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Bismut

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Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Bismut, Bi, 83
Elementkategorie Metalle
Gruppe, Periode, Block 15, 6, p
Aussehen glänzend rötlich weiß
CAS-Nummer

7440-69-9

Massenanteil an der Erdhülle 0,2 ppm[1]
Atomar[2]
Atommasse 208,98038 u
Atomradius (berechnet) 160 (143) pm
Kovalenter Radius 148 pm
Van-der-Waals-Radius 207[3] pm
Elektronenkonfiguration [Xe] 4f14 5d10 6s2 6p3
1. Ionisierungsenergie 703
2. Ionisierungsenergie 1610
3. Ionisierungsenergie 2466
4. Ionisierungsenergie 4370
5. Ionisierungsenergie 5400
Physikalisch[2]
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur trigonal[4]
Dichte 9,78 g/cm3
Mohshärte 2,25
Magnetismus diamagnetisch ( = −1,7 · 10−4)[5]
Schmelzpunkt 544,4 K (271,3 °C)
Siedepunkt 1837 (1564 °C)
Molares Volumen 21,31 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie 160
Schmelzenthalpie 10,9 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit 1790 m·s−1 bei 293,15 K
Elektrische Leitfähigkeit 0,769 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit 8 W·m−1·K−1
Chemisch[2]
Oxidationszustände (−3) 1, 3, 5
Normalpotential 0,317 V (Bi3+ + 3 e− → Bi)
Elektronegativität 2,02 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
205Bi {syn.} 15,31 d ε 2,708 205Pb
206Bi {syn.} 6,243 d ε 3,758 206Pb
207Bi {syn.} 31,55 a ε 2,399 207Pb
208Bi {syn.} 3.368.000 a ε 2,880 208Pb
209Bi 100 % 1,9 · 1019 a α 3,137 [6] 205Tl
210Bi in Spuren 5,013 d β− 1,163 210Po
α 5,037 206Tl
210m1Bi {syn.} 3,04 · 106 a α 206Tl
211Bi −1 % 2,14 min β− 0,579 211Po
α 6,751 207Tl
212Bi −1 % 60,55 min β− 2,254 212Po
α 6,027 208Tl
213Bi {syn.} 49,59 min β− 1,426 213Po
α 5,932 209Tl
214Bi −1 % 19,9 min β− 3,272 214Po
α 5,617 210Tl
215Bi −1 % 7,6 min β− 2,250 215Po
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[7]
Gefahrensymbol

Achtung

H- und P-Sätze H: 228
P: 210​‐​241​‐​280​‐​240​‐​370+378[7]
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Bismut oder Wismut ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Bi und der Ordnungszahl 83. Im Periodensystem steht es in der 5. Hauptgruppe oder Stickstoffgruppe.

Geschichte

Als eigenes Element wurde Wismut nach der Mitte des 18. Jahrhunderts durch die Chemiker Claude François Geoffroy[8], Johann Heinrich Pott[9], Carl Wilhelm Scheele und Torbern Olof Bergman[10] nachgewiesen. Zuvor wurde er oft als Abart von Blei, Zinn, Antimon und andern Metallen oder Mineralien betrachtet, obwohl schon im 16. Jahrhundert Georgius Agricola eine genauere Unterscheidung versuchte.[11][12]

Der Name des Metalls, der im Deutschen 1390 als wesemut und lat. 1450 als wismutum[13], 1530 als bisemutum[11] erscheint, kann auf die in einer arabischen Dioskurides-Übersetzung des 9. Jahrhunderts belegte Form b[i]sīmūtīyūn zurückgeführt werden, die selbst wohl eine Transliteration von altgriechisch ψιμύθιον psimýthion ‚Bleiweiß‘ darstellt. Auch Entstellung aus arabisch iṯmid ‚Antimon‘ wurde angenommen; öfters wird außerdem auf die angeblich erste Mutung in der Zeche St. Georgen in der Wiesen bei Schneeberg im Erzgebirge im 15. Jahrhundert verwiesen,[14] oder auf die Variante wis(se)mat, die ‚weiße Masse‘ bedeuten soll. [15]

Das chemische Symbol Bi schlug J. J. Berzelius im Jahr 1814 vor.

Vorkommen

Gediegenes Bismut aus der Cobalt-Lagerstätte der Region Cobalt-Gowganda, Ontario, Kanada

Gediegenes Bismut konnte bisher (Stand: 2010) in der Natur an rund 1250 Fundorten nachgewiesen werden[16]. Die Fundstätten liegen vor allem in Australien, Bolivien, China, Kanada, Mexiko, Peru und Spanien, historisch in Bieber im Spessart und im Erzgebirge, wo Bismut sowohl in reiner (gediegener) Form als auch als Sulfid (Bismuthinit), Selenid (Selenidbismutglanz) und Oxid (Bismit) gefunden wird. Außerdem kommt Bismut, ebenso wie Antimon und Arsen, gelegentlich als Doppelsulfid vor: Galenobismutit (PbBi2S4), Lillianit (Pb3Bi2S6), Silberbismutglanz (AgBiS2), Kupferbismutglanz (CuBiS2) und Kupferbismutblende (Cu6Bi2S6). Bekannt ist auch noch ein Tellur-Sulfid in Form von Tellurbismut (Bi2Te2S) und ein Silicat namens Eulytin (Bi4(SiO4)3). Insgesamt sind einschließlich gediegenem Bismut rund 230 Bismut-Minerale bekannt[17].

Bismut kommt als Begleitmetall in Blei-, Kupfer- und Zinnerzen in gebundener Form vor. In Granit und Gneis findet man es in freier Form.

Fördermengen und Weiterverarbeitung [18]
Angaben in Tonnen (2006)
 Rang  Land  Abbau  Weiterverarbeitung
   1 China Volksrepublik China    3000 8500
   2 Mexiko Mexiko    1180 1180
   3 Peru Peru    950 600
   4 Kanada Kanada    190 250
   5 Kasachstan Kasachstan    140 115
   6 Bolivien Bolivien    70 3
   7 Russland Russland    55 11
   8 Bulgarien Bulgarien    40 35
   9 Rumänien Rumänien    40 30
   10 Belgien Belgien    - 800
   11 Japan Japan    - 510
   12 Italien Italien    - 5

Gewinnung und Darstellung

Zur Gewinnung von Bismut kann man von oxidischen oder sulfidischen Erzen ausgehen.

Oxidische Erze werden in Flammöfen mit Kohle zu Bismut reduziert:

Sulfidische Bismuterze können entweder mit Eisen nach dem Niederschlagsverfahren reduziert werden:

Oder die sulfidischen Erze werden zunächst in die Oxide umgewandelt und anschließend mit Kohle reduziert (Röstreduktionsverfahren):

Das Rohbismut wird anschließend durch oxidierendes Schmelzen von anderen Elementen (Antimon, Arsen, Blei, Eisen Schwefel) befreit. Kupfer wird durch Schmelzen mit Natriumsulfid beseitigt, Gold und Silber durch Extraktion des geschmolzenen Bismuts mit Zinn.

Eigenschaften

Bismutkristalle ohne die typische bunte Oxidationsschicht.
Bismutkristall mit Anlauffarben, hier mit der Bandbreite eines Spektrums

Physikalische Eigenschaften

Bismut ist ein silberweißes, sprödes und grobkristallines Metall mit einem Stich ins Rosa.[4] Es hat eine rhomboedrische Kristallstruktur mit sehr dicht gepackten Doppelschichten. Der kürzeste Abstand zwischen zwei Doppelschichten beträgt 352,9 pm, was nur um 15 % größer, als der kleinste Abstand zweier Atome innerhalb einer Doppelschicht ist.[4]

Bismut ist eines der wenigen ungiftigen Schwermetalle, hat den stärksten Hall-Effekt aller metallischen Elemente, einen hohen elektrischen Widerstand und hat darüber hinaus die – abgesehen von Supraleitern und pyrolytischem Graphit – stärkste diamagnetische Eigenschaft. Das heißt, es wandert aus einem von außen angelegten Magnetfeld heraus.

Von Bismut sind zwei Modifikationen bekannt: Das bei Zimmertemperatur gewöhnliche Bismut bildet unter hohen Drücken (ab 9 GPa) ein kubisch-raumzentriertes Kristallgitter.

Flüssiges Bismut dehnt sich als einer von wenigen Stoffen beim Erstarren aus (Dichteanomalie). Dieses Phänomen ist auch bei Antimon, Gallium, Germanium, Silicium und Wasser zu beobachten.

Chemische Eigenschaften

Bismut ist bei Normaltemperatur an trockener Luft beständig. An feuchter jedoch bildet sich an der Oberfläche eine Oxidschicht. Des weiteren ist Bismut gegen Wasser und nichtoxidierende Säuren (Salzsäure und verdünnte Schwefelsäure) resistent. In oxidierenden Säuren (Salpetersäure oder heiße konzentrierte Schwefelsäure) wird Bismut unter Bildung von Bismutsalzen (BiX3) gelöst.

Bei Rotglut verbrennt Bismut mit bläulicher Flamme zu einem braun-gelben Rauch – Bismut(III)-oxid (Bi2O3).

Unter Hitze verbindet sich Bismut mit den Halogenen, sowie mit Schwefel, Selen und Tellur direkt. Mit Stickstoff und Phosphor reagiert Bismut nicht.

Isotope

Natürliches Bismut besteht nur aus dem Isotop 209Bi. 2003 stellte man im Institut d'Astrophysique Spatiale in Orsay (Frankreich) fest, dass dieses bisher für stabil gehaltene Isotop ein Alpha-Strahler mit einer Halbwertszeit von (1,9 ± 0,2) · 1019 Jahren ist (etwa 19 Trillionen Jahre).[19] Der sehr langsame Zerfall des 209Bi in 205Tl begründet sich einerseits durch die unmittelbare Nähe zum doppelt magischen 208Pb Blei im Isotopenschema, und der Tatsache, dass 209Bi selbst einfach magisch ist. Aus der langen Halbwertszeit ergibt sich eine Aktivität von 0,0033 Bq/kg.

209Bi ist das vorletzte Glied der Neptunium-Reihe und außer 205Tl das einzige, das noch natürlich vorkommt. Weil heute in Kernreaktoren auch die am Anfang der Neptunium-Reihe stehenden Isotope erbrütet werden, nimmt die 209Bi-Menge auf der Erde mit der Zeit zu.

→ Liste der Bismut-Isotope

Verwendung

Es findet Verwendung als Legierungsbestandteil niedrigschmelzender Legierungen, beispielsweise für das Woodsche Metall, das bereits bei 70 °C schmilzt, für Roses Metall mit einem Schmelzpunkt von 98 °C und für das bei 60 °C schmelzende Lipowitz'sche Metall.[1] Die Legierung Bismanol mit Mangan ist ein starker Permanentmagnet.

Die chemische Verbindung Bismuttellurid erzeugt in Peltier-Elementen Kälte.

Bismutchloridoxid (BiOCl) wird als silberweißes Perlglanzpigment in Kosmetika verwendet. Das Phase-Change-Material einiger DVD-RAM enthält Bismut.[20]

Bismut wird von einigen Quellen als Legierungselement in Automatenstählen als Ersatz für Blei propagiert. Es soll die Zerspanbarkeit dieser Stähle verbessern ohne die negativen ökologischen Eigenschaften des Bleis. Aus Sicht der Stahlmetallurgie ist dies allerdings ungünstig, da Bismut sich metallurgisch quasi nicht entfernen lässt und dann als unerwünschtes Begleitelement in den aus Schrotten erzeugten Stählen auftaucht.

Bismutoxid wird für die Herstellung von optischen Gläsern sowie als Sinterhilfsmittel in der technischen Keramik verwendet. Außerdem findet es bei der Positronen-Emissions-Tomographie Anwendung in Form von Bismutgermanat.

Eine Blei-Bismut-Legierung wurde in der Sowjetunion als Kühlmittel für Kernreaktoren verwendet. Diese Legierung ist zwar effektiver als eine herkömmliche Druckwasserkühlung, jedoch auch entsprechend schwieriger zu handhaben. Die Legierung erstarrt bei einer Temperatur von unter 125 °C und verursacht dadurch große Reaktorschäden. Solche Reaktoren wurden unter anderem auf U-Booten eingesetzt (z. B. U-Boot der Alfa-Klasse)

Bismut wird auch als weniger giftiger Ersatz für Blei bei Schrotmunition für Schusswaffen verwendet. Dies ist jedoch wenig verbreitet.

Bismutvanadat ist als ein hochwetterstabiles grünstichiges Gelb-Pigment im Einsatz und findet z. B. in hochwertigen Lacken, Dispersionsfarben für den Fassadeneinsatz, Kunststoffen und Druckfarben Verwendung.[21]

Außerdem wird Bismut als Katalysator in der chemischen Industrie verwendet.[1]

Medizinische Verwendung

Bismutverbindungen wie Dibismut-tris(tetraoxodialuminat), Bismutoxidnitrat (Bismutsubnitrat, basisches Bismutnitrat) finden als Reserve-Medikamente gegen Magen-Darm-Geschwüre Verwendung, da sie die Abheilung von Geschwüren und die Eradikation des Erregers Helicobacter pylori fördern.[22] Die Anwendung erfolgt als sogenannte Quadruple-Therapie (Kombinationstherapie aus einem Protonenpumpenhemmer und einer klassischen Bismut-Triple-Therapie (Bismut-Salz, Tetrazyklin, Metronidazol)[23]

Bismutverbindungen werden daneben zum Teil noch bei Durchfällen als Adstringentien sowie geruchsmildernd bei Mundgeruch und Flatulenz verwendet. Daneben werden einige Verbindungen (z.B. Bibrocathol) als Antiseptikum eingesetzt.

Außerdem findet Bismut diagnostisch bei der Positronen-Emissions-Tomographie Anwendung in Form von Bismutgermanat als Detektormaterial des Tomographiegeräts.

Historisch wurde Bismut am Ende des 19. Jahrhunderts als Bestandteil von Wundpulvern (z. B. Dermatol) eingesetzt. Seit den 1920er Jahren fand es Verwendung als Mittel gegen die Syphilis.[24] Es wurde jedoch vollständig durch moderne Antibiotika ersetzt.

Bismutsalze wurden zudem als Röntgenkontrastmittel zur Darstellung des Magen-Darm-Trakts (sog. „Wismutmahlzeit“) verwendet. Hier wurde Bismut durch Bariumsulfat ersetzt. Bismutgallat wird in einer Hautsalbenrezeptur nach Stolte verwendet, die Salbe kann für die Behandlung entzündlicher Hautstellen bei Säuglingen verwendet werden.

Vergiftung

Eine Bismutvergiftung (Bismutismus) ist aufgrund der schlechten Resorption im Magen-Darm-Trakt selten. Sie ähnelt weitgehend einer Quecksilbervergiftung.[25] Typisch sind das Auftreten eines schiefergrauen bis schwarzen Bismutsaums (Bismutsulfid-Ablagerung) an der Mundschleimhaut mit Ausbildung einer Mundschleimhautentzündung (Stomatitis) und Gingivitis (mit Zahnlockerung, -ausfall), Darmentzündungen (Enteritis) mit Durchfällen sowie Nierenschäden (Bismutnephropathie).[26][24]

Nachweis

Der Nachweis von Bismut erfolgt durch die „Bismutrutsche“ mit Thioharnstoff. Zur Fällung unerwünschter Störionen werden Natriumfluorid, Natriumchlorid und Kaliumnatriumtartrat verwendet:

  • NaF zur Komplexierung von Fe3+ und Al3+
  • NaCl zur Fällung von Ag+ und Hg22+
  • Tartrat zur Komplexierung von Sb3+ und Sn2+

Als Flussmittel wird verdünnte HNO3 verwendet. Bei Anwesenheit von Bi3+ bildet sich ein kristalliner, zitronengelber Thioharnstoff-Komplex, bei dem drei Thioharnstoff-Moleküle über den Schwefel mit dem Bismut assoziiert sind:

(Komplexbildungsreaktion).

Alternative Nachweisreaktionen:

  • In einer Redoxreaktion mit Zinn(II)-Ionen als Reduktionsmittel fällt elementares Bi schwarz aus
  • Mit Natriumiodidlösung: zunächst fällt schwarzes Bismut(III)-iodid aus, das sich dann im Iodidüberschuss als oranger Tetraiodobismutat-Komplex löst:
(Komplexbildungsreaktion).

Verbindungen

Bismit

Bismut ist in erster Linie dreiwertig, doch gibt es auch ein- und fünfwertiges Bismut; Bismut(V)-oxid ist jedoch ein sehr starkes Oxidationsmittel, das sogar Mangan(II) zum Permanganat oxidiert. Außerdem bildet es polymere Kationen. An der Luft ist es beständig.

Einzelnachweise

  1. ↑ a b c Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Caesium) entnommen.
  3. ↑ Manjeera Mantina, Adam C. Chamberlin, Rosendo Valero, Christopher J. Cramer, Donald G. Truhlar: Consistent van der Waals Radii for the Whole Main Group. In: J. Phys. Chem. A. 2009, 113, S. 5806–5812, doi:10.1021/jp8111556.
  4. ↑ a b c Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9.
  5. ↑ Weast, Robert C. (ed. in chief): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990. Seiten E-129 bis E-145. ISBN 0-8493-0470-9. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
  6. ↑ Nature, Volume 422, Number 6934, 2003, S. 876–878.
  7. ↑ a b c Datenblatt Bismut (Pulver, 99,999 %) bei Alfa Aesar (Seite nicht mehr abrufbar).. Dies gilt nur für Pulver, kompaktes Bismut ist ohne Gefahrensymbole/R-/S-Sätze.
  8. ↑ C. R. Hammond: The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition. CRC press, 2004, ISBN 0-8493-0485-7.
  9. ↑ N. Figurowski: Die Entdeckung der chemischen Elemente und der Ursprung ihrer Namen. Aulis-Verlag Deubner, Köln 1981, ISBN 3-7614-0561-8, S. 214–215.
  10. ↑ A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 822, Fußnote 84.
  11. ↑ a b Georgii Agricolae medici Bermannus, sive de re metallica, Basileæ 1530, p. 75sqq.
  12. ↑ Mark Chance Bandy/Jean A. Bandy: De Natura Fossilium (Textbook of Mineralogy) des Georgius Agricola, Übersetzung der ersten lateinischen Ausgabe von 1546, erschienen als The Geologigal Society of America Special Paper 63, New York 1955, p. 179.
  13. ↑ Friedrich Kluge, Etymologisches Wörterbuch der deutschen Sprache. 18. Auflage (bearbeitet von Walther Mitzka), de Gruyter, Berlin 1960, p. 866, Wismut.
  14. ↑ Wolfgang Pfeifer & al.: Etymologisches Wörterbuch des Deutschen, 4. Auflage, dtv, München 1999, ISBN 3-423-32511-9, p. 1574 s. v. Wismut.
  15. ↑ Elke Grab-Kempf: Zur Etymologie von dt. Wismut, in: Hermann Paul/Wilhelm Braune & al. (Hg.): Beiträge zur Geschichte der deutschen Sprache und Literatur 125 (2003), pp. 197–206.
  16. ↑ Mindat - Localities for Bismuth (englisch)
  17. ↑ Webmineral – Mineral Species sorted by the element Bi (englisch)
  18. ↑ Fördermengen und Weiterverarbeitung (2006)
  19. ↑ Pierre de Marcillac et al, Experimental detection of alpha-particles from the radioactive decay of natural bismuth, Nature 422, 876–878 (24. April 2003), Ergebnistabelle
  20. ↑ Meldung bei heise.de
  21. ↑ G. Buxbaum, G. Pfaff; Industrial Inorganic Pigments; Wiley-VCH; Weinheim; 2005; ISBN 3-527-30363-4; ISBN 978-3-527-30363-2.
  22. ↑ Ernst Mutschler: Arzneimittelwirkungen, 8. Auflage, Wiss. Verlagsgesellschaft mbH, Stuttgart 2001, ISBN 3-8047-1763-2, S. 644.
  23. ↑ Martin Wehling: Klinische Pharmakologie, 1. Auflage, Thieme-Verlag Stuttgart, 2005.
  24. ↑ a b B. Hoffmann: Medizinale Wismutvergiftung, Archives of Toxicology, Springer Berlin / Heidelberg, Volume 6, Number 1 / Dezember 1935, ISSN 0340-5761.
  25. ↑ Ernst Mutschler: Arzneimittelwirkungen, 8. Auflage, Wiss. Verlagsgesellschaft mbH, Stuttgart 2001, ISBN 3-8047-1763-2, S. 974.
  26. ↑ Roche Lexikon Medizin, 5. Aufl., Urban & Fischer München, Jena 2003.
Wiktionary: Bismut – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Bismuth – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
Wikibooks: Praktikum Anorganische Chemie/ Bismut – Lern- und Lehrmaterialien
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