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。鉍在自然界中以游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。

基本信息

發展簡史

熔化鉍 熔化鉍

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

鉍塊 鉍塊

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.阿格里科拉才在《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。

含量分布

取出晶體 取出晶體

鉍在自然界中以游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。

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(BiS)、泡鉍礦(BiO)、菱鉍礦(nBiO·mCO·HO)、銅鉍礦(3CuS·4BiS)、方鉛鉍礦(2PbS·BiS)。

鉍在自然界中有硫化物的輝鉍礦(BiS)和氧化物氧化鉍(BiO),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。由於鉍的熔點低,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,但由於鉍性脆而硬,缺乏延展性,因而古代人們得到它後,沒有找到它的套用,只是把它留在合金中。

鉍

據美國地質調查局資料顯示,全球鉍金屬儲量33萬噸,略低於白銀的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,儲量占全國總儲量的78%,其中5萬噸以上金屬儲量的大型礦區2處,儲量占全國總儲量的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,這三個省的儲量占全國總儲量的85%左右;其次分布在雲南、內蒙古、福建、廣西和甘肅等省。 其中,湖南省郴州市金船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、哈薩克斯坦、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,占70%以上,墨西哥大約8%,比利時5%左右。由於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於成本和環保的要求,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

澆注熔融鉍 澆注熔融鉍

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(BiS)和赭鉍石(Bio)。液態鉍凝固時有膨脹現象。

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,達到宇宙年齡的10億倍。

熔點 271.3℃
沸點 1560±5℃
相對密度9.8
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

鉍

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。鉍不溶於水,不溶於非氧化性的酸(如鹽酸)即使濃硫酸和濃鹽酸,也只是在供熱時才稍有反應,但能溶於王水和濃硝酸。其中+5價化合物NaBiO(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(立方厘米/摩爾) 21.3

製備方法

工藝原理及流程:

工藝流程圖 工藝流程圖

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。中國開始致力於鉍礦濕法冶金新工藝的研究。用FeCl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。

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、FeCl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

實驗儀器裝置圖 實驗儀器裝置圖

鹽酸(工業純),FeCl(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、FeCl、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澱製成海綿鉍,濾渣在100°C溫度下烘乾,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

倒出多餘的鉍 倒出多餘的鉍

鉍主要用於製造易熔合金,熔點範圍是47~262℃,最常用的是鉍同鉛、錫、銻、銦等金屬組成的合金,用於消防裝置、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性,用於鑄造印刷鉛字和高精度鑄型。碳酸氧鉍和硝酸氧鉍用於治療皮膚損傷和腸胃病。

用於制低熔合金,在消防和電氣安全裝置上有特殊的重要性。

在分析化學中用於檢測Mn。鉍可制低熔點合金,用於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。不溶於水,僅稍溶於組織液。不能經完整皮膚黏膜吸收。鉍吸收後分布於身體各處,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於水和稀酸的硫化鉍,沉澱在組織中或栓塞在毛細血管中,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,由於鉍多存在於腎臟,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。反覆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藥物所引起。靜脈注射或肌肉注射可溶性鉍鹽,曾有引起死亡的報導。

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.冶金添加劑

鋼中加入微量鉍,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鏽鋼的性能。

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複合材料,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℃,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,適合作易於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,且填料可多次反覆使用。

鉍錫合金配製的合金製作模具,用作金屬薄板材的冷衝壓成型,不低於鋼模的溫度,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.醫藥治療

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,次橡膠酸鉍鉀用於製造胃藥,外科利用鉍藥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,隨著鉍類藥物的發展,現已發現某些鉍類藥物具有抗癌作用。

4.鉍在阻燃劑方面的套用

在阻燃劑的添加劑中,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。用於取代鉛、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,用於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,用於生產汽車玻璃,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添加劑,使產品煥發美麗的珍珠光澤,還可用於製造無鉛顏料和化妝品。

氯化鉍用於還原燃料性的柏油、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,用於核輻射探測器,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,用於溫差電偶,低溫溫差發電和溫差製冷。用於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)用於核工業堆中作載熱體或冷卻劑,用於防護原子裂變裝置材料。

國家標準

國家推薦標準:《鉍》(GB/T 915-2010)替代GB/T 915-1995,2011年11月1日生效。

化學元素周期表

族→123456789101112131415161718電子層0族電子數
周期↓I A0
11
H
2
He
K2
II AIII AIV AV AVI AVII A
23
Li
4
Be
5
B
6
C
7
N
8
O
9
F
10
Ne
L
K
8
2
311
Na
12
Mg
13
Al
14
Si
15
P
16
S
17
Cl
18
Ar
M
L
K
8
8
2
III BIV BV BVI BVII BVIIII BII B
419
K
20
Ca
21
Sc
22
Ti
23
V
24
Cr
25
Mn
26
Fe
27
Co
28
Ni
29
Cu
30
Zn
31
Ga
32
Ge
33
As
34
Se
35
Br
36
Kr
N
M
L
K
8
18
8
2
537
Rb
38
Sr
39
Y
40
Zr
41
Nb
42
Mo
43
Tc
44
Ru
45
Rh
46
Pd
47
Ag
48
Cd
49
In
50
Sn
51
Sb
52
Te
53
I
54
Xe
O
N
M
L
K
8
18
18
8
2
655
Cs
56
Ba
57-
71
72
Hf
73
Ta
74
W
75
Re
76
Os
77
Ir
78
Pt
79
Au
80
Hg
81
Tl
82
Pb
83
Bi
84
Po
85
At
86
Rn
P
O
N
M
L
K
8
18
32
18
8
2
787
Fr
88
Ra
89-
103
104
Rf
105
Db
106
Sg
107
Bh
108
Hs
109
Mt
110
Ds
111
Rg
112
Uub
113
Uut
114
Uuq
115
Uup
116
Uuh
117
Uus
118
Uuo

鑭系元 素57
La
58
Ce
59
Pr
60
Nd
61
Pm
62
Sm
63
Eu
64
Gd
65
Tb
66
Dy
67
Ho
68
Er
69
Tm
70
Yb
71
Lu
錒系元 素89
Ac
90
Th
91
Pa
92
U
93
Np
94
Pu
95
Am
96
Cm
97
Bk
98
Cf
99
Es
100
Fm
101
Md
102
No
103
Lr

拼音是bi的漢字

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