El bismuto es un elemento químico ; tiene símbolo Bi y número atómico 83. Es un metal de post-transición y uno de los pnictógenos , con propiedades químicas que se asemejan a sus hermanos más ligeros del grupo 15, el arsénico y el antimonio . El bismuto elemental se produce de forma natural y sus formas de sulfuro y óxido son minerales comerciales importantes . El elemento libre es 86% más denso que el plomo . Es un metal quebradizo de color blanco plateado cuando está recién producido. La oxidación de la superficie generalmente da a las muestras del metal un tono algo rosado. Una mayor oxidación bajo calor puede darle al bismuto una apariencia vívidamente iridiscente debido a la interferencia de la película delgada . El bismuto es a la vez el elemento más diamagnético y uno de los metales menos conductores térmicamente conocidos.
Durante mucho tiempo se consideró que el bismuto era el elemento con mayor masa atómica cuyos núcleos no se desintegraban espontáneamente. Sin embargo, en 2003 se descubrió que era extremadamente débilmente radiactivo . El único isótopo primordial del metal , el bismuto-209 , sufre desintegración alfa con una vida media de aproximadamente mil millones de veces la edad estimada del universo . [7] [8]
El bismuto metálico se conoce desde la antigüedad. Antes de los métodos analíticos modernos, las similitudes metalúrgicas del bismuto con el plomo y el estaño a menudo llevaban a confundirlo con esos metales. La etimología de "bismuto" es incierta. El nombre puede provenir de traducciones neolatinas de mediados del siglo XVI de las palabras alemanas weiße Masse o Wismuth , que significan "masa blanca", que se tradujeron como bisemutum o bisemutium .
Los compuestos de bismuto representan aproximadamente la mitad de la producción mundial de bismuto. Se utilizan en cosmética; pigmentos ; y algunos productos farmacéuticos, en particular el subsalicilato de bismuto , utilizados para tratar la diarrea . [8] La inusual propensión del bismuto a expandirse a medida que se solidifica es responsable de algunos de sus usos, como en la fundición de tipos de imprenta. [8] El bismuto, en su forma elemental, tiene una toxicidad inusualmente baja para un metal pesado . [8] A medida que la toxicidad del plomo y el costo de su remediación ambiental se hicieron más evidentes durante el siglo XX , las aleaciones de bismuto adecuadas han ganado popularidad como sustitutos del plomo. En la actualidad, alrededor de un tercio de la producción mundial de bismuto se dedica a necesidades que antes se cubrían con plomo.
El bismuto metálico se conoce desde la antigüedad y fue uno de los 10 primeros metales descubiertos. El nombre bismuto data alrededor de 1665 y es de etimología incierta. El nombre posiblemente proviene del obsoleto alemán Bismuth , Wismut , Wissmuth (principios del siglo XVI), quizás relacionado con el antiguo alto alemán hwiz ("blanco"). [9] El bisemutium neolatino (acuñado por Georgius Agricola , quien latinizó muchas palabras técnicas y mineras alemanas) proviene del alemán Wismuth , quizás de weiße Masse , que significa "masa blanca". [10] [11]
El elemento se confundió en los primeros tiempos con el estaño y el plomo debido a su parecido con esos elementos. Debido a que el bismuto se conoce desde la antigüedad, no se le atribuye su descubrimiento a ninguna persona. Agricola (1546) afirma que el bismuto es un metal distinto de una familia de metales que incluye el estaño y el plomo. Esto se basó en la observación de los metales y sus propiedades físicas. [12]
Los mineros de la era de la alquimia también dieron al bismuto el nombre de tectum argenti , o "plata en proceso", en el sentido de plata todavía en proceso de formación dentro de la Tierra. [13] [14] [15]
Los incas también conocían el bismuto y lo utilizaban (junto con el cobre y el estaño habituales) en una aleación especial de bronce para cuchillos. [dieciséis]
A partir de Johann Heinrich Pott en 1738, [17] Carl Wilhelm Scheele y Torbern Olof Bergman , la distinción entre plomo y bismuto quedó clara, y Claude François Geoffroy demostró en 1753 que este metal es distinto del plomo y el estaño. [14] [18] [19]
El bismuto es un metal quebradizo con un tono rosado plateado oscuro, a menudo con un deslustre de óxido iridiscente que muestra muchos colores, desde el amarillo hasta el azul. La estructura en espiral y escalonada de los cristales de bismuto es el resultado de una mayor tasa de crecimiento alrededor de los bordes exteriores que en los bordes interiores. Las variaciones en el espesor de la capa de óxido que se forma en la superficie del cristal hacen que diferentes longitudes de onda de luz interfieran en la reflexión, mostrando así un arco iris de colores. Cuando se quema en oxígeno , el bismuto arde con una llama azul y su óxido forma vapores amarillos . [18] Su toxicidad es mucho menor que la de sus vecinos de la tabla periódica , como el plomo y el antimonio . [20]
No se ha comprobado que ningún otro metal sea más diamagnético por naturaleza que el bismuto. [18] [21] ( El superdiamagnetismo es un fenómeno físico diferente). De cualquier metal, tiene uno de los valores más bajos de conductividad térmica (después del manganeso , neptunio y plutonio ) y el coeficiente Hall más alto . [22] Tiene una alta resistividad eléctrica . [18] Cuando se deposita en capas suficientemente delgadas sobre un sustrato, el bismuto es un semiconductor , a pesar de ser un metal de post-transición . [23] El bismuto elemental es más denso en la fase líquida que en la sólida, característica que comparte con el germanio , el silicio , el galio y el agua . [24] El bismuto se expande un 3,32% al solidificarse; por lo tanto, fue durante mucho tiempo un componente de aleaciones tipográficas de bajo punto de fusión , donde compensaba la contracción de los otros componentes de la aleación [18] [25] [26] [27] para formar aleaciones eutécticas de bismuto-plomo casi isostáticas .
Aunque prácticamente no se ve en la naturaleza, el bismuto de alta pureza puede formar cristales de tolva coloridos y distintivos . Es relativamente no tóxico y tiene un punto de fusión bajo, justo por encima de 271 °C, por lo que los cristales se pueden cultivar usando una estufa doméstica, aunque los cristales resultantes tenderán a ser de menor calidad que los cristales cultivados en laboratorio. [28]
En condiciones ambientales, el bismuto comparte la misma estructura en capas que las formas metálicas de arsénico y antimonio , [29] cristalizando en la red romboédrica [30] ( símbolo de Pearson hR6, grupo espacial R 3 m No. 166) del sistema cristalino trigonal. [4] Cuando se comprime a temperatura ambiente, esta estructura Bi-I cambia primero a la Bi-II monoclínica a 2,55 GPa, luego a la Bi-III tetragonal a 2,7 GPa y, finalmente, a la Bi-V cúbica centrada en el cuerpo a 7,7 GPa. GPa. Las transiciones correspondientes pueden controlarse mediante cambios en la conductividad eléctrica; son bastante reproducibles y abruptos y, por tanto, se utilizan para la calibración de equipos de alta presión. [31] [32]
El bismuto es estable tanto en el aire seco como en el húmedo a temperaturas normales. Cuando está al rojo vivo, reacciona con el agua para formar óxido de bismuto (III). [33]
Reacciona con flúor para producir fluoruro de bismuto (V) a 500 °C o fluoruro de bismuto (III) a temperaturas más bajas (normalmente a partir de Bi fundidos); con otros halógenos sólo produce haluros de bismuto(III). [34] [35] [36] Los trihaluros son corrosivos y reaccionan fácilmente con la humedad, formando oxihaluros con la fórmula BiOX. [37]
El bismuto se disuelve en ácido sulfúrico concentrado para producir sulfato de bismuto (III) y dióxido de azufre . [33]
Reacciona con ácido nítrico para producir nitrato de bismuto (III) (que se descompone en dióxido de nitrógeno cuando se calienta [38] ). [39]
También se disuelve en ácido clorhídrico , pero sólo en presencia de oxígeno. [33]
El único isótopo primordial del bismuto, el bismuto-209 , se consideraba tradicionalmente como el isótopo estable más pesado, pero durante mucho tiempo se sospechaba [40] que era inestable por motivos teóricos. Esto quedó finalmente demostrado en 2003, cuando investigadores del Institut d'Astrophysique Spatiale de Orsay , Francia, midieron la vida media de emisión alfa de209
Bi
ser2,01 × 10 19 años (3 Bq / M g ), [41] [42] más de mil millones de veces más que la edad estimada actual del universo . [8] Debido a su vida media extraordinariamente larga, para todas las aplicaciones médicas e industriales actualmente conocidas, el bismuto puede tratarse como si fuera estable y no radiactivo. La radiactividad es de interés académico porque el bismuto es uno de los pocos elementos cuya radiactividad se sospechó y se predijo teóricamente antes de ser detectada en el laboratorio. [8] El bismuto tiene la vida media de desintegración alfa más larga conocida, aunque el telurio-128 tiene una vida media de desintegración beta doble de más de2,2 × 10 24 años . [42] La vida media extremadamente larga del bismuto significa que menos de aproximadamente una milmillonésima parte del bismuto presente en la formación del planeta Tierra se habría descompuesto en talio desde entonces.
Seis isótopos de bismuto con vidas medias cortas (210 a 215 inclusive) se encuentran dentro de las cadenas de desintegración radiactiva natural del actinio , radio , torio y neptunio , y se han sintetizado más experimentalmente. (Aunque todo el 237 Np primordial se descompuso hace mucho tiempo, se regenera continuamente mediante reacciones de eliminación (n,2n) en el 238 U natural.) [43] [44]
Comercialmente, el isótopo radiactivo bismuto-213 se puede producir bombardeando radio con fotones bremsstrahlung de un acelerador lineal de partículas . En 1997, se utilizó un anticuerpo conjugado con bismuto-213, que tiene una vida media de 45 minutos y se desintegra con la emisión de una partícula alfa, para tratar a pacientes con leucemia. Este isótopo también se ha probado en el tratamiento del cáncer, por ejemplo, en el programa de terapia alfa dirigida (TAT). [45] [46]
_oxide_2.jpg/1280px-Bismuth(III)_oxide_2.jpg)
Químicamente, el bismuto se parece al arsénico y al antimonio , pero es mucho menos tóxico. [20] En casi todos los compuestos conocidos, el bismuto tiene un estado de oxidación +3; algunos tienen estados +5 o -3.
Tanto el trióxido [24] [47] como el trisulfuro se pueden obtener a partir de los elementos, [48] [35] aunque el trióxido es extremadamente corrosivo a altas temperaturas. [36] El pentóxido no es estable a temperatura ambiente y desprenderá O2gas si se calienta. [49] Ambos óxidos forman aniones complejos , [50] [51] y NaBiO 3 es un agente oxidante fuerte. [51] El trisulfuro es común en el mineral de bismuto . [48]
De manera similar, el bismuto forma todos los trihaluros posibles, pero el único pentahaluro es el BiF 5 . Todos son ácidos de Lewis . [33] El bismuto forma varios haluros formalmente Bi I ; Se trata de sales complejas con cationes y aniones poliatómicos de estructura inusual. [50] [52]
En solución acuosa fuertemente ácida , el Bi3+
solvatos de iones para formar Bi (H
2Oh)3+
8. [53] A medida que aumenta el pH, los cationes se polimerizan hasta que el complejo octaédrico de bismutilo[ bi
6oh
4(OH)
4]6+
, [54] a menudo abreviado BiO + . Aunque el oxicloruro de bismuto y el oxinitrato de bismuto tienen estequiometrías que sugieren el ion, en cambio son sales dobles . [55] El nitrato de bismuto (no el oxinitrato ) es famoso por ser una de las pocas sales de nitrato insolubles en agua .
El bismuto forma muy pocos bismutos estables , compuestos intermetálicos en los que alcanza el estado de oxidación -3. [56] [ fuente autoeditada? ] [57] El hidruro se descompone espontáneamente a temperatura ambiente y se estabiliza sólo por debajo de -60 °C. [50] El bismuto de sodio tiene interés como aislante topológico de Dirac . [58] [59]
En la corteza terrestre, el bismuto es aproximadamente el doble que el oro . Los minerales de bismuto más importantes son la bismutinita y la bismita . [18] El bismuto nativo se conoce en Australia, Bolivia y China. [60] [61]
Según el Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS), en 2016 se produjeron en todo el mundo 10.200 toneladas de bismuto mediante minería y 17.100 toneladas mediante refinación. Desde entonces, el USGS no proporciona datos de extracción de bismuto por considerarlos poco fiables. A nivel mundial, el bismuto se produce principalmente mediante refinación, como subproducto de la extracción de otros metales como plomo, cobre , estaño , molibdeno y tungsteno , aunque la proporción entre refinación y extracción depende del país. [63] [64] [65] [66]
El bismuto viaja en lingotes de plomo crudo (que pueden contener hasta un 10% de bismuto) a través de varias etapas de refinación, hasta que es eliminado mediante el proceso Kroll-Betterton que separa las impurezas en forma de escoria, o el proceso electrolítico de Betts . El bismuto se comportará de forma similar con otro de sus principales metales, el cobre. [64] El bismuto metálico en bruto obtenido de ambos procesos todavía contiene cantidades considerables de otros metales, sobre todo plomo. Al hacer reaccionar la mezcla fundida con cloro gaseoso, los metales se convierten en sus cloruros mientras que el bismuto permanece sin cambios. Las impurezas también se pueden eliminar mediante otros métodos, por ejemplo con fundentes y tratamientos que producen bismuto metálico de alta pureza (más del 99 % de Bi). [67]
El precio del bismuto metálico puro se ha mantenido relativamente estable durante la mayor parte del siglo XX, excepto por un pico en la década de 1970. El bismuto siempre se ha producido principalmente como subproducto del refinado del plomo y, por tanto, el precio suele reflejar el coste de recuperación y el equilibrio entre producción y demanda. [68]
Antes de la Segunda Guerra Mundial, la demanda de bismuto era pequeña y principalmente farmacéutica: los compuestos de bismuto se utilizaban para tratar afecciones como trastornos digestivos, enfermedades de transmisión sexual y quemaduras. Se consumieron cantidades menores de bismuto metálico en aleaciones fusibles para sistemas de rociadores contra incendios y cables fusibles . Durante la Segunda Guerra Mundial el bismuto fue considerado un material estratégico , utilizado para soldaduras, aleaciones fusibles, medicamentos e investigaciones atómicas. Para estabilizar el mercado, los productores fijaron el precio en 1,25 dólares por libra (2,75 dólares/kg) durante la guerra y en 2,25 dólares por libra (4,96 dólares/kg) desde 1950 hasta 1964. [68]
A principios de la década de 1970, el precio aumentó rápidamente como resultado de la creciente demanda de bismuto como aditivo metalúrgico para el aluminio, el hierro y el acero. A esto le siguió una disminución debido al aumento de la producción mundial, la estabilización del consumo y las recesiones de 1980 y 1981-1982. En 1984, el precio comenzó a subir a medida que aumentaba el consumo en todo el mundo, especialmente en Estados Unidos y Japón. A principios de la década de 1990, comenzaron las investigaciones sobre la evaluación del bismuto como sustituto no tóxico del plomo en esmaltes cerámicos, plomos para pesca, equipos de procesamiento de alimentos, latón de fácil mecanizado para aplicaciones de plomería, grasas lubricantes y perdigones para la caza de aves acuáticas . [69] El crecimiento en estas áreas siguió siendo lento a mediados de la década de 1990, a pesar del respaldo del gobierno federal de los Estados Unidos al reemplazo del plomo, pero se intensificó alrededor de 2005. Esto resultó en un aumento rápido y continuo del precio. [68]
La mayor parte del bismuto se produce como subproducto de otros procesos de extracción de metales, incluida la fundición de plomo, y también de tungsteno y cobre. Su sostenibilidad depende de un mayor reciclaje, lo cual es problemático. [70]
Alguna vez se creyó que el bismuto podía prácticamente reciclarse de las uniones soldadas de los equipos electrónicos. Las recientes eficiencias en la aplicación de soldadura en electrónica significan que hay sustancialmente menos soldadura depositada y, por lo tanto, menos para reciclar. Si bien la recuperación de la plata de una soldadura que contiene plata puede seguir siendo económica, la recuperación del bismuto lo es sustancialmente menos. [71]
El bismuto disperso se utiliza en ciertos medicamentos para el estómago ( subsalicilato de bismuto ), pinturas ( vanadato de bismuto ), cosméticos nacarados ( oxicloruro de bismuto ) y balas que contienen bismuto. Reciclar bismuto procedente de estos usos no es práctico. [67]
El bismuto tiene pocas aplicaciones comerciales y aquellas aplicaciones que lo utilizan generalmente requieren pequeñas cantidades en comparación con otras materias primas. En Estados Unidos, por ejemplo, en 2016 se consumieron 733 toneladas de bismuto, de las cuales el 70% se destinó a productos químicos (incluidos productos farmacéuticos, pigmentos y cosméticos) y el 11% a aleaciones de bismuto. [67]
A principios de la década de 1990, los investigadores comenzaron a evaluar el bismuto como un sustituto no tóxico del plomo en diversas aplicaciones. [67]
El bismuto es un ingrediente de algunos productos farmacéuticos, [8] aunque el uso de algunas de estas sustancias está disminuyendo. [55]
El oxicloruro de bismuto (BiOCl) se utiliza a veces en cosmética, como pigmento en pinturas para sombras de ojos, lacas para el cabello y esmaltes de uñas. [8] [55] [83] [84] Este compuesto se encuentra como mineral bismoclita y en forma cristalina contiene capas de átomos (ver figura arriba) que refractan la luz cromáticamente, lo que da como resultado una apariencia iridiscente similar al nácar de perla. Se utilizó como cosmético en el antiguo Egipto y en muchos lugares desde entonces. El blanco de bismuto (también "blanco español") puede referirse ya sea al oxicloruro de bismuto o al oxinitrato de bismuto (BiONO 3 ), cuando se utiliza como pigmento blanco. [85] El vanadato de bismuto se utiliza como pigmento de pintura no reactivo, estable a la luz (particularmente para pinturas de artistas), a menudo como reemplazo de los pigmentos más tóxicos de sulfuro de cadmio, amarillo y amarillo anaranjado. La variedad más común en las pinturas de los artistas es el amarillo limón, visualmente indistinguible de su alternativa que contiene cadmio. [86]
El bismuto se utiliza en aleaciones con otros metales como el estaño y el plomo. El metal de la madera , una aleación de bismuto, plomo, estaño y cadmio, se utiliza en sistemas de rociadores automáticos para incendios. Forma la mayor parte (50%) del metal de Rose , una aleación fusible , que también contiene entre un 25% y un 28% de plomo y entre un 22% y un 25% de estaño. También se utilizó para fabricar bronce de bismuto que se utilizó en la Edad del Bronce , habiéndose encontrado en cuchillos incas en Machu Picchu . [87]
La diferencia de densidad entre el plomo (11,32 g/cm 3 ) y el bismuto (9,78 g/cm 3 ) es lo suficientemente pequeña como para que, en muchas aplicaciones balísticas y de ponderación, el bismuto pueda sustituir al plomo . Por ejemplo, puede sustituir al plomo como material denso en las plomos de pesca . Se ha utilizado como sustituto del plomo en perdigones , balas y municiones de armas antidisturbios menos letales . Los Países Bajos, Dinamarca, Inglaterra, Gales, Estados Unidos y muchos otros países prohíben ahora el uso de perdigones de plomo para la caza de aves de humedales, ya que muchas aves son propensas al envenenamiento por plomo debido a la ingestión errónea de plomo (en lugar de piedras pequeñas). y arena) para ayudar a la digestión, o incluso prohibir el uso de plomo para toda la caza, como en los Países Bajos. La perdigones de aleación de bismuto y estaño es una alternativa que proporciona un rendimiento balístico similar al del plomo. [67]
El bismuto, como elemento denso de alto peso atómico, se utiliza en escudos de látex impregnados con bismuto para protegerse de los rayos X en exámenes médicos, como las tomografías computarizadas , principalmente porque se considera no tóxico. [88]
La Directiva de restricción de sustancias peligrosas (RoHS) de la Unión Europea para la reducción del plomo ha ampliado el uso del bismuto en la electrónica como componente de soldaduras de bajo punto de fusión, como reemplazo de las soldaduras tradicionales de estaño y plomo. [67] Su baja toxicidad será especialmente importante para las soldaduras que se utilizarán en equipos de procesamiento de alimentos y tuberías de agua de cobre, aunque también se puede utilizar en otras aplicaciones, incluidas las de la industria del automóvil, en la Unión Europea, por ejemplo. [89]
El bismuto ha sido evaluado como un sustituto del plomo en latón de mecanizado libre para aplicaciones de plomería , [90] aunque no iguala el rendimiento de los aceros con plomo. [89]
Muchas aleaciones de bismuto tienen puntos de fusión bajos y se encuentran en aplicaciones especiales como soldaduras . Muchos rociadores automáticos, fusibles eléctricos y dispositivos de seguridad en sistemas de detección y extinción de incendios contienen la aleación eutéctica In 19.1 -Cd 5.3 -Pb 22.6 -Sn 8.3 -Bi 44.7 que se funde a 47 °C (117 °F) [18] . una temperatura conveniente ya que es poco probable que se supere en condiciones de vida normales. Las aleaciones de bajo punto de fusión, como la aleación Bi-Cd-Pb-Sn, que se funde a 70 °C, también se utilizan en las industrias automovilística y aeronáutica. Antes de deformar una pieza metálica de paredes delgadas, se llena con una masa fundida o se cubre con una capa delgada de aleación para reducir la posibilidad de rotura. Luego se retira la aleación sumergiendo la pieza en agua hirviendo. [91]
El bismuto se utiliza para fabricar aceros y aleaciones de aluminio de mecanizado libre para obtener propiedades de mecanizado de precisión. Tiene un efecto similar al plomo y mejora la rotura de viruta durante el mecanizado. La contracción al solidificarse en el plomo y la expansión del bismuto se compensan entre sí y, por lo tanto, el plomo y el bismuto se utilizan a menudo en cantidades similares. [92] [93] De manera similar, las aleaciones que contienen partes comparables de bismuto y plomo exhiben un cambio muy pequeño (del orden del 0,01%) al fundirse, solidificarse o envejecer. Estas aleaciones se utilizan en la fundición de alta precisión, por ejemplo en odontología, para crear modelos y moldes. [91] El bismuto también se utiliza como agente de aleación en la producción de hierros maleables [67] y como material de termopar . [18]
El bismuto también se utiliza en aleaciones fundidas de aluminio y silicio para refinar la morfología del silicio. Sin embargo, indicó un efecto de envenenamiento sobre la modificación del estroncio . [94] [95] Algunas aleaciones de bismuto, como Bi 35 -Pb 37 -Sn 25 , se combinan con materiales antiadherentes como mica , vidrio y esmaltes porque los mojan fácilmente permitiendo realizar uniones con otras piezas. La adición de bismuto al cesio mejora el rendimiento cuántico de los cátodos de cesio. [55] La sinterización de polvos de bismuto y manganeso a 300 °C produce un imán permanente y un material magnetoestrictivo , que se utiliza en generadores y receptores ultrasónicos que funcionan en el rango de 10 a 100 kHz y en dispositivos de memoria magnéticos y holográficos . [96]
La literatura científica indica que algunos de los compuestos de bismuto son menos tóxicos para los humanos por ingestión que otros metales pesados (plomo, arsénico, antimonio, etc.) [8] presumiblemente debido a la solubilidad comparativamente baja de las sales de bismuto. [108] Se informa que su vida media biológica para la retención en todo el cuerpo es de 5 días, pero puede permanecer en el riñón durante años en personas tratadas con compuestos de bismuto. [109]
Puede producirse una intoxicación por bismuto y, según algunos informes, ha sido común en tiempos relativamente recientes. [108] [110] Al igual que con el plomo, el envenenamiento por bismuto puede provocar la formación de un depósito negro en la encía , conocido como línea de bismuto. [111] [112] [113] El envenenamiento se puede tratar con dimercaprol ; sin embargo, la evidencia de beneficio no está clara. [114] [115]
Los impactos ambientales del bismuto no se conocen bien; puede tener menos probabilidades de bioacumularse que otros metales pesados, y ésta es un área de investigación activa. [116] [117]
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace ){{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace )
Este artículo incorpora texto de esta fuente, que es de dominio público : Brown, RD, Jr. "Annual Average Bismuth Price", USGS (1998)
