鉍

鉍為銀白色至粉紅色的金屬,質脆易粉碎,鉍的化學性質較穩定。鉍在自然界中以遊離金屬和礦物的形式存在。以前鉍被認為是相對原子質量最大的穩定元素,但在2003年,發現了鉍有極其微弱的放射性

  • 中文名
  • 外文名
    Bismuth
  • 原子量
    208.98038
  • 元素類型
    金屬元素
  • 元素符號
    Bi
  • 形態
    固態
  • 原子序數
    83
  • CAS
    7440-69-9
  • 危險性
  • 半衰期
    19*10^19年

發展簡史

15世紀時已知,1737年由埃洛(J.Hellot)和日夫魯瓦(C.J.Geoffroy)製得鉍。

熔化鉍熔化鉍

古希臘和羅馬就使用金屬鉍,用作盒和箱的底座。但直到1556年德意志G.阿格裏科拉才在《論金屬》一書中提出了銻和鉍是兩種獨立金屬的見解。1737年赫羅特(Hellot)用火法分析鈷礦時曾獲得一小塊樣品,但不知何物。1753年英國C.若弗魯瓦和T.伯格曼確認鉍是一種化學元素,定名為bismuth。1757年法國人日夫魯瓦(Geoffroy)經分析研究,確定為新元素。

鉍塊鉍塊

含量分布

鉍在自然界中以遊離金屬和礦物的形式存在。礦物有輝鉍礦、鉍華等。金屬鉍由礦物經煅燒後成三氧化二鉍,再與碳共熱還原而獲得,可用火法精煉和電解精煉製得高純鉍。

取出晶體取出晶體

鉍在地殼中的含量不大,為2×10%,自然界中鉍以單質和化合物兩種狀態存在,主要礦物有輝鉍礦(Bi2S3)、泡鉍礦(Bi2O3)、菱鉍礦(nBi2O3·mCO2·H2O)、銅鉍礦(3Cu2S·4Bi2S3)、方鉛鉍礦(2PbS·Bi2S)。

鉍在自然界中有硫化物的輝鉍礦(Bi2S3)和氧化物氧化鉍(Bi2O3),或稱鉍黃土,是由輝鉍礦和其他含鉍的硫化物氧化後形成的。由于鉍的熔點低,因此用炭等可以將它從它的天然礦石中還原出來。所以鉍早被古代人們取得,但由于鉍性脆而硬,缺乏延展性,因而古代人們得到它後,沒有找到它的套用,隻是把它留在合金中。

據美國地質調查局資料顯示,全球金屬儲量33萬噸,略低于白銀的40萬噸。中國鉍資源儲量居世界首位,中國已有鉍礦70多處,鉍金屬儲量在1萬噸以上的大中型礦區有6處,儲量佔全國總儲量的78%,其中5萬噸以上金屬儲量的大型礦區2處,儲量佔全國總儲量的66%。中國鉍資源分布在13個省市自治區,其中儲量最大的是湖南、廣東和江西,這三個省的儲量佔全國總儲量的85%左右;其次分布在雲南、內蒙古、福建、廣西和甘肅等省。 其中,湖南省郴州市金般塘礦區勘探儲量累計估算錫鉍資源量82萬噸(包括鉍10萬噸)、潛在經濟價值70億人民幣,使中國成為世界鉍的絕對優勢國家,勘查成果使金船塘礦一躍成為世界最大鉍礦床。

世界主要產鉍國分別為中國、墨西哥秘魯、日本、澳大利亞、哈薩克、加拿大以及玻利維亞等。全球鉍年產量預計在15,000噸左右,其中中國的產量超過10,000噸,佔70%以上,墨西哥大約8%,比利時5%左右。由于受資源和環保因素的影響,鉍產量在不斷下降,日本和美國等國家由于成本和環保的要求,鉍產量也在逐年減少。2010年全球金屬鉍產量預計接近16,000噸,其中中國的產量超過12,000噸,墨西哥大約1,200噸,比利時800噸,秘魯650噸,日本400噸。

理化性質

物理性質

純鉍是柔軟的金屬,不純時性脆。常溫下穩定。主要礦石為輝鉍礦(Bi2S5)和赭鉍石(Bi2o5)。液態鉍凝固時有膨脹現象。

澆註熔融鉍澆註熔融鉍

性脆,導電和導熱性都較差。鉍的硒化物和碲化物具有半導體性質。

金屬鉍為有銀白色(粉紅色)到淡黃色光澤的金屬,質脆易粉碎;室溫下,鉍不與氧氣或水反應,在空氣中穩定。.導電導熱性差;以前鉍被認為是相對原子質量最大的穩定元素,但在2003年,發現了鉍微弱的放射性,可經α衰變變為鉈-205。其半衰期為1.9X10^19年左右,達到宇宙壽命的10億倍。

熔點

271.3℃

沸點

1560±5℃

聲音的傳播速率

1790(m/S)

電離能 (kJ /mol)

第一電離能7.289電子伏特

莫氏硬度

2.25

膨脹率

3.3%

化學性質

加熱到熔點以上時能燃燒,發出淡藍色的火焰,生成三氧化二鉍,鉍在紅熱時也可與硫、鹵素化合。鉍不溶于水,不溶于非氧化性的酸(如鹽酸)即使濃硫酸濃鹽酸,也隻是在共熱時才稍有反應,但能溶于王水和濃硝酸。其中+5價化合物NaBiO3(鉍酸鈉)是強氧化劑

原子量

208.9803987

化學符號

Bi

原子序數

83

原子體積(立方釐米/摩爾)

21.3

製備方法

工藝原理及流程:

高品位鉍精礦的處理,大部分採用火法反射爐熔煉,鉍精礦和還原劑煤粉、置換劑鐵屑、組溶劑純鹼等配料混合,加入反射爐混合熔煉,產出爐渣、冰銅和粗鉍,粗鉍經過精煉生產出精鉍。中國開始致力于鉍礦濕法冶金新工藝的研究。用FeCl3作浸出劑,在酸性氯化物體系中浸出鉍,使礦物中的鉍呈鉍氯配合物的形態進入溶液,用鐵粉置換產出海綿鉍,經過火法精煉生產精鉍,首先在雲錫第三冶煉廠建成濕法車間,處理錫鉍混合精礦。

工藝流程圖工藝流程圖

二十一世紀後,中國的許多科研單位根據鉍礦的不同組成和原料差異,圍繞降低作業成該,解決環境污染、FeCl3的再生和溶液中的有價金屬的富集問題,研究了許多濕法冶金流程。

主要試劑和儀器

鹽酸(工業純),FeCl3(化學純)。電動攪拌器,721可見分光光度計,pH計。浸出劑由工業鹽酸、FeCl3、蒸餾水按一定比例配製而成;鉍礦在研缽中研磨30min,浸出在500mL燒杯中進行;攪拌器為常規的電動攪拌。

浸出工藝原理

在鹽酸溶液中,三氯化鐵可將鉍礦中輝鉍礦的硫元素氧化,使Bi轉入溶液,硫元素轉變為單質硫。加入鹽酸,既可提高鉍的浸出率,又可防止溶液中三氯化鉍的水解。浸出液中加入鉍礦還原,使溶液中殘留的三氯化鐵還原為二價,浸出液中加入鐵粉置換生成海綿鉍。置換後的溶液通入氯氣氧化再生。

工藝流程

稱量20g鉍礦在研缽中研磨30min,裝入500mL燒杯中,將配製好的浸出劑按液固體積比為3:1直接加入燒杯中,用攪拌器攪拌,一定時間後過濾,濾渣用1.5mol/L鹽酸溶液洗滌2~3次,取1mL浸出液配製成250mL溶液,測定Bi濃度。其餘濾液加入一定量的鐵粉進行置換沉淀製成海綿鉍,濾渣在100°C溫度下烘幹,測定其中鉍的含量。其餘尾礦用清水洗至中性,轉入銅鉬分選工序。部分廢水用石灰中和後排放。

工藝流程如圖。

主要套用

工業用途

鉍主要用于製造易熔合金,熔點範圍是47~262℃,最常用的是鉍同鉛、錫、銻、等金屬組成的合金,用于消防裝置、自動噴水器、鍋爐的安全塞,一旦發生火災時,一些水管的活塞會"自動"熔化,噴出水來。在消防和電氣工業上,用作自動滅火系統和電器保險絲、焊錫。鉍合金具有凝固時不收縮的特徵,用于鑄造印刷鉛字和高精度鑄型。碳酸氧鉍和硝酸氧鉍用于治療皮膚損傷和腸胃病。

倒出多餘的鉍倒出多餘的鉍

用于製低熔合金,在消防和電氣安全裝置上有特殊的重要性。

在分析化學中用于檢測Mn。鉍可製低熔點合金,用于自動關閉器或活字合金中。

生理功能

鉍屬微毒類。大多數化合物、特別是鹽基性鹽類,在消化道中難吸收。不溶于水,僅稍溶于組織液。不能經完整皮膚粘膜吸收。鉍吸收後分布于身體各處,以腎最多,肝次之。大部分貯存在體內的鉍,在數周以至數月內由尿排出。

鉍在體內的代謝與鉛相似。在酸中毒時,組織可將積存的鉍釋放。鉍與鉛可互相影響。在體內,鉍化合物能形成不易溶于水和稀酸的硫化鉍,沉淀在組織中或栓塞毛細血管中,發生局部潰瘍,甚至壞死。硝酸鉍在腸道內細菌的作用下,可還原為亞硝酸鉍,吸收後引起高鐵血紅蛋白血症。嚴重慢性中毒時,由于鉍多存在于腎髒,可出現嚴重腎炎,其中以腎小管上皮細胞的損害最重,肝亦可累及。反復經口或經其他途徑慢性中毒患者可出現 "鉍線"。

未見吸入鉍及其化合物引起的職業中毒。慢性中毒主要由含可溶性鉍鹽的葯物所引起。靜脈註射或肌肉註射可溶性鉍鹽,曾有引起死亡的報道。

皮膚有損傷者要避免直接接觸可溶性鉍鹽。二巰基丙磺酸鈉等可作解毒劑。

原料上的套用

1.冶金增加劑

鋼中加人微量鉍,可改善鋼的加工性能,可鍛鑄鐵加入微量鉍,能使可鍛鑄鐵具備類似不銹鋼的性能。

Cu-Bi多元合金可以取代目前飲水管件上用的含鉛銅合金,成本相差不大,可解決自來水鉛污染問題。

CuSn3Zn8Bi2-7,合金以鉍代替鉛可獲得相同類似的復合材料,達到類似的鑄造、機械和加工性能。

在鋁、鎂和青銅中加入鉍,可改善機械加工性能和耐磨性能。

2.鉍基低熔點易熔合金

易熔合金的熔點一般在38~230。(2,在熔點下不易受溫度和壓力的影響而發生變化。英國研究出一種無鉛錫合金焊料,其成分Sn>82、Zn6.0~4.5、In約3.5、Bi約1.0。合金無毒性,適合作易于過熱受損電晶體組裝電路板焊接用。

鉍鋁配製的合金作彎曲薄壁管的填充料,能保持管內壁平滑光潔,且填料可多次反復使用。

鉍錫合金配製的合金製作模具,用作金屬薄板材的冷沖壓成型,不低于鋼模的溫度,而且成型快,更新快,合金可多次返回使用。

鉍與鋁、錫、鎘、銦組成的一系列低熔點合金,製作電器、保險器,自動裝置訊號器等。用鉍錫合金子彈代替鉛彈。

3.醫葯治療

鉍化合物具有收斂、止瀉、治療胃腸消化不良症,次碳酸鉍和次硝酸鉍,次橡膠酸鉍鉀用于製造胃葯,外科利用鉍葯的收斂作用來處理創傷和止血,在放射治療中,用鉍基合金代替鋁為患者防止身體其他部位受到輻射製造護板,隨著鉍類葯物的發展,現已發現某些鉍類葯物具有抗癌作用。

4.鉍在阻燃劑方面的套用

在阻燃劑的增加劑中,Bi203的效果比Sb203更好,而且安全無毒,燃燒時發生的煙氣致死性極小,同時不影響阻燃製品的穩定性。

5.鉍在化工中的套用

鉍黃顏料是釩酸鉍和鉬酸鉍的混合體。用于取代鉛、鎘等顏料具有雙晶面的黃色顏料,具有更好的表面抗化學腐蝕性,而且黏合力極強,色澤光亮,又不易脫落褪色,用于黃色汽車外殼最後一道工序的噴漆,黃色工業塗料,電氣線圈用材的塗料,及橡膠、塑膠製品印刷油墨的著色。

鉍鹽在生產人造纖維製品的一種原料丙烯腈時,需要大量鉍鹽作催化劑。

氧化鉍,2005年日本計畫用鉍代替鉛,用于生產汽車玻璃,這種玻璃含鉛10%,生產商將用鉍取代這部分鉛,生產環保無鉛玻璃。化學試劑、鉍鹽、高折光率玻璃,核工業玻璃和核反應堆燃料。

氫氧化鉍用在塑膠中作增加劑,使產品煥發美麗的珍珠光澤,還可用于製造無鉛顏料和化妝品。

氯化鉍用于還原燃料性的柏油、雜酚油和非幹性油。

6.電子陶瓷

含鉍的電子陶瓷如鍺酸鉍晶體,是一種新型閃爍晶體,用于核輻射探測器,x射線層面掃瞄器、電光、壓電雷射等器件製造;鉍鈣釩(石榴型鐵氧體是重要的微波旋磁材料和磁包材料)、摻氧化鉍的氧化鋅壓敏電阻,含鉍的邊界層高頻陶瓷電容器,錫鉍永磁體,鈦酸鉍陶瓷和粉末、矽酸鉍晶體,含鉍易熔玻璃等10多種材料也均開始在工業上套用。

7.半導體

用高純鉍與碲、硒、銻等組合、拉晶的半導體元件,用于溫差電偶,低溫溫差發電和溫差製冷。用于裝配空調器和電冰櫃。用人工硫化鉍可製造光電動設備中的光電阻,增大可見光譜區域的靈敏度。

8.核工業

高純鉍(99.999%Bi)用于核工業堆中作載熱體或冷卻劑,用于防護原子裂變裝置材料。

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