Bismuth

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Bismuth
PlombBismuthPolonium
Sb
  Structure cristalline rhomboédrique
 
83
Bi
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Bi
Uup
Tableau completTableau étendu
Informations générales
Nom, symbole, numéro Bismuth, Bi, 83
Série chimique Métal pauvre
Groupe, période, bloc 15, 6, p
Masse volumique 9,79 g·cm-3 (20 °C)[1]
Dureté 2,5 (Mohs)[2]
Couleur Argenté-irisé
No CAS 7440-69-9 [3]
No EINECS 231-177-4
Propriétés atomiques
Masse atomique 208,98040 ± 0,00001 u
Rayon atomique (calc) 160 pm (143 pm)
Rayon de covalence 1,48 ± 0,04 Å [4]
Rayon de van der Waals 152 pm
Configuration électronique [Xe] 4f14 5d10 6s2 6p3
Électrons par niveau d’énergie 2, 8, 18, 32, 18, 5
État(s) d’oxydation 3, 5
Oxyde Acide
Structure cristalline Rhomboédrique
Propriétés physiques
État ordinaire Solide
Point de fusion 271,4 °C [1]
Point d’ébullition 1 564 °C [1]
Énergie de fusion 51 816 J·kg-1 [2]
Énergie de vaporisation 151 kJ·mol-1 (1 atm, 1 564 °C)[1]
Volume molaire 21,31×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur 1,013×10-4 kPa (400 °C)

1,013×10-1 kPa (600 °C)
1,013×102 kPa (880 °C)

1,013×105 kPa (1 420 °C)[2]
Vitesse du son 1 790 m·s-1 à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling) 2,02
Chaleur massique 122 J·kg-1·K-1 (20 °C)[2]
Conductivité électrique 0,867×106 S·m-1
Conductivité thermique 7,87 W·m-1·K-1
Énergies d’ionisation[5]
1re : 7,2855 eV 2e : 16,703 eV
3e : 25,56 eV 4e : 45,3 eV
5e : 56,0 eV 6e : 88,3 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD
MeV
207Bi syn, 31,55 a β+ ε 2,399 207Pb
208Bi syn, 368 000 a ε 2,880 208Pb
209Bi 100 % 19 ± 2×1018 a α 3,14 205Tl
Précautions
Directive 67/548/EEC[6]
État pulvérulent :
Facilement inflammable
F



SIMDUT[7]

Produit non contrôlé
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.
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Le bismuth est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Bi et de numéro atomique 83.

Longtemps confondu avec le plomb ou l'étain[8], il a été identifié en 1753 par Claude Geoffroy le Jeune qui l'a séparé du plomb.

C'est un métal dont tous les sels et les vapeurs sont toxiques, peu présent dans l'environnement (moins d'1 µg/m3 dans l'air rural, environ 1 mg/kg dans les sols, l'eau de boisson en apportant 5 à 20 µg/jour). Il est réputé présent en très faible proportion dans les organismes animaux, mais sa cinétique dans l'environnement et les organismes a été peu étudiée contrairement à celle d'autres métaux lourds. On ne lui connaît pas d'utilité en tant qu'oligo-élément.

C'est un sous-produit de l'extraction du plomb, du cuivre, de l'étain, de l'argent et de l'or.

Son nom viendrait de l'allemand « weisse Masse » (masse blanche).

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

Cristal artificiel de bismuth. L'irisation est due à une couche très mince d'oxydation.

Caractéristiques chimiques[modifier | modifier le code]

  • Élément chimique lourd, de masse 209, de symbole Bi et de numéro atomique 83 appartenant au groupe des pnictogènes.
  • Métal blanc légèrement rosé, cristallin, fragile et relativement lourd : d = 9,780. Il est obtenu à partir de son minerai (le bismite).
  • Il est réputé être le moins toxique des métaux lourds, ou en tous cas, celui dont les effets sont les plus rapidement réversibles.

Caractéristiques physiques[modifier | modifier le code]

  • Conductivité
    • Il est le second métal plus mauvais conducteur de la chaleur après le mercure[8].
    • Sa résistance électrique (inversement corrélée à la conduction thermique) est ainsi très élevée (pour un métal). De plus, elle augmente fortement avec un champ magnétique, il a le plus important effet Hall de tous les métaux. C'est aussi le métal le plus diamagnétique[8].
  • Le bismuth possède la particularité (qu'il partage avec l'eau, le sodium, l'antimoine, le gallium, le germanium, l'argent et le plutonium) d'être plus dense à l'état liquide qu'à l'état solide :
    • Densité liquide : > 9,8 ;
    • Densité solide : 9,780 (cf. tableau des propriétés, ci-contre).
    • L'alliage plomb bismuth a ainsi une densité du solide quasiment égale à celle du liquide à la solidification (ou liquéfaction)
  • La capacité calorifique du bismuth solide s'écrit: Cp = 0,1077 + 5,2055 • 10-5 • (t +273,15)[1]; avec
    • t en °C
    • Cp en kJ/kg/K
Quelques caractéristiques thermodynamiques du bismuth[1]
Température
(°C)
Masse
volumique

ρ
(kg/m3)
Viscosité
dynamique

μ
(10-3kg/m•s)
Conductivité
thermique

λ
(W/m/K)
Capacité
calorifique
à pression
constante

Cp
(kJ/kg/K)
Commentaire
−173,15 0,1088 solide
0 9 790 7,87
(8,22)
0,122
(0,1219)
solide
25 7,92
(8,4)
0,1232
(0,1255)
solide
100 7,22 0,1271 solide
285 1,61 0,1522 liquide
300 10 030 0,1522 liquide
304 1,662 8,22 0,1522 liquide
365 1,46 liquide
400 9 884 liquide
451 1,28 liquide
500 9 846,67 liquide
600 9 638 0,998 liquide
800 9 423,33 liquide
1 000 9 150 liquide
1726,85 0,1506 liquide

Isotopes[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Isotopes du bismuth et Bismuth 209.

Le bismuth possède 35 isotopes connus, de masse atomique variant entre 184 et 218 u. Il ne possède cependant qu'un seul isotope naturel et réellement présent dans la nature, le bismuth 209, ce qui fait du bismuth un élément mononucléidique. On a longtemps considéré cet isotope comme stable, et donc considéré qu'il était le plus lourd des isotopes stables, et le produit final de la chaîne de désintégration du neptunium 237 (ou du plutonium 241). En réalité il a été montré à l'Institut d'astrophysique spatiale d'Orsay en 2003[9] qu'il était radioactif avec une demi-vie considérable, de 19x1018 années, soit plus d'un milliard de fois l'âge de l'univers.

Sa nature instable avait été prévue théoriquement. Il se désintègre par transition α d'énergie 3,14 MeV pour donner du thallium 205, stable.

Du fait de sa très grande demi-vie, il doit toujours être considéré comme stable dans toutes ses applications. Mais sur le plan académique, cette découverte est importante dans la mesure où elle valide des prévisions théoriques. L'élément le plus lourd possédant au moins un isotope stable est donc le plomb.

Toxicité environnementale[modifier | modifier le code]

Son écotoxicité est au moins pour partie connue. Celle de ses isotopes l'est moins, mais l'IRSN a produit une fiche pédagogique sur le Bismuth-210[10]

Toxicité pour l'homme[modifier | modifier le code]

Son mode d'action physiopathologique a été peu étudié et n'est pas encore compris, mais en 1860, plus de 100 ans avant son interdiction presque totale en France (en 1974), Antoine Béchamp (contemporain de Pasteur, professeur à Montpellier), dans sa thèse de médecine (« Préparation et les caractères du sous-nitrate de bismuth ») en collaboration avec C. Saintpierre, mettait déjà en garde quant à la toxicité des sels de bismuth.

Des sels de bismuth dont le salicylate de bismuth ont été testés parentéralement aux humains contre la syphilis, avec des effets secondaires graves liés à sa toxicité (gingivostomatite avec « ligne de bismuth » — taches noires sur les gencives, haleine fétide, salivation), dégâts sur le foie, le rein, et surtout effet neurotoxiques affectant l'ensemble du système nerveux central. À la différence des autres métaux lourds, ses effets toxiques semblent disparaître après quelques mois, mais ses effets sur l'embryon ou le fœtus ne semblent pas avoir été étudiés, pas plus que ses impacts sur les ouvriers qui y ont été exposés.

Ses vapeurs sont toxiques.

Les chélateurs, la D-pénicillamine et son dérivé N-acétyl sont des antidotes qui se sont montrés efficaces sur la souris intoxiquée par du citrate de bismuth par voie intrapéritonéale[11].

Le bismuth ingéré n'est quasiment pas retrouvé dans le plasma (normalement inférieure à 1 ron 10), ce qui montre qu'il est partiellement absorbé par le tube digestif.

En dépit de mises en garde datant de plus d'un siècle, le bismuth était avant 1974 utilisé à posologie élevée, sans période d'interruption et sans aucune limitation de durée. Des précautions d'emploi édictées dès avant 1910 demandaient qu'en raison de sa toxicité, le bismuth soit prescrit en cures discontinues, mais laboratoires et médecins ont encouragé son usage thérapeutique qui en 10 ans (de 1964 à 1974) avait doublé atteignant 800 t/an en France.

Les progrès de l'épidémiologie ont permis en France dès 1974 d'attribuer de manière certaine à l'ingestion de bismuth médicamenteux des encéphalopathies survenant généralement en 2 phases : une phase prodromique (troubles non spécifiques de type asthénie, insomnie, céphalées perte de mémoire) précédant une phase aiguë (avec des troubles neurologiques graves rappelant les symptômes induits par d'autres métaux lourds tels que le plomb ou le mercure ; dysarthrie, ataxie, troubles de la marche, myoclonies, tremblements, désorientation, agitation, troubles de la mémoire, état confusionnel, hallucinations, convulsions.

Heureusement, l'interruption de la prise de Bismuth était suivie d'une amélioration clinique en quelques jours, avec toutefois une persistance durant quelques mois d'asthénie, de problèmes de mémoire, de sommeil et/ou de céphalées.

Après environ un millier de cas repérés en France et en Australie, le ministère de la santé français a finalement interdit le bismuth à haute dose dans les médicaments[12],[13]. Il reste utilisé avec succès dans les affections de la sphère ORL à très faibles doses (oligothérapie) et par exemple, dans certains pays, sous forme de « sous-citrate de bismuth-colloïdal » (citrate (DENOL*) et complexe citrate de bismuth-ranitidine). Ces produits sont uniquement autorisés contre l'ulcère gastroduodénal où le bismuth semble assez toxique pour tuer la bactérie Helicobacter pylori, laquelle induit généralement ce type d’ulcère et est très résistante. Les doses de bismuth dans ce médicament sont toutefois bien plus faibles que celles qui étaient prescrites avant 1974 et chaque phase de traitement ne peut aujourd'hui excéder un mois maximum avec, entre deux traitements, un arrêt minimal de deux mois.

Utilisations[modifier | modifier le code]

  • Le bismuth est le constituant majoritaire de nombreux alliages à bas point de fusion tels que les alliages de Wood, de Rose ou de Field.
  • Fusible (électricité) : On utilise fréquemment comme fil fusible, un alliage de bismuth et d'étain (40 % / 60 %), qui possède un point de fusion très bas.
  • Fusible (protection incendie) : Dans les installations d'extinction automatique à eau (souvent appelées « sprinkler ») on utilise parfois comme obturateur un mélange eutectique, de :
    bismuth (50 %), plomb (25 %), cadmium (12,5 %), étain (12,5 %), fondant à 47 °C.
  • Chasse : Les « plombs » (ou plus précisément les grenailles) des cartouches « sans plomb », dont chevrotines, sont un alliage de plomb, d'antimoine et d'arsenic parfois remplacé par du bismuth. Pour mettre fin à la pollution par le plomb et aux nombreuses intoxications d'oiseaux, le bismuth (allié à 5 % d'étain) remplace parfois les « plombs » classiques. Ces derniers sont le plus souvent remplacés par de l'acier doux qui peut être « bismuthé » (contre l'oxydation), d'autant que les ressources connues de bismuth sont limitées.
  • Verre, céramique : L'oxynitrate de bismuth, BiONO3, est utilisé comme pigment blanc dans le verre et dans la céramique. L'orthovanadate de bismuth BiVO4 est utilisé comme pigment vert-jaune pour le verre et la céramique. Pour l'émaillage, on utilise du borosilicate de bismuth.
  • Pharmacie : Le bismuth a autrefois été utilisé dans la pharmacopée sous des formes variées contre l'ulcère gastro-duodénal et dans diverses indications digestives : diarrhée, constipation, colites. Le nitrate de bismuth basique, Bi(OH)2NO3 était utilisé pour enduire les pansements pour brûlure. De nombreuses autres utilisations anciennes étaient les pansements gastriques, des remèdes contre la diarrhée et en dermatologie. Il a été interdit en France après de nombreux problèmes d'intoxication graves lors de traitement médicaux.
  • Biocides : Il a été utilisé dans certains désinfectants, mais comme le mercure, il a été remplacé par des produits moins toxiques et/ou dégradables.
  • Cosmétique : Dans les rouges à lèvres, on utilise de l'oxychlorure de bismuth (BiOCl) ou de l'oxynitrate de bismuth (BiONO3) pour sa brillance nacrée. Le citrate de bismuth à 0,2 % est aussi utilisé dans une lotion de repigmentation des cheveux[14]. Les ions de bismuth réagissent en effet avec la fibroprotéine du cheveu (kératine) par l'intermédiaire du soufre également contenu dans cette lotion.
  • Plomberie : L'utilisation du bismuth, en substitution au plomb pour les assemblages, est à l'étude.
  • Colorant : En peinture, l'oxyde Bi2O3 a été ou est utilisé pour obtenir du jaune. L'oxychlorure BiOCl donne un pigment blanc.
  • Semi-conducteur à propriétés thermoélectriques : Bi2Te3.
  • Electronique: allié avec l'étain (Sn 42 Bi 58), il est utilisé comme soudure (brasure) sans plomb (RoHS) à bas point de fusion

Il a aussi été utilisé pour ignifuger des papiers ou polymères, et comme catalyseur, par exemple pour la vulcanisation du caoutchouc.

Cristaux de bismuth[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

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Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c, d, e et f (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc,‎ 2009, 90e éd., relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)
  2. a, b, c et d (en) Mark J. Chagnon, Kirk-Othmer encyclopedia of chemical technology 4th ed. : Bismuth and Bismuth Alloys, vol. 4, John Wiley & Sons.
  3. Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  4. (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, « Covalent radii revisited », Dalton Transactions,‎ 2008, p. 2832 - 2838 (lien DOI?)
  5. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC,‎ 2009, 89e éd., p. 10-203
  6. Entrée de « Bismuth, Powder » dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais) (JavaScript nécessaire)
  7. « Bismuth » dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
  8. a, b et c Bismuth, propriétés chimiques, effets sur la santé et l'environnement
  9. (en) Pierre de Marcillac, Noël Coron, Gérard Dambier, Jacques Leblanc et Jean-Pierre Moalic, « Experimental detection of α-particles from the radioactive decay of natural bismuth », Nature, vol. 422,‎ avril 2003, p. 876–878 (lien DOI?).
  10. IRSN, Fiche pédagogique sur le Bismuth-210
  11. INIST, cat.inist.fr
  12. Arrêté du 28 mars 1977 relatif à la réglementation applicable aux médicaments renfermant des sels de bismuth[PDF]
  13. Décision européenne du 20 septembre 1983 Retraits d'autorisation de mise sur le marché et de visas de spécialités pharmaceutiques (Bismuth)[PDF]
  14. lotion capillaire au bismuth

Liens externes[modifier | modifier le code]


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7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
   
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  * Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto  


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Métaux alcalins  Métaux alcalino-terreux  Métaux de transition Métaux pauvres
Lanthanides Actinides Superactinides Éléments non classés