Bismut

Isotop	NH	t_1/2	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
²¹⁰Bi	{syn.}	5,013 d	α	5,037	²⁰⁶Tl
^210m1Bi	{syn.}	3,04 · 10⁶ a	α		²⁰⁶Tl
²¹¹Bi	{syn.}	2,14 min	β−	0,579	²¹¹Po
²¹¹Bi	{syn.}	2,14 min	α	6,751	²⁰⁷Tl
²¹²Bi	{syn.}	60,55 min	β−	2,254	²¹²Po
²¹²Bi	{syn.}	60,55 min	α	6,027	²⁰⁸Tl
²¹³Bi	{syn.}	49,59 min	β−	1,426	²¹³Po
²¹³Bi	{syn.}	49,59 min	α	5,932	²⁰⁹Tl

Sicherheitshinweise

Gefahrstoffkennzeichnung ^[3]

Pulver

Leicht-
entzündlich

(F)

R- und S-Sätze

R: 11

S: keine S-Sätze

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Bismutkristall mit Anlauffarben, hier mit der Bandbreite eines Spektrums

Bismut (fachsprachlich) bzw. Wismut (auch Bismuth oder Wismuth) ist ein metastabiles, 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

1 Geschichte
2 Vorkommen
3 Gewinnung und Darstellung
4 Eigenschaften
- 4.1 Physikalische Eigenschaften
- 4.2 Chemische Eigenschaften
5 Isotope
6 Verwendung
7 Nachweis
8 Verbindungen
9 Einzelnachweise
10 Literatur
11 Weblinks

[Bearbeiten] Geschichte

Darstellung des Paracelsus in einem Gemälde von Quentin Massys

Wahrscheinlich kennt man Bismut schon seit der Antike. Im 15. Jahrhundert wurde Wismut von den Bergleuten Sachsens entdeckt.

Oft wurde das Element mit Antimon, Zink und Zinn verwechselt. Erstmals beschrieben wurde es im Jahr 1527 von dem Arzt und Alchemist Paracelsus (1493-1541), der ihm den Namen "wis mat" gab, was soviel wie "weiße Masse" bedeutet^[4].

Eine andere mögliche Deutung der Herkunft des Namens bezieht sich auf die erstmalige Ausbeutung (Mutung) des Erzes "in den Wiesen" bei St. Georgen im Erzgebirge. Daraus entstand vielleicht das Wort "Wiesemutung", aus dem später "Wismut" wurde ^[5].

Der sächsische Arzt und Mineraloge Georgius Agricola (1494-1555) schilderte im Jahr 1530 die Herstellung des Metalls, das er "Plumbum cinereum" nannte, was soviel wie "aschgraues Blei" bedeutet.

Den Elementcharakter des Metalls erkannten die schwedischen Chemiker Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) und Torbern Olof Bergmann (1735-1784) im Jahre 1775.

Im Jahre 1814 schlug J.J. Berzelius das chemische Symbol Bi vor. Der heute gebräuchliche Name Bismut kommt aus dem Lateinischen.

[Bearbeiten] Vorkommen

Bismut kommt in der Natur nur in geringen Mengen vor. Die Fundstätten liegen vor allem in China, Mexiko, Peru, Bolivien, Australien, Kanada und Spanien, historisch im Erzgebirge, wo Bismut sowohl in reiner (gediegener) Form als auch als Sulfid (Bismuthinit), Selenid (Selenidbismutglanz) und Oxid (Bismit) gefunden wird. Außerdem kommt Bismut, ebenso wie Antimon und Arsen, gelegentlich als Doppelsulfid vor: Galenobismutit (PbBi₂S₄), Lillianit (Pb₃Bi₂S₆), Silberbismutglanz (AgBiS₂), Kupferbismutglanz (CuBiS₂) und Kupferbismutblende (Cu₆Bi₂S₆). Bekannt ist auch noch ein Tellur-Sulfid in Form von Tellurbismut (Bi₂Te₂S) und ein Silicat namens Eulytin (Bi₄(SiO₄)₃).

Bismut kommt als Begleitmetall in Blei-, Kupfer- und Zinnerzen in gebundener Form vor. In Granit und Gneis findet man es in freier Form.

Fördermengen und Weiterverarbeitung ^[6]
Angaben in Tonnen (2006)
Rang	Land	Abbau	Weiterverarbeitung
1	China	3000	8500
2	Mexiko	1180	1180
3	Peru	950	600
4	Kanada	190	250
5	Kasachstan	140	115
6	Bolivien	70	3
7	Russland	55	11
8	Bulgarien	40	35
9	Rumänien	40	30
10	Belgien	-	800
11	Japan	-	510
12	Italien	-	5

[Bearbeiten] Gewinnung und Darstellung

Zur Gewinnung von Bismut kann man von oxidischen oder sulfidischen Erzen ausgehen.

Oxidische Erze werden in Flammöfen mit Kohle zu Bismut reduziert:

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

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 Elementen (Antimon, Arsen, Blei, Eisen Schwefel) befreit. Kupfer wird durch Schmelzen mit Natriumsulfid beseitigt, Gold und Silber durch Extraktion des geschmolzenen Bismuts mit Zinn.

[Bearbeiten] Eigenschaften

Bismutkristall, gezüchtet. Die Anlauffarben entstehen durch Interferenzen in einer dünnen Oxidschicht

[Bearbeiten] Physikalische Eigenschaften

Bismut ist ein silberweißes, sprödes und grobkristallines Metall mit einem Stich ins Rosa.^[7] Es hat eine rhomboedrische Kristallstruktur mit sehr dicht gepackten Doppelschichten. Der kürzeste Abstand zwischen zwei Doppelschichten Schichten beträgt 352,9 pm, was nur um 15 % größer, als der kleinste Abstand zweier Atome innerhalb einer Doppelschicht ist.^[7]

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. Das heißt, es wandert aus einem, von außen angelegten, Magnetfeld heraus.

Von Bismut sind zwei Modifikationen bekannt: Das bei Zimmertemperatur gewöhnliche Bismut bildet unter hohen Drücken (ab 9 GPa) ein kubisch-raumzentriertes Kristallgitter.

Flüssiges Bismut dehnt sich als einer von wenigen Stoffen beim Erstarren aus (Dichteanomalie). Dieses Phänomen ist auch bei Antimon, Gallium, Germanium, Silicium und Wasser zu beobachten.

[Bearbeiten] Chemische Eigenschaften

Bismut ist bei Normaltemperatur an trockener Luft beständig. An feuchter jedoch bildet sich an der Oberfläche eine Oxidschicht. Des weiteren ist Bismut gegen Wasser und nichtoxidierende Säuren (Salzsäure und verdünnte Schwefelsäure) resistent. In oxidierenden Säuren (Salpetersäure oder heiße konzentrierte Schwefelsäure) wird Bismut unter Bildung von Bismutsalzen (BiX₃) gelöst.

Bei Rotglut verbrennt Bismut mit bläulicher Flamme zu einem braun-gelben Rauch - Bismut(III)-oxid (Bi₂O₃).

Unter Hitze verbindet sich Bismut mit den Halogenen, sowie mit Schwefel, Selen und Tellur direkt. Mit Stickstoff und Phosphor reagiert Bismut nicht.

[Bearbeiten] 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).^[8] Der sehr langsame Zerfall des ²⁰⁹Bi begründet sich einerseits durch die unmittelbare Nähe zum doppelt magischen ²⁰⁸Pb Blei im Isotopenschema, und der Tatsache, dass ²⁰⁹Bi selbst einfach magisch ist. Aus der langen Halbwertszeit folgt, dass die Aktivität von ²⁰⁹Bi mit 0,055 Bq/kg so schwach ist, dass sie als ungefährlich angesehen werden kann. Pro 100 g Bismut zerfallen im Mittel 1,2 Atomkerne pro Stunde zu ²⁰⁵Tl. Um eine Aktivität von 1 Bq zu erreichen, wären also 300 kg Bismut notwendig.

²⁰⁹Bi ist das vorletzte Glied der Neptunium-Reihe und außer ²⁰⁵Tl 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.

→ Siehe auch: Liste der Bismut-Isotope

[Bearbeiten] Verwendung

Es findet Verwendung als Legierungsbestandteil niedrigschmelzender Legierungen, beispielsweise für das Woodsche Metall, das bereits bei 70 °C schmilzt, für Roses Metall mit einem Schmelzpunkt von 98 °C und für das bei 60 °C schmelzende Lipowitz'sche Metall.^[1] 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.^[9]

Bismutverbindungen finden auch als Magentherapeutika in Deutschland, Großbritannien, den USA und einigen anderen Ländern Verwendung, in der Regel jedoch nur als Reservemittel (z. B. bei Magengeschwüren). Heute werden hauptsächlich nur noch die deutlich wirkungsvolleren Antibiotika gegen die im Magen/Darmtrakt vorgefundenen Helicobacter-pylori-Bakterienstämme eingesetzt.

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 Sowjetunion 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.

Bismutvanadat ist als ein hochwetterstabiles grünstichiges Gelb-Pigment im Einsatz und findet z. B. in hochwertigen Lacken, Dispersionsfarben für den Fassadeneinsatz, Kunststoffen und Druckfarben Verwendung.^[10]

Außerdem wird Bismut als Katalysator in der chemischen Industrie verwendet.^[1]

[Bearbeiten] Nachweis

Der Nachweis von Bismut erfolgt durch die „Bismutrutsche“ mit Thioharnstoff. 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⁺ bildet sich ein kristallinischer, zitronengelber Thioharnstoff-Komplex, bei dem drei Thioharnstoff-Moleküle über den Schwefel mit dem Bismut assoziiert sind:

$\rm Bi^{3+} + 3\ SCN_2H_4 \rightarrow [Bi(SCN_2H_4)_3]^{3+}$ (Komplexbildungsreaktion).

Alternative Nachweisreaktionen: 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:

$\rm Bi^{3+} + 4\ I^{-} \rightarrow [BiI_4]^{-}$ (Komplexbildungsreaktion).

[Bearbeiten] Verbindungen

Bismit

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
- Bismut(III)-oxid (Bismit, auch genannt Bismutocker)
Schwefelverbindungen
- Bismut(III)-sulfid
Wasserstoffverbindungen
- Bismutwasserstoff (Bismutan)
Halogenide

[Bearbeiten] Einzelnachweise

↑ ^a ^b ^c Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag 1999, ISBN 3-7776-0736-3
↑ Nature, Volume 422 Number 6934, 2003, Seite 876–878
↑ Sicherheitsdatenblatt(alfa-aesar) Dies gilt nur für Pulver, kompaktes Bismut ist ohne Gefahrensymbole/R-/S-Sätze
↑ N. Figurowski: Die Entdeckung der chemischen Elemente und der Ursprung ihrer Namen. Aulis-Verlag Deubner, Köln 1981, ISBN 3-761-40561-8, S. 215
↑ [1] Seilnacht.com
↑ [2] Fördermengen und Weiterverarbeitung (2006)
↑ ^a ^b Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 1988. ISBN 3-527-26169-9
↑ 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
↑ Meldung bei heise.de
↑ G. Buxbaum, G. Pfaff; Industrial Inorganic Pigments; Wiley-VCH; Weinheim; 2005; ISBN 3-527-30363-4; ISBN 978-3-527-30363-2