Bismuto

El bismuto es un elemento químico de la tabla periódica cuyo símbolo es Bi, su número atómico es 83 y se encuentra en el grupo 15 del sistema periódico.

Plomo ← Bismuto → Polonio
 
 
83		 Bi
  
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
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Rojo, blanco brillante
Información general
Nombre, símbolo, número Bismuto, Bi, 83
Serie química Metales del bloque p
Grupo, período, bloque 15, 6, p
Masa atómica 208,980386 u
Configuración electrónica [Xe]4f14 5d10 6s2 6p3
Dureza Mohs 2,25
Electrones por nivel 2, 8, 18, 32, 18, 5 (imagen)
Propiedades atómicas
Radio medio 160 pm
Electronegatividad 2,02 (escala de Pauling)
Radio atómico (calc) 143 pm (radio de Bohr)
Radio covalente 146 pm
Estado(s) de oxidación 3, 5
1.ª energía de ionización 703 kJ/mol
2.ª energía de ionización 1610 kJ/mol
3.ª energía de ionización 2466 kJ/mol
4.ª energía de ionización 4370 kJ/mol
5.ª energía de ionización 5400 kJ/mol
6.ª energía de ionización 8520 kJ/mol
Propiedades físicas
Estado ordinario Sólido
Densidad 9780 kg/m3
Punto de fusión 544,4 K (271 °C)
Punto de ebullición 1837 K (1564 °C)
Entalpía de vaporización 104,8 kJ/mol
Entalpía de fusión 11,3 kJ/mol
Presión de vapor 0,000627
Punto crítico 271,4 K (−2 °C)
1564 Pa
Varios
Estructura cristalina Romboédrica
Calor específico 122 J/(K·kg)
Conductividad eléctrica 0,867 106 m-1·Ω-1 S/m
Conductividad térmica 7,87 W/(K·m)
Resistencia máxima 293,15 MPa
Velocidad del sonido 1790 m/s a 293,15 K (20 °C)
Isótopos más estables
Artículo principal: Isótopos del bismuto
iso AN Periodo MD Ed PD
MeV
207BiSintético31,55 aε, β+2,399207Pb
208BiSintético368 000 aε, β+2,880208Pb
209Bi100%(1.9 ± 0.2) ×1019 aα3,14205Tl
Valores en el SI y condiciones normales de presión y temperatura, salvo que se indique lo contrario.

Ya era conocido en la antigüedad, pero hasta mediados del siglo XVIII era confundido con el plomo, estaño y zinc. Ocupa el lugar 73 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre (representa el 8,5 × 10−7 % del peso de la corteza) y es tan escaso como la plata. Los principales depósitos están en Sudamérica, pero en Estados Unidos se obtiene principalmente como subproducto del refinado de los minerales de cobre y plomo.

Es un metal típico desde el punto de vista químico. En compuestos, tiene valencias de +3 (bismuto (III)) o +5 (bismuto (V)), siendo más estables los compuestos de bismuto trivalente. Existen varios nitratos, especialmente el nitrato de bismuto, Bi(NO3)3, o trinitrato de bismuto, y su pentahidrato, Bi(NO3)3•5H 2O, que se descompone en nitrato de bismuto. Este también se conoce como oxinitrato de bismuto, nitrato de bismutilo, blanco perla y blanco de España, y se emplea en medicina y en cosmética.

El bismuto se expande al solidificarse; esta extraña propiedad lo convierte en un metal idóneo para fundiciones. Algunas de sus aleaciones tienen puntos de fusión inusualmente bajos. Es una de las sustancias más fuertemente diamagnéticas (dificultad para magnetizarse). Es un mal conductor del calor y la electricidad, y puede incrementarse su resistencia eléctrica en un campo magnético, propiedad que lo hace útil en instrumentos para medir la fuerza de estos campos. Es opaco a los rayos X y puede emplearse en fluoroscopia.

Entre los elementos no radiactivos, el bismuto tiene el número atómico y la masa atómica (208,98) más altos. Tiene un punto de fusión de 271 °C, un punto de ebullición de 1560 °C y una densidad de 9800 kg/m³.

Historia
Símbolo alquímico usado por Torbern Bergman, 1775.

El bismuto es uno de los primeros diez metales que fueron descubiertos, ya conocido desde la antigüedad, por lo que no se le atribuye su descubrimiento a ninguna persona en concreto. El elemento se confundió en los primeros tiempos con el estaño y el plomo, debido a su parecido con esos elementos.Georgius Agricola, en De Natura Fossilium (ca. 1546) afirma que el bismuto es un metal distinto en una familia de metales que incluía al estaño y al plomo, basándose en la observación de sus propiedades físicas.[1] Los mineros en la edad de la alquimia también dieron al bismuto el nombre de tectum argenti, o «plata haciéndose», en el sentido de que la plata estaría todavía en proceso de formación dentro de la Tierra.[2][3][4]

A partir de Johann Heinrich Pott en 1738,[5] Carl Wilhelm Scheele y Torbern Olof Bergman, la distinción entre el plomo y el bismuto se hizo evidente, y Claude François Geoffroy demostró en 1753 que este metal era distinto del plomo y del estaño.[3][6][7]

El bismuto también era conocido por los incas y fue utilizado (junto con el habitual cobre y estaño) en una aleación de bronce especial para cuchillos.[8]

El nombre bismuto es de etimología incierta. Aparece en la década de 1660, a partir de los términos obsoletos alemanes, Bismuth, Wismut o Wissmuth (inicios del siglo XVI); tal vez relacionado con el alto alemán antiguo hwiz (‘blanco’).[9] El neolatín bisemutum (debido a Agricola, que latinizó muchas palabras mineras y técnicas alemanas) es del alemán Wismuth, tal vez del weiße Masse, ‘masa blanca’.[10]

Características del bismuto

Cuando es sólido flota sobre su estado líquido, por tener menor densidad en el estado sólido. Esta característica es compartida con el agua, el galio, el ácido acético, el antimonio y el silicio.

En casi todos los compuestos de bismuto aparece en forma trivalente, no obstante, en ocasiones puede ser pentavalente o monovalente. El bismutato de sodio y el pentafluoruro de bismuto son quizá los compuestos más importantes de Bi(V). El primero es un agente oxidante poderoso y el último un agente fluorante útil para compuestos orgánicos.

El átomo de bismuto se sigue considerando popularmente como el más pesado entre los átomos estables, ya que su tiempo de vida es varios millones la edad total del Universo, además de que, en teoría, todos los elementos químicos a partir del niobio están sujetos a fisión espontánea, es decir, todos los elementos con número superior al número 41 teóricamente pueden ser inestables, si bien en el bismuto la desintegración fue observado por estudios franceses en la última década. Es también el elemento no radiactivo monoatómico más pesado que existe.

Cristal de bismuto.

El bismuto es uno de los dos peores conductores térmicos que existen entre todos los metales (junto al manganeso); es también el metal más diamagnético y sus aleaciones aprovechan ambas ventajas en situaciones donde se requiera. No existe de manera natural en el cuerpo humano ni en ninguna forma de vida en general. Se utiliza mucho en medicina, siendo parte de los astringentes recetados para problemas relacionados con el sistema digestivo, diarreas fuertes o irritaciones esofágicas, del colon, duodeno o intestinos.

Químicamente recuerda a los metales nobles y preciosos, se oxida con dificultad y se mantiene en algunos ácidos como el clorhídrico. Puede presentarse en estado nativo, hecho que refuerza su nobleza. El metal es gris con un muy ligero toque rosado, muy «vidrioso» y frágil, no soporta un impacto mínimo, su ductilidad y maleabilidad es nula. De no ser por su escasez, podría reemplazar al plomo como escudo antinuclear debido a la gran masa atómica que posee.

El bismuto se considera un metal pesado pero es irónicamente muy poco tóxico, prácticamente no agresivo, pese a estar rodeado de metales venenosos y peligrosos para el medio ambiente. Sus cristales pueden ser trabajados hasta conseguir resultados de una increíble belleza. Oxidado en el laboratorio se consiguen maclas de iris fascinantes.

«El metal es muy caro teniendo en cuenta su escasez (igual a la del oro) y dificultad para encontrarlo. No parece demasiado importante en ningún sector de la industria o la medicina, pues se usa muy poco».

El bismuto será el último elemento en desintegrarse en el universo. La vida media del elemento se estima en 20 trillones de años.[11]

Aplicaciones

Sustituto del plomo

La diferencia entre las densidades del plomo (densidad 11.32 g·cm−3) y del bismuto (densidad 9.78 g·cm−3) es lo suficientemente pequeña para que pueda ser utilizado en lugar del plomo en numerosos usos en balística y como balasto. Por ejemplo, puede reemplazar al plomo como material en plomadas para la pesca. Ha sido utilizado como sustituto del plomo en munición de perdigones, balines y balas para dispersar multitudes. Los Países Bajos, Dinamarca, Inglaterra, Gales y los Estados Unidos y numerosos otros países han prohibido el uso de perdigones de plomo para la caza de aves acuáticas, ya que muchas aves sufrían de envenenamiento por plomo al ingerir material al confundir los perdigones con piedrecillas que ingieren para mejorar el funcionamiento de su sistema digestivo, o incluso han prohibido el uso de plomo en todo tipo de caza como es el caso de los Países Bajos. En estos casos ciertas aleaciones de bismuto-estaño ofrecen una alternativa con propiedades similares al plomo para uso en balística. Sin embargo, dado que el bismuto es muy poco maleable, no es un material adecuado para fabricar balas de caza del tipo expansivas.

Al ser el bismuto un elemento denso con un peso atómico elevado, es utilizado para fabricar escudos de látex impregnados con bismuto para protección de los rayos X durante exámenes médicos, tales como tomografías computerizadas con rayos X, principalmente porque se le considera un elemento no tóxico.[12]

La directiva de la Comunidad Europea sobre la restricción en cuanto al uso de sustancias peligrosas que impulsa la reducción en cuanto al uso del plomo, ha ampliado el uso del bismuto en la industria electrónica como uno de los componentes de las soldaduras con bajo punto de fusión, reemplazando a las soldaduras tradicionales a base de plomo-estaño.[13] Su baja toxicidad es especialmente importante para aquellas soldaduras que se utilizan en la fabricación de equipos para procesamiento de alimentos y tuberías de cobre para agua.[14]

Cosméticos y pigmentos

El oxicloruro de bismuto (BiOCl) a veces es utilizado en cosméticos, como pigmento en pintura para sombra de ojos, espray para el cabello y esmalte para uñas.[15][16][17] El compuesto se presenta en la naturaleza como el mineral bismoclita y la forma cristalina contiene capas de átomos que refractan la luz en forma cromática, produciendo un aspecto iridiscente similar al nácar de las perlas. Fue utilizado como cosmético en el antiguo Egipto y en muchas otras civilizaciones desde entonces. El término blanco de bismuto puede hacer referencia al oxicloruro de bismuto o al oxinitrato de bismuto (BiONO3), cuando son utilizados como pigmentos blancos.

Toxicidad

El salicilato de bismuto y el tioglicolato de bismuto utilizados para combatir la lúes y otros tipos de enfermedades infecciosas o parasitarias pueden causar, cuando se administran por vía parenteral, un cuadro de intoxicación por bismuto. El nitrato de bismuto administrado por vía oral puede metabolizarse en nitritos que se absorben en el intestino y son metahemoglobinizantes.[18] La intoxicación aguda causa cefaleas, gastroenteritis, hepatopatías, anuria y shock. En la intoxicación crónica hay estomatitis, ribete gingival azulado, enteritis, ictericia, nefropatías y dermatitis de tipo exantemático o exfoliativo.[18]

El tratamiento de la intoxicación aguda consiste en administrar dimercaprol e ingerir abundante agua, salvo que haya daño renal, en cuyo caso debe tratarse de la misma forma que el hidroarsenisismo crónico regional endémico.[18]

Estados de oxidación

Bismuto (III)

El catión Bi3+, debido a su moderadamente alta acidez, se encuentra solamente en soluciones altamente ácidas en estado de equilibrio con sus óxidos. El catión Bi3+ es incoloro debido a la estabilidad de su configuración electrónica ([Xe] 6s2) que impide transiciones electrónicas en longitudes de onda del espectro visible.[19]

Comportamiento ácido-base

Al aumentar la alcalinidad del medio, el catión nos Bi3+ forma principalmente las especies monohidroxo bismuto(III), BiOH2+, y el catión bismutilo, BiO+.[19]

Bi3+ + OH- Bi(OH)2+
Bi3+ + 2OH- BiO+ + H2O

A pH altamente alcalino se produce el hidróxido de bismuto(III), Bi(OH)3, que por deshidratación genera el trióxido de dibismuto, Bi2O3, un sólido de color amarillo.[19]

BiO+ + 4OH- Bi(OH)3↓ +H2O
2Bi(OH)3 (s) → Bi2O3 (s) + 3H2O

En medios extremadamente alcalinos se forma el anión bismutito, BiO2-.[19]

Bi2O3 (s) + 2OH- 2BiO2- + H2O

Presencia en compuestos orgánicos

Puede ser hallado formando uniones covalentes en ciertos compuestos orgánicos.

  • Trimetilbismutano
  • Oxisalicilato de bismuto
  • Tioglicolato de bismuto

Bismuto (V)

A diferencia del bismuto (III), no se encuentra libre como catión ni en medios muy ácidos por su alta inestabilidad debida al alto valor de su relación carga/masa.[19]

Algunos de los compuestos en los que se encuentra son:

  • Bi2O5, pentóxido de dibismuto
  • BiF5, fluoruro de bismuto(V)
  • NaBiO3, metabismutato de sodio

Referencias
  1. Agricola, Georgious (1955) [1546]. De Natura Fossilium. Nueva York: Mineralogical Society of America. p. 178.
  2. Nicholson, William (1819). «Bismuth». American edition of the British encyclopedia: Or, Dictionary of Arts and sciences ; comprising an accurate and popular view of the present improved state of human knowledge. p. 181.
  3. Weeks, Mary Elvira (1932). «The discovery of the elements. II. Elements known to the alchemists». Journal of Chemical Education 9: 11. Bibcode:1932JChEd...9...11W. doi:10.1021/ed009p11.
  4. Giunta, Carmen J. Glossary of Archaic Chemical Terms, Le Moyne College. See also for other terms for bismuth, including stannum glaciale (glacial tin or ice-tin).
  5. Pott, Johann Heinrich (1738). «De Wismutho». Exercitationes chymicae. Berolini: Apud Johannem Andream Rüdigerum. p. 134.
  6. Hammond, C. R. (2004). The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics (81st edición). Boca Raton (FL, US): CRC press. p. 4-1. ISBN 0-8493-0485-7.
  7. Geoffroy (1753). «Sur Bismuth». Histoire de l'Académie royale des sciences ... avec les mémoires de mathématique & de physique ... tirez des registres de cette Académie: 190.
  8. Gordon, Robert B.; Rutledge, John W. (1984). «Bismuth Bronze from Machu Picchu, Peru». Science 223 (4636): 585-586. Bibcode:1984Sci...223..585G. JSTOR 1692247. PMID 17749940. doi:10.1126/science.223.4636.585.
  9. Harper, Douglas. «bismuth». Online Etymology Dictionary.
  10. Norman, Nicholas C. (1998). Chemistry of arsenic, antimony, and bismuth. p. 41. ISBN 978-0-7514-0389-3.
  11. «Los secretos del bismuto: será el último elemento en extinguirse del universo» en xatakaciencia.com.
  12. Hopper KD, King SH, Lobell ME, TenHave TR, Weaver JS (1997). «The breast: inplane x-ray protection during diagnostic thoracic CT—shielding with bismuth radioprotective garments». Radiology 205 (3): 853-8. PMID 9393547. doi:10.1148/radiology.205.3.9393547.
  13. Carlin, James F., Jr. 2010 USGS Minerals Yearbook: Bismuth (PDF). United States Geological Survey. Consultado el 9 de septiembre de 2010.
  14. Lohse, Joachim; Zangl, Stéphanie; Groß, Rita; Gensch, Carl-Otto; Deubzer, Otmar (septiembre de 2007). «Adaptation to Scientific and Technical Progress of Annex II Directive 2000/53/EC» (PDF). European Commission. Consultado el 11 de septiembre de 2009.
  15. Krüger, Joachim; Winkler, Peter; Lüderitz, Eberhard; Lück, Manfred; Wolf, Hans Uwe (2003). "Bismuth, Bismuth Alloys, and Bismuth Compounds". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim. pp. 171-189
  16. Maile, Frank J.; Pfaff, Gerhard; Reynders, Peter (2005). «Effect pigments—past, present and future». Progress in Organic Coatings 54 (3): 150. doi:10.1016/j.porgcoat.2005.07.003.
  17. Pfaff, Gerhard (2008). Special effect pigments: Technical basics and applications. Vincentz Network GmbH. p. 36. ISBN 978-3-86630-905-0.
  18. Calabrese, Alberto I.; Astolfi, Emilio A. (enero de 1969). Toxicología. Buenos Aires, Argentina: Kapelusz. pp. 146-147. OCLC 14501248.
  19. F. Burriel Martí, F. Lucena Conde, S. Arribas Jimeno, J. Hernández Méndez (2006). «Química analítica de los cationes: Bismuto». Química analítica cualitativa (18ª edición edición). Thomson. ISBN 84-9732-140-5.

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