元素周期表中最奇特和最被低估的元素 —— 铋

前言

如果你对化学不太了解，看到“铋”这个字，可能会一头雾水：“这是什么鬼？”“我从没听说过。”“这个字念 mi?”确实，这个字看起来有些生僻，容易让人产生距离感。然而，实际上，铋比你想象中要常见得多。如果你在材料行业，尤其关注超导和半导体的科技进展，那么“铋”近年来频繁出现在你的视野中。即便你对这些高科技领域不太熟悉，但如果你曾因饮食不规律而经历过胃溃疡，喜欢的颜色是“樱草黄”，或者你对美妆情有独钟，那么你可能早就接触过铋了。

德国马普固体物理和材料研究所曾在《Nature》期刊上介绍：“铋可能是元素周期表中最奇特且被低估的元素之一。”今天，小编将带你深入了解这个神秘的元素 ——“铋”，揭开它在各个领域中的独特魅力。

1、五彩斑斓的铋

铋的熔点很低（271.4℃），沸点很高（1564℃），常被用于制作低熔点合金。如伍德合金，其标准组成中就有着 50% 的铋，熔点仅为 70℃，可用于制作保险丝、自动灭火装置的感温探头等。铋又具有密度高、毒性低的特性，可作为铅的良好替代品。

纯净的铋单质为银白色至粉红色的金属，而我们通常见到的铋晶体表面却呈现出彩虹般的绚烂光泽，常被用于制作工艺品。这是为什么呢？这是由于熔融铋缓慢冷却结晶时，其表面会被氧化形成一个薄厚不均的氧化膜，在光线照射下产生干涉便呈现出五颜六色的效果。

早在古希腊和罗马时期里，人们就能利用木炭还原辉铋矿制得铋，将其作为箱子或盒子的底部。在炼金术时代，那时的矿工普遍认为铋矿是正在生长的银矿，故将其命名为 tectum argenti，意为“制造中的银”。1450 年，德国的一名修士第一次描述了铋的存在，而铋作为元素，其正式的描述则要等到三百多年后。1737 年，赫罗特用火法分析钴矿时曾获得一小块样品，但当时并不知是何物。1753 年，英国 C.若弗鲁瓦和 T.伯格曼确认铋是一种化学元素，定名为 bismuth。1757 年法国人日夫鲁瓦 (Geoffroy) 经分析研究，证明其与铅、锡不同，是一种新元素。铋，逐渐从沉睡中醒来。铋已经与人类共同走过了近千年的光阴，但我们对它的了解仍然不多。曾经，83 号元素铋被认为是最后一个稳定元素，但在 2003 年，科学家确定了铋具有放射性，即便是其最稳定、最常见的同位素铋-209 亦有放射性，其半衰期为 1.9×10^19 年。因此，铅取代了铋，成为了元素周期表最后的稳定元素。

2、铋的工业冶炼

铋，以其特有的光芒在现代文明里闪耀着。

铋（Bi），原子序数 83，位于元素周期表第六周期第 VA 族。在其位置周围分布的汞、铅、铊、砷、锑、钋都有剧毒，而铋却出淤泥而不染，对人几乎无毒性。在自然界中，铋的丰度接近于银，常见的铋矿有辉铋矿（Bi₂S₃）、泡铋矿（Bi₂O₃）、菱铋矿（nBi₂O₃·mCO₂·H₂O）等。在工业上，冶炼铋主要有火法、湿法、电解法等。下面对火法冶炼进行简单介绍，对湿法冶炼的原理进行简单剖析。

火法炼铋：分为粗炼及精炼两部分，粗炼常见为混合熔炼法，即将硫化铋与氧化铋矿混合，同时进行硫化铋的沉淀熔炼及氧化铋的还原熔炼，得到粗铋。将得到的粗铋进行精炼，主要通过氧化法除去其中的砷、锑、碲等杂质，而后得到精炼铋，熔铸成锭即成。

湿法炼铋：以辉铋矿为例，矿石经过初选后粉碎，再用以盐酸酸化的三氯化铁溶液氧化矿粉：

Bi₂S₃+6FeCl₃→2BiCl₃+6FeCl₂+3S

铋常与铅共生，而该过程中，含铅物质则会被氧化为 PbCl₂ 沉淀析出，以 PbS 为例：

PbS+2FeCl₃→PbCl₂+2FeCl₂+S

氯化铅与氧化生成的硫会成为浸出渣，而铋则进入溶液。下一步则可使用铁屑对浸出液进行还原，得到纯度较低的海绵铋：

2BiCl₃+3Fe→2Bi+3FeCl₂

剩余的溶液，则可通入氯气再生，回收利用。得到的海绵铋浸于熔融 NaOH 中进行熔铸，得到粗铋，之后再进行精炼得到精炼铋，精炼步骤与火法基本一致。

作为氮族元素，铋具有非金属性，但在化学反应中更多地体现出金属性。如高温下，铋粉可以在空气中燃烧，生成淡黄色的粉末状固体氧化铋（Bi₂O₃）。

4Bi+3O₂→2Bi₂O₃

3、生活中的铋

3.1

化妆品的珠光效果

铋最常用的化合物之一是氯化铋（BiCl₃），实验室制备氯化铋常通过在过氧化氢作用下由盐酸与铋反应进行：

2Bi+6HCl+3H₂O₂→2BiCl₃+6H₂O

工业上制备氯化铋流程则是：首先通过稀硝酸溶解精炼铋，得到硝酸铋溶液。而后通过其与饱和食盐水作用，得到氯化铋的等效溶液。那么，工业上为何要大量制备氯化铋的等效溶液，而不是制备纯氯化铋呢？是因为在这条线上，氯化铋并非最终产物，工业大量制备氯化铋是为了制备铋的另一种更挣钱的化合物：氯氧化铋（BiOCl）。得到的氯化铋溶液将与其四倍体积的水混合，并被加热至 95℃；在这个过程中，氯化铋会水解生成氯氧化铋。

BiCl₃+H₂O→BiOCl+2HCl

为啥说氯氧化铋 (BiOCl) 更挣钱呢？因为他在美妆行业有着广泛的应用。美妆行业以其巨大的利润和高额收入而著名。国外一众 youtuber、欧美明星靠卖美妆挣得盆满钵满。如 Jeffree Star 和 Kylie Jenner 等美妆品牌已在全球市场上取得了巨大成功。国内也不遑多让，都说 208 拍戏挣钱，但其实美妆挣得也不少。比如 2018 年被封杀的某艺人创办的美妆品牌 Fan Beauty 在今年小红薯 618 大促中一年卖货超 11 亿元！那好了，作为普通的化工从业者，我们在美妆行业捞一笔的方法就是制造原料，特别是热门成分氯氧化铋（BiOCl）。

如果你手中有眼影盘，不妨看一下成分表。细心的你不难发现，成分表中的 CI 77163 各大彩妆、护肤产品中都有这个成分。这正是第一个合成无毒性珍珠光泽的颜料 —— 氯氧化铋。珠光效果在化妆品中的应用历史悠久，从古埃及和古罗马的天然矿物，到现代高科技合成材料，珠光妆容不断演变。20 世纪初，好莱坞明星带动了珠光化妆品的普及，现代技术则使这些产品更加多样化和环保。如今，珠光效果广泛应用于眼影、唇膏等各类化妆品中，为妆容增添了迷人的光泽和层次感。根据 Frost-Sullivan 数据显示，2022 年全球珠光颜料市场规模已达 216.2 亿元人民币，未来全球珠光颜料行业将以 23.9% 的增速快速发展；2025 年全球化妆品用珠光颜料的市场规模将达到 87 亿元人民币，年复合增长率为 32.8％，这其中铋化合物的使用占据了很大的市场份额。

3.2

无毒的“樱草黄”

2017 年，由美国潘通公司选出的年度流行色叫做“樱草黄”。这种黄色，便来自于颜料铋钒黄，其主要成分为钒酸铋（BiVO₄）。这也是为数不多的无毒的黄色颜料，可以直接替代有毒的铅铬黄。

除氯化铋外，硝酸铋（Bi (NO₃)₃）也是常用的铋盐之一，也是制备钒酸铋（BiVO₄）的重要原料。首先，制备硝酸铋，只需要使用稀硝酸溶解金属铋即可：

Bi+4HNO₃→Bi(NO₃)₃+NO+2H₂O

如果使用的是浓硝酸，反应的产物则会变成氧化铋沉淀：

2Bi+2HNO₃→Bi₂O₃+2NO+H₂O

硝酸铋与氯化铋一样，有极易水解的特性，其在水中的水解产物一般称为次硝酸铋（BiONO₃），这也是为数不多的难溶性硝酸盐：

Bi(NO₃)₃+H₂O→BiONO₃+2HNO₃

之后，就是制备铋钒黄 —— 以硝酸铋与偏钒酸铵反应，即得钒酸铋沉淀：

Bi(NO₃)₃+NH₄VO₃+H₂O→BiVO₄+NH₄NO₃+2HNO₃

得到的钒酸铋沉淀呈现橙黄色；而后，将固体烘干，再于 550℃下灼烧一个小时，即得到樱草黄色的钒酸铋固体。铋钒黄虽然无毒，但黄色颜料的市场早已被铬黄（PbCrO₄）、镉黄（CdS）等性能优异、历史悠久、便宜好用的颜料占满，加之价格昂贵，故而其市场价值不高，很少见到艺术家使用。由钒酸铋和钼酸铋混合制得的铋黄颜料则常用作汽车颜料。

3.3

胃溃疡救星

铋的独特性质使得它在多个领域里得到广泛应用。在医药领域，最晚十九世纪初，人们已经使用铋来治疗胃溃疡等胃病，这也是我们今天最为熟悉的铋的应用，比如铝酸铋、果胶铋、胃铋镁、得必泰等胃药。由硝酸铋制得的次碳酸铋（(BiO)₂CO₃），也称碱式碳酸铋，就是最常见的铋剂类胃药主要成分之一。制备次碳酸铋利用了双水解反应，向过量的浓碳酸钠溶液中缓慢加入硝酸铋溶液即可：

2Bi(NO₃)₃+3Na₂CO₃→(BiO)₂CO₃+6NaNO₃+2CO₂

次碳酸铋可单独制药，也常与硫酸庆大霉素等制成复合制剂，其一般对胃炎类疾病有效。具体药效与制剂成分等有关，如需使用，应在专业医师指导下进行。另外，除次碳酸铋外，次硝酸铋、枸橼酸铋钾（C₁₂H₁₀BiK₃O₁₄）、铝酸铋（Bi (AlO₂)₃）等也可药用，它们的作用机理大多为通过自身或水解产物附着在胃粘膜上，以起对胃粘膜的保护作用。此外，铋剂还对幽门螺杆菌有抑制作用。因此，铋剂逐渐取代铝制剂成为为胃药的主力军。有部分研究显示，长期服用铋剂可能会对肾脏产生损害，但其仍有待进一步研究证实。

3.4

超导领域备受瞩目的新星

德国马普固体物理和材料研究所在《Nature》期刊上介绍说：“铋晶体是二阶拓扑绝缘体，一种新材料类别，能以最小的损耗在晶体边缘传导电流。也就是说，电能的传输有可能不产生热损耗！”并进一步评价说“铋可能是元素周期表中最奇特和最被低估的元素之一，这个原本在元素周期表中并不起眼的金属即将掀起材料科学领域新一轮革命……”铋系超导材料近年来一直是国际上研究的热点，这类材料通常具有高临界温度，使其在液氮温度下仍能表现出超导特性，因而在电力传输、磁悬浮等应用中具有潜在的实用价值。

在半导体领域，含铋半导体材料广泛应用于电子工业中，较为广泛的是 Bi-Te-Se 温差致冷元件。采用多级热电致冷可使温度降至 200K 以下，这在军事、宇航工业、科研实验中大有用武之地：BiSbTe₃ 可作为温差电器元件用于太阳能电池中，BiTe₂ 用于制造低温温差电源，BiAgS₂ 用于制造半导体器件等。