Il bismùto è l'elemento chimico di numero atomico 83 e il suo simbolo è Bi. È il quinto elemento del gruppo 15 (gruppo dell'azoto) del sistema periodico (6° periodo), fa parte del blocco p ed è l'elemento che nel gruppo viene dopo l'arsenico e l'antimonio. Come per questi, le sue valenze principali sono 3 e 5 e gli stati di ossidazione, pur con varia stabilità, vanno da -3 a +5.
Fino al 2003 è stato ritenuto erroneamente l'ultimo elemento della tavola periodica non soggetto a decadimenti, sebbene la sua attività prevista è così piccola da non essere praticamente rilevabile, se non con misure particolarmente complesse (vide infra).
Appare come un metallo pesante, anche se meno del piombo, fragile, di aspetto grigio-argenteo rosato, scarso conduttore elettrico e termico, uno dei peggiori tra i metalli, e di questi è il più diamagnetico.
Il suo comportamento chimico assomiglia in vari aspetti a quello dell'arsenico e dell'antimonio. A differenza di questi ultimi, e anche del piombo, il bismuto è relativamente non tossico. Composti del bismuto esenti da piombo sono usati nell'industria cosmetica e in applicazioni mediche.
Caratteristiche Il bismuto è un elemento chimico dal tipico aspetto metallico: mostra la caratteristica lucentezza metallica di colore grigio-argenteo con lieve sfumatura rosata, è un conduttore di elettricità, sebbene in questo sia parecchio scadente, e inoltre è fragile, assomigliando in questo all'antimonio e all'arsenico che lo precedono nel suo gruppo. Insieme a silicio, gallio e germanio, il bismuto è un elemento che, a pressione ambiente, diminuisce di volume (aumenta di densità) all'atto della fusione, come accade nel caso dell'acqua. La temperatura di fusione è piuttosto modesta (544.4 K) ed il liquido può essere sottoraffreddato decine di gradi sotto la temperatura di fusione, anche ad alte pressioni. È dibattuto se il liquido possa essere considerato polimorfico.
In forma finemente suddivisa, per riscaldamento in aria può infiammarsi e bruciare con fiamma blu, producendo fumi gialli di ossido di bismuto (Bi2O3).
Dopo l'arsenico e l'antimonio che sono considerati metalloidi, il bismuto, tenuto conto anche delle sue proprietà chimiche, viene perlopiù considerato un elemento metallico, nell'accezione chimica del termine e, più specificamente, viene descritto come un metallo di post-transizione, sebbene venga talvolta annoverato da altri come metalloide.
Da un punto di vista fisico, invece, il bismuto non è un materiale metallico a temperatura e pressione ambiente, ma un semimetallo: il minimo della sua banda di conduzione è collocato più in basso in energia del massimo della sua banda di valenza (c'è quindi ricopertura delle due bande, come accade nello stato metallico), ma il massimo e il minimo sono situati a valori diversi del vettore d'onda. La minima ricopertura delle bande (≈ ) e lo scarto nel loro posizionamento sono i fattori che limitano la conduzione elettrica del bismuto: la sua resistività () è perfino maggiore di quella dell'antimonio () e dell'arsenico (), anch'essi fisicamente semimetalli, nonostante siano elementi chimicamente meno metallici rispetto a esso; d'altro canto, lo stesso andamento qualitativo trova riscontro nella loro conducibilità termica e quindi, per quest'ultima e per la conducibilità elettrica, qualitativamente si ha: As > Sb > Bi.
Strutture cristalline Il bismuto si presenta con varie strutture cristalline in dipendenza delle condizioni di temperatura e pressione. In condizioni ambiente la struttura termodinamicamente più stabile (α-Bi) è analoga a quella comune all'arsenico e all'antimonio (arsenico grigio, α-As e α-Sb). La struttura è romboedrica e consiste in una sovrapposizione di vari strati increspati di atomi bismuto: gli atomi sono disposti sopra e sotto il piano medio di ogni strato; in un dato strato questi atomi formano anelli esagonali in conformazione a sedia e gli esagoni sono connessi fra loro con giunzioni trans (come nella trans-decalina).Nella struttura simile del fosforo nero gli anelli esagonali sono invece condensati in cis, come nella cis-decalina. Ogni atomo di bismuto in uno strato è legato a tre primi vicini e la distanza Bi–Bi è di 307 pm, con un angolo Bi-Bi-Bi di 95,5° (109,5° idealmente nell'anello del cicloesano); inoltre, ogni atomo Bi è meno fortemente legato a tre atomi Bi dello strato sottostante con distanze Bi … Bi di 353 pm, valore che è alquanto inferiore al doppio del raggio di van der Waals del bismuto (414 pm). Il coefficiente dell'effetto Hall del Bi in questa struttura è il più alto di ogni altro elemento metallico. A pressioni di ~ 8 GPa e oltre la struttura più stabile diviene quella cubica a corpo centrato, struttura comune in molti metalli.
Strutture molecolari La molecola Bi4, che si suppone sia analoga a quelle dei congeneri superiori (P4, As4, Sb4), è stata indagata con calcoli quantomeccanici. Sono state trovate due strutture che sono minimi locali sulla superficie di energia potenziale di questa specie. La più stabile è tetraedrica regolare, esattamente analoga alla ben nota molecola P4, con simmetria molecolare Td; i legami Bi–Bi risultano lunghi 301,6 pm (< 307 pm in α-Bi) e gli angoli sono ovviamente di 60°. Un altro studio teorico ha analizzato, tra l'altro, la popolazione degli orbitali coinvolti nella serie che va da P4 a Bi4, cioè la popolazione negli orbitali ns np nd da parte dei 5 elettroni di valenza; mentre per il fosforo risulta 3s1,87 3p2,95 3d0,18, per il bismuto si ha 6s2,00 6p2,95 6d0,06 e valori intermedi si trovano per As e Sb. L'andamento è quello di una progressiva stabilizzazione dell'orbitale ns, che porta via via a un suo maggiore popolamento, in accordo con una tendenza riscontrata sperimentalmente, nota come effetto della coppia inerte.
L'altra struttura, meno stabile rispetto alla prima di 162,0 kJ/mol, ha simmetria molecolare C2v e consta di due triangoli isoscele uniti per la base, come nel biciclobutano. Il legame centrale (la base del comune dei triangoli) è di 315,2 pm, gli altri sono più corti, 296,1 pm. La dissociazione di Bi4 in due molecole Bi2 (Bi≡Bi) è calcolata essere esotermica per 270,9 kJ/mol e la dissociazione di ciascuna Bi2 in due atomi richiede 232,2 kJ/mol.
Cristalli artificiali Il bismuto in forma altamente pura può formare cristalli iridescenti con colori gialli, blu, rosa-porpora, verde scuro, generalmente venduti come oggetto di collezionismo. Il colore si origina semplicemente dallo spessore variabile del sottile strato di ossido di bismuto per l'interferenza che vi si crea con le onde luminose, dato che tale spessore è confrontabile con la lunghezza d'onda della luce visibile.
Isotopi Il bismuto, come anche il fosforo e l'arsenico che lo precedono nello stesso gruppo 15, è un elemento mononuclidico: l'unico isotopo presente in natura è 209Bi (spin 9/2-). Questo isotopo, come si è scoperto nel 2003, è radioattivo (vide infra), per cui il bismuto, a differenza di P e As, non è un elemento monoisotopico. Questo isotopo è dotato di spin nucleare e questo permette così di usare la tecnica della risonanza magnetica nucleare per i composti di bismuto.
Instabilità dell'elemento Il bismuto è stato a lungo creduto l'ultimo elemento stabile (non radioattivo) della tavola periodica. La sua instabilità, sospettata teoricamente fin dal 1972, ha avuto una conferma sperimentale solo nel 2003, quando i ricercatori dell'Istituto di astrofisica spaziale di Orsay hanno misurato il tempo di dimezzamento per decadimento alfa dell'isotopo 209Bi, ricavando il valore di , un tempo che è oltre un miliardo di volte superiore all'attuale stima dell'età dell'Universo. Pertanto ai fini pratici il bismuto può essere di fatto considerato un elemento stabile per qualsiasi applicazione e può essere trattato come ogni altro materiale non radioattivo; benché a livelli praticamente nulli, inferiori a quelli dovuti al carbonio-14 normalmente contenuto nel corpo umano, la radioattività del bismuto è di interesse accademico in quanto prevista teoricamente prima dell'osservazione sperimentale in laboratorio.
Il 209Bi decade emettendo una particella alfa (nucleo 4He) trasformandosi in 205Tl, il secondo dei due isotopi stabili del tallio; l'energia di decadimento è Q = 3,137 MeV.
Isotopi radioattivi Oltre al 209Bi, si conoscono altri 35 radionuclidi del bismuto, aventi numeri di massa compresi tra A = 184 e A = 219.
Il 205Bi (spin 9/2-) decade per emissione di positrone (β+) per dare piombo-205, rilasciando 1,686 MeV, con un'emivita è di 15,3125 giorni; il Pb-205 così prodotto è radioattivo e decade per cattura elettronica (ε) a tallio-205 (T½ = 1,73×107 anni; ΔΕ = 50,5 keV), che è stabile.
Il 206Bi (spin 6) decade per emissione di positrone (β+) per dare piombo-206 (stabile), rilasciando 2,735 MeV, con un'emivita è di 6,243 giorni.
Il 207Bi (spin 9/2-) decade per emissione di positrone (β+) per dare piombo-207 (stabile), rilasciando 1,375 MeV, con un'emivita è di 32,978 anni.
Il 208Bi (spin 5) decade per emissione di positrone (β+) per dare piombo-208 (stabile), rilasciando 1,856 MeV, con un'emivita di 367.834 anni.
Il 210Bi (spin 1-) decade in quasi il 100% dei casi per il emissione di elettrone (β−) per dare polonio-210, rilasciando 1,161 MeV; il polonio-210 così prodotto è radioattivo e decade alfa a piombo-206 (stabile), rilasciando 5,407 MeV; in piccolissima percentuale (0,000132%) il 210Bi decade alfa a tallio-206, rilasciando 5,0364 MeV; il tallio-206 così prodotto decade β− a piombo-206 (T½ = 4,202 minuti; ΔΕ = 1,532 MeV), che è stabile. L'emivita complessiva di 210Bi è di 5,012 giorni.
Di questo isotopo è noto uno stato eccitato (metastabile) a 271,31 keV sopra il livello fondamentale, il 210mBi (spin 9-); decade alfa a tallio-206, con emivita di 3,04×106 anni; questo poi decade β− a piombo-206 (stabile).
Il 211Bi (spin 9/2-) in quasi il 100% dei casi decade alfa per dare tallio-207, rilasciando 6,750 MeV; il tallio-207 così prodotto è radioattivo e decade β− a piombo-207 (stabile), rilasciando 1,418 MeV; in piccolissima percentuale (0,276%) il 211Bi decade β− a polonio-211, rilasciando 574,09 keV; il polonio-211 così prodotto decade alfa a piombo-207 (T½ = 515 millisecondi; ΔΕ = 7,594 MeV), che è stabile. L'emivita complessiva di 211Bi è di 2,14 minuti.
Applicazioni Viene usato principalmente nel campo siderurgico e per preparare leghe a basso punto di fusione come quelle per i fusibili.
L'ossicloruro di bismuto è molto usato nell'industria cosmetica mentre il subnitrato di bismuto e il subcarbonato di bismuto trovano uso in medicina. Il subsalicilato di bismuto è usato come farmaco anti-diarroico.
Tra gli altri usi si annoverano: produzione di forti magneti permanenti, in lega con il manganese; applicazione in sistemi antincendio di molte leghe di bismuto che hanno bassi punti di fusione; come additivo del ferro per renderlo malleabile; realizzazione di catalizzatori per la produzione di monomeriKinetic studies of propane oxidation on Mo and V based mixed oxide catalysts, 2011, https://pure.mpg.de/pubman/item/item_1199619_6/component/file_1199618/csepei_lenard.pdf per materie plastiche e fibre acriliche; Il tungstato di bismuto può essere utilizzato come fotocatalizzatore per la rimozione dei composti fenolici e per la generazione di idrogeno. elettrocatalizzatore per la produzione di perossido di idrogeno]
https://eprints.soton.ac.uk/432497, e monossido di carbonio produzione di termocoppie; come refrigerante nel reattore nucleare al piombo, allo stato liquido in lega eutettica con il piombo; realizzazione di leghe per saldatura, anche perché queste si espandono leggermente per raffreddamento; realizzazione di smalti vetrosi usati per finissaggi iridescenti di cui il subnitrato di bismuto è un componente; come scintillatore inorganico utilizzato nella PET (germanato di bismuto); come sostituto dell'acciaio per simulazioni fluidodinamiche in campo di ricerca siderurgico