Wismuth

Eigenschaften
[Xe] 4f145d106s26p3 83 Bi Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Bismut, Bi, 83
Serie	Metalle
Gruppe, Periode, Block	15, 6, p
Aussehen	glänzend rötlich weiß
CAS-Nummer	7440-69-9
Massenanteil an der Erdhülle	2 · 10−5 %
Atomar
Atommasse	208,98038 u
Atomradius (berechnet)	160 (143) pm
Kovalenter Radius	146 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
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 A/(V · 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 [1] 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 209Tl
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung [2] 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.

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.

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. itmid ‚Antimon‘ erwogen. Paracelsus bezeichnet Wismuth (wismat) 1526 erstmals als Metall.^[3][4][5]

Vorkommen

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

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 (Bismuthinit), 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.

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, das heißt, 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).^[6] 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 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.^[7]

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).

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 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.^[8]

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).

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
  • Bismut(III)-oxid (Bismutocker, Bismit)
• Schwefelverbindungen
  • Bismut(III)-sulfid
• Wasserstoffverbindungen
  • Bismutwasserstoff (Bismutan)
• Halogenide
  • Fluoride: Bismuttrifluorid, Bismutpentafluorid, Bismutfluoroxid
  • Chloride: Bismutmonochlorid, Bismuttrichlorid, Bismutchloroxid
  • Bromide: Bismutmonobromid, Bismuttribromid, Bismutbromoxid
  • Iodide: Bismutmonoiodid, Bismuttriiodid, Bismutiodoxid

Einzelnachweise

1. ↑ Nature, Volume 422 Number 6934, 2003, Seite 876–878
2. ↑ Sicherheitsdatenblatt(alfa-aesar) Dies gilt nur für Pulver, kompaktes Bismut ist ohne Gefahrensymbole/R-/S-Sätze
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. ↑ Emil Ploß: Wismut (Eine etymologische Studie), Archiv für das Studium der neueren Sprachen 110 (1959), S. 317-321
6. ↑ 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
7. ↑ Meldung bei heise.de
8. ↑ G. Buxbaum, G. Pfaff; Industrial Inorganic Pigments; Wiley-VCH; Weinheim; 2005; ISBN 3-527-30363-4; ISBN 978-3-527-30363-2

Literatur

• Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente - das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. Hirzel, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3

Weblinks

• WebElements.com – Bismuth
• EnvironmentalChemistry.com – Bismuth
• Bismuth breaks half-life record for alpha decay
• Mineralienatlas:Bismut (Wiki)

Periodensystem der Elemente

H

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

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Au

Hg

Tl

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Po

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Rn

Fr

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Th

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