元素周期表中最奇特和最被低估的元素 —— 铋

前言

假如你对化学了解不多，看到“铋”这个词，可能会一头雾水：“这是什么鬼？“我从未听说过。“这个字念 mi?的确，这个词看起来有点生僻，容易让人产生距离感。然而，事实上，铋比你想象的要常见得多。如果你在材料行业特别关注超导体和半导体的技术进步，近年来“铋”经常出现在你的视野中。即使你不熟悉这些高科技领域，如果你因为饮食不规律而经历过胃溃疡，你最喜欢的颜色是“樱桃草黄”，或者你特别喜欢美容，那么你可能已经接触过铋。

曾经是德国马普固体物理与材料研究所《Nature》“铋可能是元素周期表中最奇怪和被低估的元素之一。”今天，小编将带你深入了解这个神秘的元素 ——“铋”揭开了它在各个领域的独特魅力。

1、五颜六色的铋

铋的熔点非常低（271.4℃），沸点非常高（1564℃），常用于制造低熔点合金。例如，伍德合金的标准成分 50% 铋，熔点仅为 70℃可用于制造保险丝和自动灭火装置的温度探头。铋具有密度高、毒性低的特点，可作为铅的良好替代品。

纯铋单质为银白色至粉红色金属，而我们通常看到的铋晶体表面呈现出彩虹般的绚丽光泽，常用于制作工艺品。为什么？这是因为熔化铋缓慢冷却结晶时，其表面会氧化形成薄厚不均匀的氧化膜，在光照下干扰时会呈现出五颜六色的效果。

早在古希腊和罗马时期，人们就可以用木炭还原辉铋矿制成的铋作为盒子或盒子的底部。炼金术时代，矿工普遍认为铋矿是一种正在生长的银矿，因此将其命名为 tectum argenti，意思是“制造中的银”。1450 2000年，德国的一位修士首次描述了铋的存在，而铋作为一种元素，要等到300多年才能正式描述。1737 2000年，赫罗特在用火法分析钴矿时获得了一小块样品，但当时他不知道是什么。1753 年，英国 C.若弗鲁瓦和 T.伯格曼确认铋是一种化学元素，被命名为 bismuth。1757 日夫鲁瓦年法国人 (Geoffroy) 经分析研究证明，它不同于铅、锡，是一种新元素。铋，从沉睡中逐渐醒来。铋已经和人类一起走过了近千年，但我们对它了解不多。曾经，83 号元素铋被认为是最后一个稳定元素，但在 2003 2008年，即使是最稳定、最常见的同位素铋-209，科学家们也确定了铋具有放射性。 也有放射性，其半衰期为 1.9×10^19 年。因此，铅取代了铋，成为元素周期表的最终稳定元素。

2、铋的工业冶炼

铋以其独特的光芒在现代文明中闪耀。

铋（Bi），原子序数 83位于元素周期表第六周期 VA 族。分布在其位置周围的汞、铅、磷、砷、锑、磷都有剧毒，而铋则出淤泥而不染，对人几乎无毒。在自然界中，铋的丰度接近银，常见的铋矿有辉铋矿(Bi2S3)、Bi2o3(Bi2o3)、NBi2o3.MCO2.H2O）等。在工业上，主要有火法、湿法、电解法等。以下简要介绍火法冶炼，简要分析湿法冶炼的原理。

火法炼铋：分为粗炼和精炼两部分。粗炼通常是混合熔炼法，即硫化铋与氧化铋矿混合，硫化铋沉淀熔炼和氧化铋还原熔炼，得到粗铋。通过氧化去除砷、锑、锑等杂质，然后获得精炼铋，熔铸成锭。

湿法炼铋：以辉铋矿为例，矿石经初选后粉碎，再用盐酸化三氯化铁溶液氧化矿粉：

Bi2S3 6FeCl3→2BiCl3 6FeCl2 3S

铋经常与铅共生，而含铅物质在这个过程中会被氧化 PbCl2 沉淀沉淀，以 PbS 为例：

PbS 2FeCl3→PbCl2 2FeCl2 S

氯化铅和氧化产生的硫会成为浸出渣，而铋会进入溶液。下一步是用铁屑还原浸出液，得到纯度较低的海绵铋:

2BiCl3 3Fe→2Bi 3FeCl2

剩余的溶液可以通过氯气回收利用。获得的海绵铋浸泡在熔化中 NaOH 熔铸中，得到粗铋，然后精炼得到精炼铋，精炼步骤与火法基本一致。

铋作为氮元素，具有非金属性，但在化学反应中更多地反映了金属性。例如，在高温下，铋粉可以在空气中燃烧，产生淡黄色的粉末固体氧化铋（Bi2o3）。

4Bi 3O2→2Bi2O3

3、生活中的铋

3.1

珠光效果的化妆品

氯化铋(BiCl3)是最常用的化合物之一，在过氧化氢的作用下，盐酸与铋反应常用于实验室制备氯化铋：

2Bi 6HCl 3H2O2→2BiCl3 6H2O

氯化铋的工业制备工艺是：首先通过稀硝酸溶解精炼铋，获得硝酸铋溶液。氯化铋等效溶液是通过与饱和盐水的作用获得的。那么，为什么要在工业上制备大量的氯化铋等效溶液而不是纯氯化铋呢？因为在这条线上，氯化铋不是最终的产物，大量的工业氯化铋是另一种更有利可图的化合物：氯化铋（BiOCl）。氯化铋溶液与四倍体积的水混合，加热至 95℃；氯化铋在这一过程中会水解产生氯氧化铋。

BiCl3 H2O→BiOCl 2HCl

氯氧化铋为什么说？ (BiOCl) 更挣钱呢？因为他广泛应用于美容行业。美容行业以其巨大的利润和高收入而闻名。国外一众 youtuber、欧美明星靠卖美妆赚了不少钱。如 Jeffree Star 和 Kylie Jenner 等待美容品牌在全球市场上取得巨大成功。国内也不多说让，都说 208 拍戏赚钱，但其实美妆赚了不少钱。比如 2018 一个由艺术家创立的美容品牌，年年被封杀 Fan Beauty 今年的小红薯 618 大促销中一年卖超货 11 亿元！嗯，作为一个普通的化学从业者，我们在美容行业赚钱的方法是制造原材料，尤其是氯氧化铋，这是一种流行的成分（BiOCl）。

假如你手里有眼影盘，不妨看看成分表。小心点，不难发现成分表中的成分表。 CI 77163 这种成分存在于各大化妆品和护肤品中。这是第一种合成无毒珍珠光泽的颜料 —— 氯氧化铋。珠光效果在化妆品中的应用历史悠久，从古埃及和古罗马的天然矿物到现代高科技合成材料，珠光妆容不断演变。20 在世纪初，好莱坞明星推动了珠光化妆品的普及，而现代技术使这些产品更加多样化和环保。如今，珠光效果广泛应用于眼影、口红等化妆品中，为妆容增添了迷人的光泽和层次感。根据 Frost-Sullivan 数据显示，2022 全球珠光颜料市场规模已达到年度 216.2 未来，全球珠光颜料行业将达到1亿元 23.9% 快速增长；2025年 全球化妆品珠光颜料的市场规模将达到 87 年复合增长率1亿元 32.8％，使用铋化合物占有很大的市场份额。

3.2

无毒的“樱草黄”

2017 2000年，美国潘通公司选择的年度流行色称为“樱花草黄”。这种黄色来自于钒黄，主要成分是钒酸铋（Bivo4）。这也是为数不多的无毒黄色颜料之一，可以直接取代有毒的铅铬黄色。

硝酸铋除氯化铋外（Bi (NO3)3)也是常用的铋盐之一，也是制备钒酸铋(Bivo4)的重要原料。首先，制备硝酸铋只需使用稀硝酸溶解金属铋:

Bi 4HNO3→Bi(NO3)3 NO 2H2O

如果使用浓硝酸，反应产物会变成氧化铋沉淀:

2Bi 2HNO3→Bi2O3 2NO H2O

硝酸铋和氯化铋一样，具有易水解的特性。水中的水解产物一般称为次硝酸铋（BiONO3），这也是为数不多的不溶性硝酸盐之一：

Bi(NO3)3 H2O→BiONO3 2HNO3

之后，制备铋钒黄 —— 钒酸铋与偏钒酸铵发生反应，即得到钒酸铋沉淀：

Bi(NO3)3 NH4VO3 H2O→BiVO4 NH4NO3 2HNO3

得到的钒酸铋沉淀呈橙黄色；然后，固体干燥，再于 在550℃下燃烧一小时，即获得樱草黄色钒酸铋固体。铋钒黄虽然无毒，但黄色颜料的市场早已被铬黄(Pbcro4)使用、镉黄（CdS）其他性能优良、历史悠久、价格便宜、易用的颜料，价格昂贵，市场价值不高，很少被艺术家使用。由钒酸铋和钼酸铋混合而成的铋黄色颜料常被用作汽车颜料。

3.3

胃溃疡救星

铋的独特性使其广泛应用于许多领域。在医学领域，最近19世纪初，人们使用铋来治疗胃溃疡和其他胃病，这也是我们今天最熟悉的铋的应用，如铝酸铋、果胶铋、胃铋镁、德必泰等胃药。由硝酸铋制成的次碳酸铋（(BiO)2CO3，又称碱性碳酸铋，是最常见的铋类胃药成分之一。利用双水解反应，将硝酸铋溶液慢慢加入到过量的浓碳酸钠溶液中：

2Bi(NO3)3 3Na2CO3→(BiO)2CO3 6NaNO3 2CO2

二碳酸铋可单独制药，常与硫酸庆大霉素制成复合制剂，一般对胃炎有效。具体疗效与制剂成分有关，如需使用，应在专业医生的指导下进行。此外，除二次碳酸铋外，二次硝酸铋、柠檬酸铋钾(C12H10BiK3O14)、铝酸铋（Bi (Alo2)3)等也可以药用，其作用机制大多是通过自身或水解产物附着在胃粘膜上，以保护胃粘膜。此外，铋还能抑制幽门螺杆菌。因此，铋剂逐渐取代铝制剂，成为胃药的主力军。一些研究表明，长期服用铋可能会对肾脏造成损害，但仍有待进一步研究证实。

3.4

超导领域备受关注的新星

德国马普固体物理和材料研究所《Nature》该杂志说：“铋晶体是二级拓扑绝缘体，是一种新材料类别，可以在晶体边缘传导电流，损失最小。也就是说，电能的传输可能不会产生热损失！“并进一步评论说，“铋可能是元素周期表中最奇怪、最被低估的元素之一，这种原本在元素周期表中不起眼的金属即将在材料科学领域掀起新一轮革命……”近年来，铋超导材料一直是国际研究的热点材料通常具有较高的临界温度，使其在液氮温度下仍能表现出超导特性，因此在电力传输、磁悬浮等应用中具有潜在的实用价值。

在半导体领域，含铋半导体材料广泛应用于电子工业，广泛应用于电子工业 Bi-Te-Se 冷却元件的温差。采用多级热电冷却可以将温度降低到 200K 以下是BiSbte3在军事、航天工业和科研实验中非常有用的地方 Bite2可用作太阳能电池中的温差电器元件 BiAgS2用于制造低温差电源 用于制造半导体器件等。

结语

从医学、材料到环境保护，铋正逐渐成为现代技术不可或缺的一部分。随着对铋的深入研究，我们可能会在未来找到更多的潜力和应用前景。让我们期待这种“重金属中的轻金属”的惊喜，并更加关注它在可持续发展中的重要价值。铋，正如它的名字所传达的那样，不断闪耀着科学的光芒。

本文来自微信公众号：微信公众号（ID：null），作者：天音

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