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Bismut



Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Bismut, Bi, 83
Serie Metalle
Gruppe, Periode, Block 15, 6, p
Aussehen glänzend rötlich weiß
Massenanteil an der Erdhülle 2 · 10−5 %
Atomar
Atommasse 208,98038 u
Atomradius (berechnet) 160 (143) pm
Kovalenter Radius 146 pm
Van-der-Waals-Radius pm
Elektronenkonfiguration [Xe] 4f145d106s26p3
Elektronen pro Energieniveau 2, 8, 18, 32, 18, 5
1. Ionisierungsenergie 703 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie 1610 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie 2466 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie 4370 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie 5400 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Modifikationen
Kristallstruktur rhomboedrisch
Dichte 9,78 g/cm3
Mohshärte 2,25
Magnetismus diamagnetisch
Schmelzpunkt 544,4 K (271,2 °C)
Siedepunkt 1837 K (1564 °C)
Molares Volumen 21,31 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme 104,8 kJ/mol
Schmelzwärme 11,3 kJ/mol
Dampfdruck

0,627 · 10−3 Pa bei 544 K

Schallgeschwindigkeit 1790 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 122 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit 0,867 · 106 S/m
Wärmeleitfähigkeit 7,87 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände (−3) 1, 3, 5
Oxide (Basizität) (leicht sauer)
Normalpotential 0,23 V (Bi3+ + 3e → Bi)
Elektronegativität 2,02 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP
205Bi

{syn.}

15,31 d ε 2,708 205Pb
206Bi

{syn.}

6,243 d ε 3,758 206Pb
207Bi

{syn.}

31,55 a ε 2,399 207Pb
208Bi

{syn.}

3.368.000 a ε 2,880 208Pb
209Bi

100 %

1,9 · 1019 a α 3,137 [2] 205Tl
210Bi

{syn.}

5,013 d β− 1,163 210Po
α 5,037 206Tl
210m1Bi

{syn.}

3,04 · 106 a α 206Tl
211Bi

{syn.}

2,14 min β− 0,579 211Po
α 6,751 207Tl
212Bi

{syn.}

60,55 min β− 2,254 212Po
α 6,027 208Tl
213Bi

{syn.}

49,59 min β− 1,426 213Po
α 5,932 208Tl
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung
(Pulver)
R- und S-Sätze R: 11 (Pulver)[1]
S: keine S-Sätze (Pulver)[1]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Bismut (auch: Bismuth, Wismut oder Wismuth) ist ein radioaktives chemisches Element im Periodensystem mit dem Symbol Bi und der Ordnungszahl 83. Es wird im Deutschen zumeist als Wismut bezeichnet, doch ist der Name Bismut seit 1979 auch hierzulande fachsprachlich offiziell. Die Radioaktivität natürlichen Bismuts ist so gering, dass sie erst 2003 nachgewiesen wurde.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Das Element Bismut kennt man wahrscheinlich schon seit der Antike. Der Name des Elements ist 1450 als wismutum und wohl schon um 1390 als wesemut belegt; aufgrund der Belege aus dem 15. Jh. wurde er auf den ersten Ort der Gewinnung „in der Wiesen“ am Schneeberg im Erzgebirge zurückgeführt, besonders seit der Entdeckung des genannten Erstbelegs wird auch eine Herleitung aus arab. itmidAntimon‘ erwogen. Paracelsus bezeichnet Wismuth (wismat) 1526 erstmals als Metall.[3][4]

Vorkommen

  Bismut kommt in der Natur nur in geringen Mengen vor. Die Fundstätten liegen vor allem in Südamerika, Mexiko, Peru, Bolivien, China, Australien, Kanada und Spanien, historisch im Erzgebirge, wo Bismut sowohl in reiner (gediegener) Form als auch als Sulfid (Bismutglanz oder Bismutin), Selenid (Selenidbismutglanz) und Oxid (Bismit oder Bismutocker) gefunden wird. Bismut kommt als Begleitmetall in Blei-, Kupfer- und Zinnerzen in gebundener Form vor. In Granit und Gneis findet man es in freier Form.

Wismut wird aber heute nicht mehr im Erzgebirge abgebaut.

Gewinnung und Darstellung

Zur Gewinnung von Bismut kann man von oxidischen Erzen ausgehen, die mit Kohle zum Element reduziert werden:

\rm 2\, Bi_2O_3 + 3\, C \rarr 3\, CO_2 + 4\, Bi

Sulfidische Bismuterze können entweder mit Eisen nach dem Niederschlagsverfahren reduziert werden:

\rm Bi_2S_3 + 3\, Fe \rarr 3\, FeS + 2\, Bi

Oder die sulfidischen Erze werden zunächst in die Oxide umgewandelt und anschließend mit Kohle reduziert (Röstreduktionsverfahren):

\rm 2\, Bi_2S_3 + 9\, O_2 \rarr 6\, SO_2 + 2\, Bi_2O_3
\rm 2\, Bi_2O_3 + 3\, C \rarr 3\, CO_2 + 4\, Bi

Das Rohbismut wird anschließend durch oxidierendes Schmelzen von anderen Metallen gereinigt.

Eigenschaften

Bismut ist ein rötlich glänzendes und bei technischer Reinheit sprödes Metall (sehr reines Bismut ist plastisch, wobei geringste Mengen Kupfer zur Versprödung führen). Es hat eine rhomboedrische Kristallstruktur mit sehr dicht gepackten Doppelschichten. Bismut ist eines der wenigen ungiftigen Schwermetalle, hat den stärksten Hall-Effekt aller metallischen Elemente, einen hohen elektrischen Widerstand und hat darüber hinaus die – abgesehen von Supraleitern und pyrolytischem Graphit – stärkste diamagnetische Eigenschaft, d.h. es wandert aus einem von außen angelegten Magnetfeld heraus.

Flüssiges Bismut dehnt sich als einer von wenigen Stoffen beim Erstarren aus (Dichteanomalie).

Isotope

Natürliches Bismut besteht nur aus dem Isotop 209Bi. 2003 stellte man im Institut d'Astrophysique Spatiale in Orsay, Frankreich fest, dass dieses bisher für stabil gehaltene Isotop ein Alpha-Strahler mit einer Halbwertszeit von (1,9 +/− 0,2) · 1019 Jahren ist (etwa 19 Trillionen Jahre).[5] Der sehr langsame Zerfall des 209Bi begründet sich durch die unmittelbare Nähe zum doppelt magischen 208Pb Blei im Isotopenschema. Aus der langen Halbwertszeit folgt, dass die Aktivität von 209Bi so schwach ist, dass sie als ungefährlich angesehen werden kann. Pro 100 g Bismut zerfallen im Mittel 1,2 Atomkerne pro Stunde. Um eine Aktivität von 1 Bq zu erreichen, wären also 300 kg Bismut notwendig.

209Bi ist das letzte Radioisotop in der Neptunium-Reihe und das einzige das noch natürlich vorkommt. Weil heute in Kernreaktoren auch die am Anfang der Neptunium-Reihe stehenden Isotope erbrütet werden, nimmt die 209Bi-Menge auf der Erde mit der Zeit zu.

Verwendung

Es findet Verwendung als Legierungsbestandteil niedrigschmelzender Legierungen, beispielsweise für das Woodsche Metall, das bereits bei 70 °C schmilzt, oder für Roses Metall mit seinem Schmelzpunkt von 98 °C. Die Legierung Bismanol mit Mangan ist ein starker Permanentmagnet.

Die chemische Verbindung Bismuttellurid erzeugt in Peltier-Elementen Kälte. In medizinischen Präparaten wird es zur Blutstillung und zur Desinfektion benutzt. Bismutoxichlorid BiOCl wird als silberweißes Pigment in Kosmetika verwendet. Das Phase-Change-Material einiger DVD-RAM enthält Bismut.[6]

Bismutverbindungen wie das „Bismutsubsalicylat“ finden auch als Magentherapeutikum „Pepto-Bismol“ in Großbritannien, den USA und einigen anderen Ländern oft Verwendung.

Bismut wird von einigen Quellen als Legierungselement in Automatenstählen als Ersatz für Blei propagiert. Es soll die Zerspanbarkeit dieser Stähle verbessern ohne die negativen ökologischen Eigenschaften des Bleis. Aus Sicht der Stahlmetallurgie ist dies allerdings ungünstig, da Bismut sich metallurgisch quasi nicht entfernen lässt und dann als unerwünschtes Begleitelement in den aus Schrotten erzeugten Stählen auftaucht.

Bismut-Oxid wird für die Herstellung von optischen Gläsern, sowie als Sinterhilfsmittel in der technischen Keramik verwendet, Bismut-Nitrat als Röntgenkontrastmittel. Außerdem findet es bei der Positronen-Emissions-Tomographie Anwendung in Form von Bismutgermanat.

Eine Blei-Bismut-Legierung wurde in der UdSSR auch als Kühlmittel für Kernreaktoren verwendet. Diese Legierung ist zwar effektiver als eine herkömmliche Druckwasserkühlung, jedoch auch entsprechend schwieriger zu handhaben. Die Legierung erstarrt bei einer Temperatur von unter 125 °C und verursacht dadurch große Reaktorschäden. Solche Reaktoren wurden unter anderem auf U-Booten eingesetzt (z. B. U-Boot der Alfa-Klasse)

Bismut wird auch als ungiftiger Ersatz für Blei bei Schrotmunition für Schusswaffen verwendet; dies ist jedoch wenig verbreitet.


Nachweis

Bismut weist man mit der „Bismutrutsche“ mit Thioharnstoff nach. Zur Fällung unerwünschter Störionen werden Natriumfluorid, Natriumchlorid und Kaliumnatriumtartrat verwendet:

  • NaF zur Komplexierung von Fe3+ und Al3+;
  • NaCl zur Fällung von Ag+ und Hg22+;
  • Tartrat zur Komplexierung von Sb3+ und Sn2+.

Als Flussmittel wird verdünnte HNO3 verwendet. Bei Anwesenheit von Bi3+ bilden sich zitronengelbe Thioharnstoff-Kristalle.

Eine alternative Nachweisreaktion wird mit alkalischer Stannat(II)-lösung durchgeführt, in einer Redoxreaktion mit Zinn-II-Ionen als Reduktionsmittel fällt elementares Bi schwarz aus, oder mit Natriumiodidlösung: zunächst fällt schwarzes Bismut-III-iodid aus, das sich dann im Iodidüberschuss als oranger Tetraiodobismutat-Komplex löst:

Bi3+ + 4 I\rightarrow [BiI4] (Komplexbildungsreaktion).

Verbindungen

Bismut ist in erster Linie dreiwertig, doch gibt es auch ein- und fünfwertiges Bismut; Bismut(V)-Oxid ist jedoch ein sehr starkes Oxidationsmittel, das sogar Mangan(II) zum Permanganat oxidiert. Außerdem bildet es polymere Kationen. An der Luft ist es beständig.

Sauerstoffverbindungen

Schwefelverbindungen

Wasserstoffverbindungen

Halogenide

Quellen

  1. a b Sicherheitsdatenblatt(alfa-aesar) Dies gilt nur für Pulver, kompaktes Bismut ist ohne Gefahrensymbole/R-/S-Sätze
  2. Nature, Volume 422 Number 6934, 2003, Seite 876–878
  3. Wolfgang Pfeifer & al., Etymologisches Wörterbuch des Deutschen. 4. Auflage, dtv, München 1999, p. 1574, Wismut.
  4. Friedrich Kluge, Etymologisches Wörterbuch der deutschen Sprache. 18. Auflage (bearbeitet von Walther Mitzka), de Gruyter, Berlin 1960, p. 866, Wismut.
  5. Pierre de Marcillac et al, Experimental detection of alpha-particles from the radioactive decay of natural bismuth, Nature 422, 876–878 (24. April 2003), Ergebnistabelle
  6. Meldung bei heise.de
 
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