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原子序數為83的化學元素 来自维基百科，自由的百科全书
鉍（拼音：bì，注音：ㄅㄧˋ，粵拼：bei3；英語：Bismuth），是一種化學元素，其化學符號為Bi，原子序數為83，原子量為208.98040 u。鉍是一種貧金屬，化學性質類似於同屬氮族的砷和銻。鉍可以在自然界中找到，它的硫化物和氧化物是重要的商業礦石。純鉍的密度是純鉛的86%。它剛產出時是銀白色的易脆金屬，但表面氧化後呈粉紅色。鉍是天然的反磁性金屬，也是金屬中熱導率最低的元素之一。
 | 此條目翻譯品質不佳。 (2019年6月20日) |
鉍長久以來一直被認為是原子序最大的穩定元素，但是在2003年，科學家發現其唯一的穩定同位素鉍-209其實有極其微弱的放射性，會進行α衰變，半衰期超過宇宙年齡的十億倍。[4]因為鉍的半衰期極長，其微乎其微的放射性不會對生物造成任何影響（甚至比人體的放射性低得多），僅是物理模型預言有放射性才被發現，所以在幾乎所有應用方面中，它還是可以基本視為穩定元素。
古時候人們就已經知道鉍金屬的存在。它是最早發現的十種金屬之一，但其英文名稱Bismuth詞源不詳。它可能起於德語Bismuth、Wismut、Wissmuth（16世紀初）；它們可能與古高地德語hwiz（「白色」）有關。[5]新拉丁語bisemutium （由格奧爾格·阿格里科拉創造；他當時將許多德語的採礦和技術詞彙轉為拉丁詞語）源自德語Wistuth，可能來自weiße Masse（「白色的物質」）。[6][7]
因為鉍的性質與錫和鉛相似，所以早期人們常常把這三個元素搞混。由於鉍很早發現，沒有人能確定它最先是被誰發現的。格奧爾格·阿格里科拉（1546年）指出，鉍屬於一類獨特的金屬，這一類也包括錫和鉛。[8]煉金術時代的礦工也將鉍命名為Tectum argenti（「正在製造的銀」）。[9][10][11]
印加人也知道鉍的存在，將其和銅、錫一起混合，製造一種特殊的青銅，用來鑄刀。[12]
從1738年的約翰·海因里希·波特、[13]卡爾·威廉·舍勒和托爾貝恩·貝里曼開始，鉛和鉍漸漸得以區分。1753年，克勞德·弗朗索瓦·若弗魯瓦證明這種金屬不同於鉛和錫。[10][14][15]
鉍是深銀色，略帶粉紅色的脆性金屬，表面通常覆蓋着彩虹色的氧化層。鉍晶體的螺旋階梯狀結構源自晶體生長過程中各個地方不同的生長速度。表面氧化層不同的厚度會導致薄膜干涉，造就了鉍晶體的彩色。鉍在氧氣中燃燒時會產生藍色火焰和黃色的氧化鉍蒸汽。[14]鉍的毒性比元素週期表旁邊的鉛、銻低。[16]
在金屬之中，鉍的抗磁性最強[14][17]、熱導率幾乎最低（僅次於鎿、鈈、錳）、霍爾係數最高。[18]它的電阻高。[14]鉍在液態時的密度比固態時大，具有類似性質的物質還有鍺、矽、鎵、水。[19]
高純鉍可以形成獨特的彩虹色晶體。因為鉍相對無毒、熔點也只有271 °C，所以使用家用爐灶就足以製造鉍晶體。[20]在標準情況下，鉍有着與砷、銻相同的層狀晶體結構，[21]呈三方晶系[22]，皮爾遜符號hR6，空間群R3m（No. 166）。[3]常壓下的Bi-I結構在2.55 GPa下會變成單斜晶系的Bi-II，在2.7 GPa下變成四方晶系的Bi-III，最終在7.7 GPa下變成體心立方晶系的Bi-V。這些晶體結構變化可通過電導率的變化監測。這些變化可重複且突然，因此用於高壓設備的校準。[23][24]
鉍的化學性質和砷、銻相似。常溫的鉍不會與空氣的水及氧反應，但熾熱的鉍會與水反應生成氧化鉍：[25]
加熱至熔點時，鉍的表面逐漸生成灰黑色的氧化物。金屬鉍可以在一定條件下和鹵素直接反應，生成三鹵化鉍，但是鉍在500 °C下會與氟反應生成五氟化鉍。[26][27][28]三鹵化物具腐蝕性，容易與水分反應，生成化學式為BiOX的鹵氧化物。[29]
在高溫下，金屬鉍能與很多非金屬和金屬反應，生成三價鉍的化合物。鉍的還原電勢為正值，即在電動序中位於氫後，所以鉍不會與非氧化性酸反應。鉍能溶於熱的濃硫酸中，生成硫酸鉍和二氧化硫（1）；[25]也可以與硝酸反應，生成硝酸鉍（2）。與砷、銻不同，鉍有生成含氧酸鹽的明顯趨勢，如硫酸鉍、硝酸鉍、砷酸鉍等。鉍不和鹼反應。
需要指出的是，鉍與氧化劑反應時通常只生成三價鉍而不是五價鉍。五價鉍遠不如五價砷以及五價銻穩定。這不僅是因為鉍的第IV電離能和第V電離能之和（9.776mJ·mol-1），而且還因為6s2的一個電子激發到6d空軌道需要很大的能量，所以用低氧化態的鉍生成五價鉍化合物很困難。[30]
此外，鉍還能形成原子簇化合物。
鉍唯一的天然同位素是鉍-209，自從得到發現以來被認為是最重的穩定同位素。它是錼衰變鏈的最終產物。然而，科學家長期以來一直懷疑它在理論上是不穩定的。[31]2003年，法國奧賽天體物理研究所的研究人員證實鉍-209具有極其微弱的放射性，會發生α衰變形成鉈-205，測得的半衰期為1.9×1019 年 [32]，相當於目前估計的宇宙年齡的十億倍。[4]由於其具有極長的半衰期，極微的放射性對人體不會造成任何影響，甚至比人體本身的放射性低得多，因此在所有目前已知的醫療和工業應用中，鉍可以當作穩定的非放射性元素；由於過於穩定，本來人們對其放射性一無所知，而對其放射性的研究純粹是基於學術興趣，因為鉍-209是少數幾個在理論上被預測有放射性，之後才真的從實驗室中被檢測出的核素之一。[4]鉍-209具有已知最長的α衰變半衰期，不過仍短於碲-128發生雙β衰變的半衰期，長達2.2×1024 年。
幾個半衰期較短的鉍同位素存在於自然界的鈾衰變鏈、錒衰變鏈和釷衰變鏈中，其中鉍-213也存在於錼-237和鈾-233的衰變鏈中。[33]此外，還有更多的同位素通過實驗合成出來。
在商業中，可以在直線加速器中利用軔致輻射光子轟擊鐳，來生產放射性同位素鉍-213。1997年開始，一種與鉍-213結合的抗體複合體可以用來治療白血病患者。鉍-213的半衰期為45分鐘，在體內會隨着α粒子的發射而衰減。鉍-213也試過用在癌症的放射治療，例如ɑ粒子標靶治療（TAT）中。[34][35]
鉍可以形成三價和五價化合物，其中三價化合物較為常見。鉍的許多化學性質類似於砷和銻，儘管鉍化合物的毒性比這兩個元素的化合物的低。[16]
在高溫下，金屬鉍的蒸氣會與氧迅速結合，形成黃色的Bi
2O
3。[19][36][28]熔融時，在710 °C以上的溫度中，這種氧化物會腐蝕任何金屬氧化物，甚至是鉑。與鹼反應時，它會形成兩種含氧離子系列：BiO−
2 (為聚合物，會形成線性鏈）和BiO3−
3。Li
3BiO
3中的負離子Bi
8O24−
24是立方形的八聚體陰離子，而Na
3BiO
3中的負離子則是四聚體。[37]
深紅色的鉍(V)氧化物Bi
2O
5不穩定，加熱時會釋放出O
2。[38]
硫化鉍(III)Bi
2S
3存在於天然的鉍礦石中。它由熔融的鉍和硫結合產生而來。[40][27]
在化學計量上，氯氧化鉍（BiOCl，右圖）和硝酸氧鉍（BiONO3）以鉍酰離子（BiO+）的簡單陰離子鹽的形式出現。鉍酰離子通常在含水鉍化合物中出現。然而，在BiOCl的情況下，鹽晶體以Bi、O和Cl原子的交替板的結構形成，其中每個氧在相鄰平面中與四個鉍原子配位。這種礦物化合物被用作顏料和化妝品（見下文）。[41]
與較輕的氮族元素氮、磷和砷不同，但與銻相似，鉍不能形成穩定的氫化物。氫化鉍 (BiH
3)是在室溫下自發分解的吸熱化合物。它僅在-60°C以下穩定。[37]鉍化物是鉍與其他金屬之間的金屬間化合物。
在2014年，研究人員發現，鉍鈉可以以一種稱為「三維拓撲狄拉克半金屬」(3DTDS)的形式存在，該物質散裝具有3D狄拉克費米子。它是石墨烯的天然三維對應物，具有相似的電子移動率和漂移速度。石墨烯和拓撲絕緣體(例如3DTDS中的絕緣體)都是晶體材料，它們在內部是與電絕緣的, 但在表面上是可以導電的，從而可使用在電晶體和其他電子設備上。儘管鉍鈉(Na
3Bi)太不穩定,以至於無法在沒有包裝的設備中使用, 但它仍可以展示出3DTDS系統的潛在應用，且在半導體和自旋電子學的應用中, 它與平面石墨烯相比, 具有明顯的效率和製造優勢。
[42][43]
低氧化態的鉍鹵化物已被證明具有不同尋常的結構。最初被認為是氯化鉍(I)（BiCl），結果是由Bi5+
9陽離子和BiCl2−
5、Bi
2Cl2−
8陰離子組合成的複合化合物。
[37][44]Bi5+
9陽離子具有扭曲的三鍵三角柱狀分子幾何形狀, 也存在於Bi
10Hf
3Cl
18之中，Bi
10Hf
3Cl
18是通過將四氯化鉿和氯化鉍與元素鉍的混合物還原而製成的，具有[Bi+
]、[Bi5+
9]、[HfCl2−
6]
3的結構。[37]:50其他多原子鉍陽離子也已經被知悉，例如：在Bi
8(AlCl
4)
2中被發現的Bi2+
8。[44] 鉍也能形成具有與「BiCl」相同結構的低價溴化物。另外，還有一個真正的單一碘化物BiI，它包含Bi
4I
4單元鏈。BiI可加熱分解為BiI
3和元素鉍。此外，也存在有相同結構的一溴化物。[37]
在氧化態為+3時，鉍與所有的鹵素（即BiF
3、BiCl
3、BiBr
3、BiI
3 ）都會形成三鹵化物。這些鹵素除了BiF
3之外，都會被水水解。[37]
氯化鉍與氯化氫在乙醚溶液中會反應生成酸HBiCl
4。[25]
鉍很少出現+5的氧化態。其中一種這樣的化合物便是BiF
5，一種強效的氧化劑和氟化劑。它也是強氟化物的受體，會與四氟化氙反應形成XeF+
3陽離子[25]：
在水溶液中，Bi3+
離子在強酸的條件下會被溶劑化，形成水離子Bi(H
2O)3+
8。[45] 在pH> 0的條件下，則會存在多核物質，其中最重要的是八面體複合物[Bi
6O
4(OH)
4]6+
。[46]
在地殼中，鉍的含量大約是金的兩倍。鉍最重要的是礦石是砷鉍礦和輝鉍礦。天然鉍礦的產地主要來自澳洲、玻利維亞和中國[14][47][48]。
根據美國地質調查局的研究，2016年全球的鉍採礦產量為10,200公噸，主要產自中國（7,400噸）、越南（2,000噸）、墨西哥（700噸）[49] 。2016年的全球精煉廠產量則為17,100噸，其中中國生產11,000噸、墨西哥539噸、日本428噸[50] ；這個數量上的差異顯示出，鉍的地位是作為提取其他金屬（例如：鉛、銅、鋅、錫、鉬、鎢等）的副產品。精煉廠生產的全球鉍產量的統計數據是較為完整與可靠的[51][52][53][54]。
鉍存在於粗鉛錠中（含鉍量高達10％），經過數個精煉的階段，直到透過白特頓-克洛耳法的程序將之分離出來例如爐渣等的雜質，或是以貝滋電解法將之提煉出來。鉍與另一種主要金屬銅的作用相似[52]。生鉍礦經過上述兩種處理程序後，仍存有相當多的其他金屬，其中最主要的是鉛。藉由熔融混合物與氯氣反應，其他金屬可以轉化為氯化物，而鉍則仍保持不變。雜質也可以透過各種其他方法去除，例如：使用助熔劑等處理方法，來製成高純度的鉍金屬（純度超過99％）。
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所產生的一氧化碳還可能把雜質金屬的氧化物還原：
這些雜質溶於金屬鉍中，形成粗鉍。如果鉍礦中還含有銅，則通常加入黃鐵礦來回收銅：
同樣，有部分雜質熔入金屬鉍，形成粗鉍。
氧化鉍和硫化鉍的混合礦則可以通過混合熔煉法來冶煉金屬鉍，冶煉過程使用氧化鉍和硫化鉍之間的氧化還原反應：
濕法冶煉鉍常用氯化鐵-鹽酸法和鐵粉置換法。氯化鐵-鹽酸法是將硫化鉍礦溶解在三氯化鐵和鹽酸（HCl）的混合溶液中：
其中，FeCl3還能溶解鉍礦中的天然鉍：
礦中如果有氧化鉍則直接被鹽酸溶解：
鹽酸有另一個作用，是防止所生成的BiCl3水解成不溶的BiOCl沉澱。鐵粉則是把生成的氯化鉍中的鉍置換出來：
這時沉澱出來的鉍是海綿狀的。海綿狀的鉍直接在空氣中加熱會氧化，因此工業上通常在熔融的氫氧化鈉中將鉍熔化，這樣既可以防止鉍的氧化，又可以讓形成的液態鉍下沉易於聚集。鉍中的氧化物及雜質能被氫氧化鈉溶解。[55]
鉍金屬全球產量和年平均價格除了1970年代的飆升之外，在20世紀的大部分時間裏，純鉍金屬的價格一直相對地穩定。鉍一直以來主要是作為提煉鉛的副產品而生產的，因此價格通常反映出生產、需求和回收成本之間的平衡[56]。
在第二次世界大戰之前，對鉍的需求很小，而且主要是用在醫藥上，鉍化合物被用來治療消化系統的疾病、性傳播疾病和燒傷等。少數鉍金屬則是用在消防噴水系統和保險絲的易熔合金。在第二次世界大戰期間，鉍被認為是一種戰略性材料，用於焊料、易熔合金、藥物和原子研究。為了穩定市場，生產商在戰爭期間將價格定為每磅1.25美元（每公斤2.75美元），從1950年到1964年的價格則定為每磅2.25美元（每公斤4.96美元）[56]。
1970年代初期，由於作為鋁、鐵和鋼的冶金添加劑，鉍的需求量逐漸增加，因此價格迅速上漲。隨後由於全球產量增加、消耗量穩定，以及1980年、1981年至1982年的經濟衰退，其價格下降。到了1984年，隨着全球消費量的增加，價格又開始攀升，特別是在美國和日本。在1990年代初期，開始對鉍進行評估研究，因為鉍可以作為鉛的無毒替代品，例如可用於：陶瓷釉料、魚墜、食品加工設備、管線應用的車床加工黃銅、潤滑油脂和水禽狩獵[57]。儘管得到了美國聯邦政府的鉛替代政策支持，在1990年代中期，在這些領域中鉍的使用率依然增長緩慢，直到2005年左右，增長有所加劇，導致價格迅速且持續地上漲[56]。
大多數鉍是作為提取其他金屬的副產品而生產的，包括鉛，鎢和銅的冶煉，該材料的可持續性取決於廢料回收業的投入。
曾有人認為，鉍可以從電子設備的焊接接頭中完整的回收，可是隨着最近電子設備中焊料應用的效率增加，因此焊料的用量明顯減少，故而難以回收。要從含銀焊料中回收銀仍具有經濟效益，但回收鉍的經濟效益則少了許多[58]。
因此，未來可行的回收方式，主要是回收鉍含量較大的催化劑，例如磷鉬酸鉍[來源請求]、用於鍍鋅的鉍，以及作為快削加工的冶金添加劑[來源請求]。
鉍最廣泛使用的用途包括胃藥（次水楊酸鉍）、油漆塗料（釩酸鉍）、珠光化妝品（氯氧化鉍）和含鉍子彈，但從這些用途回收鉍是不切實際的。
目前在鉍的產量中，其化合物態就佔了一半。鉍在商業上的應用不多，且需要使用的量通常相對於其他原材料較少。在美國，2016年消耗了733噸鉍，其中70%用於化學品（包括藥品、顏料和化妝品），11％用於鉍合金。
一些製造商使用鉍作為閥門等飲用水系統設備的替代品，以滿足美國的「無鉛」要求（始於2014年）。這是一個相當廣泛的應用，因為它涵蓋了所有住宅和商業建築。[59]
在1990年代初期，研究人員開始評估將鉍作為鉛的無毒替代品的可行性。
鉍是一些藥物的成分[60]，但其中部分藥物的用量逐漸下降[61]。
氯氧化鉍（BiOCl）有時用於化妝品中，作為眼影，髮膠和指甲油中的顏料[66][67]。這種化合物是一種礦物質雙晶石，並且以晶體形式包含原子層，其以光為基礎折射光，產生類似於珍珠母珍珠層的虹彩外觀。它曾在古埃及等其他地方作為化妝品。鉍白(又稱西班牙白)，是一種白色顏料，它包括氧氯化鉍或硝酸氧鉍。釩酸鉍是一種具有光穩定性的非反應性塗料，通常作為毒性較強的硫化鎘黃和橙黃色顏料的替代品。這使得它常用在檸檬黃色顏料，而且和原本的含鎘顏料在視覺上無法區分。
鉍和鐵等金屬可製造合金，用於自動噴水滅火系統。它也被用來製造青銅時代使用的鉍青銅。
鉍在重金屬中毒性比較低，隨着人們越來越重視鉛的毒性，鉍合金（大約是鉍產量的三分之一）越來越常作為鉛的替代品。因為鉛（11.32克/立方公分）和鉍（9.78克/立方公分）之間的密度差異小，在子彈和配重等方面，鉍可以代替鉛。例如，它可以取代鉛製造鉛墜。現已替代鉛彈作為鎮暴霰彈槍中的彈藥。荷蘭，丹麥，英國，威爾斯，美國和許多其他國家現在禁止使用鉛彈來捕獵濕地的鳥類，因為許多鳥類以為鉛彈可幫助消化而誤食，導致鉛中毒。而荷蘭甚至禁止在所有狩獵行為中使用鉛彈。鉍錫合金子彈是一種替代方案，其性能與鉛彈相似。（另一種較便宜但性能較差的替代品是「鋼」彈）然而，鉍由於缺乏可塑性而不適合用作為狩獵子彈。
鉍是一種高原子量的緻密元素，浸漬鉍的乳膠護罩用於阻擋醫學檢查（如電腦斷層掃描）中的X射線，一般認為它是無毒的[68]。
危害性物質限制指令（RoHS）減少了鉛的使用，並擴大鉍在電子產品中作為低熔點焊料的成分，作為傳統錫鉛焊料的替代品。它的低毒性使它可作為食品加工設備和銅水管的焊料，而在歐盟，它也被應用於汽車工業。
鉍已被評估為用於管道應用的易切削黃銅中的鉛的替代品[69]，雖然它和含鉛鋼的性能不同。
大部分的鉍合金熔點很低，可用於特殊用途如焊料。火災探測和撲滅系統中的許多自動灑水器、熔斷器和安全裝置常見到易熔的In19.1-Cd5.3-Pb22.6-Sn8.3-Bi44.7合金，熔點為47°C(117°F)。這是一個方便的溫度，因為在正常的生活條件下不太可能超過該溫度。會在70°C熔化的Bi-Cd-Pb-Sn合金，可用於汽車和航空工業。在薄壁金屬零件變形之前，先填充熔融液或覆蓋一層薄薄的合金以減少斷裂的機會，然後將零件浸入沸水中以除去合金。因為鉍在凝固的時候會異常膨脹，所以適合用於某些地方，例如印刷鑄件。
鉍用於製造易切削鋼和易切削鋁合金，以實現精密加工性能。因為鉛的凝固收縮和鉍的膨脹幅度差不多，因此鉛和鉍的含量通常一樣[70][71]。含相同比例的鉍鉛合金在熔化、凝固時變化不明顯。這樣的合金可用於高精度鑄造中，例如在牙科領域可以創建模型和模型。鉍還用作鍛鑄鐵的合金劑和熱電偶材料。
鉍還會用在鋁矽合金中，用來改善矽的型態[72][73]。一些鉍合金（例如Bi35-Pb37-Sn25）會與不粘材料（雲母、玻璃、搪瓷）結合使用。因為它們很容易潤濕，從而可以與其他零件接合。在銫中添加鉍可以提高銫陰極的產率。鉍粉和錳粉在300°C的溫度下燒結會產生永久磁鐵和磁致伸縮材料，可於10–100 kHz範圍內的超聲波發生器和接收器以及磁存儲設備中工作。
科學文獻指出，與其他重金屬（鉛、砷、銻等）相比，鉍化合物對人體的毒性較小，可能是因為鉍鹽在水中的溶解度相對較低、造成其中的鉍離子較難以被人體吸收所致[76]。研究指出，鉍滯留於全身的生物半衰期為5天，但它會在接受鉍藥物治療的人的腎臟中積存多年[77]。
鉍可能會引發中毒，在近年來越來越普遍。與鉛中毒一樣，鉍中毒會導致在牙齦上形成黑色沉澱物，稱為鉍線[78][79]。鉍中毒或許可用二巰基丙醇治療，其療效目前尚不明確[80]。
鉍對環境的影響尚不清楚，它可能比其他的重金屬更不容易產生生物積累，而這是一個目前正在積極研究的領域[81]。
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