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铋为银白色至粉红色的金属,质脆易粉碎,铋的化学性质较稳定。铋在自然界中以游离金属和矿物的形式存在。以前铋被认为是相对原子质量最大的稳定元素,但在2003年,发现了铋有极其微弱的放射性。

15世纪时已知,1737年由埃洛(J.Hellot)和日夫鲁瓦(C.J.Geoffroy)制得铋。 [1]

古希腊和罗马就使用金属铋,用作盒和箱的底座。但直到1556年德意志G.阿格里科拉才在《论金属》一书中提出了锑和铋是两种独立金属的见解。1737年赫罗特(Hellot)用火法分析钴矿时曾获得一小块样品,但不知何物。1753年英国C.若弗鲁瓦和T.伯格曼确认铋是一种化学元素,定名为bismuth。1757年法国人日夫鲁瓦(Geoffroy)经分析研究,确定为新元素。

铋在自然界中以游离金属和矿物的形式存在。矿物有辉铋矿、铋华等。金属铋由矿物经煅烧后成三氧化二铋,再与碳共热还原而获得,可用火法精炼和电解精炼制得高纯铋。

铋在地壳中的含量不大,为2×10-5%,自然界中铋以单质和化合物两种状态存在,主要矿物有辉铋矿(Bi2S3)、泡铋矿(Bi2O3)、菱铋矿(nBi2O3mCO2H2O)、铜铋矿(3Cu2S4Bi2S3)、方铅铋矿(2PbSBi2S)。

铋在自然界中有硫化物的辉铋矿(Bi2S3)和氧化物氧化铋(Bi2O3),或称铋黄土,是由辉铋矿和其他含铋的硫化物氧化后形成的。由于铋的熔点低,因此用炭等可以将它从它的天然矿石中还原出来。所以铋早被古代人们取得,但由于铋性脆而硬,缺乏延展性,因而古代人们得到它后,没有找到它的应用,只是把它留在合金中。

据美国地质调查局资料显示,全球铋金属储量33万吨,略低于白银的40万吨。 [2] 中国铋资源储量居世界首位,中国已有铋矿70多处,铋金属储量在1万吨以上的大中型矿区有6处,储量占全国总储量的78%,其中5万吨以上金属储量的大型矿区2处,储量占全国总储量的66%。中国铋资源分布在13个省市自治区,其中储量最大的是湖南、广东和江西,这三个省的储量占全国总储量的85%左右;其次分布在云南、内蒙古、福建、广西和甘肃等省。 其中,湖南省郴州市金船塘矿区勘探储量累计估算锡铋资源量82万吨(包括铋10万吨)、潜在经济价值70亿人民币,使中国成为世界铋的绝对优势国家,勘查成果使金船塘矿一跃成为世界最大铋矿床。

世界主要产铋国分别为中国、墨西哥、秘鲁、日本、澳大利亚、哈萨克斯坦、加拿大以及玻利维亚等。全球铋年产量预计在15,000吨左右,其中中国的产量超过10,000吨,占70%以上,墨西哥大约8%,比利时5%左右。由于受资源和环保因素的影响,铋产量在不断下降,日本和美国等国家由于成本和环保的要求,铋产量也在逐年减少。2010年全球金属铋产量预计接近16,000吨,其中中国的产量超过12,000吨,墨西哥大约1,200吨,比利时800吨,秘鲁650吨,日本400吨。

纯铋是柔软的金属,不纯时性脆。常温下稳定。主要矿石为辉铋矿(Bi2S3)和赭铋石(Bi2o5)。液态铋凝固时有膨胀现象。 [3]

性脆,导电和导热性都较差。铋的硒化物和碲化物具有半导体性质。

金属铋为有银白色(粉红色)到淡黄色光泽的金属,质脆易粉碎;室温下,铋不与氧气或水反应,在空气中稳定。.导电导热性差;以前铋被认为是相对原子质量最大的稳定元素,但在2003年,发现了铋微弱的放射性,可经α衰变变为铊-205。其半衰期为1.9X10^19年左右,达到宇宙年龄的10亿倍。

熔点

271.3℃

沸点

1560±5℃

声音的传播速率

1790(m/S)

电离能 (kJ /mol)

第一电离能7.289电子伏特

莫氏硬度

2.25

膨胀率

3.3%

加热到熔点以上时能燃烧,发出淡蓝色的火焰,生成三氧化二铋,铋在红热时也可与硫、卤素化合。铋不溶于水,不溶于非氧化性的酸(如盐酸)即使浓硫酸和浓盐酸,也只是在共热时才稍有反应,但能溶于王水和浓硝酸。其中+5价化合物NaBiO3(铋酸钠)是强氧化剂。

原子量

208.9803987

化学符号

Bi [3]

原子序数

83 [3]

原子体积(立方厘米/摩尔)

21.3

工艺原理及流程:

高品位铋精矿的处理,大部分采用火法反射炉熔炼,铋精矿和还原剂煤粉、置换剂铁屑、组溶剂纯碱等配料混合,加入反射炉混合熔炼,产出炉渣、冰铜和粗铋,粗铋经过精炼生产出精铋。中国开始致力于铋矿湿法冶金新工艺的研究。用FeCl3作浸出剂,在酸性氯化物体系中浸出铋,使矿物中的铋呈铋氯配合物的形态进入溶液,用铁粉置换产出海绵铋,经过火法精炼生产精铋,首先在云锡第三冶炼厂建成湿法车间,处理锡铋混合精矿。 [4]

二十一世纪后,中国的许多科研单位根据铋矿的不同组成和原料差异,围绕降低作业成该,解决环境污染、FeCl3的再生和溶液中的有价金属的富集问题,研究了许多湿法冶金流程。 [4]

主要试剂和仪器

盐酸(工业纯),FeCl3(化学纯)。电动搅拌器,721可见分光光度计,pH计。浸出剂由工业盐酸、FeCl3、蒸馏水按一定比例配制而成;铋矿在研钵中研磨30min,浸出在500mL烧杯中进行;搅拌器为常规的电动搅拌。 [4]

浸出工艺原理

在盐酸溶液中,三氯化铁可将铋矿中辉铋矿的硫元素氧化,使Bi3+转入溶液,硫元素转变为单质硫。加入盐酸,既可提高铋的浸出率,又可防止溶液中三氯化铋的水解。浸出液中加入铋矿还原,使溶液中残留的三氯化铁还原为二价,浸出液中加入铁粉置换生成海绵铋。置换后的溶液通入氯气氧化再生。 [4]

工艺流程

称量20g铋矿在研钵中研磨30min,装入500mL烧杯中,将配制好的浸出剂按液固体积比为3:1直接加入烧杯中,用搅拌器搅拌,一定时间后过滤,滤渣用1.5mol/L盐酸溶液洗涤2~3次,取1mL浸出液配制成250mL溶液,测定Bi3+浓度。其余滤液加入一定量的铁粉进行置换沉淀制成海绵铋,滤渣在100°C温度下烘干,测定其中铋的含量。其余尾矿用清水洗至中性,转入铜钼分选工序。部分废水用石灰中和后排放。

工艺流程如图。 [4]

铋主要用于制造易熔合金,熔点范围是47~262℃,最常用的是铋同铅、锡、锑、铟等金属组成的合金,用于消防装置、自动喷水器、锅炉的安全塞,一旦发生火灾时,一些水管的活塞会“自动”熔化,喷出水来。在消防和电气工业上,用作自动灭火系统和电器保险丝、焊锡。铋合金具有凝固时不收缩的特性,用于铸造印刷铅字和高精度铸型。碳酸氧铋和硝酸氧铋用于治疗皮肤损伤和肠胃病。

用于制低熔合金,在消防和电气安全装置上有特殊的重要性。 [3]

在分析化学中用于检测Mn。铋可制低熔点合金,用于自动关闭器或活字合金中。

铋属微毒类。大多数化合物、特别是盐基性盐类,在消化道中难吸收。不溶于水,仅稍溶于组织液。不能经完整皮肤粘膜吸收。铋吸收后分布于身体各处,以肾最多,肝次之。大部分贮存在体内的铋,在数周以至数月内由尿排出。

铋在体内的代谢与铅相似。在酸中毒时,组织可将积存的铋释放。铋与铅可互相影响。在体内,铋化合物能形成不易溶于水和稀酸的硫化铋,沉淀在组织中或栓塞在毛细血管中,发生局部溃疡,甚至坏死。硝酸铋在肠道内细菌的作用下,可还原为亚硝酸铋,吸收后引起高铁血红蛋白血症。严重慢性中毒时,由于铋多存在于肾脏,可出现严重肾炎,其中以肾小管上皮细胞的损害最重,肝亦可累及。反复经口或经其他途径慢性中毒患者可出现 “铋线”。

未见吸入铋及其化合物引起的职业中毒。慢性中毒主要由含可溶性铋盐的药物所引起。静脉注射或肌肉注射可溶性铋盐,曾有引起死亡的报道。

皮肤有损伤者要避免直接接触可溶性铋盐。二巯基丙磺酸钠等可作解毒剂。

1.冶金添加剂

钢中加入微量铋,可改善钢的加工性能,可锻铸铁加入微量铋,能使可锻铸铁具备类似不锈钢的性能。

Cu-Bi多元合金可以取代目前饮水管件上用的含铅铜合金,成本相差不大,可解决自来水铅污染问题。

CuSn3Zn8Bi2-7,合金以铋代替铅可获得相同类似的复合材料,达到类似的铸造、机械和加工性能。

在铝、镁和青铜中加入铋,可改善机械加工性能和耐磨性能。

2.铋基低熔点易熔合金

易熔合金的熔点一般在38~230℃,在熔点下不易受温度和压力的影响而发生变化。英国研究出一种无铅锡合金焊料,其成分Sn>82、Zn6.0~4.5、In约3.5、Bi约1.0。合金无毒性,适合作易于过热受损晶体管组装电路板焊接用。

铋铝配制的合金作弯曲薄壁管的填充料,能保持管内壁平滑光洁,且填料可多次反复使用。

铋锡合金配制的合金制作模具,用作金属薄板材的冷冲压成型,不低于钢模的温度,而且成型快,更新快,合金可多次返回使用。

铋与铝、锡、镉、铟组成的一系列低熔点合金,制作电器、保险器,自动装置讯号器等。用铋锡合金子弹代替铅弹。

3.医药治疗

铋化合物具有收敛、止泻、治疗胃肠消化不良症,次碳酸铋和次硝酸铋,次橡胶酸铋钾用于制造胃药,外科利用铋药的收敛作用来处理创伤和止血,在放射治疗中,用铋基合金代替铝为患者防止身体其他部位受到辐射制造护板,随着铋类药物的发展,现已发现某些铋类药物具有抗癌作用。

4.铋在阻燃剂方面的应用

在阻燃剂的添加剂中,Bi203的效果比Sb203更好,而且安全无毒,燃烧时发生的烟气致死性极小,同时不影响阻燃制品的稳定性。

5.铋在化工中的应用

铋黄颜料是钒酸铋和钼酸铋的混合体。用于取代铅、镉等颜料具有双晶面的黄色颜料,具有更好的表面抗化学腐蚀性,而且黏合力极强,色泽光亮,又不易脱落褪色,用于黄色汽车外壳最后一道工序的喷漆,黄色工业涂料,电气线圈用材的涂料,及橡胶、塑料制品印刷油墨的着色。

铋盐在生产人造纤维制品的一种原料丙烯腈时,需要大量铋盐作催化剂。

氧化铋,2005年日本计划用铋代替铅,用于生产汽车玻璃,这种玻璃含铅10%,生产商将用铋取代这部分铅,生产环保无铅玻璃。化学试剂、铋盐、高折光率玻璃,核工业玻璃和核反应堆燃料。

氢氧化铋用在塑料中作添加剂,使产品焕发美丽的珍珠光泽,还可用于制造无铅颜料和化妆品。

氯化铋用于还原燃料性的柏油、杂酚油和非干性油。

6.电子陶瓷

含铋的电子陶瓷如锗酸铋晶体,是一种新型闪烁晶体,用于核辐射探测器,x射线层面扫描仪、电光、压电激光等器件制造;铋钙钒(石榴型铁氧体是重要的微波旋磁材料和磁包材料)、掺氧化铋的氧化锌压敏电阻,含铋的边界层高频陶瓷电容器,锡铋永磁体,钛酸铋陶瓷和粉末、硅酸铋晶体,含铋易熔玻璃等10多种材料也均开始在工业上应用。

7.半导体

用高纯铋与碲、硒、锑等组合、拉晶的半导体元件,用于温差电偶,低温温差发电和温差制冷。用于装配空调器和电冰箱。用人工硫化铋可制造光电动设备中的光电阻,增大可见光谱区域的灵敏度。

8.核工业

高纯铋(99.999%Bi)用于核工业堆中作载热体或冷却剂,用于防护原子裂变装置材料。 [5]

国家推荐标准:《铋》(GB/T 915-2010)替代GB/T 915-1995,2011年11月1日生效。 [6]


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