜脈注射或肌肉注射可溶性鉍鹽，曾有引起死亡的報導。

皮膚有損傷者要避免直接接觸可溶性鉍鹽。二巰基丙磺酸鈉等可作解毒劑。

原料套用

1.冶金添加劑

鋼中加入微量鉍，可改善鋼的加工性能，可鍛鑄鐵加入微量鉍，能使可鍛鑄鐵具備類似不鏽鋼的性能。

Cu-Bi多元合金可以取代飲水管件上用的含鉛銅合金，成本相差不大，可解決自來水鉛污染問題。

CuSn₃Zn₈Bi_2-7，合金以鉍代替鉛可獲得相同類似的複合材料，達到類似的鑄造、機械和加工性能。

在鋁、鎂和青銅中加入鉍，可改善機械加工性能和耐磨性能。

2.鉍基低熔點易熔合金

易熔合金的熔點一般在38~230℃，在熔點下不易受溫度和壓力的影響而發生變化。英國研究出一種無鉛錫合金焊料，其成分Sn＞82、Zn6.0~4.5、In約3.5、Bi約1.0。合金無毒性，適合作易於過熱受損電晶體組裝電路板焊接用。

鉍鋁配製的合金作彎曲薄壁管的填充料，能保持管內壁平滑光潔，且填料可多次反覆使用。

鉍錫合金配製的合金製作模具，用作金屬薄板材的冷衝壓成型，不低於鋼模的溫度，而且成型快，更新快，合金可多次返回使用。

鉍與鋁、錫、鎘、銦組成的一系列低熔點合金，製作電器、保險器，自動裝置訊號器等。用鉍錫合金子彈代替鉛彈。

3.醫藥治療

鉍化合物具有收斂、止瀉、治療胃腸消化不良症，次碳酸鉍和次硝酸鉍，次橡膠酸鉍鉀用於製造胃藥，外科利用鉍藥的收斂作用來處理創傷和止血，在放射治療中，用鉍基合金代替鋁為患者防止身體其他部位受到輻射製造護板，隨著鉍類藥物的發展，現已發現某些鉍類藥物具有抗癌作用。

4.鉍在阻燃劑方面的套用

在阻燃劑的添加劑中，Bi₂O₃的效果比Sb₂O₃更好，而且安全無毒，燃燒時發生的煙氣致死性極小，同時不影響阻燃製品的穩定性。

5.鉍在化工中的套用

鉍黃顏料是釩酸鉍和鉬酸鉍的混合體。用於取代鉛、鎘等顏料具有雙晶面的黃色顏料，具有更好的表面抗化學腐蝕性，而且黏合力較強，色澤光亮，又不易脫落褪色，用於黃色汽車外殼最後一道工序的噴漆，黃色工業塗料，電氣線圈用材的塗料，及橡膠、塑膠製品印刷油墨的著色。

鉍鹽在生產人造纖維製品的一種原料丙烯腈時，需要大量鉍鹽作催化劑。

氧化鉍，2005年日本計畫用鉍代替鉛，用於生產汽車玻璃，這種玻璃含鉛10%，生產商將用鉍取代這部分鉛，生產環保無鉛玻璃。化學試劑、鉍鹽、高折光率玻璃，核工業玻璃和核反應堆燃料。

氫氧化鉍用在塑膠中作添加劑，使產品煥發美麗的珍珠光澤，還可用於製造無鉛顏料和化妝品。

氯化鉍用於還原燃料性的柏油、雜酚油和非幹性油。

6.電子陶瓷

含鉍的電子陶瓷如鍺酸鉍晶體，是一種新型閃爍晶體，用於核輻射探測器，x射線層面掃瞄器、電光、壓電雷射等器件製造;鉍鈣釩(石榴型鐵氧體是重要的微波旋磁材料和磁包材料)、摻氧化鉍的氧化鋅壓敏電阻，含鉍的邊界層高頻陶瓷電容器，錫鉍永磁體，鈦酸鉍陶瓷和粉末、矽酸鉍晶體，含鉍易熔玻璃等10多種材料也均開始在工業上套用。

7.半導體

用高純鉍與碲、硒、銻等組合、拉晶的半導體元件，用於溫差電偶，低溫溫差發電和溫差製冷。用於裝配空調器和電冰櫃。用人工硫化鉍可製造光電動設備中的光電阻，增大可見光譜區域的靈敏度。

8.核工業

高純鉍(99.999%Bi)用於核工業堆中作載熱體或冷卻劑，用於防護原子裂變裝置材料。

國家標準

國家推薦標準：《鉍》（GB/T 915-2010）替代GB/T 915-1995，2011年11月1日生效。