Bismuto

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Bismuto,  83 Bi
Cristais de bismuto e 1cm3 cube.jpg
Bismuto
Pronúncia/ ˈ b ɪ z m ə θ / ​( BIZ -məth )
Aparênciaprata acastanhada brilhante
Peso atômico padrão A r, std (Bi) 208.980 40 (1) [1]
Bismuto na tabela periódica
Hidrogênio Hélio
Lítio Berílio Boro Carbono Azoto Oxigênio Flúor Néon
Sódio Magnésio Alumínio Silício Fósforo Enxofre Cloro Argônio
Potássio Cálcio Escândio Titânio Vanádio Cromo Manganês Ferro Cobalto Níquel Cobre Zinco Gálio Germânio Arsênico Selênio Bromo Krypton
Rubídio Estrôncio Ítrio Zircônio Nióbio Molibdênio Tecnécio Rutênio Ródio Paládio Prata Cádmio índio Lata Antimônio Telúrio Iodo Xenon
Césio Bário Lantânio Cério Praseodímio Neodímio Promécio Samário Európio Gadolínio Térbio Disprósio Hólmio Érbio Túlio Itérbio Lutécio Háfnio Tântalo Tungstênio Rênio Ósmio Irídio Platina Ouro Mercúrio (elemento) Tálio Liderar Bismuto Polônio Astatine Radônio
Frâncio Rádio Actínio Tório Protactínio Urânio Neptúnio Plutônio Amerício Curium Berquélio Californium Einsteinium Férmio Mendelévio Nobélio Lourenço Rutherfordium Dúbnio Seaborgium Bohrium Hássio Meitnério Darmstádio Roentgenium Copérnico Nihonium Fleróvio Moscovium Livermório Tennessee Oganesson
Sb

Bi

Mc
chumbobismutopolônio
Número atômico ( Z )83
Grupogrupo 15 (pnictógenos)
Períodoperíodo 6
Quadra  p-bloco
Configuração eletrônica[ Xe ] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 3
Elétrons por camada2, 8, 18, 32, 18, 5
Propriedades físicas
Fase em  STPsólido
Ponto de fusão544,7  K (271,5 °C, 520,7 °F)
Ponto de ebulição1837 K (1564 ° C, 2847 ° F)
Densidade (perto  da rt )9,78 g/ cm3
quando líquido (em  mp )10,05 g/ cm3
Calor de fusão11,30  kJ/mol
Calor da vaporização179 kJ/mol
Capacidade de calor molar25,52 J/(mol·K)
Pressão de vapor
P  (Pa) 1 10 100 1k 10 mil 100 mil
em  T  (K) 941 1041 1165 1325 1538 1835
Propriedades atômicas
Estados de oxidação−3, −2, −1, +1, +2, +3 , +4, +5 (um óxido levemente ácido )
Eletro-negatividadeEscala de Pauling: 2,02
Energias de ionização
  • 1º: 703 kJ/mol
  • 2º: 1610 kJ/mol
  • 3º: 2466 kJ/mol
  • ( mais )
Raio atômicoempírico: 156  pm
Raio covalente148±4 da tarde
Raio de Van der Waals207 pm
Linhas de cor em uma faixa espectral
Linhas espectrais de bismuto
Outras propriedades
Ocorrência naturalprimordial
Estrutura de cristalromboédrico [2]
Estrutura cristalina romboédrica para bismuto
Velocidade do som haste fina1790 m/s (a 20°C)
Expansão térmica13,4 µm/(m⋅K) (a 25°C)
Condutividade térmica7,97 W/(m⋅K)
Resistividade elétrica1,29 µΩ⋅m (a 20°C)
Pedido magnéticodiamagnético
Suscetibilidade magnética molar−280,1 × 10 −6  cm 3 /mol [3]
Módulo de Young32 GPa
Módulo de cisalhamento12 GPa
Módulo em massa31 GPa
Razão de Poisson0,33
Dureza de Mohs2,25
Dureza Brinell70–95 MPa
Número CAS7440-69-9
História
Descobertaalquimistas árabes (antes de 1000 d.C.)
Principais isótopos de bismuto
Isótopo Abundância Meia-vida ( t 1/2 ) Modo de decaimento produtos
207 Bi sin 31,55 anos + _ 207 Pb
208 Bi sin 3,68×10 5  anos + _ 208 Pb
209 Bi 100% 2,01×10 19  anos α 205 Tl
210 Bi vestígio 5.012 d β- _ 210 Po
α 206 Tl
210m Bi sin 3,04×10 6  anos ISTO 210 Bi
α 206 Tl
 Categoria: Bismuto
| referências

O bismuto é um elemento químico de símbolo  Bi e número atômico 83. É um metal pós-transição e um dos pnictógenos com propriedades químicas semelhantes ao seu grupo mais leve 15 irmãos arsênio e antimônio . O bismuto elementar pode ocorrer naturalmente, e suas formas de sulfeto e óxido são importantes minérios comerciais. O elemento livre é 86% tão denso quanto o chumbo . É um metal quebradiço com uma cor branco-prateada quando recém-produzido, mas a oxidação superficial pode dar-lhe umacoloração iridescente em várias cores. O bismuto é o elemento mais naturalmente diamagnético e possui um dos menores valores de condutividade térmica entre os metais.

O bismuto foi por muito tempo considerado o elemento com a maior massa atômica que é estável, mas em 2003 foi descoberto que era extremamente fracamente radioativo : seu único isótopo primordial , bismuto-209 , decai via decaimento alfa com meia-vida de mais de um bilhão de vezes . a idade estimada do universo . [4] [5] Por causa de sua meia-vida tremendamente longa, o bismuto ainda pode ser considerado estável para quase todos os propósitos. [5]

O metal bismuto é conhecido desde os tempos antigos, embora muitas vezes fosse confundido com chumbo e estanho, que compartilham algumas propriedades físicas. A etimologia é incerta, mas a palavra pode vir das palavras alemãs weiße Masse ou Wismuth ("massa branca"), traduzidas em meados do século XVI para o novo latim bisemutum ou bisemutium .

Principais usos

Os compostos de bismuto são responsáveis ​​por cerca de metade da produção de bismuto. Eles são usados ​​em cosméticos; pigmentos; e alguns produtos farmacêuticos, notadamente o subsalicilato de bismuto , usado para tratar a diarréia. [5] A propensão incomum do bismuto para se expandir à medida que se solidifica é responsável por alguns de seus usos, como na fundição de tipos de impressão. [5] O bismuto tem uma toxicidade extraordinariamente baixa para um metal pesado. [5] À medida que a toxicidade do chumbo se tornou mais aparente nos últimos anos, há um uso crescente de ligas de bismuto (atualmente cerca de um terço da produção de bismuto) como substituto do chumbo.

História e etimologia

O metal de bismuto é conhecido desde os tempos antigos; foi um dos primeiros 10 metais a serem descobertos. O nome bismuto data de cerca de 1660 e é de etimologia incerta; possivelmente vem do obsoleto alemão Bismuth , Wismut , Wissmuth (início do século XVI), talvez relacionado ao antigo alto alemão hwiz ("branco"). [6] O novo latim bisemutium (devido a Georgius Agricola , que latinizou muitas palavras alemãs de mineração e técnicas) é do alemão Wismuth , talvez de weiße Masse , "massa branca". [7] [8]

O elemento foi confundido nos primeiros tempos com estanho e chumbo por causa de sua semelhança com esses elementos. Como o bismuto é conhecido desde os tempos antigos, ninguém é creditado com sua descoberta. Agricola (1546) afirma que o bismuto é um metal distinto em uma família de metais, incluindo estanho e chumbo. Isto foi baseado na observação dos metais e suas propriedades físicas. [9]

Os mineiros na era da alquimia também deram ao bismuto o nome de tectum argenti , ou "prata sendo feita", no sentido de prata ainda em processo de formação dentro da Terra. [10] [11] [12]

O bismuto também era conhecido pelos incas e usado (junto com o cobre e o estanho usuais) em uma liga especial de bronze para facas. [13]

Começando com Johann Heinrich Pott em 1738, [14] Carl Wilhelm Scheele e Torbern Olof Bergman , a distinção entre chumbo e bismuto tornou-se clara, e Claude François Geoffroy demonstrou em 1753 que este metal é distinto de chumbo e estanho. [11] [15] [16]

Características

Esquerda: Um cristal de bismuto exibindo a estrutura cristalina em degrau e cores iridescentes , que são produzidas pela interferência da luz dentro do filme de óxido em sua superfície. Direita: um cubo de 1 cm 3 de metal de bismuto não oxidado

Características físicas

Diagrama de fases pressão-temperatura do bismuto. TC refere-se à temperatura de transição supercondutora

O bismuto é um metal quebradiço com um tom rosa-prateado escuro, muitas vezes com uma mancha de óxido iridescente mostrando muitas cores do amarelo ao azul. A estrutura espiralada em degraus dos cristais de bismuto é o resultado de uma taxa de crescimento mais alta em torno das bordas externas do que nas bordas internas. As variações na espessura da camada de óxido que se forma na superfície do cristal fazem com que diferentes comprimentos de onda da luz interfiram na reflexão, exibindo assim um arco-íris de cores. Quando queimado em oxigênio , o bismuto queima com uma chama azul e seu óxido forma fumaça amarela . [15] Sua toxicidadeé muito menor do que a de seus vizinhos na tabela periódica , como chumbo , antimônio e polônio .

Nenhum outro metal é mais naturalmente diamagnético do que o bismuto. [15] [17] ( Superdiamagnetismo é um fenômeno físico diferente.) De qualquer metal, tem um dos valores mais baixos de condutividade térmica (depois do manganês , e talvez neptúnio e plutônio ) e o mais alto coeficiente Hall . [18] Possui alta resistividade elétrica . [15] Quando depositado em camadas suficientemente finas sobre um substrato, o bismuto é um semicondutor , apesar de ser um metal pós-transição . [19]O bismuto elementar é mais denso na fase líquida do que na sólida, uma característica que compartilha com germânio , silício , gálio e água . [20] O bismuto expande 3,32% na solidificação; portanto, foi por muito tempo um componente de ligas tipográficas de baixo ponto de fusão , onde compensou a contração dos outros componentes da liga [15] [21] [22] [23] para formar ligas eutéticas quase isostáticas de bismuto-chumbo .

Embora praticamente invisível na natureza, o bismuto de alta pureza pode formar cristais de funil coloridos e distintos . É relativamente não tóxico e tem um baixo ponto de fusão acima de 271°C, então os cristais podem ser cultivados usando um fogão doméstico, embora os cristais resultantes tendam a ser de qualidade inferior aos cristais cultivados em laboratório. [24]

Em condições ambientais, o bismuto compartilha a mesma estrutura em camadas que as formas metálicas de arsênio e antimônio , [25] cristalizando na rede romboédrica [26] ( símbolo de Pearson hR6, grupo espacial R 3 m No. 166) do sistema de cristal trigonal. [2] Quando comprimida à temperatura ambiente, esta estrutura Bi-I muda primeiro para a monoclínica Bi-II a 2,55 GPa, depois para a tetragonal Bi-III a 2,7 GPa e, finalmente, para a cúbica de corpo centrado.Bi-V a 7,7 GPa. As transições correspondentes podem ser monitoradas através de mudanças na condutividade elétrica; eles são bastante reprodutíveis e abruptos e, portanto, são usados ​​para calibração de equipamentos de alta pressão. [27] [28]

Características químicas

O bismuto é estável ao ar seco e úmido em temperaturas normais. Quando incandescente, reage com a água para produzir óxido de bismuto(III). [29]

2 Bi + 3 H 2 O → Bi 2 O 3 + 3 H 2

Ele reage com o flúor para produzir fluoreto de bismuto(V) a 500 °C ou fluoreto de bismuto(III) em temperaturas mais baixas (tipicamente de derretimentos de Bi); com outros halogênios produz apenas haletos de bismuto(III). [30] [31] [32] Os trihaletos são corrosivos e reagem facilmente com a umidade, formando oxihaletos com a fórmula BiOX. [33]

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

O bismuto se dissolve em ácido sulfúrico concentrado para produzir sulfato de bismuto(III) e dióxido de enxofre . [29]

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

Ele reage com ácido nítrico para fazer nitrato de bismuto (III) .

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

Também se dissolve em ácido clorídrico , mas apenas com oxigênio presente. [29]

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

É usado como agente transmetalizante na síntese de complexos de metais alcalino-terrosos:

3 Ba + 2 BiPh 3 → 3 BaPh 2 + 2 Bi

Isótopos

O único isótopo primordial do bismuto, o bismuto-209 , era tradicionalmente considerado o isótopo estável mais pesado, mas há muito se suspeitava [34] de ser instável em bases teóricas. Isso foi finalmente demonstrado em 2003, quando pesquisadores do Institut d'Astrophysique Spatiale em Orsay , França, mediram a meia-vida de emissão alfa de209
Bi
ser estar2,01 × 10 19  anos (3 Bq / M g ), [35] [36] mais de um bilhão de vezes mais do que a idade atual estimada do universo . [5] Devido à sua meia-vida extraordinariamente longa, para todas as aplicações médicas e industriais atualmente conhecidas, o bismuto pode ser tratado como se fosse estável e não radioativo. A radioatividade é de interesse acadêmico porque o bismuto é um dos poucos elementos cuja radioatividade foi suspeitada e teoricamente prevista antes de ser detectada em laboratório. [5] O bismuto tem a meia-vida mais longa conhecida de decaimento alfa, embora o telúrio-128tem uma meia-vida de decaimento beta duplo de mais de2,2 × 10 24  anos . [36] A meia-vida extremamente longa do bismuto significa que menos de aproximadamente um bilionésimo do bismuto presente na formação do planeta Terra teria decaído em tálio desde então.

Vários isótopos de bismuto com meias-vidas curtas ocorrem dentro das cadeias de desintegração radioativa de actínio , rádio e tório , e mais foram sintetizados experimentalmente. Bismuto-213 também é encontrado na cadeia de decaimento de neptúnio-237 e urânio-233 . [37]

Comercialmente, o isótopo radioativo bismuto-213 pode ser produzido bombardeando rádio com fótons bremsstrahlung de um acelerador de partículas linear . Em 1997, um anticorpo conjugado com bismuto-213, que tem meia-vida de 45 minutos e decai com a emissão de uma partícula alfa, foi usado para tratar pacientes com leucemia. Este isótopo também foi testado no tratamento do câncer, por exemplo, no programa de terapia alfa direcionada (TAT). [38] [39]

Compostos químicos

O bismuto forma compostos trivalentes e pentavalentes, sendo os trivalentes mais comuns. Muitas de suas propriedades químicas são semelhantes às do arsênico e do antimônio , embora sejam menos tóxicas que os derivados desses elementos mais leves. [ citação necessária ]

Óxidos e sulfetos

Em temperaturas elevadas, os vapores do metal combinam-se rapidamente com o oxigênio, formando o trióxido amarelo, Bi
2
O
3
. [20] [40] Quando fundido, em temperaturas acima de 710 °C, esse óxido corrói qualquer óxido metálico e até mesmo a platina. [32] Na reação com uma base, forma duas séries de oxiânions : BiO-
2
, que é polimérico e forma cadeias lineares, e BiO3-3
_
. O ânion em Li
3
BiO
3
é um ânion octamérico cúbico, Bi
8
O24-24
_
, enquanto o ânion de Na
3
BiO
3
é tetramérica. [41]

O óxido de bismuto (V) vermelho escuro, Bi
2
O
5
, é instável, liberando O
2
gás no aquecimento. [42] O composto NaBiO 3 é um forte agente oxidante. [43]

Sulfeto de bismuto, Bi
2
S
3
, ocorre naturalmente em minérios de bismuto. [44] Também é produzido pela combinação de bismuto fundido e enxofre. [31]

Estrutura de oxicloreto de bismuto (BiOCl) ( bismoclito mineral ). Os átomos de bismuto são mostrados em cinza, oxigênio vermelho, cloro verde.

O oxicloreto de bismuto (BiOCl, veja a figura à direita) e o oxinitrato de bismuto (BiONO 3 ) aparecem estequiometricamente como sais aniônicos simples do cátion bismuto (III) (BiO + ) que comumente ocorre em compostos de bismuto aquosos. No entanto, no caso do BiOCl, o cristal de sal se forma em uma estrutura de placas alternadas de átomos de Bi, O e Cl, com cada oxigênio coordenando com quatro átomos de bismuto no plano adjacente. Este composto mineral é usado como pigmento e cosmético (veja abaixo). [45]

Bismuto e bismutetos

Ao contrário dos pnictógenos mais leves , nitrogênio, fósforo e arsênico, mas semelhante ao antimônio , o bismuto não forma um hidreto estável . Hidreto de bismuto, bismutina ( BiH
3
), é um composto endotérmico que se decompõe espontaneamente à temperatura ambiente. É estável apenas abaixo de -60 °C. [41] Os bismutos são compostos intermetálicos entre o bismuto e outros metais. [ citação necessária ]

Em 2014, os pesquisadores descobriram que o bismuto de sódio pode existir como uma forma de matéria chamada “semimetal Dirac topológico tridimensional” (3DTDS) que possui férmions Dirac 3D em massa. É uma contraparte tridimensional natural do grafeno com mobilidade e velocidade de elétrons semelhantes . O grafeno e os isoladores topológicos (como os do 3DTDS) são materiais cristalinos que isolam eletricamente por dentro, mas conduzem na superfície, permitindo que funcionem como transistores e outros dispositivos eletrônicos. Enquanto o bismuto de sódio ( Na
3
Bi
) é muito instável para ser usado em dispositivos sem embalagem, pode demonstrar potenciais aplicações de sistemas 3DTDS, que oferecem vantagens distintas de eficiência e fabricação sobre grafeno planar em aplicações de semicondutores e spintrônica . [46] [47]

Haletos

Os haletos de bismuto em estados de baixa oxidação demonstraram adotar estruturas incomuns. O que foi originalmente pensado para ser cloreto de bismuto (I), BiCl, acaba por ser um composto complexo consistindo de Bi5+
9
cátions e BiCl2-5
_
e Bi
2
Cl2-8
_
ânions. [41] [48] O Bi5+
9
O cátion tem uma geometria molecular prismática trigonal trincada distorcida e também é encontrado em Bi
10
Hf
3
Cl
18
, que é preparado pela redução de uma mistura de cloreto de háfnio(IV) e cloreto de bismuto com bismuto elementar, tendo a estrutura [Bi+
] [Bi5+
9
] [HfCl2-6
_
]
3
. [41] : 50  Outros cátions poliatômicos de bismuto também são conhecidos, como Bi2+
8
, encontrado em Bi
8
(AlCl
4
)
2
. [48] O bismuto também forma um brometo de baixa valência com a mesma estrutura do "BiCl". Existe um verdadeiro monoiodeto, BiI, que contém cadeias de Bi
4
eu
4
unidades. BiI se decompõe por aquecimento em triiodeto, BiI
3
, e bismuto elementar. Também existe um monobrometo da mesma estrutura. [41] No estado de oxidação +3, o bismuto forma trihaletos com todos os halogênios: BiF
3
, BiCl
3
, BiBr
3
, e BiI
3
. Todos estes, exceto BiF
3
são hidrolisados pela água. [41]

O cloreto de bismuto(III) reage com cloreto de hidrogênio em solução de éter para produzir o ácido HBiCl
4
. [29]

O estado de oxidação +5 é encontrado com menos frequência. Um desses compostos é o BiF
5
, um poderoso agente oxidante e fluorante. É também um forte aceptor de flúor, reagindo com o tetrafluoreto de xenônio para formar o XeF+
3
cação: [29]

BiF
5
+ XeF
4
XeF+
3
BiF-
6

Espécies aquosas

Em solução aquosa , o Bi3+
íon é solvatado para formar o íon aqua Bi(H
2
O)3+
8
em condições fortemente ácidas. [49] Em pH > 0 espécies polinucleares existem, acredita-se que a mais importante seja o complexo octaédrico [ Bi
6
O
4
(OH)
4
]6+
. [50]

Ocorrência e produção

mineral bismita
Pedaço de um lingote de bismuto quebrado

Na crosta terrestre, o bismuto é cerca de duas vezes mais abundante que o ouro . Os minérios mais importantes de bismuto são bismutinita e bismita . [15] O bismuto nativo é conhecido da Austrália, Bolívia e China. [51] [52]

Produção mundial de bismuto, 2016, em toneladas
País Fontes de mineração [53] Fontes de refino [54]
China 7.400 11.000
Vietnã 2.000 5.000
México 700 539
Japão 428
De outros 100 33
Total 10.200 17.100

A diferença entre a produção de mineração e refino reflete o status do bismuto como subproduto da extração de outros metais como chumbo, cobre, estanho, molibdênio e tungstênio. [55] A produção mundial de bismuto das refinarias é uma estatística mais completa e confiável. [56] [57] [58]

O bismuto viaja em barras de chumbo bruto (que pode conter até 10% de bismuto) por várias etapas de refino, até ser removido pelo processo Kroll-Betterton, que separa as impurezas como escória, ou pelo processo eletrolítico de Betts . O bismuto se comportará de maneira semelhante com outro de seus principais metais, o cobre. [56] O metal de bismuto bruto de ambos os processos ainda contém quantidades consideráveis ​​de outros metais, principalmente chumbo. Ao reagir a mistura fundida com o gás cloro, os metais são convertidos em seus cloretos, enquanto o bismuto permanece inalterado. Impurezas também podem ser removidas por vários outros métodos, por exemplo, com fundentes e tratamentos produzindo metal de bismuto de alta pureza (mais de 99% Bi).

Preço

Produção mundial de minas e médias anuais do preço do bismuto (Nova York, não ajustada pela inflação). [59]

O preço do metal de bismuto puro permaneceu relativamente estável durante a maior parte do século 20, exceto por um aumento na década de 1970. O bismuto sempre foi produzido principalmente como subproduto do refino de chumbo e, portanto, o preço geralmente refletia o custo de recuperação e o equilíbrio entre produção e demanda. [59]

A demanda por bismuto era pequena antes da Segunda Guerra Mundial e era farmacêutica – compostos de bismuto eram usados ​​para tratar doenças como distúrbios digestivos, doenças sexualmente transmissíveis e queimaduras. Pequenas quantidades de metal de bismuto foram consumidas em ligas fusíveis para sistemas de extinção de incêndio e fios fusíveis . Durante a Segunda Guerra Mundial, o bismuto foi considerado um material estratégico , usado para soldas, ligas fusíveis, medicamentos e pesquisas atômicas. Para estabilizar o mercado, os produtores fixaram o preço em US$ 1,25 por libra (US$ 2,75/kg) durante a guerra e em US$ 2,25 por libra (US$ 4,96/kg) de 1950 a 1964. [59]

No início da década de 1970, o preço subiu rapidamente como resultado da crescente demanda por bismuto como aditivo metalúrgico para alumínio, ferro e aço. Isso foi seguido por um declínio devido ao aumento da produção mundial, ao consumo estabilizado e às recessões de 1980 e 1981-1982. Em 1984, o preço começou a subir à medida que o consumo aumentava em todo o mundo, especialmente nos Estados Unidos e no Japão. No início da década de 1990, começaram as pesquisas sobre a avaliação do bismuto como um substituto não tóxico para o chumbo em esmaltes cerâmicos, chumbadas de pesca, equipamentos de processamento de alimentos, latão de usinagem livre para aplicações de encanamento, graxas lubrificantes e tiro para caça de aves aquáticas . [60]O crescimento nessas áreas permaneceu lento em meados da década de 1990, apesar do apoio à substituição do chumbo pelo governo federal dos Estados Unidos, mas intensificou-se por volta de 2005. Isso resultou em um aumento rápido e contínuo do preço. [59]

Reciclagem

A maior parte do bismuto é produzida como subproduto de outros processos de extração de metais, incluindo a fundição de chumbo, e também de tungstênio e cobre. A sua sustentabilidade depende do aumento da reciclagem, o que é problemático. [ citação necessária ]

Antigamente, acreditava-se que o bismuto poderia ser praticamente reciclado a partir das juntas soldadas em equipamentos eletrônicos. Eficiências recentes na aplicação de solda em eletrônicos significam que há substancialmente menos solda depositada e, portanto, menos para reciclar. Embora a recuperação da prata da solda com prata possa permanecer econômica, a recuperação do bismuto é substancialmente menos. [61]

Em seguida, na viabilidade de reciclagem, seriam catalisadores consideráveis ​​com um teor de bismuto razoável, como o fosfomolibdato de bismuto. [ citação necessário ] Bismuto usado em galvanização e como aditivo metalúrgico de usinagem livre. [ citação necessária ]

Bismuto em usos onde é mais amplamente disperso incluem certos medicamentos estomacais ( subsalicilato de bismuto ), tintas ( vanadato de bismuto ), cosméticos perolados ( oxicloreto de bismuto) e balas contendo bismuto. A reciclagem de bismuto desses usos é impraticável. [ citação necessária ]

Aplicativos

Gravura em preto e branco de dois homens extraindo e trabalhando bismuto, martelando e derramando em uma encosta.
Gravura do século XVIII de processamento de bismuto. Durante esta época, o bismuto foi usado para tratar algumas queixas digestivas.

O bismuto tem poucas aplicações comerciais e as aplicações que o utilizam geralmente requerem pequenas quantidades em relação a outras matérias-primas. Nos Estados Unidos, por exemplo, 733 toneladas de bismuto foram consumidas em 2016, das quais 70% foram para produtos químicos (incluindo produtos farmacêuticos, pigmentos e cosméticos) e 11% para ligas de bismuto. [62]

Alguns fabricantes usam o bismuto como substituto em equipamentos para sistemas de água potável, como válvulas, para atender aos mandatos "sem chumbo" nos EUA (começado em 2014). Esta é uma aplicação bastante grande, pois abrange toda a construção de edifícios residenciais e comerciais. [ citação necessária ]

No início da década de 1990, os pesquisadores começaram a avaliar o bismuto como um substituto não tóxico do chumbo em várias aplicações. [ citação necessária ]

Medicamentos

O bismuto é um ingrediente em alguns produtos farmacêuticos, [5] embora o uso de algumas dessas substâncias esteja diminuindo. [45]

Cosméticos e pigmentos

O oxicloreto de bismuto (BiOCl) às vezes é usado em cosméticos, como pigmento em tintas para sombras, sprays de cabelo e esmaltes. [5] [45] [67] [68] Este composto é encontrado como o mineral bismoclito e em forma de cristal contém camadas de átomos (veja a figura acima) que refratam a luz cromaticamente, resultando em uma aparência iridescente semelhante ao nácar de pérola. Foi usado como cosmético no antigo Egito e em muitos lugares desde então. Branco de bismuto (também "branco espanhol") pode se referir a oxicloreto de bismuto ou oxinitrato de bismuto (BiONO 3), quando usado como pigmento branco. O vanadato de bismuto é usado como um pigmento de tinta não reativo estável à luz (particularmente para tintas de artistas), geralmente como um substituto para os pigmentos amarelos e laranja-amarelos de sulfeto de cádmio mais tóxicos. A variedade mais comum nas tintas dos artistas é um amarelo limão, visualmente indistinguível de sua alternativa contendo cádmio. [ citação necessária ]

Metal e ligas

O bismuto é usado em ligas metálicas com outros metais, como o ferro. Essas ligas são usadas em sistemas automáticos de sprinklers para incêndios. Forma a maior parte (50%) do metal de Rose , uma liga fusível , que também contém 25-28% de chumbo e 22-25% de estanho. Também foi usado para fazer bronze de bismuto que foi usado na Idade do Bronze. [ citação necessária ]

Substituição de chumbo

A diferença de densidade entre chumbo (11,32 g/cm 3 ) e bismuto (9,78 g/cm 3 ) é pequena o suficiente para que, para muitas aplicações de balística e ponderação, o bismuto possa substituir o chumbo . Por exemplo, pode substituir o chumbo como material denso em chumbadas de pesca . Ele tem sido usado como um substituto para chumbo em tiros , balas e munições de armas de choque menos letais . Holanda, Dinamarca, Inglaterra, País de Gales, Estados Unidos e muitos outros países agora proíbem o uso de chumbo para a caça de pássaros de zonas úmidas, pois muitos pássaros são propensos a envenenamento por chumbodevido à ingestão equivocada de chumbo (em vez de pequenas pedras e cascalho) para ajudar na digestão, ou mesmo proibir o uso de chumbo para todas as caçadas, como na Holanda. A granalha de liga de bismuto-estanho é uma alternativa que oferece desempenho balístico semelhante ao chumbo. (Outra alternativa menos cara, mas também com pior desempenho, é o tiro de "aço", que na verdade é ferro macio.) A falta de maleabilidade do bismuto , no entanto, o torna inadequado para uso em balas de caça em expansão. [ citação necessária ]

O bismuto, como um elemento denso de alto peso atômico, é utilizado em escudos de látex impregnados com bismuto para proteção contra raios X em exames médicos, como tomografias , principalmente por ser considerado atóxico. [69]

A Diretiva de Restrição de Substâncias Perigosas (RoHS) da União Européia para redução de chumbo ampliou o uso do bismuto em eletrônicos como componente de soldas de baixo ponto de fusão, como substituto das soldas tradicionais de estanho-chumbo. [62] Sua baixa toxicidade será especialmente importante para soldas para uso em equipamentos de processamento de alimentos e tubulações de cobre, embora também possa ser usado em outras aplicações, incluindo as da indústria automobilística, na União Européia, por exemplo. [70]

O bismuto foi avaliado como substituto do chumbo em latões de usinagem livre para aplicações de encanamento , [71] embora não iguale o desempenho dos aços com chumbo. [70]

Outros usos de metais e ligas especiais

Muitas ligas de bismuto têm pontos de fusão baixos e são encontradas em aplicações especiais, como soldas . Muitos sprinklers automáticos, fusíveis elétricos e dispositivos de segurança em sistemas de detecção e supressão de incêndio contêm a liga eutética In19.1-Cd5.3-Pb22.6-Sn8.3-Bi44.7 que derrete a 47 °C (117 °F) [15] Esta é uma temperatura conveniente, pois é improvável que seja excedida em condições normais de vida. Ligas de baixo ponto de fusão, como a liga Bi-Cd-Pb-Sn, que derrete a 70 °C, também são usadas nas indústrias automotiva e de aviação. Antes de deformar uma peça de metal de parede fina, ela é preenchida com uma massa fundida ou coberta com uma fina camada de liga para reduzir a chance de quebra. Em seguida, a liga é removida submergindo a peça em água fervente.[72]

O bismuto é usado para fazer aços de usinagem livre e ligas de alumínio de usinagem livre para propriedades de usinagem de precisão. Tem efeito semelhante ao chumbo e melhora a quebra de cavacos durante a usinagem. O encolhimento na solidificação do chumbo e a expansão do bismuto se compensam e, portanto, o chumbo e o bismuto são frequentemente usados ​​em quantidades semelhantes. [73] [74] Da mesma forma, ligas contendo partes comparáveis ​​de bismuto e chumbo exibem uma mudança muito pequena (da ordem de 0,01%) após a fusão, solidificação ou envelhecimento. Essas ligas são usadas em fundição de alta precisão, por exemplo, em odontologia, para criar modelos e moldes. [72] O bismuto também é usado como agente de liga na produção de ferros maleáveis [62] e comomaterial do termopar . [15]

O bismuto também é usado em ligas fundidas de alumínio-silício para refinar a morfologia do silício. No entanto, indicou um efeito de envenenamento na modificação do estrôncio . [75] [76] Algumas ligas de bismuto, como Bi35-Pb37-Sn25, são combinadas com materiais antiaderentes como mica , vidro e esmaltes porque os molham facilmente, permitindo fazer juntas com outras peças. A adição de bismuto ao césio aumenta o rendimento quântico dos cátodos de césio. [45] A sinterização de pós de bismuto e manganês a 300 °C produz um ímã permanente e magnetostritivomaterial, que é usado em geradores e receptores ultrassônicos que trabalham na faixa de 10 a 100 kHz e em dispositivos de memória magnética. [77]

Outros usos como compostos

Vanadato de bismuto, um pigmento amarelo
  • O bismuto está incluído no BSCCO (óxido de cobre e cálcio de bismuto e estrôncio), que é um grupo de compostos supercondutores semelhantes descobertos em 1988 que exibem as temperaturas de transição supercondutoras mais altas. [78]
  • O subnitrato de bismuto é um componente de esmaltes que produz uma iridescência e é usado como pigmento em tintas.
  • O telureto de bismuto é um semicondutor e um excelente material termoelétrico . [45] [79] Diodos Bi 2 Te 3 são usados ​​em refrigeradores móveis, refrigeradores de CPU e como detectores em espectrofotômetros infravermelhos . [45]
  • O óxido de bismuto , em sua forma delta, é um eletrólito sólido para o oxigênio. Essa forma normalmente se decompõe abaixo de um limite de alta temperatura, mas pode ser eletrodepositada bem abaixo dessa temperatura em uma solução altamente alcalina.
  • O germanato de bismuto é um cintilador, amplamente utilizado em detectores de raios X e raios gama.
  • Vanadato de bismutoque possui um tom mais esverdeado que os demais. Em comparação com os cromatos de chumbo, não escurece devido ao sulfeto de hidrogênio no ar (processo acelerado pela exposição aos raios UV) e possui uma cor particularmente mais brilhante do que eles, especialmente o limão, que é o mais translúcido, opaco e mais rápido de escurecer devido à maior porcentagem de sulfato de chumbo necessária para produzir essa tonalidade. Também é usado, de forma limitada devido ao seu custo, como pigmento para tintas veiculares.[80] [81]
  • Um catalisador para fazer fibras acrílicas. [15]
  • Como eletrocatalisador na conversão de CO 2 em CO. [82]
  • Ingrediente em graxas lubrificantes . [83]
  • Em microestrelas crepitantes ( ovos de dragão ) em pirotecnia , como o óxido , subcarbonato ou subnitrato. [84] [85]
  • Como catalisador para a fluoração de ésteres de pinacol arilborônicos através de um ciclo catalítico Bi(III)/Bi(V), mimetizando metais de transição na fluoração eletrofílica. [86]

Toxicologia e ecotoxicologia

Veja também bismuto , uma condição dermatológica rara que resulta do uso prolongado de bismuto.

A literatura científica indica que alguns dos compostos de bismuto são menos tóxicos para humanos por ingestão do que outros metais pesados ​​(chumbo, arsênico, antimônio, etc.) [5] presumivelmente devido à solubilidade comparativamente baixa dos sais de bismuto. [87] Sua meia-vida biológica para retenção de corpo inteiro é de 5 dias, mas pode permanecer no rim por anos em pessoas tratadas com compostos de bismuto. [88]

O envenenamento por bismuto pode ocorrer e, de acordo com alguns relatos, tem sido comum em tempos relativamente recentes. [87] [89] Assim como o chumbo, o envenenamento por bismuto pode resultar na formação de um depósito preto na gengiva , conhecido como linha de bismuto. [90] [91] [92] A intoxicação pode ser tratada com dimercaprol ; no entanto, a evidência do benefício não é clara. [93] [94]

Os impactos ambientais do bismuto não são bem conhecidos; pode ser menos provável que se bioacumule do que alguns outros metais pesados, e esta é uma área de pesquisa ativa. [95] [96]

Biorremediação

O fungo Marasmius oreades pode ser utilizado para a remediação biológica de bismuto em solos poluídos. [97]

Veja também

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Bibliografia

Domínio público Este artigo incorpora o texto desta fonte, que é de domínio público : Brown, RD, Jr. "Annual Average Bismuth Price", USGS (1998)

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