Bismuto

Bismuto
83 Bi                                                                                                                                                                                                                                               piombo ← bismuto → polonio
Aspetto
Metallo argento-rosato
Linea spettrale
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	bismuto, Bi, 83
Serie	metalli del blocco p
Gruppo, periodo, blocco	15 (VA), 6, p
Densità	9 780 kg/m³
Durezza	2,25
Configurazione elettronica
Termine spettroscopico	4So3/2
Proprietà atomiche
Peso atomico	208,98038
Raggio atomico (calc.)	160(143) pm
Raggio covalente	146 pm
Raggio di van der Waals	207 pm
Configurazione elettronica	[Xe]4f145d106s26p3
e− per livello energetico	2, 8, 18, 32, 18, 5
Stati di ossidazione	3, 5
Struttura cristallina	romboedrica
Proprietà fisiche
Stato della materia	solido
Punto di fusione	271,2 °C (544,4 K)
Punto di ebollizione	1564 °C (1837 K)
Volume molare	2,131×10−5 m³/mol
Entalpia di vaporizzazione	104,8 kJ/mol
Calore di fusione	11,3 kJ/mol
Tensione di vapore	0,627 mPa a 544 K
Velocità del suono	1790 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS	7440-69-9
Elettronegatività	2,02 (scala di Pauling)
Calore specifico	122 J/(kg·K)
Conducibilità elettrica	8,67×105 /m·Ω
Conducibilità termica	7,87 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione	703 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione	1450,5 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione	3081,5 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP 207Bi sintetico 31,55 anni ε 2,399 207Pb 208Bi sintetico 3,368×105anni ε 2,880 208Pb 209Bi 100% (2,01±0,08)×1019 anni α — 205Tl 210Bi sintetico 5,01 giorni 3,04×106 anni β− iso — 0,271 210Po 210Bi
iso: isotopo NA: abbondanza in natura TD: tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento

Il bismuto^[1] è l'elemento chimico di numero atomico 83 e il suo simbolo è Bi. È il quinto elemento del gruppo 15 (gruppo dell'azoto) del sistema periodico (6° periodo), fa parte del blocco p ed è l'elemento che nel gruppo viene dopo l'arsenico e l'antimonio. Come per questi e gli altri elementi del gruppo, le sue valenze principali sono 3 e 5 e gli stati di ossidazione, pur con varia stabilità, vanno da -3 a +5. Fino al 2003 è stato ritenuto l'ultimo elemento non radioattivo.

Appare come un metallo pesante, anche se meno del piombo, fragile, di aspetto bianco-roseo, scarso conduttore elettrico e termico; il suo comportamento chimico assomiglia in vari aspetti a quello dell'arsenico e dell'antimonio. Tra i metalli è il più diamagnetico^[2] e uno dei peggiori conduttori di elettricità e calore. A differenza dell'arsenico e dell'antimonio, ma anche del piombo, il bismuto è relativamente non tossico.^[3] Composti del bismuto esenti da piombo sono usati nell'industria cosmetica e in applicazioni mediche.

Il bismuto è un elemento chimico dal tipico aspetto metallico: mostra la caratteristica lucentezza metallica di colore grigio-argenteo con lieve sfumatura rosata, è un conduttore di elettricità, sebbene in questo sia parecchio scadente, e inoltre è fragile (come pure Sb e As che lo precedono nel suo gruppo).^[4] Dopo l'arsenico e l'antimonio che sono considerati metalloidi, il bismuto, tenuto conto anche del suo comportamento chimico, viene per lo più considerato un elemento metallico^[5] e, più specificamente, un metallo di post-transizione,^[6] sebbene venga talvolta descritto come metalloide.^[7]

Insieme al silicio, gallio e germanio è un elemento che, a pressione ambiente, diminuisce di volume (aumenta di densità) all'atto della fusione, come accade per l'acqua.^[8] In forma finemente suddivisa, per riscaldamento in aria può infiammarsi e bruciare con fiamma blu, producendo fumi gialli di ossido di bismuto (Bi₂O₃).^[9]

Da un punto di vista fisico, a temperatura e pressione ambiente il bismuto non è un metallo, ma un semimetallo:^[10][11] il minimo della sua banda di conduzione è collocato più in basso in energia del massimo della sua banda di valenza (come accade nello stato metallico), sebbene di pochissimo, ma il massimo e il minimo sono situati a valori diversi del vettore d'onda.^[12] La minima ricopertura delle bande (≈ 10 meV^[11]) e lo scarto nel loro posizionamento sono i fattori che limitano la conduzione elettrica: la resistività del bismuto (ρ = 130×10^-8 Ω·m^[13]) è perfino maggiore di quella dell'antimonio (40×10^-8 Ω·m^[14]) e dell'arsenico (30×10^-8 Ω·m^[15]), anch'essi fisicamente semimetalli, nonostante siano elementi chimicamente meno metallici rispetto a esso; d'altro canto lo stesso andamento qualitativo trova riscontro nella loro conducibilità termica (As > Sb > Bi).^[13]

Il bismuto ha varie strutture cristalline in dipendenza delle condizioni di temperatura e pressione. In condizioni ambiente la struttura termodinamicamente stabile (α-Bi) è analoga a quella comune all'arsenico (arsenico grigio, α-As) e all'antimonio (α-Sb).^[16] La struttura è romboedrica e consiste in strati increspati, sovrapposti, di atomi bismuto. Questi sono disposti sopra e sotto il piano medio di ogni strato; in un dato strato questi atomi formano anelli esagonali in conformazione a sedia e gli esagoni sono connessi fra loro con giunzioni trans (come nella trans-decalina).^[17] Ogni atomo di bismuto in uno strato è legato a tre primi vicini e la distanza Bi–Bi è di 307 pm, con un angolo Bi-Bi-Bi di 95,5° (109,5° idealmente nell'anello del cicloesano); inoltre è meno fortemente legato a tre atomi Bi dello strato sottostante con distanze di 353 pm, valore che è alquanto inferiore al doppio del raggio di van der Waals di Bi (414 pm^[18]).^[19][20] in questa struttura il suo coefficiente dell'effetto Hall è il più alto di ogni altro elemento metallico. A pressioni di ~8 GPa e oltre la struttura stabile diviene quella cubica a corpo centrato, struttura comune in molti metalli.^[19]

La molecola Bi₄, che si suppone sia analoga a quelle dei congeneri superiori (P, As, Sb), è stata indagata con calcoli quantomeccanici. Sono state trovate due strutture che sono minimi locali sulla superficie di energia potenziale. La più stabile è tetraedrica regolare, esattamente analoga alla ben nota molecola P₄, con simmetria molecolare T_d; i legami Bi–Bi risultano lunghi 301,6 pm e gli angoli sono ovviamente di 60°.

L'altra struttura, meno stabile rispetto alla prima di 162,0 kJ/mol, ha simmetria molecolare C_2v e consta di due triangoli isoscele uniti per la base, come nel biciclobutano.^[21] Il legame centrale (la base del comune dei triangoli) è di 315,2 pm (> 301,6 pm), gli altri sono più corti, 296,1 pm. La dissociazione di Bi₄ in due molecole Bi₂ (Bi≡Bi) è calcolata essere esotermica per 270,9 kJ/mol e la dissociazione di Bi₂ in due atomi richiede 232,2 kJ/mol.^[22]

Il bismuto in forma altamente pura può formare cristalli iridescenti con colori gialli, blu, rosa-porpora, verde scuro, generalmente venduti come oggetto di collezionismo. Il colore si origina dall'interferenza che si crea nel sottile strato di ossido di bismuto, che è di spessore variabile e confrontabile con la lunghezza d'onda della luce visibile.

• 
  Cristallo artificiale di bismuto
• 
  Cristallo artificiale di bismuto
• 
  Cristallo artificiale di bismuto

Il bismuto, come anche il fosforo e l'arsenico che lo precedono nello stesso gruppo 15, è un elemento mononuclidico: l'unico isotopo presente in natura è ²⁰⁹Bi (spin 9/2-). Questo isotopo, come si è scoperto nel 2003, è radioattivo (vide infra), per cui il bismuto, a differenza di P e As, non è un elemento monoisotopico. Questo isotopo è dotato di spin nucleare e questo permette così di usare la tecnica della risonanza magnetica nucleare per i composti di bismuto.^[23]

Il bismuto è stato a lungo creduto l'ultimo elemento stabile (non radioattivo) della tavola periodica. La sua instabilità, sospettata teoricamente fin dal 1972,^[24] ha avuto una conferma sperimentale solo nel 2003, quando i ricercatori dell'Institut d'Astrophysique Spatiale di Orsay hanno misurato il tempo di dimezzamento per decadimento alfa dell'isotopo ²⁰⁹Bi, ricavando il valore di 1,90×10¹⁹ anni,^[25][26] un tempo che è oltre un miliardo di volte superiore all'attuale stima dell'età dell'Universo. Pertanto ai fini pratici il bismuto può essere di fatto considerato un elemento stabile per qualsiasi applicazione e può essere trattato come ogni altro materiale non radioattivo; benché a livelli praticamente nulli, inferiori a quelli dovuti al carbonio-14 normalmente contenuto nel corpo umano, la radioattività del bismuto è di interesse accademico in quanto prevista teoricamente prima dell'osservazione sperimentale in laboratorio.

Il ²⁰⁹Bi decade emettendo una particella alfa (nucleo ⁴He) trasformandosi in ²⁰⁵Tl, il secondo dei due isotopi stabili del tallio; l'energia di decadimento è 3,137 MeV.^[27]

Oltre al ²⁰⁹Bi, si conoscono altri 35 radionuclidi del bismuto, aventi numeri di massa compresi tra A = 184 e A = 219.^[27]

Il ²⁰⁵Bi (spin 9/2-) decade per emissione di positrone (β+) per dare piombo-205, rilasciando 1,686 MeV, con un'emivita è di 15,3125 giorni; il Pb-205 così prodotto è radioattivo e decade per cattura elettronica (ε) a tallio-205 (T_½ = 1,73×10⁷ anni; ΔΕ = 50,5 keV), che è stabile.^[28]

Il ²⁰⁶Bi (spin 6) decade per emissione di positrone (β+) per dare piombo-206 (stabile), rilasciando 2,735 MeV, con un'emivita è di 6,243 giorni.^[29]

Il ²⁰⁷Bi (spin 9/2-) decade per emissione di positrone (β+) per dare piombo-207 (stabile), rilasciando 1,375 MeV, con un'emivita è di 32,978 anni.^[30]

Il ²⁰⁸Bi (spin 5) decade per emissione di positrone (β+) per dare piombo-208 (stabile), rilasciando 1,856 MeV, con un'emivita è di 367.834 anni.^[31]

Il ²¹⁰Bi (spin 1-) in quasi il 100% dei casi decade per il emissione di elettrone (β-) per dare polonio-210, rilasciando 1,161 MeV; il polonio-210 così prodotto è radioattivo e decade alfa a piombo-206 (stabile), rilasciando 5,407 MeV; in piccolissima percentuale (0,000132%) il ²¹⁰Bi decade alfa a tallio-206, rilasciando 5,0364 MeV; il tallio-206 così prodotto decade β- a piombo-206 (T_½ = 4,202 minuti; ΔΕ = 1,532 MeV), che è stabile. L'emivita complessiva di ²¹⁰Bi è di 5,012 giorni.^[32]

Di questo isotopo è noto uno stato eccitato (metastabile) a 271,31 keV sopra il livello fondamentale, il ^210mBi (spin 9-); decade alfa a tallio-206, con emivita di 3,04×10⁶ anni.^[33]

Il ²¹¹Bi (spin 9/2-) in quasi il 100% dei casi decade alfa per dare tallio-207, rilasciando 6,750 MeV; il tallio-207 così prodotto è radioattivo e decade β- a piombo-207 (stabile), rilasciando 1,418 MeV; in piccolissima percentuale (0,276%) il ²¹¹Bi decade β- a polonio-211, rilasciando 574,09 keV; il polonio-211 così prodotto decade alfa a piombo-207 (T_½ = 515 millisecondi; ΔΕ = 7,594 MeV), che è stabile. L'emivita complessiva di ²¹¹Bi è di 2,14 minuti.

Viene usato principalmente nel campo siderurgico e per preparare leghe a basso punto di fusione come quelle per i fusibili.

L'ossicloruro di bismuto è molto usato nell'industria cosmetica mentre il subnitrato di bismuto e il subcarbonato di bismuto trovano uso in medicina. Il subsalicilato di bismuto è usato come farmaco anti-diarroico.

Tra gli altri usi si annoverano:

• produzione di forti magneti permanenti, in lega con il manganese;
• applicazione in sistemi antincendio di molte leghe di bismuto che hanno bassi punti di fusione;
• come additivo del ferro per renderlo malleabile;
• realizzazione di catalizzatori per la produzione di fibre acriliche;
• produzione di termocoppie;
• come refrigerante nel reattore nucleare al piombo, allo stato liquido in lega eutettica con il piombo;
• realizzazione di leghe per saldatura, anche perché queste si espandono leggermente per raffreddamento;
• realizzazione di smalti vetrosi usati per finissaggi iridescenti di cui il subnitrato di bismuto è un componente;
• come scintillatore inorganico utilizzato nella PET (germanato di bismuto);
• come sostituto dell'acciaio per simulazioni fluidodinamiche in campo di ricerca siderurgico

Dai primi anni novanta il bismuto è oggetto di studio come sostitutivo non tossico del piombo in diversi materiali come ceramiche e smalti, specialmente per quelli destinati al contatto con i cibi.

A partire dagli anni 2000 viene utilizzato in alternativa al piombo per il caricamento di munizioni da caccia.

Recenti ricerche (2007) hanno utilizzato il bismuto per realizzare dei superconduttori a bassa temperatura (90 K). Questi superconduttori mostrano proprietà molto interessanti e potrebbero essere utilizzati nelle future macchine per l'imaging a risonanza magnetica^[34].

Non è possibile stabilire con certezza se la scoperta del bismuto sia stata opera di un alchimista o di una persona che lavorava con i minerali di bismuto. Sembra che attorno alla metà del XV secolo venisse utilizzata una nuova lega per produrre i caratteri di stampa nella cui formula segreta il bismuto svolgeva un ruolo fondamentale.

Anche l'origine del nome non è molto chiara: deriva da una parola tedesca Wismut dal significato incerto, forse con il significato di metallo bianco o forse derivato dal toponimo di una miniera. Anche su chi ne ha latinizzato il nome agli inizi del XVI secolo in bisemutum c'è incertezza: alcuni indicano G. Bauer, chiamato anche Agricola, mentre altri parlano di Paracelso.

Data la sua somiglianza con lo stagno e il piombo, il bismuto nell'antichità fu confuso con questi. Fu Claude Geoffroy Junine nel 1753 a dimostrare che si trattava di un elemento a sé.

I più importanti minerali del bismuto sono la bismutinite e la bismite. Canada, Bolivia, Giappone, Messico e Perù sono i principali produttori. Il bismuto prodotto negli Stati Uniti d'America è principalmente un sottoprodotto della lavorazione dei minerali di rame, oro, argento, stagno e soprattutto del piombo.

• Francesco Borgese, Gli elementi della tavola periodica. Rinvenimento, proprietà, usi. Prontuario chimico, fisico, geologico, Roma, CISU, 1993, ISBN 88-7975-077-1.
• R. Barbucci, A. Sabatini e P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998 (archiviato dall'url originale il 22 ottobre 2010).

• Gallato di bismuto
• Idruro di bismuto
• Solfato di bismuto
• Nitrato di bismuto

• Wikizionario contiene il lemma di dizionario «bismuto»
• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su bismuto

• bismuto, su Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
• (EN) Bismuth, su periodic.lanl.gov, Los Alamos National Laboratory. URL consultato l'11 maggio 2005 (archiviato dall'url originale il 21 novembre 2010).
• (EN) Bismuth, su webelements.com.
• (EN) Bismuth, su environmentalchemistry.com.
• (EN) Bismuth breaks half-life record for alpha decay, su physicsweb.org.

Portale Chimica: il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia