Bismuth

vignette|upright=1.6|Cristaux oxydés de bismuth.|alt=Masse cristallisée fortement colorée de bismuth oxydé en surface.

Le bismuth est l'élément chimique de numéro atomique 83, de symbole Bi. C'est le cinquième et dernier élément du groupe des pnictogènes (groupe ). Il est toxique, mais moins que le plomb qu'il tend donc à remplacer pour certains usages, et ce n'est pas un oligo-élément : il n'a aucun rôle physiologique connu. Réputé très faiblement présent dans les organismes animaux, sa cinétique environnementale et dans les organismes a été peu étudiée (contrairement à celle d'autres métaux lourds proches).

Il peut être théoriquement rapproché du phosphore P, de l'antimoine Sb et de l'arsenic As, appartenant au , mais aussi de l'étain Sn et du plomb Pb appartenant au . Les éléments successifs du (azote N, phosphore P, arsenic As, antimoine Sb et bismuth) montrent une tendance croissante à former des sulfures stables plutôt que des oxydes : le bismuth est nettement chalcophile.

Histoire Cet élément rare, dont le corps pur (bismuth natif) et les principaux composés étaient relativement bien reconnus, surtout dans les principaux centres miniers européens au moins depuis la fin du Moyen Âge, était alors distingué de l'antimoine natif avec lequel il semblerait avoir été fréquemment confondu au cours de l'Antiquité, au point de tirer son nom d'une adaptation de l'arabe bi' ’ithmid signifiant « proche de l'antimoine ».

Il a été décrit avec précision et identifié en 1753 par le chimiste Claude Geoffroy le Jeune qui l'a séparé du plomb.. Le symbole chimique Bi a été proposé par le chimiste suédois Berzelius en 1814.

Il a été longtemps considéré par les physiciens comme le dernier de la classificationIl le reste non en théorie mais en pratique (Cf. paragraphe sur ses isotopes ci-dessous)..

Ses effets toxiques (du corps simple et de ses composés) semblent avoir été longtemps confondus avec ceux du plomb ou de l'étainBismuth, propriétés chimiques, effets sur la santé et l'environnement, lenntech.com..

Selon le CNRS, .

Sa présence dans l’environnement a beaucoup augmenté depuis la révolution industrielle, et plus précisément depuis que l'on brûle du charbon et qu'on l'utilise comme additif métallurgique, dans divers alliages, et dans les industries de la chimie et de la pharmacochimie notamment. En 2023, le CNRS a mis en évidence dans des carottes de glace du Mont-blanc provenant du Col du Dôme, la trace d'un énorme pic de pollution de l'atmosphère européenne par le Bismuth pendant la Seconde Guerre mondiale. Cette pollution, ainsi que sa corrélation avec l'époque du second conflit mondial semble pouvoir être expliquée par l'usage d'une grande quantité de bismuth comme additif de l’acier et de l’aluminium (l'ajout de bismuth rend leur usinage plus facile, ce métal était alors aussi très utilisé comme alliages à bas point de fusion pour les fusibles de sécurité des circuits électriques). La pollution par le bismuth diminue après 1970 grâce aux filtres installés dans les fonderies. Il en va de même pour les années 1920 durant lesquelles les émissions par la métallurgie dominent toujours celles dues à la combustion du charbon.

Les carottages de glace montrent que la pollution a été maximale entre 1935 et 1945. Ceci pourrait être dû aux usages « militaires » du bismuth durant la guerre d’Espagne et durant la 2ème guerre mondiale, pour les besoins de l'industrie de l’aviation (aluminium), pour les fusibles de décompression de gaz pour les obus et pour les réservoirs de carburants d’engins militaires.

Généralités physicochimiques Le corps simple bismuth est un métal pauvre blanc d'argent, à reflet rougeâtre brillant, dur et cassant, dont tous les sels et les vapeurs sont toxiques.

Sa structure électronique atomique correspond à [Xe] (4f)14 (5d)10 (6s)2 (6p)3. Un don ou un enlèvement d'électrons de même statut quantique, si on excepte le , justifie les degrés d'oxydation +3 et +5, le premier degré étant bien plus fréquent dans ses composés car le second est contré par l'effet à l'inertie du doublet s, allié à sa remarquable symétrie sphérique. Le rayon ionique de l'ion Bi avoisine et celui de l'ion Bi se réduit à .

La phase liquide du bismuth est plus dense que sa phase solide, propriété rare qu'il partage avec l'eau et le silicium. A ce titre il est souvent allié avec le plomb, la dilatation de l'un et la contraction de l'autre se compensant.

Isotopes

Le bismuth possède connus, de masse atomique variant entre . Il n'a cependant qu'un seul isotope naturel réellement présent dans la nature, le , 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 (ou du ). En réalité il a été montré à l'Institut d'astrophysique spatiale d'Orsay en 2003. qu'il était radioactif avec une demi-vie considérable, de , soit plus d'un milliard de fois l'âge de l'Univers.

Sa nature instable avait été prévue théoriquement. Il se désintègre par d'énergie pour donner du , stable. Sa très grande demi-vie le fait encore considérer comme stable dans toutes ses applications (on dit qu'il est quasi stable) mais cette découverte est scientifiquement 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.

Fabrication, production Fabriqué semi-industriellement dès les à partir de ses minerais sulfurés (bismuthinite essentiellement) ou à défaut avec ses minerais oxydés associés, il ne fait plus aujourd'hui l'objet d'une production spécifique ; depuis plus d'un siècle c'est un co-produit du raffinage du plomb, moindrement du cuivre, de l'étain, de l'argent, de l'or, et surtout du tungstène.

Dans les années 1990, le minerai provenait principalement de trois pays (Bolivie, Mexique, Pérou), mais le Japon et le Canada, et moindrement l'Espagne et l'Allemagne, sont des acteurs industriels pour sa production (environ ). Les premiers pays ne disposaient pas tous des équipements en 1990 pour traiter les minerais de bismuth, d'abord l'enrichissement par flottation, puis le grillage des sulfures et leur réduction au carbone, pour finir par l'obtention du bismuth par fusion oxydante. Outre la voie thermique par fusion de zone, le bismuth métal raffiné et pur à plus de 99 % en masse peut être obtenu par électrolysePour les rares usages qui lui restent en pharmacie et en médecine dans les pays à organisations sanitaires correctes, la pureté est un véritable impératif.. En 2010, la mine bolivienne de Tasna et le site chinois de seraient les seuls centres d'extraction menant à une exploitation du bismuth comme produit principal. La Chine, premier producteur mondial en 2010, le récupère essentiellement au cours de la flottation des minerais de wolframite.

Présence dans l'environnement En tant que métal rare ( élément de l'écorce terrestre en termes d’abondance), il est naturellement très peu présent dans l'environnement. Étant peu soluble, il y est supposé peu mobile, mais certaines formes du bismuth sont volatiles. Son cycle biogéochimique est très mal connu. Comme ce n'est pas un métal recherché dans les analyses environnementales de routines pour l'eau, le sol, l'air, ou les aliments, sa cinétique environnementale reste mal connue.

Dans l'air On l'y trouve à moins d' dans l'air rural ; il y provient principalement des panaches et émanations de volcans et (bien moindrement) de l'érosion des sols. S'y ajoutent depuis quelques décennies des sources anthropiques croissantes (industrie, combustion...).

Dans les sols Présent en moyenne à hauteur de 0,048 μg/g dans la croûte terrestre, il est retrouvé en moyenne 0,2 μg/g dans des sols naturels non-contaminés (selon Bowen, 1979). Des fongicides contenant du bismuth en sont une source supplémentaire, directement mise en contact avec des cultures alimentaires, de même pour certains engrais en contenant naturellement un peu (engrais naturels ou de synthèse), mais selon Senesi & als en 1979 cette source était encore négligeable comparée aux apports du fond géochimique.. Dans l'eau : il est très peu présent dans l'eau de boisson, qui en apporte néanmoins .

Dans les eaux douces et marines

Dans les plantes Le bismuth (qui n'est pas un oligoélément) n'est présent qu'en très faibles doses dans les plantes, souvent en limite de détection, y compris même parfois chez des plantes ayant poussé sur des sols contaminés (< . ). La teneur des plantes en bismuth peut cependant significativement augmenter aux alentours de sites miniers. Par exemple, cette teneur peut aller de selon Li et Thornton, qui ont montré en 1993 que le bismuth est alors surtout présent dans les feuilles, plus que dans les fruits ou les graines (en teneur), et que les facteurs de transfert racinaires sont très faibles (10 à 10).

Dans la nature, le taux de bismuth d'un sol est habituellement si bas qu'il atteint rarement le seuil de la phytotoxicité, qui serait compris entre en solution nutritive selon Senesi (1979).

Chez les animaux Dans la nature, les animaux terrestres et aquatiques sont a priori très rarement contaminés, mais la contamination de l'environnement par le bismuth augmente rapidement, et les grenailles de chasse pour certaines composées à 91 % de bismuth sont une nouvelle source de contamination des zones humides où ces cartouches sont utilisées. Quand les industriels ont lancé la production de ces cartouches, très peu d'information était disponible sur les effets du bismuth sur les animaux et sur les écosystèmes. On ignorait même le taux moyen de bismuth chez les oiseaux (la première étude sur le niveau de fond chez l'oiseau date de 2004), tout comme on ignorait les seuils de toxicité des formes organiques de ce métalloïde pour l'oiseauJayasinghe, R., Tsuji, L. J. S., Gough, W. A., Karagatzides, J. D., Perera, D., & Nieboer, E. (2004). Determining the background levels of bismuth in tissues of wild game birds: a first step in addressing the environmental consequences of using bismuth shotshells. Environmental Pollution, 132(1), 13-20.. Ils ont depuis été un peu étudiés, montrant que les cartouches au plomb contenaient elles-mêmes déjà un peu de bismuth. Des analyses de foie et de muscle de canard contenant une grenaille de plomb ou une balle en plomb ont donné des taux moyens de bismuth dans les foies de en poids sec chez la Sarcelle d'hiver et de chez le Colvert. Une corrélation positive significative a été trouvée entre les taux tissulaires de bismuth et de plomb dans le muscle, expliquée par le fait que le bismuth est un contaminant habituel du plomb.

Selon les données disponibles, ces effets semblent complexes : ainsi d'après Martin-Bouyer (1980) qui avait déjà conclu des données toxicologiques disponibles pour l'Homme, il s'avère que les conséquences toxiques du bismuth ne semblent pouvoir être déduites ni de la dose ni de la durée d’exposition, ce qui est assez inhabituel en toxicologie.