Bismuto: proprietà, preparazione, composti
Il bismuto è un metallo di colore bianco-argenteo con peso atomico 208.98 u, numero atomico 83 e configurazione elettronica [Xe] 4f14, 5d10, 6s2, 6p3 e presenta caratteristiche chimiche simili a quelle dell’arsenico e dell’antimonio che si trovano anch’essi nel gruppo 15 della Tavola Periodica.
Insieme al gallio e all’antimonio ha un minor volume allo stato liquido rispetto allo stato solido, proprietà tipica dell’acqua. Stante la sua somiglianza con lo stagno e il piombo nell’antichità veniva confuso con questi e solo nel 1753 Claude Geoffry Junine dimostrò che si trattava di un elemento a sé. Ha un’alta resistenza elettrica ed è il più diamagnetico tra tutti i metalli; ha conduttività elettrica più bassa di tutti i metalli ad eccezione del mercurio. Esso ha numeri di ossidazione 5, 4, 3, 2, 1.
Il bismuto si distingue anche per le sue proprietà elettriche e magnetiche: ha una resistività elettrica relativamente alta ed è il metallo più diamagnetico conosciuto, ovvero oppone una forte resistenza ai campi magnetici esterni.
Proprietà del bismuto
È un metallo fragile, di colore bianco-argenteo con lievi riflessi rosati, spesso associato a un aspetto brillante quando appena levigato. Questo comportamento anomalo comporta un aumento di densità durante la fusione, rendendolo utile in applicazioni che richiedono tale proprietà.
Ha forma romboedrica stabile, simile a quella dell’antimonio e dell’arsenico. Ha un comportamento non usuale perché la sua conduttività non elevata cresce con la temperatura e allo stato liquido è maggiore a quella dello stato solido.
E’ considerato un metallo piuttosto nobile, stabile all’aria e non attaccato da acidi non ossidanti; si scioglie in acido nitrico concentrato.
Gli acidi ossidanti lo dissolvono dando sali di Bi(III); è attaccato dal cloro dando tricloruro BiCl3. I suoi sali sono scarsamente solubili in acqua. Ha forma romboedrica stabile, simile a quella dell’antimonio e dell’arsenico e un comportamento non usuale perché la sua conduttività non elevata cresce con la temperatura e allo stato liquido è maggiore a quella dello stato solido.
Il principale minerale del bismuto è la bismutite in cui l’elemento di trova sotto forma di solfuro Bi2S3. Il bismuto si trova anche come ossido Bi2O3 e carbonato basico (BiO)2CO3.
Preparazione
Il metallo si ottiene arrostendo il solfuro e riducendo l’ossido formatosi con ferro o carbone secondo la reazione:
2 Bi2O3 + 3 C → 4 Bi + 3 CO2
Viene anche ottenuto come sottoprodotto della preparazione di altri metalli come piombo, rame e argento. Il metallo può essere purificato per via elettrolitica.
Composti
L’idruro o bismutina BiH3 è il più instabile della famiglia ed è stato ottenuto solo in tracce. L’unico ossido importante è Bi2O3 che si ottiene per combustione dell’elemento; è una polvere gialla con caratteristiche di ossido basico. Trattando con basi le soluzioni di sali di bismuto precipita l’idrossido Bi(OH)3 solubile in acidi.
I sali come BiCl3, Bi(NO3)3 e Bi2(SO4)3 si idrolizzano in acqua dando luogo alla precipitazione di sali basici contenenti il catione bismutile BiO+ come:
BiCl3 + H2O ⇄ BiOCl + 2 H+ + 2 Cl–
I sali basici insolubili si disciolgono in eccesso di acidi. Lo stato di ossidazione V è molto instabile.
Trattando Bi(OH)3 con energici ossidanti in ambiente alcalino si ottengono i bismutati:
Bi(OH)3 + NaClO + NaOH → NaBiO3 + NaCl + 2 H2O
i quali, trattati con acido nitrico lasciano precipitare l’ossido idrato rosso Bi2O5 ·n H2O il quale perde facilmente ossigeno per ridare il triossido. I bismutati sono energici ossidanti in soluzione acida.
Dai sali di bismuto si può precipitare con solfuro di idrogeno il solfuro scuro Bi2S3 insolubile in acido cloridrico e in solfuro di sodio, ma solubile in acido nitrico in cui dà il nitrato.
Dei trialogenuri presentano interesse il fluoruro e il cloruro. Il primo precipita trattando con fluoruri una soluzione di Bi(NO3)3 e, per l’aggiunta di un eccesso di fluoruro forma l’anione [BiF4]–. Anche il cloruro ha un analogo comportamento e dà anioni complessi fra cui [Bi2Cl9]3-.
Dei pentalogenuri è noto BiF5 che si ottiene per azione del fluoro sul bismuto fuso: è un solido bianco ottimo agente fluorurante.
Il bismuto è usato in campo medico, cosmetico, nella produzione di leghe a bassa temperatura di fusione, nei proiettili in lega con lo stagno e nelle coppie termoelettriche.
Applicazioni del bismuto
Il bismuto trova numerose applicazioni in campo industriale, medico e tecnologico grazie alle sue peculiari proprietà fisiche e chimiche. Una delle sue caratteristiche più sfruttate è la bassa tossicità, che lo rende una valida alternativa al piombo in diverse applicazioni, soprattutto nell’ottica di riduzione dell’impatto ambientale e della pericolosità per la salute. Leghe contenenti bismuto vengono impiegate per la produzione di dispositivi di sicurezza a fusione controllata, come sprinkler antincendio, valvole di sicurezza e fusibili termici, grazie al loro basso punto di fusione e alla capacità di espandersi durante la solidificazione.
In elettronica e ottica, il bismuto viene utilizzato in alcuni semiconduttori, in leghe termo- e piezoelettriche e in materiali per la generazione di effetti termoelettrici, sfruttando la sua bassa conducibilità termica. La lega bismuto-tellurio è tra le più efficaci per la realizzazione di moduli Peltier per il raffreddamento e la produzione di energia da gradienti termici.
In campo medico, alcuni sali di bismuto trovano impiego come agenti antibatterici e gastroprotettori, in particolare nel trattamento di infezioni da Helicobacter pylori e nella terapia dell’ulcera gastrica. Il subsalicilato di bismuto, ad esempio, è un principio attivo comune in farmaci da banco contro disturbi gastrointestinali.
Il bismuto è inoltre utilizzato nella produzione di vetri speciali, ad alta densità, per schermatura dalle radiazioni ionizzanti, in alternativa al piombo, nei campi della radioprotezione e dell’ottica. In ambito metallurgico, piccole percentuali di bismuto vengono aggiunte ad alcune leghe per migliorare la lavorabilità a macchina (free-machining), soprattutto nel caso dell’acciaio e dell’ottone.
Negli ultimi anni, il bismuto ha attirato crescente interesse nella ricerca scientifica e nei settori tecnologici avanzati, grazie alla scoperta di nuove proprietà elettroniche, fotoniche e catalitiche. Una delle applicazioni emergenti più promettenti riguarda l’utilizzo del bismuto nei materiali topologici, in particolare nei isolanti topologici, una classe di materiali quantistici che conducono elettricità sulla superficie ma si comportano come isolanti all’interno. Composti come Bi₂Se₃ e Bi₂Te₃ sono diventati prototipi di questi materiali, con potenziali applicazioni nei computer quantistici, nella spintronica e nei dispositivi a bassissimo consumo energetico.
Il bismuto sta inoltre emergendo come alternativa più sicura ed ecocompatibile al piombo nei catalizzatori per reazioni organiche, in particolare in sintesi organiche sostenibili e nella catalisi asimmetrica. Catalizzatori a base di bismuto sono oggetto di studio in reazioni green, come l’ossidazione selettiva e l’attivazione di legami C–H, grazie alla bassa tossicità e alla versatilità degli stati di ossidazione dell’elemento.
In ambito energetico, materiali a base di bismuto vengono esplorati per la realizzazione di celle solari di nuova generazione, come le celle a perovskite, in cui il piombo viene sostituito con bismuto per migliorarne la sostenibilità ambientale. Inoltre, nanoparticelle di bismuto stanno mostrando risultati promettenti nella nanomedicina, in particolare in diagnostica per immagini (come la tomografia computerizzata) e in terapie oncologiche fototermiche e fotodinamiche, grazie alla loro elevata densità atomica e biocompatibilità.
Queste applicazioni emergenti stanno contribuendo a ridefinire il ruolo del bismuto da metallo “minore” a materiale strategico in settori chiave della tecnologia e della medicina del futuro.
il 18 Novembre 2013