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鉍
元素周期表中較為穩(wěn)定的金屬元素
鉍（英文名稱：Bismuth），金屬元素，是重金屬的一種，元素符號為Bi，位于元素周期表第六周期ⅤA族，原子序數(shù)為83，相對原子質(zhì)量為208.98。常溫下鉍脆而硬，純鉍為銀白色固體，帶有淡粉色金屬光澤，但易被氧化，會形成超薄氧化層Bi?O?。對于鉍晶體來說，不同波長光照射時，會發(fā)生變色折射，因而表面呈現(xiàn)彩虹色外觀。
基本信息
中文名
鉍
英文名
Bismuth
拼音
bì
元素符號
Bi
原子序數(shù)
83
原子質(zhì)量
208.98
元素類別
金屬元素
族
ⅤA
周期
第六周期
區(qū)
p區(qū)
電子排布
[Xe]4f1? 5d1o 6s2 6p3
CAS編號
7440-69-9
物理性質(zhì)
物態(tài)
固態(tài)
密度
9.78 g/cm3（20℃/4℃）
熔點
271 ℃
沸點
1564±5 ℃（760 mmHg）
汽化熱
178.63 kJ/mol
蒸氣壓
78 mmHg（1266℃）
原子性質(zhì)
氧化態(tài)
3,+3,+5
電負性
2.02（鮑林標(biāo)度）
原子半徑
1.63 ?
在自然界中，鉍主要分布在礦石中，存在形式大多為化合態(tài)，包括氧化物、硫化物以及堿式碳酸鹽。雖然屬于重金屬，但鉍并不致癌，且具有非常低的毒性，其化合物的毒性大多數(shù)也非常低，甚至比食鹽更低。因此，鉍在通常情況下被認為是無毒安全的“綠色”元素，但這并不是完全絕對的，比如當(dāng)藥品中的鉍可溶且長期大量用于兒童時，其存在的危害性是需要引起重視的。
發(fā)現(xiàn)歷史
發(fā)現(xiàn)過程
雖然元素鉍真正被知曉的時間很短，只有幾百年，與周期表上其它穩(wěn)定元素相比，鉍的數(shù)據(jù)庫也許是最不完善的，但實際上，鉍是一種歷史非常悠久的金屬元素。早在中世紀(jì)時期，鉍就已經(jīng)被大家所知曉了。而繼續(xù)回溯歷史，其實在古羅馬和古希臘時，人們就曾經(jīng)將金屬鉍制成盒和箱的底座。在那個時候，雖然人們都在使用鉍，但鉍并沒有作為一種新的元素被單獨提出，而是被錯誤地認為是鉛、錫等其他較為相似的元素，從外觀上看也的確如此。直到1450年，煉金術(shù)師巴希爾·瓦倫丁（Basil Valentine）才給鉍賦予了名字。但由于早期的化學(xué)家獲得的樣本不純，人們對它的基本性質(zhì)了解得并不完全。后來，隨著瑞典化學(xué)家和博物學(xué)家托貝恩·奧洛夫·貝格曼（Torbern Olof Bergman）的研究，鉍的性質(zhì)等才得到了辨別，他調(diào)查了鉍的特性，確定了它的反應(yīng)，并首次準(zhǔn)確地描述了這種金屬。
命名由來
鉍的命名由來是德文中的單詞Wismut，其中文釋義為白色金屬。從外觀上看，鉍是一種銀白色至粉紅色的金屬，因此當(dāng)時，巴希爾·瓦倫丁以“白色金屬”為金屬元素鉍進行命名。16世紀(jì)，其名稱被進行了拉丁語化，自此，鉍的名稱從Wismut變?yōu)閎isemutum。但在此后很長的一段時間之內(nèi)，鉍仍然被科學(xué)家們誤認為是鉛、銻等其他幾種元素，因此長時間沒有得到重視。直到幾百年后，元素鉍才真正地被重新確認，名稱也再次發(fā)生了一些變化，演化成現(xiàn)代元素周期表中的Bismuth。
分布情況
在自然界中，鉍通常以游離金屬和礦物的形式存在。在地殼中，鉍元素的含量較小，約為2×10?? %，屬于稀少元素，豐度僅有0.17×10??（0.17 ppm）。也就是說，其豐度與其他金屬元素相比，接近于銀，僅有鎢豐度的13%。常見的含有鉍元素的礦物有輝鉍礦、銅鉍礦、泡鉍礦等，通常為鉍的化合物。在海洋中，鉍在大多數(shù)情況下也以化合物的形式存在，一般與同族元素一樣，來自巖石風(fēng)化物和廢棄物、有機物腐化分解物、極區(qū)冰川作用、火山和海底熱泉以及大氣沉降等等。也有一些陸地上存在的鉍元素通過河流匯入海洋，并在海洋中儲存下來。
2016年，美國地質(zhì)調(diào)查局曾對全球鉍資源儲量進行了一系列調(diào)查。所公布的調(diào)查報告顯示，截止至2016年，全球鉍金屬的儲存量達到了37萬噸。從地域上看，鉍資源的分布較為集中，主要分布在中國、澳大利亞、秘魯、墨西哥、玻利維亞、美國、加拿大和日本。其中，中國的鉍儲量居于全球第一，為24萬噸，約占世界總量的64.86%。
雖然鉍在全世界屬于稀有的金屬元素，但對于中國來說，卻屬于豐產(chǎn)元素之一。到2006年，中國已有鉍礦70多處，鉍資源主要分布在13個省、市和自治區(qū)。其中，儲量最多的三個省是湖南、廣東和江西，三省的總量占到全國總儲量的85%。
在鉍的供應(yīng)方面，全球鉍供應(yīng)量很大程度上依賴亞洲尤其是中國、越南的鉍礦礦床。美國于2018年將鉍列入到了重要礦物的行列，且隨著近年來科學(xué)家們對于鉍的應(yīng)用的進一步探索，鉍在不同領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，在不久的將來，鉍礦的供應(yīng)和加工勢必呈現(xiàn)出更加大的需求量。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
鉍屬于金屬元素，在整個元素周期表中，其放射性小、穩(wěn)定性好，位于第五主族，與氮、磷、砷、銻屬于同一主族。鉍在地殼中的所占比重約為2×10-5%。對于鉍的同位素來說，只有鉍-209能夠在自然界中穩(wěn)定存在。
鉍屬于稀有金屬，從外觀上看，純鉍為銀白色固體，帶有淡粉色金屬光澤。純鉍是柔軟的金屬，當(dāng)鉍的純度不夠大的時候，則鉍會變脆。其晶體結(jié)構(gòu)具有菱形六面體的布拉菲格子。
鉍的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能都比較差，在物理性質(zhì)方面，鉍又被稱為“最不具金屬性”的金屬。其硒化物和碲化物具有半導(dǎo)體性質(zhì)，也常作為半導(dǎo)體材料出現(xiàn)。
化學(xué)性質(zhì)
在元素周期表中，鉍元素屬于ⅤA族，其價層電子的構(gòu)型是ns2np3，是該族中金屬性最強的元素，也是元素周期表中質(zhì)量最大的穩(wěn)定元素。對于鉍元素來說，其6p軌道上有三個孤對電子，所以鉍元素通常使用3個6p電子成鍵，在最外層中剩余的兩個6s電子作為惰性電子對。因此，鉍的化合價通常為+3。當(dāng)兩個6s電子也脫離鉍原子時，其化合價將成為+5。可以看出，通常情況下鉍元素呈現(xiàn)出還原性。此外，鉍元素也可以通過得到三個電子使最外層達到八電子穩(wěn)定狀態(tài)，此時鉍元素呈現(xiàn)出氧化性。
在一定的條件下，鉍能夠表現(xiàn)出較為活潑的化學(xué)性質(zhì)。如，在強熱條件下，鉍能夠和氧氣反應(yīng)生成氧化鉍。此外，鉍還能夠和氯氣、硫、熱的濃硫酸、濃硝酸等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成對應(yīng)的產(chǎn)物。
與鹵素反應(yīng)：
與硫反應(yīng)：
與熱的濃硫酸反應(yīng)：
與濃硝酸反應(yīng)：
制備方法
火法冶煉
鉍大量地以化合態(tài)的形式（如氧化物、硫化物等）存在于各種鉍礦物中，因此，獲得金屬鉍的最主要、最直接的方法就是對礦物進行冶煉。目前，對于鉍礦的最為常見的冶煉方法為火法冶煉，根據(jù)對于金屬鉍的純度要求，火法冶煉又可以分為粗煉和精煉兩步。
火法粗煉
當(dāng)原料的含鉍量大于15%或者用于工藝產(chǎn)出時，首先采用火法粗煉工藝對原料進行處理。在精煉之前，一般也必須經(jīng)過粗煉對礦物進行提純。根據(jù)處理原料的不同種類、礦物體積大小、形狀（粉末狀或塊狀）、含水量大小等各種因素綜合考慮，粗煉又可以分為反射爐還原熔煉、轉(zhuǎn)爐還原熔煉、反射爐混合熔煉和真空蒸餾粗煉四種。采用不同的熔煉方法對鉍礦進行粗煉之后得到的鉍回收率、熔煉周期也各不相同，在冶煉時應(yīng)考慮到各種因素，找到最佳的、成本最低的冶煉方案進行操作。
火法精煉
對于精煉來說，該操作一般都是在粗煉之后進行的，這是因為進行精煉操作對原料中鉍的含量是有一定的要求的。鉍精煉對于原料的要求是含鉍量約為55%-95%，且已經(jīng)脫除粗鉍中的銅、碲、鉛等雜質(zhì)元素。火法精煉工藝包括除銅、氧化除砷和銻、加堿除碲、氯化除鉛、加鋅除銀或真空蒸餾除銀、氯化除鋅、高溫精煉和鑄型。在進行了精煉之后，最終得到的精鉍產(chǎn)物的回收率不小于95%。
濕法冶煉
鉍常用的濕法冶煉方法主要有以下6種：
三氯化鐵浸出——鐵粉置換法
該方法工藝流程如圖3：
圖3三氯化鐵浸出—鐵粉置換鉍工藝流程
該方法主要經(jīng)過鉍礦的浸出與還原、鐵粉置換沉淀、氯氣氧化再生三氯化鐵、鉍的熔鑄、粗鉍火法精煉、選礦回收鉍浸出渣中的有價金屬6個步驟。在浸出的過程中，其主要反應(yīng)為：
該方法的工藝成熟，鉍產(chǎn)率高，且對環(huán)境污染小。但由于氯離子的存在，廢液排放量大，處理較困難。
三氯化鐵浸出—隔膜電積法
該方法的核心原理在于使用隔膜電積取代三氯化鐵浸出—鐵粉置換法中的鐵粉置換和氯氣再生。通過對電位的控制，讓鉍在陰極發(fā)生還原反應(yīng)，同時陽極發(fā)生鐵的氧化反應(yīng)，從而沉積出鉍金屬。
該方法相比于三氯化鐵浸出—鐵粉置換法，工藝流程簡單，但電流效率低，產(chǎn)率低。
三氯化鐵浸出—水解沉鉍法
鹽酸—亞硝酸浸出法
該方法屬于較新的方法，基本反應(yīng)方程如下：
該方法不足之處在于消耗試劑種類較多。
氯氣選擇性浸出法
該方法采用控制溶液電位的辦法，利用氯氣選擇性地對硫化鉍礦進行浸出，與此同時，抑制雜質(zhì)的浸出。相比于前面的幾種方法，這個方法能夠消除大量鐵離子在流程中的循環(huán)和三價鐵的再生問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量，濾渣的過濾、洗滌等相關(guān)性能也很好地得到了改善。該方法浸出過程中發(fā)生的基本反應(yīng)為：
雖然鉍的浸出率相對較高，但由于氯氣消耗量較大，部分單質(zhì)硫會進一步和氯氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成硫酸根；該反應(yīng)中，氯氣的污染和腐蝕問題也比較嚴重，對于設(shè)備的密封性要求更高，在經(jīng)濟學(xué)方面不占優(yōu)勢。
新氯化水解法
圖4新氯化水解法原則工藝流程
新氯化水解法浸出硫化鉍礦，能夠解決大量鐵在溶液中的循環(huán)和浸出劑的氧化再生問題，且浸出液中有價金屬的濃度相比之下更高。但由于反應(yīng)需要的浸出溫度高，元素硫的氧化嚴重，雜質(zhì)元素的浸出率也非常高，因而對于氧化劑的消耗量也較大，不僅如此，該方法還存在設(shè)備腐蝕、廢液排放量大等問題急需解決。
其他冶煉方法
除火法冶煉和濕法冶煉以外，在鉍金屬精煉階段，還有一種常用的、高效的鉍金屬的精煉方法為電解精煉，這種方法一般采用硅氟酸鹽對原料進行電解精煉。原料經(jīng)過粗煉處理后，若含鉍量要求區(qū)間為80%-90%，含鉛量小于5%，就可以考慮電解精煉。該方法的原理為利用粗鉍作為鉍陽極板，紫銅片或不銹鋼片作為陰極板，產(chǎn)生電解池，使雜質(zhì)脫除，提升鉍含量。經(jīng)過電解后鉍回收量一般不小于99%。需要注意的是電解時應(yīng)配置酸性氣體收集裝置，以免冶煉過程中產(chǎn)生的有害氣體對環(huán)境造成污染。
應(yīng)用領(lǐng)域
珠寶行業(yè)
鉍晶體呈現(xiàn)出色彩斑斕的階梯狀，具有極高的欣賞價值。經(jīng)過氧化處理后，鉍晶體在充足光照下會呈現(xiàn)出華麗的虹色。正是由于其外觀欣賞價值高，因此鉍晶體已逐漸進入珠寶行業(yè)，成為一種的裝飾性商品。
醫(yī)療行業(yè)
由于鉍元素穩(wěn)定性好，鉍元素相關(guān)的化合物在進入人體之后非常容易代謝，經(jīng)過人體腎臟24小時后其代謝率可以達到100%，因此可以作為許多藥物開發(fā)中的一種主要成分。臨床研究表明，金屬鉍的生物學(xué)活性主要可以在三個方面得到有效體現(xiàn)：抗腫瘤活性、潰瘍修復(fù)作用和抗菌活性。
癌癥在歷史上一直都是難以解決的疑難雜癥，死亡率高，難以痊愈。鉍基納米材料對于癌癥診斷的成像可以用在光聲成像、轉(zhuǎn)換發(fā)光成像等多種成像技術(shù)方面，在早期就可以對癌癥進行診斷，且可以檢測疾病進程和狀態(tài)。治療方面，鉍基納米材料能夠廣泛地運用于放射療法、光熱療法等多種治療方案中。
化工行業(yè)
在化工行業(yè)領(lǐng)域中，鉍元素的應(yīng)用范圍極其廣泛，主要運用于生產(chǎn)工業(yè)顏料、催化劑等化工產(chǎn)品。
工業(yè)顏料方面，鉍可以制備鉍黃顏料。其中較為常見的鉍黃顏料一般為釩酸鉍（Bi-V-Mo-O；Bi-V-O）和鉬酸鉍（Bi?MoO?）的混合物。釩酸鉍發(fā)揮的作用是進行發(fā)色，而鉬酸鉍的作用是對顏色進行調(diào)整。。鉍黃顏料擁有鉻黃、鉛黃等顏料的優(yōu)點，且沒有類似于它們的高毒性，一般用于對于各項指標(biāo)要求較高的工藝或者高檔制品的著色上。如：噴涂汽車外殼最后一道工序、噴涂電器線圈所使用的涂料以及工業(yè)顏料等等，在塑料、橡膠等高分子制品的著色、印刷油墨的著色方面自己的一席之地。
催化劑方面，鉍催化劑在有機化工領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。研究表明，鉍及其化合物對于光催化、電催化、光電催化和熱催化等多個方面都具有較高的催化活性。對于丙烯晴和丙烯醛的制備生產(chǎn)而言，鉍-鉬催化劑發(fā)揮著不可代替的作用。
其他行業(yè)
鉍的化合物可以用于精細化工，其金屬形態(tài)可以用于合成易熔合金、合金添加劑、可鍛鑄鐵添加劑等，并且可以用于電子陶瓷、電池等電子工業(yè)領(lǐng)域。鉍也是制造鉍系高溫超導(dǎo)材料的重要原料。此外，鉍在核能的發(fā)展方面，在未來有極大的可能代替鈾，成為新的核能源，這樣一來，能夠大大減小核能源的放射性，更為安全健康。
安全事宜
通常情況下鉍元素的穩(wěn)定性好，安全性高。作為綠色金屬，鉍毒性低，但仍然是人體非必需的有毒元素。對于環(huán)境來說，目前還存在爭議。
健康相關(guān)
由于鉍的低毒性，在短期內(nèi)使用鉍劑，對于身體健康的影響不大。相關(guān)實驗表明，服用常規(guī)劑量的相關(guān)藥品、且嚴格遵循療程要求而進行鉍劑的服用，鉍劑在患者體內(nèi)的含量低，出現(xiàn)毒副作用的可能性是非常小的。但大劑量、長時間食用鉍劑，可能會造成一些不良反應(yīng)，如錐體外系損傷、腎衰竭、口炎、齒齦腫脹等。因此使用鉍劑仍然要注意可能存在的由于體內(nèi)存積而導(dǎo)致的潛在風(fēng)險。
由于鉍劑常作為胃黏膜保護劑使用，且屬于非處方藥，因此許多患者都會出現(xiàn)長期、重復(fù)使用鉍劑的現(xiàn)象，這將增加鉍帶來的不良影響和患病風(fēng)險，可能導(dǎo)致溶酶體破壞等問題。
防護措施
鉍劑在短期內(nèi)對身體造成的影響微乎其微。對于急性鉍中毒以及鉍過敏等鉍帶來的急性健康問題而言，如果出現(xiàn)任何身體上的不良反應(yīng)，應(yīng)立即停藥，并前往專業(yè)的醫(yī)院進行就醫(yī)。鉍中毒的防護重點仍然在于對鉍劑長期使用、日積月累所帶來的不良影響的防護。
對于動物體的臨床實驗研究表明，鉍劑在臟器內(nèi)的積累將可能導(dǎo)致肝、腎組織產(chǎn)生病理性損傷。相關(guān)研究證明，服藥時，使用鉍劑盡量不要超過28天，且兩次密集服用鉍劑的間隔最好大于14天，同時也要控制一次密集服藥的時間不大于28天，部分藥物甚至最好不超過7天，以防鉍在體內(nèi)的大量累積，如有需要可以向醫(yī)生進行咨詢，以進一步進行判斷。此外，研究表明，同時服用鉍劑和抑酸藥，產(chǎn)生不良影響的概率將會大大增加。因此，患者在服用鉍劑時，應(yīng)盡可能避免與抑酸藥合用。
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