天文学
在 X 上关注我 在 Bluesky 上关注我 在 Pinterest 上关注我
中文 English Français Español Português 日本語 Deutsch
 
最后更新:2026年1月20日

铋(Bi,Z = 83):用于医疗领域的重质多彩金属

铋原子模型与彩虹色晶体
Image description: Simplified atomic model of the bismuth atom. The main quasi-stable isotope is \(^{209}\mathrm{Bi}\) with its 83 protons, 83 electrons, and 126 neutrons.
Image source: astronoo.com

铋在天体物理学与放射性年代学中的作用

最后一种稳定元素?铋-209放射性的发现

For decades, bismuth was considered the 最重的稳定元素. The isotope \(^{209}\mathrm{Bi}\) was thought to have an infinite half-life. However, in 2003, a team from the Institut d'Astrophysique Spatiale in Orsay demonstrated that it is actually weakly radioactive, with an 异常长的半衰期 of about \(1.9 \times 10^{19}\) years (nearly 19 billion billion years), a billion times longer than the age of the universe! This decay occurs via alpha emission into thallium-205.

This discovery has a major consequence: 铅-208 (the final product of the thorium chain) regains its status as the heaviest known stable nucleus. Bismuth-209 is now classified as "quasi-stable" or "primordial radioactive".

恒星合成与宇宙化学

Bismuth is mainly synthesized by the s-过程 (slow neutron capture) in AGB stars (asymptotic giants). It marks an important limit: it is the 最后一个元素 whose isotopes can be produced significantly by the s-process before the following elements (polonium, astatine, radon) become too unstable to persist. Its production by the r-过程 (rapid capture) is also possible during supernovae. In stars, it can also be produced by the p过程 (proton capture).

地质与环境示踪剂

铋同位素(特别是\(^{209}\mathrm{Bi}\))与铅的比值被用作灵敏的地球化学工具,用于研究成矿过程、岩浆来源,甚至追踪工业污染。铋化合物具有独特的同位素特征,有助于追溯其来源。

在衰变链中的角色

尽管铋-209实际上是许多自然衰变链的终点(因其半衰期极长),但它并非真正的最终产物。理论上,任何含铋的物质在难以想象的漫长时标下,都会先转化为铊,再进一步转变为稳定的铅。

铋的发现与使用历史

名称的词源与起源

The origin of the name "bismuth" is uncertain. It may come from the German "Wismuth" or "Weisse Masse" ("white mass"), referring to its appearance. Another hypothesis links it to the Arabic "bi ismid" (having the properties of antimony), as it was often confused with tin, lead, and especially antimony. The symbol Bi is obvious.

发现与识别

Bismuth has been known since antiquity but was only recognized as a distinct element in the mid-18th century. The alchemist 克劳德·弗朗索瓦·若弗鲁瓦 demonstrated in 1753 that it was a metal distinct from lead and tin. Before that, it was often considered a variety of lead or antimony.

历史用途

历史上,铋曾被用于:

存款与生产

Bismuth is rare, with a crustal abundance of about 0.008 ppm. There are no mines dedicated to bismuth; it is almost always a 副产品 of the refining of other metals, mainly:

The main producers are 中国 (world leader), 秘鲁, 墨西哥, 玻利维亚, and 日本. Annual production is about 10,000 to 15,000 tons. Due to its production being linked to lead (whose demand may decrease with the energy transition), the supply of bismuth could become tighter in the future.

铋的结构与基本性质

分类与原子结构

铋(符号Bi,原子序数83)是一种后过渡元素,位于元素周期表第15族(氮族或磷族),与氮、磷、砷、锑同族。它是该族中最重且金属性最强的元素。其原子含有83个质子,通常有126个中子(对应准稳定同位素\(^{209}\mathrm{Bi}\)),以及83个电子,电子构型为[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p³。它具有五个价电子(6s² 6p³)。

卓越的物理特性

铋是一种银白色结晶金属,带有淡粉色光泽。它具有若干独特性质:

铋以菱面体(三方)结构结晶,从而形成其美丽的"阶梯状"晶体。

变换点

Bismuth melts at 271.40 °C (544.55 K) and boils at 1564 °C (1837 K). Its low melting point makes it easy to melt and work with.

化学反应活性

铋在室温空气中是一种相当稳定的金属。它会慢慢覆盖上一层薄薄的氧化层,从而呈现出彩虹般的色彩。在高温下,它在空气中燃烧生成黄色的氧化铋(Bi₂O₃)。浓硝酸和浓硫酸会腐蚀铋,但稀盐酸对其不起作用(这与它的同族元素砷和锑不同)。

物理特性概述

Density: 9.78 g/cm³.
Melting point: 544.55 K (271.40 °C).
Boiling point: 1837 K (1564 °C).
Crystal structure: Rhombohedral (trigonal).
Electronic configuration: [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p³.
Main oxidation state: +3.

铋同位素表

铋同位素(基本物理性质)
同位素 / 符号质子(Z)中子(N)原子质量(u)天然丰度半衰期 / 稳定性衰变/备注
铋-209 — \(^{209}\mathrm{Bi}\)83126208.980399 u≈ 100%\(1.9 \times 10^{19}\) 年准稳定同位素,历史上曾被视为稳定。具有极长半衰期的α放射性同位素,构成所有天然铋。其衰变为\(^{205}\mathrm{Tl}\)的过程于2003年被观测到。

铋的电子排布与电子层

注意::
Electron shells: 电子如何围绕原子核组织.

铋有83个电子,分布在六个电子壳层上。其电子排布为[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p³,在第六壳层(s² p³)中有五个价电子。这也可写作:K(2) L(8) M(18) N(32) O(18) P(5),或完整形式:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s² 6p³。

详细的壳体结构

K壳层(n=1): 2 electrons (1s²).
L层(n=2): 8 electrons (2s² 2p⁶).
M层(n=3): 18 electrons (3s² 3p⁶ 3d¹⁰).
N层(n=4): 32 electrons (4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴).
O壳层(n=5): 18 electrons (5s² 5p⁶ 5d¹⁰).
P壳层 (n=6): 5 electrons (6s² 6p³).

价电子与氧化态

Bismuth has 5 价电子 (6s² 6p³). The predominant and most stable oxidation state is +3. As with lead, the 惰性电子对效应 is very pronounced: the 6s² pair is energetically stable and reluctant to participate in bonding. Thus, the +5 state (which would require the loss of all five valence electrons) is very rare, unstable, and highly oxidizing.

铋的化学反应活性

与空气和氧气的反应

At room temperature, bismuth becomes covered with a thin oxide layer that protects it and gives it its iridescent colors. When heated above its melting point, it burns with a blue flame to form 氧化铋(III) (Bi₂O₃), a yellow solid: 4Bi + 3O₂ → 2Bi₂O₃.

与水及酸的反应

重要化合物

铋的工业与技术应用

关键应用:医药与铅替代

胃肠道药物

铋化合物(如次枸橼酸铋、次水杨酸铋)已使用数百年。其作用机制具有多面性:

  1. 保护作用(细胞保护): They form a gel or adherent coating on the stomach and intestinal mucosa, protecting it from acid, pepsin, and bile salts.
  2. 抗菌作用: They inhibit the growth of 幽门螺杆菌, a bacterium responsible for most gastroduodenal ulcers and some stomach cancers. Bismuth penetrates the bacterial biofilm and alters the structure of bacterial proteins.
  3. 抗炎和收敛作用.

这些药物(如Gaviscon®、Pepto-Bismol®、De-Nol®)短期使用被认为是安全的,但长期吸收可能导致蓄积(铋中毒)。

无铅合金(环保替代品)

鉴于铅的毒性,铋因其相似的密度和熔点且无毒,在许多领域成为理想的替代品。

热电材料

碲化铋(Bi₂Te₃) is the most effective thermoelectric material around room temperature. It directly converts a temperature difference into electrical voltage (Seebeck effect) or uses electricity to create a temperature difference (Peltier effect). Applications:

毒理学与安全性

低毒性:重金属中的例外

Bismuth is remarkably 无毒 for a heavy metal, especially compared to its neighbors in the periodic table (lead, polonium). This low toxicity is due to several factors:

  1. 低吸收: Most bismuth compounds are insoluble in water and biological fluids, limiting their passage into the blood.
  2. 快速排泄: Absorbed bismuth is mainly excreted by the kidneys.
  3. 不干扰必需金属: Unlike lead, it does not easily substitute for calcium or zinc in enzymes.

高剂量下的副作用与毒性

然而,大剂量或长期服用铋剂时,铋可能具有毒性。

注意事项

医疗用途必须遵守推荐剂量和疗程。严重肾功能衰竭患者禁用。细铋金属粉末存在爆炸风险(可燃粉尘),应谨慎处理。

环境与回收

环境影响

Bismuth is naturally present in trace amounts. Its production as a byproduct means that its environmental impact is mainly related to the extraction and refining of the main metals (lead, copper). Bismuth compounds are not very mobile in the environment and have low ecological toxicity. Its substitution for lead in many applications (ammunition, solders) has a 非常积极的净环境效益, reducing lead pollution.

回收利用

铋的回收不像铅或铜那样系统化,因为它分散在许多产品和合金中。然而:

随着无铅合金中铋的使用增加,更具体的回收渠道可能会发展起来。当含铋废物与其他有害金属混合时,《巴塞尔公约》适用。

未来前景与挑战

铋是一种具有前景的战略元素:

本类别探索内容

原子的各种形态:从古代直觉到量子力学 原子的各种形态:从古代直觉到量子力学
原子中的电子是如何分布的?
原子中的电子是如何分布的?
核素的半衰期:对放射性与年代测定的影响
核素的半衰期:对放射性与年代测定的影响
化学元素周期表 - 历史与组织
化学元素周期表 - 历史与组织
生命为何如此依赖氧气?
生命为何如此依赖氧气?
氢:宇宙创造的关键
氢(H,Z=1):宇宙创造的关键
氦:大爆炸的遗迹与恒星参与者
氦(He,Z=2):大爆炸的遗迹与恒星参与者
锂:现代电池的关键元素
锂(Li,Z=3):现代电池的关键元素
铍:具有卓越性能的稀有金属
铍(Be,Z=4):具有卓越性能的稀有金属
硼:材料科学中的关键元素
硼(B,Z=5):材料科学中的关键元素
碳:生命元素
碳(C,Z=6):生命元素
氮:大气中丰富而惰性的元素
氮(N,Z=7):大气中丰富而惰性的元素
氧:生命核心元素
氧(O,Z=8):生命核心元素
氟(F,Z=9):活泼且重要的化学元素
氟(F,Z=9):活泼且重要的化学元素
氖(Ne,Z=10):稀有气体中的贵族元素
氖(Ne,Z=10):稀有气体中的贵族元素
钠(Na,Z=11):活泼且多用途的元素
钠(Na,Z=11):活泼且多用途的元素
镁(Mg,Z=12):对生物学和工业至关重要的元素
镁(Mg,Z=12):对生物学和工业至关重要的元素
铝(Al,Z=13):轻巧而多用途的元素
铝(Al,Z=13):轻巧而多用途的元素
硅(Si,Z=14):地球与现代科技的关键元素
硅(Si,Z=14):地球与现代科技的关键元素
磷(P,Z=15):生命的基本元素
磷(P,Z=15):生命的基本元素
硫(S,Z=16):生命与工业的关键元素
硫(S,Z=16):生命与工业的关键元素
氯(Cl,Z=17):化学工业与消毒的关键元素
氯(Cl,Z=17):化学工业与消毒的关键元素
氩(Ar,Z=18):大气中的贵族元素
氩(Ar,Z=18):大气中的贵族元素
钾(K,Z=19):从水上之火到心脏的跳动
钾(K,Z=19):从水上之火到心脏的跳动
钙(Ca,Z=20):骨骼的建筑师,山脉的雕刻家
钙(Ca,Z=20):骨骼的建筑师,山脉的雕刻家
钪(Sc,Z=21):科学预测的胜利
钪(Sc,Z=21):科学预测的胜利
钛(Ti,Z=22):具有非凡性能的轻金属
钛(Ti,Z=22):具有非凡性能的轻金属
钒(V,Z=23):多面手的战略金属
钒(V,Z=23):多面手的战略金属
铬(Cr,Z=24):具有卓越性能的闪亮金属
铬(Cr,Z=24):具有卓越性能的闪亮金属
锰(Mn,Z=25):多面手的过渡金属
锰(Mn,Z=25):多面手的过渡金属
铁(Fe,Z=26):我们文明的金属支柱
铁(Fe,Z=26):我们文明的金属支柱
钴(Co,Z=27):具有战略特性的磁性金属
钴(Co,Z=27):具有战略特性的磁性金属
镍(Ni,Z=28):具有磁性的耐腐蚀金属
镍(Ni,Z=28):具有磁性的耐腐蚀金属
铜(Z=29):具有卓越性能的导电金属
铜(Z=29):具有卓越性能的导电金属
锌(Zn,Z=30):具有重要性能的保护性金属
锌(Zn,Z=30):具有重要性能的保护性金属
镓(Ga,Z=31):具有非凡物理性能的金属
镓(Ga,Z=31):具有非凡物理性能的金属
锗(Ge,Z=32):开创电子时代的准金属
锗(Ge,Z=32):开创电子时代的准金属
砷(As,Z=33):双面准金属
砷(As,Z=33):双面准金属
硒(Se,Z=34):重要的光电元素
硒(Se,Z=34):重要的光电元素
溴(Br,Z=35):具有毒性的液态卤素
溴(Br,Z=35):具有毒性的液态卤素
氪(Kr,Z=36):产生光谱光的稀有气体
氪(Kr,Z=36):产生光谱光的稀有气体
铷(Rb,Z=37):原子钟的碱金属
铷(Rb,Z=37):原子钟的碱金属
锶(Sr,Z=38):红色烟火的金属
锶(Sr,Z=38):红色烟火的金属
钇(Y,Z=39):具有革命性技术应用的稀土元素
钇(Y,Z=39):具有革命性技术应用的稀土元素
锆(Zr,Z=40):核反应堆的超耐腐蚀金属
锆(Zr,Z=40):核反应堆的超耐腐蚀金属
铌(Nb,Z=41):欧洲核子研究中心的超导体与现代钢材
铌(Nb,Z=41):欧洲核子研究中心的超导体与现代钢材
钼(Mo,Z=42):高性能钢材的重要金属
钼(Mo,Z=42):高性能钢材的重要金属
锝(Tc,Z=43):首个完全人造的元素
锝(Tc,Z=43):首个完全人造的元素
钌(Ru,Z=44):先进技术的贵金属
钌(Ru,Z=44):先进技术的贵金属
铑(Rh,Z=45):世界上最珍贵的金属
铑(Rh,Z=45):世界上最珍贵的金属
钯(Pd,Z=46):绿色技术的吸氢海绵
钯(Pd,Z=46):绿色技术的吸氢海绵
银(Ag,Z=47):导电率创纪录的千年金属
银(Ag,Z=47):导电率创纪录的千年金属
镉(Cd,Z=48):镍镉电池中备受争议的金属
镉(Cd,Z=48):镍镉电池中备受争议的金属
铟(In,Z=49):现代屏幕中的隐形元素
铟(In,Z=49):现代屏幕中的隐形元素
锡(Sn,Z=50):青铜时代的古老金属
锡(Sn,Z=50):青铜时代的古老金属
锑(Sb,Z=51):被忽视的战略性准金属
锑(Sb,Z=51):被忽视的战略性准金属
碲(Te,Z=52):可再生能源中的稀有准金属
碲(Te,Z=52):可再生能源中的稀有准金属
碘(I,Z=53):生命必需的紫色卤素
碘(I,Z=53):生命必需的紫色卤素
氙(Xe,Z=54):具有卓越性能的稀有气体
氙(Xe,Z=54):具有卓越性能的稀有气体
铯(Cs,Z=55):最活泼的金属与时间的守护者
铯(Cs,Z=55):最活泼的金属与时间的守护者
钡(Ba,Z=56):医学影像的重金属
钡(Ba,Z=56):医学影像的重金属
镧(La,Z=57):稀土元素的旗帜
镧(La,Z=57):稀土元素的旗帜
铈(Ce,Z=58):矛盾般丰富的稀土元素
铈(Ce,Z=58):矛盾般丰富的稀土元素
镨(Pr,Z=59):绿色的稀土元素
镨(Pr,Z=59):绿色的稀土元素
钕(Nd,Z=60):永磁体之王
钕(Nd,Z=60):永磁体之王
钷(Pm,Z=61):幻影稀土元素
钷(Pm,Z=61):幻影稀土元素
钐(Sm,Z=62):具有恒星起源的地球磁体
钐(Sm,Z=62):具有恒星起源的地球磁体
铕(Eu,Z=63):红色发光荧光粉
铕(Eu,Z=63):红色发光荧光粉
钆(Gd,Z=64):医学影像的磁性原子
钆(Gd,Z=64):医学影像的磁性原子
铽(Tb,Z=65):绿色发光与磁性原子
铽(Tb,Z=65):绿色发光与磁性原子
镝(Dy,Z=66):绿色能源的磁性原子
镝(Dy,Z=66):绿色能源的磁性原子
钬(Ho,Z=67):医用激光器的磁性原子
钬(Ho,Z=67):医用激光器的磁性原子
铒(Er,Z=68):光纤网络的基础掺杂剂
铒(Er,Z=68):光纤网络的基础掺杂剂
铥(Tm,Z=69):激光与X射线的原子
铥(Tm,Z=69):激光与X射线的原子
镱(Yb,Z=70):时间与激光的原子
镱(Yb,Z=70):时间与激光的原子
镥(Lu,Z=71):终极稀土珍宝
镥(Lu,Z=71):终极稀土珍宝
铪(Hf,Z=72):核反应堆与微处理器的原子
铪(Hf,Z=72):核反应堆与微处理器的原子
钽(Ta,Z=73):生命与高科技的金属
钽(Ta,Z=73):生命与高科技的金属
钨(W,Z=74):抗火的金属
钨(W,Z=74):抗火的金属
铼(Re,Z=75):创纪录的高科技金属
铼(Re,Z=75):创纪录的高科技金属
锇(Os,Z=76):极高密度与硬度的金属
锇(Os,Z=76):极高密度与硬度的金属
铱(Ir,Z=77):天体灾难的见证者
铱(Ir,Z=77):天体灾难的见证者
铂(Pt,Z=78):永不腐蚀的贵金属之王
铂(Pt,Z=78):永不腐蚀的贵金属之王
金(Au,Z=79):永恒与财富的金属
金(Au,Z=79):永恒与财富的金属
汞(Hg,Z=80):液态有毒金属
汞(Hg,Z=80):液态有毒金属
铊(Tl,Z=81):完美毒药与阴影元素
铊(Tl,Z=81):完美毒药与阴影元素
铅(Pb,Z=82):文明与毒性的重金属
铅(Pb,Z=82):文明与毒性的重金属
铋(Bi,Z=83):用于医疗的重彩金属
铋(Bi,Z=83):用于医疗的重彩金属
钋(Po,Z=84):放射性与危险的元素
钋(Po,Z=84):放射性与危险的元素
砹(At,Z=85):周期表中的幽灵
砹(At,Z=85):周期表中的幽灵
氡(Rn,Z=86):家中的放射性气体
氡(Rn,Z=86):家中的放射性气体
钫(Fr,Z=87): elusive的碱金属
钫(Fr,Z=87): elusive的碱金属
镭(Ra,Z=88):在黑暗中发光的元素
镭(Ra,Z=88):在黑暗中发光的元素
锕(Ac,Z=89):锕系元素的关键元素
锕(Ac,Z=89):锕系元素的关键元素
钍(Th,Z=90):丰富的核能源
钍(Th,Z=90):丰富的核能源
镤(Pa,Z=91):中间且短暂的元素
镤(Pa,Z=91):中间且短暂的元素
铀(U,Z=92):蕴含能量的元素
铀(U,Z=92):蕴含能量的元素