Els empèdocles moderns – Claude François Geoffroy (1753) i l’element 83 (Bi) – bismut (niloctitri, Not)

El paradigma de “l’equilibri puntuat” s’ha estès tot sovint a la història de la ciència per justificar perioditzacions. Durant bona part de la història de la ciència, domina la transmissió, l’aprofundiment en els paradigmes vigents, la consolidació de teories. És en moments puntuals, marcats per una descoberta, per una nova teoria i fins i tot per transformacions socials, que es produeix una sacsada, una revolució, que ens fa entrar en una nova era. Ja hem vist en aquestes planes com la “química moderna” la podem situar en Lavoisier, sempre que siguem conscients de les aportacions acumulades en les dècades anteriors, i que després Lavoisier tenim Dalton o Berzelius. Però, quan en el 1789, Lavoisier presentava la teoria de l’oxigen, el prefaci de l’obra deia amb justícia que, com aquella, “poques revolucions en la ciència han excitat immediatament l’atenció general”. Val a dir, que Alexis Clairaut, en el 1747, recordava com els coetanis d’Isaac Newton, mort vint anys abans, ja eren conscients de la “revolució” que havia creat aquest genial físic. La “revolució científica” per antonomàsia se sol situar entre la publicació de la copernicana “De revolutionibus orbium coelestium” (1543) i la de newtoniana “Principia” (1687). Entre mig d’aquestes dates trobem moltes obres fundacionals, però ens enganyaríem si menyspreessin el pes que encara tenia l’alquímia precientífica, metafísica, en els tombants dels segle XVII i XVIII. La modernitat sovint la identifiquem en la fusió de teoria i pràctica. I això ho tenim a “De re metallica”, una col•lecció en dotze llibres publicada a Basilea en el 1556. L’autor, Georgius Agricola (Georg Bauer) havia mort a Chemnitz el 21 de novembre de 1555, a l’edat de 61 anys. Havia tingut una formació humanista, en llengües clàssiques, però també en ciències naturals, i fou a Itàlia on obtingué el doctorat en medicina (1526). En el 1527 s’establí com a metge a Joachimsthal, al Regne de Bohèmia, localitat minera i metal•lúrgica en la qual va viure nou anys. “De re metallica” era el resultat d’observacions i experiències personals, de notícies contemporànies i d’una lectura profunda dels textos clàssics. Entre el 1530 i la seva mort havia publicat diversos tractats, però aquesta havia d’ésser una obra d’aspiracions globalitzadores. El Llibre Primer es dedica a la defensa del coneixement científic en l’art de la mineria i de la metal•lúrgia. Els altres repassen les diferents tasques de prospecció, d’explotació minera, de maquinària, el tractament dels minerals, la fossa de metalls, la separació dels metalls nobles i, finalment, la fabricació de sal, sosa, alum, vidriol, sofre, bitumen i vidre. Durant sis generacions, “De re metallica” fou el text de referència de la mineria científica. Fou reeditat diverses vegades, com ho foren també les traduccions a l’alemany i a l’italià. Alguns neologismes creats per Bauer, basats en les expressions de miners i metal•lúrgics, són ara vocabulari científic. I nosaltres arribem així al nombre 83 de la nostra sèrie.

Portada de la primera edició de “De re metallica”

Claude François Geoffroy i la descoberta del bismut

Claude-François Geoffroy va nàixer a París el 1729, primogènit del matrimoni format per Marie Denis i Claude-François Geoffroy (1685-1752). Marie Denis era neboda de Jean Hellot (1685-1766) qui, des del 1732, s’havia interessat per la recerca química, i que ingressà en l’Acadèmia de Ciències en el 1735. Claude-François Geoffroy era mestre apotecari qui, en el 1708, s’havia fet càrrec de la farmàcia del seu pare, Matthier-François Geoffroy. Tot i haver fet valuoses contribucions botàniques i químiques, era conegut com a “Geoffroy Le Cadet”, en tant que germà petit d’Étienne-François Geoffroy (1672-1731).

Entre les nombroses contribucions d’Étienne-François Geoffroy ja hem vist en alguna ocasió la “Table des rapports” (1718), que resumia la reactivitat de les principals substàncies químiques:

Els Geoffroy, en resum, constituïen un llarg llinatge d’apotecaris, amb molts dels seus integrants reputats per les seves aportacions en medicina, botànica o química.

Per orientar-se en aquest arbre genealògic, Claude-François Geoffroy és conegut també com a “Geoffroy le Jeune”. Completats els estudis, començà a fer l’aprenentatge de farmàcia a l’apoteca familiar, al costat del seu pare. A 18 anys, s’enregistrà ja en l’oficina de la Companyia de Mestres Apotecaris, rebent el mestratge el maig del 1748.

Claude-François Geoffroy substituí el seu pare al davant de la farmàcia familiar, així com en el càrrec associat d’inspector de farmàcia de l’Hôtel-Dieu. Una nova generació de Geoffroys començava a fer aportacions. En aquest sentit, el seu cosí germà, Étienne-Louis Geoffroy (1725-1810) emprenia l’elaboració d’un catàleg de les col•leccions naturalistes de la família.

Claude-François Geoffroy trià com a objecte de les seves recerques una substància de natura controvertida, coneguda habitualment amb el nom germànic de “bismuth”.

Bismita, un dels minerals del bismut

En la “De re metallica” (1556), de Georgius Agricola, aquesta substància apareix amb el mot “bisemutum”, una adaptació de l’alemany “wismuth” o “wismuth” que, segons la interpretació més habitual, derivava de “weiße Mass”. Hom també ha pensat en un origen àrab, “bi ismid”, que faria referència a les seves similituds amb l’antimoni. El nom del bismut ja és testimoniat en un text del 1477, de la mina de Schneeberg. De la forma alemanya, derivaven bismuth o bismut, incorporades progressivament a altres llengües. En alguns casos trobem el mot utilitzat per designar alguns minerals de plom o d’estany, particularment d’estany. El mateix Agricola, a “De Natura Fossilium” (1546), considera el bismut com un metall simple, al mateix nivell que l’estany i el plom. El bismut, l’estany i el plom serien espècies diferent d’un mateix grup de metalls innobles. Aquesta visió es traduïa també en l’ús del mot “plom” com a genèric, que calia subdividir en el plom ordinari (plom negre), en l’estany (plom blanc) i el bismut. Alguns alquimistes identificaven el bismut amb el “tectum argenti”, és a dir amb un material en procés de transformant-se de manera natural i ben lenta en argent. Quan els miners topaven amb el “tectum argenti”, sospitaven ja de la proximitat d’una veta d’argent.

La recerca arqueològica ens ha mostrat la utilització de bismut en aliatges diversos. Així, en el període incaic del Perú, un aliatge de coure, estany i bismut era utilitzat en la confecció de ganivets.

La definició de bismut havia estat més ben perfilada a partir dels anys 1660. En el 1738, Johann Heinrich Pott (1692-1777) publica una monografia (“De wismuhto”). En el 1741, Georg Brandt oferia una llista de sis metalls (or, argent, coure, estany, ferro i plom) i de sis semimetals (mercuri, bismut, zinc, antimoni, arsènic i cobalt).

Claude-François Geoffroy se centrà especialment en mostrar la diferència substancial en propietats bàsiques de l’estany i del bismut. Llegí una memòria sobre el bismut a l’Acadèmia Reial de Ciències, com a part de la seva candidatura per ingressar en aquesta societat. Més tard adreçaria tres notes addicionals sobre l’anàlisi química del bismut a l’Acadèmia, en la que refermava el bismut com un dels metalls simples o, per dir-ho amb més precisió, com un semi-metall. El 29 de juliol del 1752, fou admès en la secció de química de l’Acadèmia.

Geoffroy era conscient que tan important com identificar nítidament els metalls simples era ordenar-los sistemàticament. En aquest sentit, el mes de març del 1753, presenta un recull titulat “Analyse chimique du bismuth de laquelle il résulte une analogie entre le plomb et ce semi-métal”.

El 9 de març s’havia mort el seu pare, a l’edat de 67 anys. Geoffroy el Jove moriria tres mesos escassament després, el 18 de juny, a l’edat de 24 anys. La mort d’una figura tan prometedora de la química, que deixava pendent tot un programa de recerca sobre el bismut i d’altres semimetalls, fou plorada per Grandjean de Fouchy en l’elogi que va escriure en record de pare i fill a la Història de l’Acadèmia. Grandjean de Fouchy també feia en resum (“Sur le bismuth”) sobre l’estat dels coneixements sobre aquest semi-metall.

El bismut, després de Geoffroy, era considerat sens dubte com un “semi-metall”. De caràcter metàl•lic n’era la densitat i la fusibilitat, mentre que la manca de mal•leabilitat era una característica no-metàl•lica. Hom també havia remarcat que el bismut polvoritzat era un material blanc que eventualment adquiria coloracions vives.

Torbern Olof Bergman (1735-1784) va treballar sobre el bismut. Com a símbol del bismut, en la “Dissertació sobre afinitats selectives” (1775) proposà el símbol del Bou:

També Carl Wilhelm Scheele treballà en les característiques del bismut.

En la taula de substàncies simples del “Traité Élémentaire de Chimie” (1789), Antoine Lavoisier inclou el “bismuth”, entre les “substàncies simples metàl•liques oxidables o acidificables”. Lavoisier no hi dóna cap sinònim històric, però en el “Dictionnaire de Chimier” (1803) de Charles-Louis Cadet de Gassicourt s’esmenten uns quants (demogorgon, glaure, nimphe, étain de glace, étain gris).

En “New System of Chemical Philosophy” (1808), John Dalton enumera el bismut entre els elements simples, i el simbolitza en la lletra B.

En el 1813, Jöns Jacob Berzelius simbolitza el bismut amb les inicials “Bi”, tota vegada que la lletra B la reserva al bor, en tant que metal•loid. La majoria de llengües han adaptat la forma “bismuth” amb més o menys canvis gràfics i fonètics. El símbol Bi quedà fixat per a aquest element.

En el 1865, John Newlands sistematitzà els elements químics en una taula segons la llei de l’octau. El bismut hi apareix amb el nombre 55, com el penúltim element més pesants, adscrit al grup del nitrogen.

En el 1869, Dmitri Mendeleev, de manera independent, proposa una taula periòdica, en la qual el bismut (Bi = 210?) és col•locat també en el grup del nitrogen, dins del sisè període.

En el 1871, Mendeleev presenta una taula més compacta. El bismut (Bi = 208) passa ara al període 11, bo i conservant el lloc en el grup del nitrogen. Més endavant, el bismut tornarà al període 6, adscrit sempre al grup del nitrogen. Dins d’aquest grup, seria l’únic element considerat generalment com a metall, ja que l’antimoni és habitualment classificat com a metal•loid.

A començament del segle XX, adquirí popularitat l’anomenada “llet de bismut”, solució aquosa de Bi(OH)3 i (BiO)2CO3, utilitzada per a tota mena d’afeccions digestives.

En començar la Segona Guerra Mundial, la major part de la demanda de bismut era de la indústria farmacèutica. No obstant, havien crescut ja prou diverses aplicacions metal•lúrgiques (aliatges fusibles) com perquè se’l considerés un material estratègic. Entre 1950 i 1964, els productors arribaren a acords per mantenir preus malgrat l’augment continuat de la producció. La demanda creixent de bismut com a additiu en la indústria de l’alumini, del ferro i de l’acer va fer disparar el preu en els anys 1970. A partir dels anys 1990, la promoció del bismut com a alternativa menys tòxica al plom en diferents aplicacions (ceràmica, xarxes de pesca, equipament de processament d’aliments, bales per a la caça, etc.) va produir un nou pic en el preu del bismut.

En el 2003, Marcillac et al aconseguiren detectar la desintegració del bismut-209, amb emissió d’un nucli d’heli-4. El bismut-209, l’únic isòtop natural del bismut, era considerat fins llavors un isòtop observacionalment estable, si bé teòricament ja s’havia enunciat aquesta “inestabilitat”. A efectes pràctics, això tenia escassa rellevància, donada la llarga semivida (nou ordres de magnitud superior a l’edat actual de l’univers) del bismut-209. Però destronava en qualsevol cas, el bismut de l’honor d’ésser l’element estable més pesant de la taula periòdica. Aquest honor passà el plom, en el benentès que la detecció d’altres desintegracions, anirà despullant la taula periòdica dels seus elements “observacionalment” estables.

El bismut: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del bismut és de 208,98040 uma, és a dir la massa del bismut-209, pràcticament l’únic isòtop present a la natura. El llistat d’isòtops coneguts fa:
– bismut-184 (184Bi; 184,00112 uma). Nucli format per 83 protons i 101 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0066 s. Posseeix un estat metastable (184mBi) a 150 keV, que té una semivida de 0,013 s.
– bismut-185 (185Bi; 184,99763 uma). Nucli format per 83 protons i 102 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,002 s. Decau a plom-184 (amb emissió d’un protó) o, rarament, a tal•li-181 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseeix un estat metastable (185mBi) a 70 keV, que té una semivida de 4,9•10-5 s i que decau a tal•li-181 o a plom-184.
– plom-186 (186Bi; 185,99660 uma). Nucli format per 83 protons i 103 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0148 s. Decau normalment a tal•li-182 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, rarament, a plom-186 (amb emissió d’un positró). Posseeix un estat metastable (186mBi) a 270 keV, que té una semivida de 0,0098 s, i que decau bé a tal•li-182 o a plom-186.
– bismut-187 (187Bi; 186,993158 uma). Nucli format per 83 protons i 104 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,032 s. Decau bé a tal•li-183 (50%; amb emissió d’un nucli d’heli-4) bé a plom-187 (50%; amb emissió d’un positró). Posseeix dos estats metastables, un a 101 keV (187m1Bi, que té una semivida de 3,2•10-4 s) i un altre a 252 keV (187m2Bi, que té una semivida de 7•10-6 s).
– bismut-188 (188Bi; 187,99227 uma). Nucli format per 83 protons i 105 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,044 s. Decau normalment a tal•li-184 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, rarament, a plom-188 (amb emissió d’un positró). Posseeix un estat metastable (188mBi) a 210 keV, que té una semivida de 0,22 s, i que decau a tal•li-184 o, rarament, a plom-188.
– bismut-189 (189Bi; 188,98920 uma). Nucli format per 83 protons i 106 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,674 s. Decau bé a tal•li-185 (51%; amb emissió d’un nucli d’heli-4) o a plom-189 (49%; amb emissió d’un positró). Posseeix dos estats metastables, un a 181 keV (189m1Bi; que té una semivida de 0,005 s) i un altre a 357 keV (189m2Bi; que té una semivida de 8,8•10-7 s).
– bismut-190 (190Bi; 189,9883 uma). Nucli format per 83 protons i 107 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6,3 s. Decau majoritàriament (77%) a tal•li-186 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (23%), a plom-190 (amb emissió d’un positró). Posseeix dos estats metastables, un a 420 keV (190m1Bi; que té una semivida de 6,2 s, i que decau a tal•li-186 (70%) o a plom-190 (30%)) i un altre a 690 keV (190m2Bi; que té una semivida de 5•10-7 s).
– bismut-191 (191Bi; 190,985786 uma). Nucli format per 83 protons i 108 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 12,3 s. Decau bé a tal•li-187 (60%; amb emissió d’un nucli d’heli-4) o a plom-191 (40%; amb emissió d’un positró). Posseeix un estat metastable (191mBi) a 240 keV, que té una semivida de 0,124 s, i que decau bé a tal•li-187 (75%) o a plom-191 (25%).
– bismut-192 (192Bi; 191,98546 uma). Nucli format per 83 protons i 109 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 34,6 s. Decau majoritàriament (82%) a plom-192 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (18%), a tal•li-188 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseeix un estat metastable (192mBi) a 150 keV, que té una semivida de 39,6 s, i que decau a plom-192 (90,8%) o a tal•li-188 (9,2%).
– bismut-193 (193Bi; 192,98296 uma). Nucli format per 83 protons i 110 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 67 s. Decau normalment (95%) a plom-193 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (5%), a tal•li-189 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseeix un estat metastable (193mBi) a 308 keV, que té una semivida de 3,2 s, i que decau bé a tal•li-189 (90%) o a plom-193 (10%).
– bismut-194 (194Bi; 193,98283 uma). Nucli format per 83 protons i 111 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 95 s. Decau normalment (99,54%) a plom-194 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (0,46%), a tal•li-190 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseeix dos estats metastables, un a 110 keV (194m1Bi; que té una semivida de 125 s, i que decau a plom-194 o, rarament, a tal•li-190) i un altre a 230 keV (194m2Bi; que té una semivida de 115 s).
– bismut-195 (195Bi; 194,980651 uma). Nucli format per 83 protons i 112 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 183 s. Decau normalment (99,97%) a plom-195 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (0,03%), a tal•li-191 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseeix dos estats metastables, un a 399 keV (195m1Bi, que té una semivida de 87 s, i que decau a plom-195 (67%) o a tal•li-191 (33%)) i un altre a 2311 keV (195m2Bi; que té una semivida de 7,5•10-7 s).
– bismut-196 (196Bi; 195,980667 uma). Nucli format per 83 protons i 113 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 310 s (5 minuts). Decau normalment (99,99%) a plom-196 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (0,00115%), a plom-192 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseeix dos estats metastables, un a 166,6 keV (196m1Bi, que té una semivida de 0,6 s, i que decau a l’estat basal o directament a plom-196) i un altre a 270 keV (196m2Bi, que té una semivida de 240 s).
– bismut-197 (197Bi; 196,978864 uma). Nucli format per 83 protons i 114 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 560 s (9 minuts). Decau normalment (99,99%) a plom-197 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (0,0001%), a tal•li-193 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseeix cinc estats metastables, un a 690 keV (197m1Bi; que té una semivida de 302 s i que decau l’estat basal (0,3%) o directament a tal•li-193 (55%) o a plom-197 (45%)), un altre a 2129 keV (197m2Bi; que té una semivida de 2,04•10-7 s), un tercer a 2360,4 keV (197m3Bi; que té una semivida de 2,63•10-7 s), un quart a 2383,1 keV (197m4Bi; que té una semivida de 2,53•10-7 s) i un cinquè a 2929,5 keV (197m5Bi; que té una semivida de 2,09•10-7 s).
– bismut-198 (198Bi; 197,97921 uma). Nucli format per 83 protons i 115 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 618 s (10 minuts). Decau a plom-198, amb emissió d’un positró. Posseeix dos estats metastables, un a 280 keV (198m1Bi; que té una semivida de 696 s i que decau a plom-198) i un altre a 530 keV (198m2Bi; que té una semivida de 7,7 s).
– bismut-199 (199Bi; 198,977672 uma). Nucli format per 83 protons i 116 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1600 s (27 minuts). Decau a plom-199, amb emissió d’un positró. Posseeix tres estats metastables, un a 667 keV (199m1Bi; que té una semivida de 1482 s, i que decau a l’estat basal (2%) o directament a plom-199 (98%) o a tal•li-195 (0,01%; amb emissió d’un nucli d’heli-4)), un altre a 1947 keV (199m2Bi; que té una semivida de 1•10-7 s) i un tercer a 2547 keV (199m3Bi; que té una semivida de 1,68•10-7 s).
– bismut-200 (200Bi; 199,978132 uma). Nucli format per 83 protons i 117 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2180 s (36 minuts). Decau a plom-200, amb emissió d’un positró. Posseeix dos estats metastables, un a 100 keV (200m1Bi; que té una semivida de 1900 s i que decau a l’estat basal (10%) o a plom-200 (90%; per captura electrònica)) i un altre a 428,2 keV (200m2Bi; que té una semivida de 0,4 s).
– bismut-201 (201Bi; 200,977009 uma). Nucli format per 83 protons i 118 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6480 s (108 minuts). Decau normalment (99,99%) a plom-201 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (0,0001%), a tal•li-197 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseeix quatre estats metastables, un a 846,34 keV (201m1Bi; que té una semivida de 3550 s, i que decau bé a l’estat basal (6,8%) o directament a plom-201 (92,9%) o tal•li-197 (0,3%)), un altre a 1932,2 keV (201m2Bi; que té una semivida de 1,18•10-7 s), un tercer a 1971,2 keV (201m3Bi; que té una semivida de 1,05•10-7 s) i un quart a 2739,9 keV (201m4Bi; que té una semivida de 1,24•10-7 s).
– bismut-202 (202Bi; 201,977742 uma). Nucli format per 83 protons i 119 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6190 s (2 hores). Decau normalment a plom-202 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (0,00001%), a tal•li-198 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseeix dos estats metastables, un a 615 keV (202m1Bi; que té una semivida de 3,04•10-6 s) i un altre a 2607,1 keV (202m2Bi; que té una semivida de 3,1•10-7 s).
– bismut-203 (203Bi; 202,976876 uma). Nucli format per 83 protons i 120 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,234•104 s (12 hores). Decau normalment a plom-203 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (0,00001%), a tal•li-199 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseeix dos estats metastables, un a 1098,14 keV (203m1Bi; que té una semivida de 0,303 s, i que decau a l’estat basal) i un altre a 2041,5 keV (203m2Bi; que té una semivida de 1,94•10-7 s).
– bismut-204 (204Bi; 203,977813 uma). Nucli format per 83 protons i 121 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,039•104 s (11 hores). Decau a plom-204 (amb emissió d’un positró). Posseeix dos estats metastables, un a 805,5 keV (204m1Bi; que té una semivida de 0,013 s i que decau a l’estat basal) i un altre a 2833,4 keV (204m2Bi; que té una semivida de 0,00107 s).
– bismut-205 (205Bi; 204,977389 uma). Nucli format per 83 protons i 122 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,323•106 s (15 dies). Decau a plom-205, amb emissió d’un positró.
– bismut-206 (206Bi; 205,978499 uma). Nucli format per 83 protons i 123 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 5,394•105 s (6 dies). Decau a plom-206, amb emissió d’un positró. Posseeix dos estats metastable, un a 59,897 keV (206m1Bi; que té una semivida de 7,7•10-6 s) i un altre a 1044,8 keV (206m2Bi; que té una semivida de 8,9•10-4 s).
– bismut-207 (207Bi; 206,9784707 uma). Nucli format per 83 protons i 124 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,04•109 s (33 anys). Decau a plom-207, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (207mPb) a 2101,49 keV, que té una semivida de 1,82•10-4 s.
– bismut-208 (208Bi; 207,9797422 uma). Nucli format per 83 protons i 125 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,16•1013 s (368 mil anys). Decau a plom-208, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (208mBi) a 1571,1 keV, que té una semivida de 0,00258 s, i que decau a l’estat basal.
– bismut-209 (209Bi; 208,9803987 uma). Nucli format per 83 protons i 126 neutrons. Decau a tal•li-205, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Ho fa, però, amb una semivida molt llarga, de 6,0•1026 s (nou ordres de magnitud superior a l’edat actual de l’univers), de manera que a efectes pràctics se’l pot considerar estable. Gairebé tot el bismut present a la natura és bismut-209. La dotació terrestre és bàsicament primordial, si bé també hi ha una porció radiogènica, producte del neptuni-237.
– bismut-210 (210Bi; 209,9841204 uma). Nucli format per 83 protons i 127 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,330•105 s (5 dies). Decau normalment a poloni-210 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,000132%), a tal•li-206 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). És present a la natura en forma de traça, com a producte de la desintegració de l’urani-238. Fou descrit originàriament per Ernst Rutherford en 1905, amb el nom de radi-E (RaE), com a producte de la desintegració del radi. Posseeix un estat metastable (210mBi) a 271,31 keV, que té una semivida de 9,59•1013 s, i que decau a tal•li-206.
– bismut-211 (211Bi; 210,987269 uma). Nucli format per 83 protons i 128 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 128 s (2 minuts). Decau normalment (99,72%) a tal•li-207 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (0,276%), a poloni-211 (amb emissió d’un electró). És present a la natura en forma de traça, com a producte de la desintegració de l’urani-235. Fou descrit originàriament per Brooks i Rutherford en 1904, amb el nom d’actini-C (AcC), com a producte de la desintegració de l’actini. Posseeix un estat metastable (211mBi) a 1257 keV, que té una semivida de 1,4•10-6 s.
– bismut-212 (212Bi; 211,9912857 uma). Nucli format per 83 protons i 129 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3633 s (61 minuts). Decau majoritàriament (64,05%) a poloni-212 (amb emissió d’un electró) o, alternativament, a tal•li-208 (35,94%; amb emissió d’un nucli d’heli-4) o a plom-208 (0,014%; amb emissió d’un nucli d’heli-4 i d’un electró). És present a la natura en forma de traça, com a producte de la desintegració de tori-232. Fou descrit originàriament per Rutherford en 1904, com a tori-C (ThC). Posseeix dos estats metastables, un a 250 keV (212m1Bi; que té una semivida de 1500 s i que decau bé a tal•li-208 (67%), a 212mPo (33%) o a plom-208 (0,3%)) i un altre a 2200 keV (212m2Bi, que té una semivida de 420 s).
– bismut-213 (213Bi; 212,994385 uma). Nucli format per 83 protons i 130 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2735 s (46 minuts). Decau normalment (97,91%) a poloni-213 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (2,09%), a tal•li-209 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). És sintetitzat en acceleradors de partícules lineals per bombardament fotònic de radi. Té aplicacions mèdiques, amb l’ús de conjugats anticòs-213Bi adreçats al tractament de leucèmies i altres tumors.
– bismut-214 (214Bi; 213,998712 uma). Nucli format per 83 protons i 131 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1190 s (20 minuts). Decau normalment (99,97%) a poloni-214 (amb emissió d’un electró) o, alternativament, a tal•li-210 (0,021%; amb emissió d’un nucli d’heli-4) o a plom-210 (0,003%; amb emissió d’un nucli d’heli-4 i d’un electró). És present a la natura en forma de traça, com a producte de la desintegració de l’urani-238. Fou descrit originàriament per Rutherford en 1904 com a radi-C (RaC).
– bismut-215 (215Bi; 215,001770 uma). Nucli format per 83 protons i 132 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 460 s (8 minuts). Decau a poloni-215, amb emissió d’un electró. És present a la natura en forma de traça, com a producte de la desintegració de l’urani-235. Posseeix un estat metastable (215mBi) a 1347,5 keV, que té una semivida de 2180 s.
– bismut-216 (216Bi; 216,006306 uma). Nucli format per 83 protons i 133 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 130 s (2 minuts). Decau a poloni-216, amb emissió d’un electró.
– bismut-217 (217Bi; 217,00947 uma). Nucli format per 83 protons i 134 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 98,5 s.
– bismut-218 (218Bi; 218,01432 uma). Nucli format per 83 protons i 135 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 33 s.

L’àtom neutre de bismut conté 83 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d106s26p3. És, doncs, l’element del període 6 del grup 15 (el grup del nitrogen o pnictògens), dins del bloc p. És considerat un metall de post-transició. L’estat d’oxidació més habitual és +3, encara que també el podem trobar amb +5, +4, +2, +1 i 0. El radi atòmic és de 1,56•10-10 m.

Cristalls de bismut i un cub d’alta puresa (99,99%) del mateix metall

En condicions estàndards de pressió i temperatura, el bismut elemental es presenta en forma d’un metall de color argentí, amb una certa tonalitat rosada. La densitat és de 9780 kg•m-3, i cristal•litza en un sistema romboèdric. És un metall fràgil i el més diamagnètic de tots els metalls elementals analitzats. És mal conductor d’electricitat (resistivitat de 1,29 μΩ•m) i de calor (conductivitat tèrmica de 7,97 W•m-1•K-1). En capes prou fines, el bismut elemental és semiconductor.

En condicions estàndards de pressió, el bismut elemental fon a 544,7 K. En el punt de fusió, la densitat del bismut líquid és de 10050 kg•m-3 superior a la de la fase sòlida. L’expansió en solidificar-se és de 3,32%.

En condicions estàndards de pressió, el bismut elemental bull a 1837 K.

Els cristalls de bismut metàl•lic adquireixen una coloració iridiscent, degut a la formació d’una capa superficial d’òxid en contracte amb l’aire. Els diferents colors responen a diferències en el gruix d’aquesta capa d’òxid

Sota la flama, el bismut emet una coloració blava. El bismut metàl•lic és estable en contacte amb l’aire per la formació d’una capa superficial d’òxid. A temperatures prou elevades, reacciona amb l’aire i amb l’aigua formant Bi2O3. És atacable per àcid sulfúric, àcid nítric i àcid clorhídric. En solucions aquoses, el catió Bi3+ apareix com a Bi(H2O)83+.

Entre els compostos del bismut podem esmentar:
– òxids: Bi2O3 (sòlid de color groc, de 8900 kg•m-3; fon a 1000 K, esdevenint un fort agent corrosiu), Bi2O5 (sòlid de color vermell, inestable).
– oxianions: BiO2 (que sovint forma cadenes lineals) i BiO33-.
– sulfur: Bi2S3 (sòlid de color bru, 6780 kg•m-3).
– hidrur: bismutí (BiH3, compost endodèrmic inestable a temperatures superiors a 210 K).
– bismuturs: compostos intermetàl•lics del bismut amb altres metalls, com el bismutur de sodi (Na3Bi).
– halurs: BiF5 (sòlid cristal•lí blanc, de 5400 kg•m-3), BiF3 (sòlid gris blanc, de 5320 kg•m-3), BiCl3 (sòlid higroscòpic, de 4750 kg•m-3), BiBr3 (sòlid blanc grogós, de 5700 kg•m-3), BiI, BiI3 (sòlid gris-negre, de 5778 kg•m-3).
– sulfats: Bi2(SO4)3.
– nitrats: Bi(NO3)3.

Òxid de bismut (III)

L’abundància atòmica del bismut depèn dels processos nucleosintètics de supernoves, de l’estabilitat dels seus isòtops i de les rutes de desintegració d’elements més pesants. Sobretot aquest darrer factor explica l’abundància relativa del bismut malgrat ocupar un lloc avançat en la taula periòdica. El bismut és més abundant que tota una sèrie d’elements més lleugers (tecneci, prometi, europi, terbi, holmi, tuli, luteci, tàntal, tungstè i reni). Dels elements més pesant, no n’hi ha cap que el superi.

L’abundància global del bismut a la Terra és de 0,01 ppm en termes de massa (0,001 ppm en termes atòmics). Com a element calcòfil, la concentració és més elevada en l’escorça, on arriba a 0,05 ppm. Se’l pot trobar en forma metàl•lic o, més habitualment, combinada. Entre els minerals més rics en bismut hi ha la bismutinita (Bi2S3) i la bismita (Bi2O3).

La bismutinita sol aparèixer en vetes hidrotermals, associades amb granit. Associada també hi podrem trobar bismut nadiu

La presència de bismut en la hidrosfera depèn del context geològic. En l’oceà, una concentració típica és de 20 μg•m-3.

La presència de bismut en l’atmosfera és transitòria i en forma de traça.

El bismut no és bioelement, pel que se sap, per a cap organisme. És present de manera passiva en la biosfera, encara que de manera poc reactiva. Això explica que, per ser un metall pesant, sigui d’una toxicitat baixa i que no es bioacumuli en xarxes tròfiques. No se n’han descrit efectes carcinogènics, mutagènics o teratogènics en estudis en animals.

En un cos humà adult, la quantitat típica de bismut és de 5 mg. Alguns indicis assenyalen que una baixa suplementació de bismut podia ser útil en dolor gastrointestinal. Els nivells sanguinis de bismut es mantenen baixos gràcies a la baixa solubilitat i a l’excreció urinària. El temps mitjà de retenció del bismut és de cinc dies.

La intoxicació aguda de bismut afecta especialment fetge, ronyons i bufeta. El bismut i els seus compostos poden ser irritants a nivell cutani i respiratori. La sobreexposició crònica de bismut es pot manifestar en un dipòsit negre en les genives (“línia de bismut”).

La baixa solubilitat de la majoria de compostos de bismut contribueix al fet que tingui un impacte ambiental relativament menor en relació amb altres metalls pesants. En sòls contaminats en bismut poden aplicar-se tècniques de bioremediació, amb organismes com el fong Marasmius oreades (que fa el bolet conegut com a cama-sec, carrerereta, carrerola o fals moxiernó).

Aplicacions del bismut

La producció mundial anual de bismut es descompon de l’explotació de minerals de bismut (9000 tones anuals; bismutinita i bismita) i la que resulta com a subproducte d’altres processos d’extracció de metalls (7000 tones anuals; és a dir com a subproducte de plom, coure, estany, molibdè, tungstè). La majoria d’aquesta producció es fa a Xina.

Una bona part del bismut es comercia sovint a l’engròs com a component menor (fins a 10%) del plom, o com a component menor del coure. El refinat posterior utilitza el procés de Kroll-Betterton o el procés de Betts. Mètodes posteriors (exposició del material fos a gas clor) poden donar lloc a bismut de gran puresa (>99%).

Evolució del preu del bismut 99,99% durant el segle XX, en relació amb la producció mineral mundial. En els anys 1970 trobem un pic, que s’ha repetit des de la primera dècada del segle XX. Els pics s’associen sobretot a augments de la demanda degut a noves aplicacions

En la producció total de bismut hem d’afegir la porció, encara relativament menor, procedent del reciclatge. Les aplicacions en aliatges fusibles i en soldadures són les de més fàcil reciclatge.

Encara avui, més de la meitat de la demanda de bismut procedeix de la indústria química, per a la confecció de fàrmacs, pigments i cosmètica.

Entre els fàrmacs que contenen bismut podem citar:
– subsalicilat de bismut: indicat en diarrees i altres malalties gastrointestinals. Hom suposa que part de l’acció es deguda a un efecte antimicrobià.
– subgal•lat de bismut: utilitzat com a desodorant intern en casos de flatulència.
– bibrocatol (4,5,6,7-tetrabrom-1,3,2-benzodioxabismol-2-ol): és utilitzat en el tractament d’infeccions oculars.

El Pepto-Bismol o “rosa bismut” són denominacions del subsalicilat de bismut (C7H5BiO4)

El blanc de bismut es pot fer amb BiOCl o BiONO3. El subnitrat de bismut és utilizat com a pigment en pintura i com a agent iridiscent en ceràmica. El vanadat de bismut és un pigment groc emprat en pintura acrílica, com a alternativa menys tòxica a pigments de cadmi o de crom. El BiOCl també és emprat en cosmètica com a ingredient en sobres d’ulls, esprais de cabell o laca d’ungles.

El bismut és emprat en indústria química com a agent transmetalant (p.ex. en la formació de complexos orgànics amb metalls alcalino-terris). També se l’utilitza com a catalitzador en la fabricació de fibres acríliques, o en la conversió de CO2 en CO.

Vora una quarta part del consum de bismut és destina a la metal•lúrgia, com a additiu en aliatges o en galvanoplàstia.

Entre els usos dels aliatges de bismut podem citar les soldadures i la munició. La substitució del plom és un motor de l’augment de la demanda de bismut. L’alt pes específic del bismut (no gaire inferior del plom) facilita aplicacions en balística o en pesos (xarxes de pesca, submarinisme). Una altra substitució és l’ús del bismut en dispositius de protecció de raigs X (per exemple, amb làtex impregnat de bismut).

Els aliatges eutèctics de plom-bismut han estat utilitzats històricament en tipografia. L’aliatge eutèctic In19,1-Cd5,3-Pb22,6-Sn8,3-Bi44,7 (punt de fusió a 320 K) és emprat en fusibles elèctrics, dispositius de detecció de foc, etc. Aliatges de baix punt de fusió (340 K) de Bi-Cd-Pb-Sn tenen aplicacions en la indústria automobilística i aeronàutica.

Entre les aplicacions d’altres compostos de bismut podem citar:
– tel•luriür de bismut (Bi2Te3): material semiconductor i termoelèctric. Diodes de Bi2Te3 són emprats en refrigeradors de telèfons mòbils, en detectors d’infraroig, etc.
– el δ-Bi2O3, com a electròlit sòlid d’oxigen.
– el BiF5 és utilitzat com a agent oxidant o fluoridant.
– l’òxid de bismut, estronci, calci i coure (BSCCO) és un dels superconductors de temperatura de transició més elevada (100 K).

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: