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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，原子序數為83，相對原子質量為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
83
原子質量
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
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
氧化態(tài)
3,+3,+5
電負性
2.02（鮑林標度）
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)現歷史
發(fā)現過程
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，鉍的數據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。早在中世紀時期，鉍就已經被大家所知曉了。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。但由于早期的化學家獲得的樣本不純，人們對它的基本性質了解得并不完全。后來，隨著瑞典化學家和博物學家托貝恩·奧洛夫·貝格曼（Torbern Olof Bergman）的研究，鉍的性質等才得到了辨別，他調查了鉍的特性，確定了它的反應，并首次準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，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，鉍仍然被科學家們誤認為是鉛、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，美國地質調查局曾對全球鉍資源儲量進行了一系列調查。所公布的調查報告顯示，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%。
在鉍的供應方面，全球鉍供應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，且隨著近年來科學家們對于鉍的應用的進一步探索，鉍在不同領域的應用日益廣泛，在不久的將來，鉍礦的供應和加工勢必呈現出更加大的需求量。
理化性質
物理性質
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，當鉍的純度不夠大的時候，則鉍會變脆。其晶體結構具有菱形六面體的布拉菲格子。
化學性質
在元素周期表中，鉍元素屬于ⅤA族，其價層電子的構型是ns2np3，是該族中金屬性最強的元素，也是元素周期表中質量最大的穩(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)，此時鉍元素呈現出氧化性。
與鹵素反應：
與硫反應：
與熱的濃硫酸反應：
與濃硝酸反應：
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
當原料的含鉍量大于15%或者用于工藝產出時，首先采用火法粗煉工藝對原料進行處理。在精煉之前，一般也必須經過粗煉對礦物進行提純。根據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%，且已經脫除粗鉍中的銅、碲、鉛等雜質元素。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，其主要反應為：
該方法的工藝成熟，鉍產率高，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，同時陽極發(fā)生鐵的氧化反應，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，提高產品質量，濾渣的過濾、洗滌等相關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，部分單質硫會進一步和氯氣發(fā)生氧化還原反應，生成硫酸根；該反應中，氯氣的污染和腐蝕問題也比較嚴重，對于設備的密封性要求更高，在經濟學方面不占優(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。但由于反應需要的浸出溫度高，元素硫的氧化嚴重，雜質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，產生電解池，使雜質脫除，提升鉍含量。經過電解后鉍回收量一般不小于99%。需要注意的是電解時應配置酸性氣體收集裝置，以免冶煉過程中產生的有害氣體對環(huán)境造成污染。
應用領域
珠寶行業(yè)
鉍晶體呈現出色彩斑斕的階梯狀，具有極高的欣賞價值。經過氧化處理后，鉍晶體在充足光照下會呈現出華麗的虹色。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，鉍元素相關的化合物在進入人體之后非常容易代謝，經過人體腎臟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，金屬鉍的生物學活性主要可以在三個方面得到有效體現：抗腫瘤活性、潰瘍修復作用和抗菌活性。
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、轉換發(fā)光成像等多種成像技術方面，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)領域中，鉍元素的應用范圍極其廣泛，主要運用于生產工業(yè)顏料、催化劑等化工產品。
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)領域。鉍也是制造鉍系高溫超導材料的重要原料。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
由于鉍的低毒性，在短期內使用鉍劑，對于身體健康的影響不大。相關實驗表明，服用常規(guī)劑量的相關藥品、且嚴格遵循療程要求而進行鉍劑的服用，鉍劑在患者體內的含量低，出現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，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存積而導致的潛在風險。
防護措施
鉍劑在短期內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，如果出現任何身體上的不良反應，應立即停藥，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，鉍劑在臟器內的積累將可能導致肝、腎組織產生病理性損傷。相關研究證明，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，應盡可能避免與抑酸藥合用。
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