Bismut (Bi, Z = 83): Das schwere und farbenfrohe Metall für medizinische Anwendungen
Rolle von Bismut in der Astrophysik und Radichronologie
Letztes stabiles Element? Die Entdeckung der Radioaktivität von Bismut-209
Jahrzehntelang galt Bismut als das schwerste stabile Element. Das Isotop \(^{209}\mathrm{Bi}\) galt als unendlich langlebig. 2003 zeigte jedoch ein Team des Institut d'Astrophysique Spatiale in Orsay, dass es tatsächlich schwach radioaktiv ist, mit einer außergewöhnlich langen Halbwertszeit von etwa \(1,9 \times 10^{19}\) Jahren (fast 19 Billiarden Jahre), eine Milliarde Mal länger als das Alter des Universums! Dieser Zerfall erfolgt durch Alpha-Emission zu Thallium-205.
Diese Entdeckung hat eine wichtige Konsequenz: Blei-208 (das Endprodukt der Thorium-Reihe) erhält seinen Status als schwerster bekannter stabiler Kern zurück. Bismut-209 wird nun als "quasi-stabil" oder "primordial radioaktiv" eingestuft.
Stellare Synthese und Kosmochemie
Bismut wird hauptsächlich durch den s-Prozess (langsame Neutroneneinfang) in AGB-Sternen (asymptotische Riesen) synthetisiert. Es markiert eine wichtige Grenze: Es ist das letzte Element, dessen Isotope durch den s-Prozess signifikant produziert werden können, bevor die folgenden Elemente (Polonium, Astat, Radon) zu instabil sind, um zu bestehen. Seine Produktion durch den r-Prozess (schneller Einfang) ist auch während Supernovae möglich. In Sternen kann es auch durch den p-Prozess (Protoneneinfang) entstehen.
Ein geologischer und umwelttechnischer Tracer
Das Verhältnis der Bismut-Isotope (insbesondere \(^{209}\mathrm{Bi}\)) zu Blei wird als empfindliches geochemisches Werkzeug verwendet, um Prozesse der Erzbildung, die Herkunft von Magmen und sogar industrielle Verschmutzung zu untersuchen. Bismutverbindungen haben unterschiedliche isotopische Signaturen, die helfen können, ihre Herkunft nachzuverfolgen.
Rolle in der Zerfallskette
Obwohl Bismut-209 de facto das Ende vieler natürlicher Zerfallsketten darstellt (aufgrund seiner extrem langen Halbwertszeit), ist es nicht das eigentliche Endprodukt. Theoretisch wird jede Materie, die Bismut enthält, sich über unvorstellbare Zeiträume in Thallium und dann in stabiles Blei umwandeln.
Geschichte der Entdeckung und Verwendung von Bismut
Etymologie und Herkunft des Namens
Die Herkunft des Namens "Bismut" ist ungewiss. Er könnte vom deutschen "Wismuth" oder "Weiße Masse" ("weiße Masse") stammen, in Anspielung auf sein Aussehen. Eine andere Hypothese verbindet es mit dem Arabischen "bi ismid" (mit den Eigenschaften von Antimon), da es oft mit Zinn, Blei und insbesondere Antimon verwechselt wurde. Das Symbol Bi ist offensichtlich.
Entdeckung und Anerkennung
Bismut ist seit der Antike bekannt, wurde aber erst Mitte des 18. Jahrhunderts als eigenständiges Element anerkannt. Der Alchemist Claude François Geoffroy zeigte 1753, dass es sich um ein von Blei und Zinn unterschiedliches Metall handelt. Zuvor wurde es oft als eine Art Blei oder Antimon betrachtet.
Historische Verwendungen
Historisch wurde Bismut verwendet:
In Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt, wie feine Drucklettern.
Als weißes Pigment (Bismutsuboxid, "Perlweiß") in Kosmetik und Porzellanmalerei.
In der Medizin: Bismutverbindungen (Subnitrat, Subcitrat) wurden seit dem 18. Jahrhundert zur Behandlung von Verdauungsstörungen (Durchfall, Verdauungsstörungen) eingesetzt.
Vorkommen und Produktion
Bismut ist selten, mit einer Krustenhäufigkeit von etwa 0,008 ppm. Es gibt keine Bismut-spezifischen Minen; es ist fast immer ein Nebenprodukt der Raffination anderer Metalle, hauptsächlich:
Blei: Die Hauptquelle (≈75%).
Kupfer.
Wolfram und Zinn.
Gold und Silber.
Die Hauptproduzenten sind China (weltweit führend), Peru, Mexiko, Bolivien und Japan. Die jährliche Produktion beträgt etwa 10.000 bis 15.000 Tonnen. Da seine Produktion mit der von Blei verbunden ist (dessen Nachfrage mit der Energiewende sinken könnte), könnte die Versorgung mit Bismut in Zukunft knapper werden.
Struktur und grundlegende Eigenschaften von Bismut
Klassifizierung und Atomstruktur
Bismut (Symbol Bi, Ordnungszahl 83) ist ein Post-Übergangselement, das in Gruppe 15 (Stickstoffgruppe oder Pnictogene) des Periodensystems steht, zusammen mit Stickstoff, Phosphor, Arsen und Antimon. Es ist das schwerste und metallischste Mitglied dieser Gruppe. Sein Atom hat 83 Protonen, in der Regel 126 Neutronen (für das quasi-stabile Isotop \(^{209}\mathrm{Bi}\)) und 83 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p³. Es hat fünf Valenzelektronen (6s² 6p³).
Bemerkenswerte physikalische Eigenschaften
Bismut ist ein silbrig-weißes kristallines Metall mit einem blassrosa Schimmer. Es weist mehrere außergewöhnliche Eigenschaften auf:
Starker Diamagnetismus: Es ist eines der diamagnetischsten Metalle; es wird von einem Magnetfeld abgestoßen. Diese Eigenschaft wird in magnetischen Levitationsexperimenten genutzt.
Geringe Wärmeleitfähigkeit: Eine der niedrigsten unter den Metallen.
Hoher elektrischer Widerstand.
Ausdehnung beim Erstarren: Wie Wasser dehnt sich Bismut beim Übergang vom flüssigen zum festen Zustand um etwa 3,3% aus. Dies ist eine seltene Eigenschaft für ein Metall, die es mit Gallium und Germanium teilt.
Niedriger Schmelzpunkt: 271,4 °C.
Irisierender Glanz: Die Oberfläche von Kristallen oder oxidiertem Metall zeigt Regenbogenfarben (blau, violett, gelb) aufgrund von Lichtinterferenz auf einer dünnen Oxidschicht.
Bismut kristallisiert in einer rhomboedrischen (trigonalen) Struktur, die seine schönen "treppenförmigen" Kristalle bildet.
Umwandlungspunkte
Bismut schmilzt bei 271,40 °C (544,55 K) und siedet bei 1564 °C (1837 K). Sein niedriger Schmelzpunkt macht es leicht schmelzbar und bearbeitbar.
Chemische Reaktivität
Bismut ist ein ziemlich stabiles Metall an der Luft bei Raumtemperatur. Es überzieht sich langsam mit einer dünnen Oxidschicht, die ihm seine irisierenden Farben verleiht. Es verbrennt an der Luft bei hohen Temperaturen unter Bildung von gelbem Bismut(III)-oxid (Bi₂O₃). Es wird von konzentrierter Salpeter- und Schwefelsäure angegriffen, widersteht aber verdünnter Salzsäure (im Gegensatz zu seinen Verwandten Arsen und Antimon).
Quasi-stabiles Isotop, historisch als stabil betrachtet. Alpha-radioaktiv mit extrem langer Halbwertszeit. Es macht das gesamte natürliche Bismut aus. Sein Zerfall zu \(^{205}\mathrm{Tl}\) wurde 2003 beobachtet.
Elektronenkonfiguration und Elektronenschalen von Bismut
Bismut hat 83 Elektronen, die auf sechs Elektronenschalen verteilt sind. Seine Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p³ hat fünf Valenzelektronen in der 6. Schale (s² p³). Dies kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(32) O(18) P(5), oder vollständig: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s² 6p³.
Bismut hat 5 Valenzelektronen (6s² 6p³). Der vorherrschende und stabilste Oxidationszustand ist +3. Wie bei Blei ist der Inert-Paar-Effekt sehr ausgeprägt: Das 6s²-Paar ist energetisch stabil und zögert, an Bindungen teilzunehmen. Daher ist der +5-Zustand (der den Verlust aller fünf Valenzelektronen erfordern würde) sehr selten, instabil und stark oxidierend.
Bismut(III) (Bi³⁺): Der charakteristische Zustand. Bi(III)-Verbindungen zeigen oft eine interessante Koordinationschemie mit pyramidaler Geometrie aufgrund des nichtbindenden Paares (stereochemischer Effekt des Inertpaares). Sie sind allgemein schlecht wasserlöslich (z.B. Oxychlorid BiOCl, Subnitrat), was ihre systemische Absorption begrenzt und zu ihrer geringen Toxizität beiträgt.
Bismut(V) (Bi⁵⁺): Kommt in einigen Verbindungen wie Pentafluorid (BiF₅) oder Natriummetabismutit (NaBiO₃) vor, das ein starkes Oxidationsmittel in der analytischen Chemie ist.
Elementarer Zustand (Bi⁰): Das Metall selbst.
Chemische Reaktivität von Bismut
Reaktion mit Luft und Sauerstoff
Bei Raumtemperatur überzieht sich Bismut mit einer dünnen Oxidschicht, die es schützt und ihm seine irisierenden Farben verleiht. Wenn es über seinen Schmelzpunkt erhitzt wird, verbrennt es mit einer blauen Flamme zu Bismut(III)-oxid (Bi₂O₃), einem gelben Feststoff: 4Bi + 3O₂ → 2Bi₂O₃.
Reaktion mit Wasser und Säuren
Wasser: Keine Reaktion, auch nicht beim Sieden.
Säuren:
Salpetersäure (HNO₃): Löst es zu Bismut(III)-nitrat, Bi(NO₃)₃.
Heiße konzentrierte Schwefelsäure (H₂SO₄): Löst es zu Bismut(III)-sulfat, Bi₂(SO₄)₃, und setzt SO₂ frei.
Salzsäure (HCl): Reagiert langsam, besonders in Gegenwart von Oxidationsmitteln. In verdünnter Lösung bildet Bismut(III) oft unlösliche Oxychloride (BiOCl), die ausfallen.
Organische Säuren (Essigsäure, Zitronensäure): Reagieren unter Salzbildung.
Wichtige Verbindungen
Bismut(III)-oxid (Bi₂O₃): Gelbes Pulver, verwendet in Gläsern, Keramiken und als Vorläufer für andere Verbindungen.
Industrielle und technologische Anwendungen von Bismut
Als Wirkstoff in gastrointestinalen Medikamenten zur Behandlung von Geschwüren, Sodbrennen, Durchfall und zur Ausrottung von Helicobacter pylori;
Als ungiftiger Ersatz für Blei in bleifreien Legierungen: Elektronische Lote (Zinn-Silber-Kupfer-Bismut-Legierungen), Jagdmunition ("Bismut-Schrot"), Klempnerplatten, Gegengewichte;
In Pigmenten und Perlglanzmitteln für Kosmetika (Bismutoxychlorid für Perlglanzeffekt);
Als Basismaterial für Niedertemperatur-Thermoelemente (Bismut-Antimon-Legierung);
In thermoelektrischen Materialien (Bismuttellurid) zur Stromerzeugung aus Abwärme oder präziser elektronischer Kühlung;
Als Neutronenabsorber in Kernreaktoren (geschmolzene Bismut-Blei-Legierungen);
Bei der Herstellung von Spezialgläsern mit hohem Brechungsindex und ferroelektrischen Keramiken;
Als Katalysator bei der Herstellung von Acrylfasern und anderen chemischen Synthesen;
Zur Herstellung von elektrischen Sicherungen und Legierungen mit präzisen Schmelzpunkten (Brandschutzsysteme, Gussformen);
In der Physik für diamagnetische Levitationsexperimente;
Als Target in Teilchendetektoren und zur Produktion bestimmter Radioisotope;
Historisch in feinen Drucklettern und Formen zur Herstellung kleiner Metallgegenstände (unter Ausnutzung seiner Ausdehnung beim Erstarren).
Schlüsselanwendungen: Medikamente und Bleiersatz
Gastrointestinale Medikamente
Bismutverbindungen (Subcitrat, Subsalicylat) werden seit Jahrhunderten verwendet. Ihr Wirkmechanismus ist multifaktoriell:
Schutzwirkung (zytoprotektiv): Sie bilden ein Gel oder einen haftenden Überzug auf der Magenschleimhaut und dem Darm, der sie vor Säure, Pepsin und Gallensalzen schützt.
Antibakterielle Wirkung: Sie hemmen das Wachstum von Helicobacter pylori, einem Bakterium, das für die meisten gastroduodenalen Geschwüre und einige Magenkrebsarten verantwortlich ist. Bismut dringt in den bakteriellen Biofilm ein und verändert die Struktur der bakteriellen Proteine.
Entzündungshemmende und adstringierende Wirkung.
Diese Medikamente (z.B. Gaviscon®, Pepto-Bismol®, De-Nol®) gelten als sicher für die Kurzzeitanwendung, obwohl eine langfristige Absorption zu einer Anreicherung führen kann (Bismutose).
Bleifreie Legierungen (ökologischer Ersatz)
Angesichts der Toxizität von Blei ist Bismut, mit ähnlicher Dichte und Schmelzpunkten, aber ungiftig, ein idealer Ersatz in vielen Bereichen:
Elektronische Lote: Sn-Ag-Cu-Bi-Legierungen ("SAC-Bi") bieten gute mechanische Eigenschaften und geeignete Schmelztemperaturen, die der RoHS-Richtlinie entsprechen.
Jagdmunition: Bismutschrot ist fast so dicht wie Bleischrot, wirksam und ungiftig für Vögel und die Umwelt.
Gegengewichte und Ballast: Zum Ausbalancieren (Räder, Kegel) wo Blei verwendet wurde.
Klempnerplatten und andere Anwendungen, bei denen Duktilität und Dichte erforderlich sind.
Thermoelektrische Materialien
Bismuttellurid (Bi₂Te₃) ist das effektivste thermoelektrische Material bei Raumtemperatur. Es wandelt direkt einen Temperaturunterschied in elektrische Spannung um (Seebeck-Effekt) oder nutzt Elektrizität, um einen Temperaturunterschied zu erzeugen (Peltier-Effekt). Anwendungen:
Thermoelektrische Generatoren: Zur Rückgewinnung von Abwärme aus Abgasen, industriellen Prozessen oder zur Stromversorgung von Weltraumsonden (RTG).
Peltier-Kühler: Für präzise Kühlung von elektronischen Bauteilen, kleinen tragbaren Kühlschränken oder wissenschaftlichen Geräten.
Toxikologie und Sicherheit
Geringe Toxizität: Eine Ausnahme unter den Schwermetallen
Bismut ist bemerkenswert ungiftig für ein Schwermetall, besonders im Vergleich zu seinen Nachbarn im Periodensystem (Blei, Polonium). Diese geringe Toxizität ist auf mehrere Faktoren zurückzuführen:
Geringe Absorption: Die meisten Bismutverbindungen sind in Wasser und biologischen Flüssigkeiten unlöslich, was ihre Aufnahme ins Blut begrenzt.
Schnelle Ausscheidung: Aufgenommenes Bismut wird hauptsächlich über die Nieren ausgeschieden.
Keine Interferenz mit essentiellen Metallen: Im Gegensatz zu Blei ersetzt es nicht leicht Kalzium oder Zink in Enzymen.
Nebenwirkungen und Toxizität bei hohen Dosen
Bei hohen Dosen oder längerer Einnahme kann Bismut jedoch toxisch sein:
Enzephalopathie: Die schwerwiegendste toxische Wirkung, historisch bei Missbrauch löslicher Bismutsalze (z.B. Subgallat) beobachtet. Sie äußert sich in Gang-, Sprach- und Tremorstörungen und kann zum Koma führen. Sie ist in der Regel reversibel nach Absetzen der Behandlung.
Schwarzfärbung des Stuhls: Harmlose und reversible Wirkung durch Bildung von schwarzem Bismutsulfid.
Nierenversagen: Selten, verbunden mit sehr hohen Dosen.
Bismutose: Chronische Anreicherung führt zu einer blau-grauen Verfärbung der Haut (argyrie-ähnlich) und der Schleimhäute.
Vorsichtsmaßnahmen
Die medizinische Anwendung muss die empfohlenen Dosierungen und Dauer einhalten. Es ist bei schwerer Niereninsuffizienz kontraindiziert. Feines Bismutmetallpulver kann Explosionsgefahr (brennbare Stäube) bergen und sollte mit Vorsicht gehandhabt werden.
Umwelt und Recycling
Umweltauswirkungen
Bismut kommt natürlich in Spuren vor. Da es ein Nebenprodukt ist, ist seine Umweltbelastung hauptsächlich mit dem Abbau und der Raffination der Hauptmetalle (Blei, Kupfer) verbunden. Bismutverbindungen sind in der Umwelt wenig mobil und haben eine geringe ökologische Toxizität. Sein Ersatz von Blei in vielen Anwendungen (Munition, Lote) hat einen sehr positiven Netto-Umwelteffekt, da die Bleiverschmutzung reduziert wird.
Recycling
Das Recycling von Bismut ist nicht so systematisch wie das von Blei oder Kupfer, aufgrund seiner Verteilung in vielen Produkten und Legierungen. Dennoch:
Bismut aus gebrauchten Katalysatoren kann zurückgewonnen werden.
Produktionsabfälle von Legierungen und Loten werden in der Industrie recycelt.
Bismut in Bleischlacken wird oft zurückgewonnen.
Mit der zunehmenden Verwendung in bleifreien Legierungen könnten spezifischere Recyclingwege entstehen. Das Basler Übereinkommen gilt für bismuthaltige Abfälle, wenn sie mit anderen gefährlichen Metallen vermischt sind.
Zukünftige Perspektiven und Herausforderungen
Bismut ist ein vielversprechendes strategisches Element:
Bleiersatz: Die Nachfrage wird voraussichtlich mit der Verschärfung der Umweltvorschriften steigen.
Energietechnologien: Seine Rolle in thermoelektrischen Materialien für Energiegewinnung und Kühlung könnte sich ausweiten.
Neue Katalysatoren: Die Chemie von Bismut(III) mit seinem Inertpaar wird für ungiftige organische Katalysatoren erforscht.
Versorgung: Seine Abhängigkeit von der Bleiproduktion ist ein Risiko. Die Suche nach primären Quellen oder Nebenprodukten anderer Metalle ist wichtig.
Grundlagenforschung: Sein quasi-stabiles Isotop und seine quantenmechanischen Eigenschaften (Bismut ist ein Halbleiter mit Dirac-Elektronen) machen es zu einem interessanten Material für die Festkörperphysik.
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