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鉍
元素周期表中較為穩定的金屬元素
鉍（英文名稱(chēng)：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(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(huì )形成超薄氧化層Bi?O?。對于鉍晶體來(lái)說(shuō)，不同波長(cháng)光照射時(shí)，會(huì )發(fā)生變色折射，因而表面呈現彩虹色外觀(guān)。
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(zhì)量
208.98
元素類(lèi)別
金屬元素
族
ⅤA
周期
第六周期
區
p區
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(diǎn)
271 ℃
沸點(diǎn)
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(wú)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(cháng)期大量用于兒童時(shí)，其存在的危害性是需要引起重視的。
發(fā)現歷史
發(fā)現過(guò)程
雖然元素鉍真正被知曉的時(shí)間很短，只有幾百年，與周期表上其它穩定元素相比，鉍的數據庫也許是最不完善的，但實(shí)際上，鉍是一種歷史非常悠久的金屬元素。早在中世紀時(shí)期，鉍就已經(jīng)被大家所知曉了。而繼續回溯歷史，其實(shí)在古羅馬和古希臘時(shí)，人們就曾經(jīng)將金屬鉍制成盒和箱的底座。在那個(gè)時(shí)候，雖然人們都在使用鉍，但鉍并沒(méi)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(guān)上看也的確如此。直到1450年，煉金術(shù)師巴希爾·瓦倫?。˙asil 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(lái)，隨著(zhù)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(lái)
鉍的命名由來(lái)是德文中的單詞Wismut，其中文釋義為白色金屬。從外觀(guān)上看，鉍是一種銀白色至粉紅色的金屬，因此當時(shí)，巴希爾·瓦倫丁以“白色金屬”為金屬元素鉍進(jìn)行命名。16世紀，其名稱(chēng)被進(jìn)行了拉丁語(yǔ)化，自此，鉍的名稱(chēng)從Wismut變?yōu)閎isemutum。但在此后很長(cháng)的一段時(shí)間之內，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(cháng)時(shí)間沒(méi)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(chēng)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(shuō)，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(jiàn)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(lái)自巖石風(fēng)化物和廢棄物、有機物腐化分解物、極區冰川作用、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(guò)河流匯入海洋，并在海洋中儲存下來(lái)。
2016年，美國地質(zhì)調查局曾對全球鉍資源儲量進(jìn)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(wàn)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(wàn)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(lái)說(shuō)，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(gè)省、市和自治區。其中，儲量最多的三個(gè)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(lài)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(zhù)近年來(lái)科學(xué)家們對于鉍的應用的進(jìn)一步探索，鉍在不同領(lǐng)域的應用日益廣泛，在不久的將來(lái)，鉍礦的供應和加工勢必呈現出更加大的需求量。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
鉍屬于金屬元素，在整個(gè)元素周期表中，其放射性小、穩定性好，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(lái)說(shuō)，只有鉍-209能夠在自然界中穩定存在。
鉍屬于稀有金屬，從外觀(guān)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(shí)候，則鉍會(huì )變脆。其晶體結構具有菱形六面體的布拉菲格子。
化學(xué)性質(zhì)
在元素周期表中，鉍元素屬于ⅤA族，其價(jià)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(zhì)量最大的穩定元素。對于鉍元素來(lái)說(shuō)，其6p軌道上有三個(gè)孤對電子，所以鉍元素通常使用3個(gè)6p電子成鍵，在最外層中剩余的兩個(gè)6s電子作為惰性電子對。因此，鉍的化合價(jià)通常為+3。當兩個(gè)6s電子也脫離鉍原子時(shí)，其化合價(jià)將成為+5?？梢钥闯?，通常情況下鉍元素呈現出還原性。此外，鉍元素也可以通過(guò)得到三個(gè)電子使最外層達到八電子穩定狀態(tài)，此時(shí)鉍元素呈現出氧化性。
在一定的條件下，鉍能夠表現出較為活潑的化學(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，生成對應的產(chǎn)物。
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(jìn)行冶煉。目前，對于鉍礦的最為常見(jiàn)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(chǎn)出時(shí)，首先采用火法粗煉工藝對原料進(jìn)行處理。在精煉之前，一般也必須經(jīng)過(guò)粗煉對礦物進(jìn)行提純。根據處理原料的不同種類(lèi)、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(jìn)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(shí)應考慮到各種因素，找到最佳的、成本最低的冶煉方案進(jìn)行操作。
火法精煉
對于精煉來(lái)說(shuō)，該操作一般都是在粗煉之后進(jìn)行的，這是因為進(jìn)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?；鸱ň珶捁に嚢ǔ~、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(jìn)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(guò)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(jià)金屬6個(gè)步驟。在浸出的過(guò)程中，其主要反應為：
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(guò)對電位的控制，讓鉍在陰極發(fā)生還原反應，同時(shí)陽(yáng)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(jiǎn)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，基本反應方程如下：
該方法不足之處在于消耗試劑種類(lèi)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(jìn)行浸出，與此同時(shí)，抑制雜質(zhì)的浸出。相比于前面的幾種方法，這個(gè)方法能夠消除大量鐵離子在流程中的循環(huán)和三價(jià)鐵的再生問(wèn)題，提高產(chǎn)品質(zhì)量，濾渣的過(guò)濾、洗滌等相關(guān)性能也很好地得到了改善。該方法浸出過(guò)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(zhì)硫會(huì )進(jìn)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(wèn)題也比較嚴重，對于設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(wèn)題，且浸出液中有價(jià)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(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，該方法還存在設備腐蝕、廢液排放量大等問(wèn)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(jìn)行電解精煉。原料經(jīng)過(guò)粗煉處理后，若含鉍量要求區間為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(yáng)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(guò)電解后鉍回收量一般不小于99%。需要注意的是電解時(shí)應配置酸性氣體收集裝置，以免冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的有害氣體對環(huán)境造成污染。
應用領(lǐng)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(jià)值。經(jīng)過(guò)氧化處理后，鉍晶體在充足光照下會(huì )呈現出華麗的虹色。正是由于其外觀(guān)欣賞價(jià)值高，因此鉍晶體已逐漸進(jìn)入珠寶行業(yè)，成為一種的裝飾性商品。
醫療行業(yè)
由于鉍元素穩定性好，鉍元素相關(guān)的化合物在進(jìn)入人體之后非常容易代謝，經(jīng)過(guò)人體腎臟24小時(shí)后其代謝率可以達到100%，因此可以作為許多藥物開(kāi)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(gè)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(shù)方面，在早期就可以對癌癥進(jìn)行診斷，且可以檢測疾病進(jìn)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(jiàn)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(jìn)行發(fā)色，而鉬酸鉍的作用是對顏色進(jìn)行調整。。鉍黃顏料擁有鉻黃、鉛黃等顏料的優(yōu)點(diǎn)，且沒(méi)有類(lèi)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(zhù)色上。如：噴涂汽車(chē)外殼最后一道工序、噴涂電器線(xiàn)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(zhù)色、印刷油墨的著(zhù)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(zhù)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(gè)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(zhù)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材料的重要原料。此外，鉍在核能的發(fā)展方面，在未來(lái)有極大的可能代替鈾，成為新的核能源，這樣一來(lái)，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(lái)說(shuō)，目前還存在爭議。
健康相關(guān)
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(guān)實(shí)驗表明，服用常規劑量的相關(guān)藥品、且嚴格遵循療程要求而進(jìn)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(cháng)時(shí)間食用鉍劑，可能會(huì )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(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(huì )出現長(cháng)期、重復使用鉍劑的現象，這將增加鉍帶來(lái)的不良影響和患病風(fēng)險，可能導致溶酶體破壞等問(wèn)題。
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(guò)敏等鉍帶來(lái)的急性健康問(wèn)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(zhuān)業(yè)的醫院進(jìn)行就醫。鉍中毒的防護重點(diǎn)仍然在于對鉍劑長(cháng)期使用、日積月累所帶來(lái)的不良影響的防護。
對于動(dòng)物體的臨床實(shí)驗研究表明，鉍劑在臟器內的積累將可能導致肝、腎組織產(chǎn)生病理性損傷。相關(guān)研究證明，服藥時(shí)，使用鉍劑盡量不要超過(guò)28天，且兩次密集服用鉍劑的間隔最好大于14天，同時(shí)也要控制一次密集服藥的時(shí)間不大于28天，部分藥物甚至最好不超過(guò)7天，以防鉍在體內的大量累積，如有需要可以向醫生進(jìn)行咨詢(xún)，以進(jìn)一步進(jìn)行判斷。此外，研究表明，同時(shí)服用鉍劑和抑酸藥，產(chǎn)生不良影響的概率將會(huì )大大增加。因此，患者在服用鉍劑時(shí)，應盡可能避免與抑酸藥合用。
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這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
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