Bismuto
Elemento químico con número atómico 83

Elemento químico con número atómico 83 (Bi)
Bismuto,  83 Bi
Bismuto
Pronunciación/ ˈ b ɪ z m ə θ / ​( BIZ -məth )
AparienciaPlata marrón brillante
Peso atómico estándar A r °(Bi)
  • 208.980 40 ± 0.000 01 [1]
  • 208,98 ± 0,01  ( abreviado ) [2]
El bismuto en la tabla periódica
HidrógenoHelio
LitioBerilioBoroCarbónNitrógenoOxígenoFlúorNeón
SodioMagnesioAluminioSilicioFósforoAzufreCloroArgón
PotasioCalcioEscandioTitanioVanadioCromoManganesoHierroCobaltoNíquelCobreZincGalioGermanioArsénicoSelenioBromoCriptón
RubidioEstroncioItrioCirconioNiobioMolibdenoTecnecioRutenioRodioPaladioPlataCadmioIndioEstañoAntimonioTelurioYodoXenón
CesioBarioLantanoCerioPraseodimioNeodimioPrometeoSamarioEuropioGadolinioTerbioDisprosioHolmioErbioTulioIterbioLutecioHafnioTantalioTungstenoRenioOsmioIridioPlatinoOroMercurio (elemento)TalioDirigirBismutoPolonioAstatoRadón
FrancioRadioActinioTorioProtactinioUranioNeptunioPlutonioAmericioCurioBerkelioCalifornioEinstenioFermioMendelevioNobelioLawrenceRutherfordioDubnioSeaborgioBohrioHassioMeitnerioDarmstadtioRoentgenioCopérnicoNihonioFlerovioMoscovioLivermorioTennesseeOganesón
Sb
↑
Bi
↓
Mc
plomo ← bismuto → polonio
Número atómico ( Z )83
Grupogrupo 15 (pnictógenos)
Períodoperíodo 6
Bloquear  bloque p
Configuración electrónica[ Xe ] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 3
Electrones por capa2, 8, 18, 32, 18, 5
Propiedades físicas
Fase en  STPsólido
Punto de fusión544,7  K (271,5 °C, 520,7 °F)
Punto de ebullición1837 K (1564 °C, 2847 °F)
Densidad (a 20° C)9,807 g/cm3 [  3]
Cuando está líquido (a  punto de fusión )10,05 g/ cm3
Calor de fusión11,30  kJ/mol
Calor de vaporización179 kJ/mol
Capacidad calorífica molar25,52 J/(mol·K)
Presión de vapor
P  (Pa)1101001 k10 mil100 mil
en  T  (K)94110411165132515381835
Propiedades atómicas
Estados de oxidacióncomún: +3,
−3, [4] −2, ? −1, ? 0, [5] +1, ? +2, ? +4, ? +5, [4]
ElectronegatividadEscala de Pauling: 2,02
Energías de ionización
  • 1º: 703 kJ/mol
  • 2º: 1610 kJ/mol
  • 3º: 2466 kJ/mol
  • ( más )
Radio atómicoempírico: 156  pm
Radio covalente148 ± 4 pm
Radio de Van der Waals207 pm
Líneas de color en un rango espectral
Líneas espectrales del bismuto
Otras propiedades
Ocurrencia naturalprimordial
Estructura cristalinaromboédrica ( hR2 )
Constantes de red
Estructura cristalina romboédrica del bismuto
a  = 0,47458 nm
α = 57,236°
a h  = 0,45462 nm
c h  = 1,18617 nm (a 20 °C) [3]
Expansión térmica13,09 × 10 −6 /K (a 20 °C) [a]
Conductividad térmica7,97 W/(m⋅K)
Resistividad eléctrica1,29 µΩ⋅m (a 20 °C)
Ordenamiento magnéticodiamagnético
Susceptibilidad magnética molar−280,1 × 10 −6  cm3 /mol [ 6]
Módulo de Young32 GPa
Módulo de corte12 GPa
Módulo volumétrico31 GPa
Velocidad del sonido varilla delgada1790 m/s (a 20 °C)
Relación de Poisson0,33
Dureza de Mohs2.25
Dureza Brinell70–95 MPa
Número CAS7440-69-9
Historia
DescubrimientoAlquimistas árabes (antes del año 1000 d. C.)
Isótopos del bismuto
Isótopos principales [7]Decadencia
abundanciavida media ( t 1/2 )modoproducto
207 Bisintetizador31,55 añosβ +207 PB
208 Bisintetizador3,68 × 10 5  añosβ +208 PB
209 Bi100%2,01 × 10 19  añosalfa205 tls
210 Birastro5.012 díasβ −210 Po
alfa206 TL
Bici de 210 msintetizador3,04 × 10 6  añosalfa206 TL
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El bismuto es un elemento químico con el símbolo Bi y número atómico 83. Es un metal post-transición y uno de los pnicógenos , con propiedades químicas parecidas a las de 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 tiene una densidad del 86% igual que el plomo. Es un metal frágil con un color blanco plateado cuando se produce recientemente. La oxidación superficial generalmente da a las muestras del metal un tono algo rosado. Una oxidación posterior bajo calor puede dar al bismuto una apariencia vívidamente iridiscente debido a la interferencia de película delgada . El bismuto es el elemento más diamagnético y uno de los metales menos conductores térmicos conocidos.

El bismuto solía considerarse el elemento con la mayor masa atómica cuyos núcleos no se desintegran espontáneamente. Sin embargo, en 2003 se descubrió que es extremadamente débilmente radiactivo . El único isótopo primordial del metal , el bismuto-209 , sufre una desintegración alfa con una vida media de aproximadamente mil millones de veces la edad estimada del universo . [8] [9]

El bismuto es un metal conocido desde la antigüedad. Antes de los métodos analíticos modernos, las similitudes metalúrgicas del bismuto con el plomo y el estaño hacían que a menudo se lo confundiera 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 cosméticos, pigmentos y algunos productos farmacéuticos, en particular el subsalicilato de bismuto , utilizado para tratar la diarrea . [9] 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. [9] El bismuto, cuando está en su forma elemental, tiene una toxicidad inusualmente baja para un metal pesado . [9] 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 reemplazos del plomo. Actualmente, alrededor de un tercio de la producción mundial de bismuto se dedica a necesidades que antes se satisfacían con plomo.

Historia y etimología

El bismuto es un metal conocido desde la antigüedad y fue uno de los primeros 10 metales que se descubrieron. El nombre bismuto data de alrededor de 1665 y es de etimología incierta. El nombre posiblemente proviene del alemán obsoleto Bismuth , Wismut , Wissmuth (principios del siglo XVI), tal vez relacionado con el alto alemán antiguo hwiz ("blanco"). [10] El neolatín bisemutium (acuñado por Georgius Agricola , quien latinizó muchas palabras técnicas y mineras alemanas) proviene del alemán Wismuth , tal vez de weiße Masse , que significa "masa blanca". [11] [12]

En la antigüedad, el bismuto se confundía con el estaño y el plomo debido a su parecido con ellos. Como el bismuto se conoce desde la antigüedad, no se le atribuye su descubrimiento a ninguna persona. Agrícola (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. [13]

Los mineros de la era de la alquimia también dieron al bismuto el nombre de tectum argenti , o "plata en formación", en el sentido de plata todavía en proceso de formación dentro de la Tierra. [14] [15] [16]

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. [17]

Símbolo alquímico utilizado por Torbern Bergman (1775)

A partir de Johann Heinrich Pott en 1738, [18] Carl Wilhelm Scheele y Torbern Olof Bergman , la distinción entre el plomo y el bismuto se hizo evidente, y Claude François Geoffroy demostró en 1753 que este metal es distinto del plomo y el estaño. [15] [19] [20]

Características

Izquierda: Un cristal de bismuto en tolva que exhibe la estructura cristalina escalonada y colores iridiscentes , que se producen por la interferencia de la luz dentro de la película de óxido en su superficie. Derecha: Un cubo de 1 cm3 de metal de bismuto sin oxidar

Características físicas

Diagrama de fases de presión-temperatura del bismuto. T C se refiere a la temperatura de transición superconductora.

El bismuto es un metal frágil de un tono rosa plateado oscuro, a menudo con una capa 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 externos que en los bordes internos. 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 la luz interfieran al reflejarse, mostrando así un arco iris de colores. Cuando se quema en oxígeno , el bismuto arde con una llama azul y su óxido forma humos amarillos . [19] Su toxicidad es mucho menor que la de sus vecinos en la tabla periódica , como el plomo y el antimonio . [21]

No se ha verificado que ningún otro metal sea más naturalmente diamagnético que el bismuto. [19] [22] ( El superdiamagnetismo es un fenómeno físico diferente). De todos los metales, tiene uno de los valores más bajos de conductividad térmica (después del manganeso , el neptunio y el plutonio ) y el coeficiente Hall más alto . [23] Tiene una alta resistividad eléctrica . [19] Cuando se deposita en capas suficientemente delgadas sobre un sustrato, el bismuto es un semiconductor , a pesar de ser un metal post-transición . [24] El bismuto elemental es más denso en la fase líquida que en la sólida, una característica que comparte con el germanio , el silicio , el galio y el agua. [25] El bismuto se expande un 3,32% en la solidificación; Por lo tanto, durante mucho tiempo fue un componente de aleaciones tipográficas de bajo punto de fusión , donde compensaba la contracción de los otros componentes de aleación [19] [26] [27] [28] para formar aleaciones eutécticas de bismuto y plomo casi isostáticas .

Aunque prácticamente no se ve en la naturaleza, el bismuto de alta pureza puede formar cristales de tolva distintivos y coloridos . Es relativamente no tóxico y tiene un punto de fusión bajo, justo por encima de los 271 °C, por lo que los cristales se pueden cultivar utilizando una estufa doméstica, aunque los cristales resultantes tenderán a ser de menor calidad que los cristales cultivados en laboratorio. [29]

En condiciones ambientales, el bismuto comparte la misma estructura en capas que las formas metálicas del arsénico y el antimonio , [30] cristalizando en la red romboédrica . [31] Cuando se comprime a temperatura ambiente, esta estructura Bi-I cambia primero a la monoclínica Bi-II a 2,55 GPa, luego a la tetragonal Bi-III a 2,7 GPa y finalmente a la cúbica centrada en el cuerpo Bi-V a 7,7 GPa. Las transiciones correspondientes se pueden monitorear a través de cambios en la conductividad eléctrica; son bastante reproducibles y abruptas y, por lo tanto, se utilizan para la calibración de equipos de alta presión. [32] [33]

Caracteristicas quimicas

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). [34]

2 Bi + 3 H 2 O → Bi 2 O 3 + 3 H 2

Reacciona con flúor para formar fluoruro de bismuto(V) a 500 °C o fluoruro de bismuto(III) a temperaturas más bajas (normalmente a partir de fundidos de Bi); con otros halógenos produce solo haluros de bismuto(III). [35] [36] [37] Los trihaluros son corrosivos y reaccionan fácilmente con la humedad, formando oxihaluros con la fórmula BiOX. [38]

4 Bi + 6 X 2 → 4 BiX 3 (X = F, Cl, Br, I)
4 BiX 3 + 2 O 2 → 4 BiOX + 4 X 2

El bismuto se disuelve en ácido sulfúrico concentrado para producir sulfato de bismuto (III) y dióxido de azufre . [34]

6 H 2 SO 4 + 2 Bi → 6 H 2 O + Bi 2 (SO 4 ) 3 + 3 SO 2

Reacciona con ácido nítrico para producir nitrato de bismuto (III) (que se descompone en dióxido de nitrógeno cuando se calienta [39] ). [40]

Bi + 6 HNO 3 → 3 H 2 O + 3 NO 2 + Bi(NO 3 ) 3

También se disuelve en ácido clorhídrico , pero sólo con oxígeno presente. [34]

4 Bi + 3 O 2 + 12 HCl → 4 BiCl 3 + 6 H 2 O

Isótopos

El único isótopo primordial del bismuto, el bismuto-209 , se consideraba el nucleido estable más pesado, pero durante mucho tiempo se había sospechado [41] que era inestable por razones teóricas. Esto se demostró finalmente en 2003, cuando los investigadores del Instituto de Astrofísica Espacial de Orsay , Francia, midieron la vida media de desintegración alfa (α) del 209 Bi y encontraron que2,01 × 10 19  años (3 Bq /Mg), [42] [43] más de 10 9 veces más larga que la edad estimada del universo . [9] Debido a su vida media enormemente larga, para todas las aplicaciones médicas e industriales conocidas, el bismuto puede considerarse estable. La radiactividad es de interés académico porque el bismuto es uno de los pocos elementos cuya radiactividad se sospechó y predijo teóricamente antes de ser detectado en el laboratorio. [9] El bismuto tiene la vida media de desintegración α más larga conocida, aunque el telurio-128 tiene una vida media de desintegración beta doble de más de2,2 × 10 24  años . [43] La vida media extremadamente larga del bismuto significa que menos de 1/10 9 del bismuto presente cuando se formó la Tierra se ha desintegrado en talio desde entonces.

Seis isótopos de bismuto con vidas medias cortas (210-215 inclusive) se encuentran en las cadenas de desintegración radiactiva natural del actinio , el radio , el torio y el neptunio ; y se han sintetizado más. (Aunque todo el 237 Np primordial se ha desintegrado hace mucho tiempo, se regenera continuamente mediante reacciones de eliminación (n,2n) en el 238 U natural.) [44] [45]

En el ámbito comercial, el bismuto-213 se puede producir bombardeando radio con fotones de radiación de frenado desde un acelerador de partículas lineal . En 1997, se utilizó un anticuerpo conjugado con bismuto-213, que tiene una vida media de 45 minutos y desintegración α, 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). [46] [47]

Compuestos químicos

Polvo de óxido de bismuto (III)

Químicamente, el bismuto se parece al arsénico y al antimonio , pero es mucho menos tóxico. [21] En casi todos los compuestos conocidos, el bismuto tiene un estado de oxidación +3; unos pocos tienen estados +5 o −3.

El trióxido [25] [48] y el trisulfuro pueden formarse a partir de los elementos, [49] [36] aunque el trióxido es extremadamente corrosivo a altas temperaturas. [37] El pentóxido no es estable a temperatura ambiente y desprenderá O
2gas si se calienta. [50] Ambos óxidos forman aniones complejos , [51] [52] y NaBiO 3 es un agente oxidante fuerte. [52] El trisulfuro es común en el mineral de bismuto . [49]

De manera similar, el bismuto forma todos los trihaluros posibles, pero el único pentahaluro es BiF 5 . Todos son ácidos de Lewis . [34] El bismuto forma varios haluros formalmente Bi I ; estos son sales complejas con cationes y aniones poliatómicos de estructura inusual. [51] [53]

Estructura del oxicloruro de bismuto (BiOCl) (mineral bismoclito ). Los átomos de bismuto se muestran en gris, el oxígeno en rojo y el cloro en verde.

En solución acuosa fuertemente ácida , el Bi3+
Los iones se solvatan para formar Bi(H
2O)3+
8. [54] A medida que aumenta el pH, los cationes se polimerizan hasta formar el complejo octaédrico de bismutilo.[ Bi
6Oh
4(OH)
4]6+
, [55] a menudo abreviado BiO + . Aunque el oxicloruro de bismuto y el oxinitrato de bismuto tienen estequiometrías que sugieren el ion, son sales dobles . [56] 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 bismuturos estables , compuestos intermetálicos en los que alcanza el estado de oxidación −3. [57] [ fuente autopublicada? ] [58] El hidruro se descompone espontáneamente a temperatura ambiente y se estabiliza solo por debajo de −60 °C. [51] El bismuturo de sodio tiene interés como aislante de Dirac topológico . [59] [60]

Ocurrencia y producción

Mineral de bismita
Trozo de un lingote de bismuto roto

La abundancia de bismuto en la corteza terrestre varía significativamente según la fuente, desde 180 ppb (similar a la de la plata) hasta 8 ppb (el doble de común que el oro). Los minerales de bismuto más importantes son la bismutinita y la bismita . [19] El bismuto nativo se conoce en Australia, Bolivia y China. [61] [62]

Producción mundial de bismuto, 2022, en toneladas
PaísRefinación [63]
Porcelana16.000
Laos2.000
Corea del Sur950
Japón480
Kazajstán220
Otro350
Total20.000

Según el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS), en 2016 se produjeron 10.200 toneladas de bismuto en todo el mundo mediante la minería y 17.100 toneladas mediante la refinación. Desde entonces, el USGS no proporciona datos de minería de bismuto, considerándolos poco fiables. A nivel mundial, el bismuto se produce principalmente mediante refinación, como subproducto de la extracción de otros metales como el plomo, el cobre, el estaño , el molibdeno y el tungsteno , aunque la relación entre refinación y minería depende del país. [64] [65] [66] [67]

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 se elimina mediante el proceso Kroll-Betterton que separa las impurezas como escoria, o el proceso electrolítico Betts . El bismuto se comportará de manera similar con otro de sus metales principales, el cobre. [65] El metal de bismuto crudo de ambos procesos todavía contiene cantidades considerables de otros metales, principalmente plomo. Al reaccionar la mezcla fundida con gas de cloro, los metales se convierten en sus cloruros mientras que el bismuto permanece inalterado. Las impurezas también se pueden eliminar mediante varios otros métodos, por ejemplo, con fundentes y tratamientos que producen metal de bismuto de alta pureza (más del 99% de Bi). [68]

Precio

Producción minera mundial y promedios anuales del precio del bismuto (Nueva York, no ajustado por inflación). [69]

El precio del bismuto metálico puro se mantuvo relativamente estable durante la mayor parte del siglo XX, a excepción de un aumento repentino en la década de 1970. El bismuto siempre se ha producido principalmente como subproducto del refinado del plomo, por lo que el precio generalmente reflejaba el costo de recuperación y el equilibrio entre la producción y la demanda. [69]

Antes de la Segunda Guerra Mundial, la demanda de bismuto era pequeña y principalmente farmacéutica: los compuestos de bismuto se usaban para tratar afecciones como trastornos digestivos, enfermedades de transmisión sexual y quemaduras. Se consumían cantidades menores de bismuto metálico en aleaciones fusibles para sistemas de rociadores contra incendios y alambre fusible . Durante la Segunda Guerra Mundial, el bismuto se consideró un material estratégico , utilizado para soldaduras, aleaciones fusibles, medicamentos e investigación atómica. Para estabilizar el mercado, los productores fijaron el precio en $ 1,25 por libra ($ 2,75 / kg) durante la guerra y en $ 2,25 por libra ($ 4,96 / kg) desde 1950 hasta 1964. [69]

A principios de la década de 1970, el precio aumentó rápidamente debido a 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, el consumo estabilizado y las recesiones de 1980 y 1981-1982. En 1984, el precio comenzó a subir a medida que el consumo aumentó en todo el mundo, especialmente en los Estados Unidos y Japón. A principios de la década de 1990, comenzaron las investigaciones sobre la evaluación del bismuto como un reemplazo no tóxico para el plomo en esmaltes cerámicos, plomos de pesca, equipos de procesamiento de alimentos, latones de mecanizado libre para aplicaciones de plomería, grasas lubricantes y perdigones para la caza de aves acuáticas . [70] El crecimiento en estas áreas siguió siendo lento durante mediados de la década de 1990, a pesar del respaldo del reemplazo del plomo por parte del gobierno federal de los Estados Unidos, pero se intensificó alrededor de 2005. Esto resultó en un aumento rápido y continuo del precio. [69]

Reciclaje

La mayor parte del bismuto se produce como subproducto de otros procesos de extracción de metales, incluida la fundición de plomo, tungsteno y cobre. Su sostenibilidad depende de un mayor reciclaje, lo cual es problemático. [71]

En un principio se creía que el bismuto podía reciclarse prácticamente a partir de las uniones soldadas en los equipos electrónicos. Las recientes mejoras en la aplicación de la soldadura en la electrónica implican que se deposita una cantidad sustancialmente menor de soldadura y, por lo tanto, hay menos material para reciclar. Si bien la recuperación de la plata de la soldadura que contiene plata puede seguir siendo económica, la recuperación del bismuto lo es sustancialmente menos. [72]

El bismuto disperso se utiliza en ciertos medicamentos para el estómago ( subsalicilato de bismuto ), pinturas ( vanadato de bismuto ), cosméticos perlados ( oxicloruro de bismuto ) y balas que contienen bismuto. El reciclaje del bismuto obtenido de estos usos no es práctico. [68]

Aplicaciones

Grabado en blanco y negro de dos hombres extrayendo y trabajando bismuto, martillando y vertiéndolo en la ladera de una colina.
Grabado del siglo XVIII que muestra el procesamiento del bismuto. En esa época, el bismuto se utilizaba para tratar algunas afecciones digestivas.

El bismuto tiene pocas aplicaciones comerciales y, en general, las que lo utilizan requieren cantidades pequeñas en relación con otras materias primas. En los 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. [68]

A principios de la década de 1990, los investigadores comenzaron a evaluar el bismuto como un reemplazo no tóxico del plomo en diversas aplicaciones. [68]

Medicamentos

El bismuto es un ingrediente de algunos productos farmacéuticos, [9] aunque el uso de algunas de estas sustancias está disminuyendo. [56]

Cosméticos y pigmentos

El oxicloruro de bismuto (BiOCl) se utiliza a veces en cosmética, como pigmento en pinturas para sombras de ojos, lacas para el pelo y esmaltes de uñas. [9] [56] [84] [85] Este compuesto se encuentra como el mineral bismoclita y en forma de cristal contiene capas de átomos (véase la figura anterior) que refractan la luz cromáticamente, dando como resultado una apariencia iridiscente similar al nácar de la perla. Se utilizaba como cosmético en el antiguo Egipto y en muchos lugares desde entonces. El blanco de bismuto (también "blanco español") puede referirse tanto al oxicloruro de bismuto como al oxinitrato de bismuto (BiONO 3 ), cuando se utiliza como pigmento blanco. [86] El vanadato de bismuto se utiliza como pigmento de pintura no reactivo y estable a la luz (en particular para pinturas de artistas), a menudo como sustituto de los pigmentos amarillo sulfuro de cadmio y amarillo anaranjado más tóxicos. La variedad más común en las pinturas de artistas es un amarillo limón, visualmente indistinguible de su alternativa que contiene cadmio. [87]

Metales y aleaciones

El bismuto se utiliza en aleaciones con otros metales como el estaño y el plomo. El metal de Wood , 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 un 22 y un 25 % de estaño. También se utilizó para fabricar bronce de bismuto , que se utilizó durante la Edad del Bronce , habiéndose encontrado en cuchillos incas en Machu Picchu . [88]

Reemplazo de plomo

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 los plomos de pesca . Se ha utilizado como sustituto del plomo en perdigones , balas y municiones 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 a la intoxicación por plomo debido a la ingestión errónea de plomo (en lugar de pequeñas piedras y gravilla) para ayudar a la digestión, o incluso prohíben el uso de plomo para toda la caza, como en los Países Bajos. Los perdigones de aleación de bismuto y estaño son una alternativa que proporciona un rendimiento balístico similar al plomo. [68]

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. [89]

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. [68] 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 automotriz, en la Unión Europea, por ejemplo. [90]

Se ha evaluado el bismuto como reemplazo del plomo en latones de fácil mecanizado para aplicaciones de plomería, [91] aunque no iguala el rendimiento de los aceros con plomo. [90]

Otros usos de metales y aleaciones especiales

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) [19] Esta es una temperatura conveniente ya que es poco probable que se exceda 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 automotriz y de aviación. Antes de deformar una pieza metálica de pared delgada, se llena con una masa fundida o se cubre con una capa delgada de la aleación para reducir la posibilidad de rotura. Luego, la aleación se elimina sumergiendo la pieza en agua hirviendo. [92]

El bismuto se utiliza para fabricar aceros de fácil mecanizado y aleaciones de aluminio de fácil mecanizado para propiedades de mecanizado de precisión. Tiene un efecto similar al plomo y mejora la rotura de viruta durante el mecanizado. La contracción en la solidificación del 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. [93] [94] 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. Dichas aleaciones se utilizan en fundición de alta precisión, por ejemplo, en odontología, para crear modelos y moldes. [92] El bismuto también se utiliza como agente de aleación en la producción de hierro maleable [68] y como material de termopar . [19]

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 en la modificación del estroncio . [95] [96] Algunas aleaciones de bismuto, como Bi 35 -Pb 37 -Sn 25 , se combinan con materiales antiadherentes como mica , vidrio y esmaltes porque los humedecen fácilmente permitiendo hacer uniones con otras partes. La adición de bismuto al cesio mejora el rendimiento cuántico de los cátodos de cesio. [56] 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 trabajan en el rango de 10 a 100 kHz y en dispositivos de memoria magnética y holográfica . [97]

Otros usos como compuestos

Vanadato de bismuto , un pigmento amarillo
  • El bismuto está incluido en BSCCO (óxido de bismuto, estroncio, calcio y cobre), que es un grupo de compuestos superconductores similares descubiertos en 1988 que exhiben las temperaturas de transición superconductoras más altas. [98]
  • El telururo de bismuto es un semiconductor y un excelente material termoeléctrico . [56] [99] Los diodos Bi 2 Te 3 se utilizan en refrigeradores móviles, enfriadores de CPU y como detectores en espectrofotómetros infrarrojos . [56]
  • El óxido de bismuto , en su forma delta, es un electrolito sólido para el oxígeno. Esta forma normalmente se descompone por debajo de un umbral de temperatura elevado, pero puede electrodepositarse muy por debajo de esta temperatura en una solución altamente alcalina. [100]
  • El germanato de bismuto es un centelleador, ampliamente utilizado en detectores de rayos X y rayos gamma. [101]
  • El vanadato de bismuto es un pigmento amarillo opaco que utilizan algunas empresas de pintura al óleo, acrílica y de acuarela para artistas , principalmente como sustituto de los amarillos de sulfuro de cadmio, más tóxicos , en la gama de amarillo verdoso (limón) a amarillo anaranjado. Su rendimiento es prácticamente idéntico al de los pigmentos de cadmio, por ejemplo, en términos de resistencia a la degradación por exposición a los rayos UV, opacidad, fuerza colorante y falta de reactividad cuando se mezcla con otros pigmentos. La variedad más utilizada por los fabricantes de pinturas para artistas es de color limón. Además de ser un sustituto de varios amarillos de cadmio, también sirve como un sustituto visual no tóxico de los antiguos pigmentos de cromato hechos con zinc, plomo y estroncio. Si se añade un pigmento verde y sulfato de bario (para aumentar la transparencia), también puede servir como sustituto del cromato de bario , que posee un tono más verdoso que los demás. En comparación con el cromato de plomo , no se ennegrece debido al sulfuro de hidrógeno en el aire (un proceso acelerado por la exposición a los rayos UV) y posee un color particularmente más brillante que ellos, especialmente el limón, que es el más translúcido, opaco y más rápido de ennegrecer debido al mayor porcentaje de sulfato de plomo requerido para producir ese tono. También se utiliza, de forma limitada debido a su costo, como pigmento de pintura para vehículos. [102] [103]
  • Un catalizador para fabricar fibras acrílicas . [19]
  • Como electrocatalizador en la conversión de CO 2 a CO. [104]
  • Ingrediente en grasas lubricantes . [105]
  • En microestrellas crepitantes ( huevos de dragón ) en pirotecnia , como óxido , subcarbonato o subnitrato. [106] [107]
  • Como catalizador para la fluoración de ésteres de pinacol arilborónicos a través de un ciclo catalítico Bi(III)/Bi(V), imitando los metales de transición en la fluoración electrofílica. [108]

Toxicología y ecotoxicología

Véase también bismuto , una rara afección dermatológica que resulta del uso prolongado de bismuto.

La literatura científica indica que algunos de los compuestos de bismuto son menos tóxicos para los humanos por vía ingerida que otros metales pesados ​​(plomo, arsénico, antimonio, etc.) [9], presumiblemente debido a la solubilidad comparativamente baja de las sales de bismuto. [109] 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. [110]

El envenenamiento por bismuto puede ocurrir y, según algunos informes, ha sido común en tiempos relativamente recientes. [109] [111] 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. [112] [113] [114] El envenenamiento se puede tratar con dimercaprol ; sin embargo, la evidencia de su beneficio no es clara. [115] [116]

Los impactos ambientales del bismuto no se conocen bien; puede tener menos probabilidades de bioacumularse que otros metales pesados, y esta es un área de investigación activa. [117] [118]

Véase también

Notas

  1. ^ La expansión térmica es anisotrópica : los coeficientes para cada eje del cristal (a 20 °C) son α a h  = 11,26 × 10 −6 /K, α c h  = 16,74 × 10 −6 /K, y α promedio = α volumen /3 = 13,09 × 10 −6 /K.

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Fuentes citadas

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