Bismut oder Wismut (historisch auch: Wismuth) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Bi und der Ordnungszahl 83. Im Periodensystem steht es in der 5. Hauptgruppe oder Stickstoffgruppe.

Es ist kein stabiles, d. h. nicht radioaktives Isotop bekannt. Die äußerst geringe Radioaktivität des natürlich vorkommenden ²⁰⁹Bi ist für den praktischen Gebrauch ohne Bedeutung. Die extrem lange Halbwertszeit konnte erst 2003 nachgewiesen werden, da vorher die dazu nötigen hochempfindlichen Methoden zur Messung nicht verfügbar waren; noch in den 1990er Jahren galt ²⁰⁹Bi als das schwerste stabile Nuklid.

Geschichte

Als eigenes Element wurde Bismut nach der Mitte des 18. Jahrhunderts durch die Chemiker Claude François Geoffroy, Johann Heinrich Pott, Carl Wilhelm Scheele und Torbern Olof Bergman nachgewiesen. Zuvor wurde es oft als Abart von Blei, Zinn, Antimon und anderen Metallen oder Mineralien betrachtet. In der Schrift Ein nützlich Bergbüchlin (ca. 1527) wird das Erz von Bismut (wißmad ärcz) als Begleiter von Silbererz erwähnt. Später im 16. Jahrhundert versuchte Georgius Agricola eine genauere Unterscheidung.

Der Name des Metalls, der im Deutschen 1390 als wesemut und lat. 1450 als wismutum, 1530 als bisemutum erscheint, kann auf die in einer arabischen Dioskurides-Übersetzung des 9. Jahrhunderts belegte Form b[i]sīmūtīyūn zurückgeführt werden, die selbst wohl eine Transliteration von altgriechisch ψιμύθιον psimýthion ‚Bleiweiß‘ darstellt. Auch die Entstehung aus arabisch iṯmid ‚Antimon‘ wurde angenommen; oft wird außerdem auf die angeblich erste Mutung in der Zeche St. Georgen in der Wiesen bei Schneeberg im Erzgebirge im 15. Jahrhundert verwiesen, oder auf die Variante wis(se)mat, die ‚weiße Masse‘ bedeuten soll.

Das chemische Symbol Bi schlug J. J. Berzelius im Jahr 1814 vor.

Vorkommen

Bismut tritt in der Natur gediegen, das heißt in elementarer Form auf und ist von der International Mineralogical Association (IMA) als Mineral anerkannt. Die von der IMA verwendete 9. Auflage der Systematik der Minerale nach Karl Hugo Strunz führt das Bismut zusammen mit Antimon, Arsen und Stibarsen in der Unterabteilung der Arsengruppen-Elemente unter der System-Nr. 1.CA.05 (veraltete 8. Auflage: I/B.01-40). Bei der vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchlichen Systematik der Minerale nach Dana gehört Bismut zur „Arsengruppe“ mit der System-Nr. 01.03.01.

Gediegenes Bismut bildet sich in Hydrothermal-Gängen von Pegmatiten und topashaltigen Zinn-Wolfram-Quarzadern und meist zusammen mit verschiedenen Kupfer-, Nickel-, Silber und Zinnerzen. Bismut entwickelt nur selten gut ausgebildete Kristallformen, die aber eine Größe von bis zu 12 Zentimetern erreichen können. Üblicherweise findet es sich in Form dendritischer, blätteriger oder körniger Aggregate, aber auch als polysynthetische Zwillinge mit paralleler Streifung („Federwismut“) oder trichterförmig ins Kristallzentrum eingezogenen Seitenflächen.

Bisher (Stand: 2011) gelten rund 1400 Fundorte für gediegenes Bismut als bekannt. Die Fundstätten liegen vor allem in Australien, Bolivien, China, Kanada, Mexiko, Peru und Spanien, historisch in Bieber im Spessart und im Erzgebirge, wo Bismut sowohl in reiner Form als auch als Sulfid (z. B. Bismuthinit), Selenid (z. B. Guanajuatit) und Oxid (z. B. Bismit) gefunden wird. Außerdem kommt Bismut, ebenso wie Antimon und Arsen, gelegentlich als Doppelsulfid vor: Galenobismutit (PbBi₂S₄), Lillianit (Pb₃Bi₂S₆), Matildit (Silberwismutglanz, AgBiS₂), Emplektit (Kupferwismutglanz, CuBiS₂) und Wittichenit (Cu₆Bi₂S₆). Bekannt ist auch noch ein Tellur-Sulfid in Form von Tetradymit (Bi₂Te₂S) und ein Silikat namens Eulytin (Bi₄(SiO₄)₃).

Insgesamt sind einschließlich gediegenem Bismut mehr als 560 Minerale bekannt, die Bismut enthalten (Stand 2022).

Gewinnung und Darstellung

Zur Gewinnung von Bismut kann man von oxidischen oder sulfidischen Erzen ausgehen.

Oxidische Erze werden in Flammöfen mit Kohle zu Bismut reduziert:

${\displaystyle {\ce {2Bi2O3 + 3C -> 3CO2 + 4Bi}}}$

Sulfidische Bismuterze können entweder mit Eisen nach dem Niederschlagsverfahren reduziert werden:

${\displaystyle {\ce {Bi2S3 + 3Fe -> 3FeS + 2Bi}}}$

Oder die sulfidischen Erze werden zunächst in die Oxide umgewandelt und anschließend mit Kohle reduziert (Röstreduktionsverfahren):

${\displaystyle {\ce {2Bi2S3 + 9O2 -> 6SO2 + 2Bi2O3}}}$

${\displaystyle {\ce {2Bi2O3 + 3C -> 3CO2 + 4Bi}}}$

Das Rohbismut wird anschließend durch oxidierendes Schmelzen von anderen Elementen (Antimon, Arsen, Blei, Eisen und Schwefel) befreit. Kupfer wird durch Schmelzen mit Natriumsulfid beseitigt, Gold und Silber durch Extraktion des geschmolzenen Bismuts mit Zinn.

Eigenschaften

Isotope

Natürliches Bismut besteht nur aus dem Isotop ²⁰⁹Bi. Im Jahr 2003 stellte man im Institut d’astrophysique spatiale in Orsay (Frankreich) fest, dass dieses bisher für stabil gehaltene Isotop ein Alpha-Strahler mit einer Halbwertszeit von (1,9 ± 0,2) · 10¹⁹ Jahren ist (etwa 19 Trillionen Jahre). Der sehr langsame Zerfall des ²⁰⁹Bi in ²⁰⁵Tl begründet sich einerseits durch die unmittelbare Nähe zum doppelt magischen ²⁰⁸Pb im Isotopenschema und der Tatsache, dass ²⁰⁹Bi selbst einfach magisch ist. Aus der langen Halbwertszeit ergibt sich eine Aktivität von 0,0033 Bq/kg (entsprechend einem einzelnen Kernzerfall pro fünf Minuten und Kilogramm). Zum Vergleich: Kalium, wie es auf Erden anzutreffen ist, hat aufgrund des Gehalts an ⁴⁰K eine spezifische Aktivität von rund 30 Bq/g. Aus diesem Grund hat ein menschlicher Körper mit rund 70 Kilogramm Gewicht und einem physiologischen Gehalt von 140 Gramm Kalium eine ⁴⁰K-Aktivität von etwa 4300 Becquerel oder rund 60 Bq/kg.

²⁰⁹Bi ist das vorletzte Glied der Neptunium-Reihe und außer ²⁰⁵Tl das einzige, das noch in nennenswerten Ausmaß natürlich vorkommt. Weil heute in Kernreaktoren auch die am Anfang der Neptunium-Reihe stehenden Nuklide erbrütet werden, nimmt die ²⁰⁹Bi-Menge auf der Erde mit der Zeit zu. Geringe Mengen ²³⁷Np (und folglich auch dessen Zerfallsprodukte) entstehen in Uranerzen durch (n,2n)-Reaktionen zwischen schnellen Neutronen und ²³⁸U gefolgt von Betazerfall.

Verwendung

Bismut findet Verwendung als Legierungsbestandteil niedrigschmelzender Legierungen, beispielsweise für das Woodsche Metall, das bereits bei 70 °C schmilzt, für Roses Metall mit einem Schmelzpunkt von 98 °C und für das bei 60 °C schmelzende Lipowitz’sche Metall.

Vergiftung

Eine Bismutvergiftung (Bismutismus) ist aufgrund der schlechten Resorption im Magen-Darm-Trakt selten. Sie ähnelt weitgehend einer Quecksilbervergiftung. Typisch sind das Auftreten eines schiefergrauen bis schwarzen Bismutsaums (Bismutsulfid-Ablagerung) an der Mundschleimhaut mit Ausbildung einer Mundschleimhautentzündung (Stomatitis) und Gingivitis (mit Zahnlockerung, -ausfall), Darmentzündungen (Enteritis) mit Durchfällen sowie Nierenschäden (Bismutnephropathie).

Nachweis

Der Nachweis von Bismut erfolgt durch die Bismutrutsche mit Thioharnstoff. Zur Fällung unerwünschter Störionen werden Natriumfluorid, Natriumchlorid und Kaliumnatriumtartrat verwendet:

• NaF zur Komplexierung von Fe³⁺ und Al³⁺
• NaCl zur Fällung von Ag⁺ und Hg₂²⁺
• Tartrat zur Komplexierung von Sb³⁺ und Sn²⁺

Bei Anwesenheit von Bi³⁺ bildet sich ein kristalliner, zitronengelber Thioharnstoff-Komplex, bei dem drei Thioharnstoff-Moleküle über den Schwefel mit dem Bismut assoziiert sind:

${\displaystyle {\ce {\rm {Bi^{3+}{+}3SCN2H4{->}[Bi(SCN2H4)3]^{3+}}}}}$ (Komplexbildungsreaktion).

Alternative Nachweisreaktionen:

• In einer Redoxreaktion mit Zinn(II)-Ionen als Reduktionsmittel fällt elementares Bismut schwarz aus.
• Mit Natriumiodidlösung: zunächst fällt schwarzes Bismut(III)-iodid aus, das sich dann im Iodidüberschuss als oranger Tetraiodobismutat-Komplex löst:

${\displaystyle {\ce {\rm {Bi^{3+}{+}4I^{-}{->}[BiI4]^{-}}}}}$ (Komplexbildungsreaktion).

• 1,3,4-Thiadiazol-2,5-dithiol ist als Komplexbildner ebenfalls zum Nachweis geeignet.

Verbindungen

Bismut ist in erster Linie dreiwertig, doch gibt es auch ein- und fünfwertiges Bismut; Bismut(V)-oxid ist jedoch ein sehr starkes Oxidationsmittel, das sogar Mangan(II) zum Permanganat oxidiert. Außerdem bildet es polymere Kationen. An der Luft ist es beständig.

• Sauerstoffverbindungen
  • Bismut(III)-oxid (Bismit, auch genannt Bismutocker)
• Schwefelverbindungen
  • Bismut(III)-sulfid
• Wasserstoffverbindungen
  • Bismutwasserstoff (Bismutan)
• Halogenide und Nitrate
  • Fluoride: Bismut(III)-fluorid, Bismut(V)-fluorid, Bismutoxidfluorid
  • Chloride: Bismutsubchlorid, Bismut(III)-chlorid, Bismutchloridoxid
  • Bromide: Bismutsubbromid, Bismut(III)-bromid, Bismutoxidbromid
  • Iodide: Bismut(I)-iodid, Bismut(III)-iodid, Bismutoxidiodid
  • Nitrate: Bismutoxidnitrat (Bismutsubnitrat)
• Als Anion
  • Natriumbismutat(V)

Literatur

• A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 829–860.
• Emil Ploß: Wismut (Eine etymologische Studie). In: Archiv für das Studium der neueren Sprachen 110, 1959, Band 195, Heft 4, S. 317–321.

Weblinks

• Mineralienatlas:Bismut (Wiki)
• Bismut verblüfft Chemiker: Schwermetall wird doch supraleitend – aber anders als alle anderen Elemente auf scinexx

Einzelnachweise

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