Bismuth

On l'y trouve à moins d'1 µg/m³ 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...).

Présent en moyenne à hauteur de 0,048μg/g dans la croûte terrestre, il est retrouvé en moyenne 0,2μg/g dans des sols naturels non-contaminés (selon Bowen, 1979)[13]. Des fongicides contenant du bismuth en sont une source supplémentaire[14], 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[15]. * Dans l'eau : il est très peu présent dans l'eau de boisson, qui en apporte néanmoins 5 à 20 µg/jour).

Le bismuth (qui n'est pas un oligoélément) n'y est présent qu'en très faibles doses, souvent en limite de détection (y compris même parfois chez des plantes ayant poussé sur des sols contaminés (< 0,06 μg/g[13] - [16]). La teneur des plantes en bismuth peut cependant significativement augmenter aux alentours de sites miniers (ex : de 0,01 à 0,18 μg/g selon Li et Thornton, 1993 qui ont montré 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 (10⁻⁵ à 10⁻⁴).

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 1 et 100 ppm en solution nutritive selon Senesi (1979)[15].

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'oiseau[17]. 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 0,05 μg/g en poids sec chez la Sarcelle d'hiver et de 0,09 μg/g chez le Colvert[17]. 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[17].

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 pas pouvoir être déduites ni de la dose ni de la durée d’exposition, ce qui est assez inhabituel en toxicologie.

Or, le bismuth est de plus en plus utilisé dans les munitions utilisées pour le gibier d'eau, en Amérique du nord depuis plusieurs décennies, et les prédateurs (dont les chasseurs humains et autres consommateurs de gibier) mangent des animaux qui ont été blessés ou tués à la chasse avec ces grenailles, ou du gibier qui a directement ingéré (comme les oiseaux le font couramment) des grenailles de bismuth comme grit. Une partie du gibier n'est également que blessé à la chasse, et continue à vivre avec des grenailles ou éclats de munitions dans leur organisme (Pamphlett et al. (2000) ont déposé cinq billes de bismuth (grenailles) dans la cavité péritonéale de souris de laboratoire adultes[18]. Ils ont montré que dans l'organisme de la souris, ce bismuth n'est pas aussi insoluble qu'on le pensait[18] : au contraire, ces animaux ont rapidement manifesté une élévation du taux de bismuth dans le cytoplasme de plusieurs types de cellules vitales (système nerveux moteur, cellules tubulaires des reins ; cellules dendritiques du foie et macrophages pulmonaires) avec des conséquences non évaluées pour des animaux à durée de vie plus longue[18]. Il a été confirmé à cette occasion que le bismuth passe très facilement la barrière hématoencéphalique, que les contaminations des organes varie beaucoup selon l'individu et le moment, et les auteurs ont conclu que les gibiers blessés par des grenailles au bismuth pouvaient probablement se contaminer à des taux atteignant en quelques semaines des doses a priori dangereuses pour l'animal[18]. D'autres études, s'appuyant notamment sur une technique récente d'imagerie (autométallographie[19]), chez le rat de laboratoire expérimentalement contaminé laisse penser que le testicule peut aussi être ciblé par le bismuth, qui peut affecter les cellules de Leydig et les macrophages testiculaires, ce qui soulève des questions concernant une éventuelle reprotoxicité[20] - [21]. Les milieux naturels commencent à être enrichis par les millions de grains de grenailles de plomb perdue dans l'environnement à chaque saison de chasse. Selon une étude récente (2008) le bismuth reste disponible sous forme de grit, contamine le sol (surtout s'il est acide) mais semble non contaminant pour la végétation locale, même en milieu acide[22], et en 2006, il n'y a pas encore de preuve de l'innocuité environnementale et sanitaire de ces munitions [23].

Sa rareté en fait un bon traceur des émissions volcaniques (où il est lié aux sulfures, lesquels sont aussi une donnée d'intérêt pour la météo et le climat mondial) ; on peut maintenant rétrospectivement le retrouver et mesurer ses variations passées (en picogrammes) dans les carottages de glaces polaires ou de dépôts neigeux plus récents. Ses sources volcanique ont ainsi été évaluées à 1200–1700t/an de bismuth élémentaire, ce qui est considérable comparativement aux 40t/an de l'érosion éolienne des continents additionnée des relarguages à partir des sels marins selon Candelone (1995)[24] - [25] - [26].

Vers 1995, l'humanité était responsable d'une contamination supplémentaire de l'environnement à hauteur d'environ un peu moins de 15 t/ de bismuth (soit tous les deux ans un apport dépassant la totalité des apports dus à l'érosion et aux sels marins), mais ces émissions anthropiques sont indiscutablement en augmentation constante depuis plusieurs décennies, et le recyclage du bismuth ne s'est pas développé, et la dispersion de millions de grenailles de chasse en alliage de bismuth et en acier bismuthé (utilisé en remplacement du plomb) va contribuer à accélérer cette pollution émergente. L'utilisation encore croissante de charbon et d'autres combustible fossiles en contenant et le développement de l'activité minière devrait encore accélérer cette contamination environnementale[24].

S'y ajoutent cependant des sources anthropiques de plus en plus nombreuses ; avec des teneurs localement anormalement élevées dans l'air, les sols, l'eau ou certains aliments. Ces contaminations sont principalement dues à :

• la métallurgie ;
• à certaines activités minières ; en raison de ses affinités géochimiques, on le trouvera plutôt autour des mines de plomb, d'argent, d'étain, mais aussi de cuivre, qui expliqueront une grande partie de sa redistribution anthropique dans les milieux naturels [27] (des teneurs plus élevées en bismuth sont mesurées autour de certaines mines, par exemple jusqu'à 436 μg/g autour d'une mine de cuivre coréenne[16]; et l'industrie et la combustion d'énergies fossiles (on a montré en 2001 qu'il peut avoir été concentré (jusqu'à 5 μg/g dans certains charbons et graphites (où l'on trouve aussi du mercure, du plomb et d'autres métaux indésirables)[28] ;
• certaines activité industrielles (soudure...) ;
• un usage croissant dans les munitions, de chasse notamment, est une source émergente[18].

Forme naturelle et rare du bismuth : Cristal natif (ici de 2 cm, associé à la bismuthinite plus jaune et moins brillante, Huallatani, Mine du Potosí (Bolivie)

C'est un élément chimique rare de l'écorce terrestre et dont la concentration massique varie de 0,03 g/tonne à 0,2 g/t (car il est plus abondant dans la croûte continentale que dans le manteau)[29].

Les aérosols volcaniques ou de geyser en contiennent souvent un peu plus que le sol car, bien que élément lourd, ses composés halogénés sont très volatils et passent dans les airs pour environ un cinquième en masse dans les zones volcaniques en activité. Le ²¹⁰Bi, plus encore que le ²¹⁰Po et le ²¹⁰Pb, est d'ailleurs un excellent marqueur radioactif des aérosols volcaniques.

Plus encore que l'arsenic ou l'antimoine, l'élément Bi est chalcophile. Il se combine facilement au soufre et à ses voisins sélénium ou tellure, et accompagne fréquemment les autres métaux chalcophiles (plomb, zinc...). Ceci explique que depuis un siècle le débismuthage du plomb produit l'essentiel du bismuth mondial, ne laissant à la récupération des déchets des procédés électrochimiques de raffinage du cuivre qu'environ un dixième en masse. Mentionnons à titre anecdotique au niveau mondial le sous-produit du raffinage de l'étain par scorification ou du traitement de la cassitérite par l'acide chlorhydrique par voie aqueuse à chaud.

Géologiquement parlant, le bismuth élémentaire est condensé dans les veines hydrothermales et les failles hydrothermales de l'écorce terrestre, notamment lors des collisions continentales. Hormis le rare bismuth natif, ses principaux minéraux à usage de minerai sont la bismuthinite Bi₂S₃, la bismite Bi₂O₃α, la bismutite ou bismuthite (BiO)₂CO₃ ainsi que ses variétés diversement hydratées par exemple du type (BiO)₂CO₃. 2 H₂O, un court moment exploitée à Meymac en Corrèze à la Belle Époque. La tétradymite, l'eulytite ou eulytine Bi₄(SiO₄)₃, la bismuthoferrite ou bismutoferrite Fe^III₂Bi(SiO₄)₂(OH), la bismuthotantalite Bi(Ta,Nb)O₄, la bismoclite BiOCl en contiennent, sans être des minerais reconnus. Les minerais de bismuth, sous forme de sulfures et minoritairement d'oxydes et de carbonates, sont très similaires à ceux de l'étain et du plomb. Le bismuth est présent dans une variété de sulfures complexes de cuivre et de plomb, souvent intimement mais le plus communément à l'état de traces sous forme de sulfo-antimoniures et de sulfo-arséniures de cuivre. Il s'est aussi formé hors des veines hydrothermales, dans des roches porphyres aurifères, où l'élément lourd est associé au cuivre et au molybdène.

Le corps simple Bi est un semi-métal blanc argent, de réseau rhomboédrique ou de système cristallin trigonal aux reflets légèrement rosés, mauves ou rouges, à clivages faciles. Il peut être aussi gris rougeâtre. Il est fragile et cassant, de densité élevée entre 9,78 et 9,81[alpha 4]. Du point de vue mécanique, il s'agit bien d'un semi-métal, car fragile et cassant, en particulier à cassure lamellaire, il est facile à réduire en poudre dense. Sa pulvérisation fine engendre des vapeurs métalliques d'un bleu verdâtre.

La plupart des chimistes le considèrent néanmoins comme un métal lourd, de masse moyenne atomique avoisinant 208,980 uma, mais il faut signaler qu'il possède la plus faible conductivité électrique et thermique de tous les métaux solides[alpha 5]. Sa conductibilité thermique est environ cinquante fois plus faible que celle de l'argent.

Son point de fusion dépasse 270 °C, il atteint précisément 271,4 °C et son point d'ébullition se situe à 1 560 °C +/- 5 °C. Le volume du corps simple bismuth solide se contracte lors de la fusion et inversement le volume s'accroît lors de la solidification ; c'est une caractéristique rare, partagée seulement par quelques corps simples comme l'antimoine Sb, le gallium Ga, le silicium Si et le germanium Ge, et quelques oxydes comme la glace H₂O[alpha 6].

Il est aussi le plus diamagnétique des métaux, c'est un des rares solides fortement diamagnétiques[alpha 7]. Il présente l'effet Hall le plus élevé. Ce faible absorbeur de neutron est opaque aux rayons X.

Il est fortement thermoélectrique, surtout au contact de l'antimoine.

Le bismuth chauffé fortement brûle à l’air avec une flamme bleue qui dégage des fumées jaunes d’oxyde de bismuth. Le bismuth se volatilise au rouge blanc. Il est inaltérable à l'air froid.

Le bismuth métal est insoluble dans l'eau, mais il est soluble dans l'eau régale, dans l'acide sulfurique concentré à chaud. Il est attaqué par l'acide nitrique, mais ne l'est pas par l'acide chlorhydrique même à chaud. En fait, l'attaque de l'acide chlorhydrique et de l'acide sulfurique est très lente à froid, alors que si la dissolution est rapide dans l'acide nitrique, la solution obtenue contient du nitrate de bismuth hydraté qui cristallise en gros prismes obliques à base parallélogramme, incolore et déliquescent. Mais une dilution à l'eau, puis à l'eau bouillante permet d'obtenir les sous-nitrates de bismuth. Chauffés légèrement à sec, les sous-nitrates se transforment en nitrate. La calcination du (sous)nitrate de bismuth en présence de charbon actif et de carbonate de sodium est un vieux moyen chimique ultime de purifier le bismuth préalablement raffiné autrefois par fusion avec le nitre[alpha 8].

Ces propriétés de solvatation de l'ion Bi³⁺, en réalité sous formes hydrolysées d'ion bismuthyle BiO⁺ ou bismuthyle solvaté Bi(OH)_2⁺ en solution aqueuse modérément acide, explique la possibilité de synthèse cristalline, si la précaution de conserver ou pérenniser le bismuth métal dès son obtention au degré d'oxydation zéro par un revêtement protecteur est prise[alpha 9]. En effet, la réduction par l'air du bismuth est connue depuis des siècles, à l'instar de celle du cuivre ou du plomb, à moindre évidence du cadmium. Il suffit par exemple de provoquer l'interaction ou réaction chimique entre ses dérivés sulfurés et oxydés pour obtenir du bismuth natif artificiel.

La solidification en beaux cristaux rhomboédriques, mis à nu en décantant la masse avant que la solidification soit complète, présente des points communs avec celle de cristaux de soufre. Sur les cristaux artificiels, une pellicule irisée d'oxyde de bismuth apporte un bel effet.

Conductivité :

• le bismuth est le second métal plus mauvais conducteur de la chaleur après le mercure[9] ;
• 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[9] ;
• en 2017 la supraconductivité de monocristaux de bismuth a été mise en évidence en dessous de 0,53 mK à pression ambiante, avec un champ magnétique critique estimé à 5,2 mT à 0 K[30]. La supraconductivité du bismuth ne peut pas être expliquée par la théorie BCS parce que l'approximation adiabatique ne lui est pas applicable, et pose le problème de la supraconductivité des matériaux à faible densité de porteurs et structure de bandes particulière.

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 à l'état liquide > 9,8 ;
• densité à l'état 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 : C_p = 0,1077 + 5,2055 × 10⁻⁵ T[3], avec :

• T en K ;
• C_p en kJ/(kg⋅K).

Il existe une grande variété de mises en forme métallique : plombs de chasse ou de pêche, billes, billettes, boules, balles, globules, pastilles, nodules, perles, rondelles, cylindres, tubes, anneaux, lames, lingots, bâtons, disques, disquettes, bandes, bobines, barres, barrettes, brides, plaques, plaquettes, galettes, tranches, rubans, feuilles, grains, flocons, fil, aiguilles, granulés, copeaux, jetons, pièces, piécettes, petits et gros morceaux, bloc, bobines, bosse, tôle, matière concentré, micro-feuilles, microlames, poudre, poussière, etc. parmi d'autres pièces et échantillons de formes précises.

Les alliages à base de Bi, Pb, Sn et encore Cd sont réputés depuis plus d'un siècle et demi pour leur fusibilité et leur masse volumique variable en fonction de la température. Bi₂Sn₂Pb fond vers 94 °C, il se dilate de 0 °C à 35 °C, se contracte jusqu'à 55 °C à un volume plus faible qu'à 0 °C, avant de se dilater à nouveau de 55 °C jusqu'à la fusion.

Un alliage de Newton fondant aux alentours de 94,5 °C était autrefois défini par 8 parties massique de Bi, 5 de plomb Pb et 5 d'étain Sn. Un alliage de Darcet fondant vers 93 °C l'était par 2 de Bi, une de Pb et une de Sn. Un alliage de Wood fondant vers 65 °C par 7 parties de Bi, 2 de Pb, 2 de Sn, et 2 de cadmium Cd.

L'élément est cité dans l'alliage par ordre d'importance massique.

• AlBi
• BiSb
• BiCd
• BiIn, BiInCd, BiInPbSn, BiInSn
• BiPb, BiPbCd, BiPbCdIn, BiPbCdInSn, BiPbCdSn, BiPbIn, BiPbInSn, BiPbSn, BiPbSnInCd, BiPbSnIn, BiPbSnCd, BiPbSnAg
• BiTe en particule ou en poudre
• BiSn, BiSn à l'eutectique (morceau), BiSnCd, BiSnInPb, BiSnAg
• InBi (composé fixe), InBi, InBiCd, InBiCdSn, InBiSn
• PbBiSnCd
• SnBiCuAg, SnBiZn
• SnInAgBiCu
• SnPbAgBi en particule ou en poudre
• SnAgBiCu
• Métal de Wood en bâton

Poudre de sesquioxyde de bismuth.

Un des arguments chimiques pour le statut de métal du bismuth est la propriété basique de Bi₂O₃, ainsi que le caractère plus basique de Bi₂S₃ que le sulfure d'arsenic ou d'antimoine. Avec ces derniers, les composés les plus souvent mentionnés dans un cours de chimie sont la bismuthine BiH₃ et le tellurure de bismuth Bi₂Te₃ semi-conducteur en chimie minérale, le sous-gallate C₇H₅BiO₆ et le sous-salicylate de bismuth C₇H₅BiO₄ pour la chimie organique.

La grande majorité des composés de bismuth possède l’étrange particularité de ne jamais être solubles dans l’eau pure. Du fait de l'existence du composé ionique BiO⁺ signalée plus haut en milieu aqueux, les différents nitrates, sulfates et chlorures de bismuth ne sont précisément solubles que dans de l’eau acidifiée. Mis simplement ou chauffés dans l’eau pure, ils se décomposent et laissent un dépôt blanc amorphe contenant de l’hydroxyde de bismuth Bi(OH)₃, qui, en perdant une partie de son eau, donne de l'hydroxyde de bismuthyle BiO(OH). Ce dépôt possède un pouvoir couvrant remarquable, connu dès les temps médiévaux d’où son emploi en peinture sous l'appellation de « blanc d’Espagne » et en cosmétique sous le nom de « blanc de fard ». Selon la légende chimiste, c'est ce dépôt blanc qui serait à l’origine de son nom, bismuth ou wismuth provenant de l'expression « weisse Masse » en allemand, soit « masse blanche »[31].

Les sels de bismuth sont en général incolores, la couleur éventuelle étant le fait de l'anion et d'autres ions associés. Ils sont décomposables par l'eau. Rappelons qu'avec l'acide sulfurique, il se forme un précipité noir, insoluble dans les sulfures alcalins, et qu'avec les alcalis, il se forme également un précipité blanc, qui devient insoluble en présence d'un excès d'alcalis.

Leur mise en contact de fer ou de zinc à l'état métallique libère le métal bismuth par simple réaction d'oxydoréduction. La formation de bismuthine, corps gazeux instable, ne peut être obtenu qu'en très petite quantité ou à l'état de traces, encore faut-il procéder avec un mélange de métal magnésium (divisé) et d'acide fort. Le dépôt du test de Marsh est très délicat à réaliser, voire impossible.

L'addition de phosphates solubles aux sels de bismuth donne un précipité insoluble dans l'acide nitrique étendu. Cela a permis au chimiste Chancel de proposer un dosage de l'acide phosphorique.

Le corps simple bismuth métal peut être dosé en le transformant préalablement à l'état de chromate et d'oxychlorure.

Le couple Bi(V)/Bi(III) se révèle un oxydant très puissant, très supérieur au couple de l'oxygène natif, O₂/O²⁻ ou gaz dioxygène / oxyde formé.

Les corps composés les plus connus sont :

• sulfures

sulfure de bismuth(III) Bi₂S₃ ou bismuthinite

sulfure double d'iridium et bismuth ou le minéral naturel changchengite

sulfosel (Ag,Cu)₃ (Bi,Pb)₇ S₁₂ ou benjaminite

sulfotellurure de bismuth Bi₂Te₂S ou tétradymite

sulfoséléniure de bismuth Bi₂(Se,S)₃ ou paraguanajuatite

• séléniures

séléniure de bismuth Bi₂Se₃ connu avec le minéral naturel guanajuatite

séléniure de palladium et de bismuth PdBiSe ou padmaïte

• tellurures

tellurure de bismuth Bi₂Te₃ semi-conducteur

tellurure d'antimoine et de bismuth BiSbTe en granules, poudres ou morceaux, parfois Bi_0.55Sb_1.5Te₃ en billes, semi-conducteur

tellurure double de platine et bismuth ou maslovite, minéral naturel

tellurure de palladium, platine et bismuth, ou michenerite

• oxydes

sesquioxyde de bismuth(III) Bi₂O₃ et ses trois variétés allotropiques, oxydes basiques. Bi₂O₃α correspond en minéralogie à la bismite monoclinique pseudo-orthorhombique, Bi₂O₃β à la sphaérobismoïte ou bismuthosphérite tétragonale à structure de fluorine.

penta-oxyde instable Bi₂O₅, et quasi inconnu sous cette forme, mais plutôt de structure NaBiO₃ ou Bi₂O₅.Na₂O, solide brun très fortement oxydant obtenu dans la soude, et insoluble dans l'eau, nommé bismuthate de sodium

• oxydes complexes

ferrite de bismuth

germanate de bismuth

oxydes multiples Bi_1.6Pb_0.4Sr_1.6Ca_2.0Cu_2.8O_9.2+x ou Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x

• peroxydes

peroxyde de bismuth(IV) Bi₂O₄

• hydroxydes

Bi(OH)₃ légèrement amphotère, à hydrolyse facile

• oxyhalogénures

BiOCl (en) insoluble ou blanc de perle,

BiOCl.H₂O

oxybromure de bismuth BiOBr

oxyiodure BiOI

Iodure de bismuth.

Nitrate de bismuth pentahydraté.

• fluorures, chlorures, bromures et iodures

BiF₃ à structure ionique

BiCl₃ (acide de Lewis)

BiBr₃

iodure de bismuth BiI₃ semi-conducteur

BiF₅

• borates

borate de bismuth BiBO₃

• carbonates et sous-carbonates

carbonate de bismuth Bi₂(CO₃)₃

sous-carbonate de bismuth Bi₂(CO₂)O₂ ou (BiO)₂CO₃ correspondant au minéral naturel bismutite

Bi₂O₃(CO₂). H₂O

• sulfates

Bi₂(SO₄)₃

Vanadate de bismuth.

• nitrates

Bi(NO₃)₃

Bi(NO₃)₃.3H₂O

Bi(NO₃)₃.5H₂O

• sous-nitrates

oxynitrate de bismuth(III) BiONO₃

BiONO₃.H₂O insoluble dans l'eau

sous-nitrate de bismuth(IV) Bi₅O(OH)₉(NO₃)₄

• phosphates

BiPO₄

monophosphate A_xB_12−2xBi_{4 + x}(PO₄)₁₂ avec 0 ⩽ x ⩽ 6, A et B métal alcalin, métal alcalinoterreux…

• stannates

stannate de bismuth Bi₂(SnO₄)₃

pentahydrate Bi₂O₃(SnO₂)₃. 5H₂O

stannate anhydride Bi₂O₃(SnO₂)₃

Bi₂O₃· 2 SnO₂

• arséniates

arséniate de bismuth BiAsO₄

arséniate de bismuth et de cuivre, soit BiCu₆(AsO₄)₃(OH)₆•3(H₂O) mieux connu sous le nom minéral de mixite

• aluminates

aluminate de bismuth Bi(AlO₂)₃

• chromates
• niobates

orthoniobate de bismuth(III) BiNbO₄

• tantalates

orthotantalate de bismuth BiTaO₄

• arséniures

arséniure de palladium et de bismuth Pd₂(As,Bi) (minéral Palladobismutharsenide en anglais)

• antimoniures semi-conducteurs

antimoniure de bismuth BiSb

diantimoniure de dibismuth Bi₂Sb₂ semi-conducteur

• bismuthures

bismuthure d'erbium BiEr

• vanadates

vanadate de bismuth BiVO₄ en trois variétés polymorphes, orthorhombique connue sous le nom minéral de pucherite ou puchérite, de dreyerite ou de clinobisvanite.

• molybdates

molybdate de bismuth Bi₂(MoO₄)₃

Bi₂MoO₆

Bi₂Mo₂O₉

• titanates semi-conducteurs

titanate de bismuth Bi₄(TiO₄)₃

titanate de bismuth(III) Bi₂Ti₂O₇

titanate de strontium dopé au bismuth, Bi-SrTiO₃

• zirconates

BiZrO₃

• tungstates

Bi₂(WO₄)₃

• carboxylates

formiate de bismuth Bi(CHO₂)₃

acétate de bismuth Bi(C₂H₃O₂)₃

hexafluoroacétylacétonate de bismuth Bi(F₃CCOCHCOCF₃)₃

néodécanoate de bismuth Bi(C₁₀H₁₉O₂)₃

citrate de bismuth(III) BiC₆H₅O₇

sous-citrate de bismuth (en association avec des antibactériens locaux, des antiulcéreux antiacides en comprimé pelliculé ou en association avec d'autres antibiotiques antibactériens ou antibactériens systémiques et d’autres antiulcéreux antiacides en gélule).

citrate de bismuth et d'ammonium Bi(NH₄)₃ (C₆H₅O₇)₂

citrate de bismuth et de potassium

oxalate de bismuth Bi₂(C₂O₄)₃

gallate basique de bismuth (antihémorroïdaire en association avec l'oxyde de bismuth)

sous-gallate de bismuth C₇H₅BiO₆

sous-gallates hydratés C₇H₅BiO₆ • x H₂O

succinate de bismuth Bi₂(C₄H₄O₄)₃ (avec d'autres antibactériens antiseptiques par voie locale en suppositoire)

sous-succinate de bismuth (BiO)₂(C₄H₄O₄) (en association avec d'autres fluidifiants de sécrétions bronchiques, expectorants, antibactériens systémiques, antiseptiques, le plus souvent en suppositoire).

gluconate de bismuth (avec le nitrate, en oligothérapie par des solutés buvables, en voie orale ou sublinguale)

• salicylates et sous-salicylates

sous-salicylate de bismuth C₇H₅BiO₄, agent actif du pepto-bismol

• butylthiolaurate de bismuth C₁₆H₃₃BiO₄S

butyl-thiolaurate de bismuthyle

• iodobismuthite de quinine
• naphténates

bi(naphténate)2 ou dinaphténate de Bi

• sulfonates

trifluorométhanesulfonate de bismuth Bi(OSO₂CF₃)₃ ou C₃BiF₉O₉S₃

• albuminates
• hydrures

bismuthine BiH₃ instable et très souvent obtenu à l'état de trace

tri(4-ethoxyphenyl)bismuthine ou C₂₄H₂₇BiO₃

• carbures

carbure de bismuth BiC

• composés métalliques binaires

Mg₃Bi₂

• composés organométalliques de bismuth

R₃Bi alkyl-bismuthane

triméthyl-bismuth Bi(CH₃)₃ (toxique et génotoxique)

triphényl-bismuth Bi(C₆H₅)₃

dichloritri(o-tolyl)bismuth C₂₁H₂₁BiC_l2

bismuth tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate) C₃₃H₅₇BiO₆

dichloro-(4-methylphenyl)-diphenylbismuth C₁₉H₁₇BiC_l2

dichlorotri(4-chlorophenyl)bismuth C₁₈H₁₂BiC_l5

tris(1-methoxy-2-methyl-2-propoxy)bismuth Bi(C₅H₁₁O₂)₃

tris(2,2,6,6-tetramethylheptane-3,5-dionato)bismuth Bi(C₁₁H₁₉O₂)₃

Cristal d'oxyde de silicium et de bismuth Bi₁₂SiO₂₀.

• composés siliconés
• poudres nano

oxyde de bismuth, cobalt et zinc (Bi₂O₃)_0.07(CoO)_0.03(ZnO)_0.90

• électrolytes solides

oxyde de bismuth stabilisé par l'oxyde d'yttrium (Bi₂O₃)_0.75(Y₂O₃)_0.25

Le bismuth est un semi-métal principalement obtenu comme sous-produit de traitements de divers minerais sulfurés. En 2010 près de la moitié du bismuth produit sert comme simple additif d'alliages métalliques. Un quart serait utilisé par l'industrie chimique et pharmaceutique, la première incluant les spécialités verrières et céramiques[alpha 10]. Le dernier quart à un tiers de la production mondiale serait utilisé en électrochimie, notamment en galvanisation, pour confectionner des alliages fusibles à basses températures ou des pare-feux de sécurité, réaliser des soudures spéciales, ou fabriquer des munitions alternatives au plomb.
Il est le constituant majoritaire de nombreux alliages à bas point de fusion tels que les alliages dits de Wood, de Rose ou de Field.
Il a aussi massivement été utilisé pour les alliages d'acier dès la fin du XIX^e siècle.

Le bismuth, élément de poids atomique élevé et donc dense (9,78 g/cm³) est presque aussi lourd que le plomb à volume identique (11,32 g/cm³). Ceci lui confère presque les mêmes qualités balistiques et de pondération ou d'absorption de certains rayonnements. Bien que neurotoxique, plus rare et plus coûteux que le plomb, il est significativement moins toxique que ce dernier. Il a donc été proposé, puis utilisé par un nombre croissant d'industriels comme substitut au plomb qui commence à être interdit par diverses législations dans le monde :

• pour des agrès (platines) de pêche (alors moins toxiques quand ils sont avalés par des oiseaux ou perdus dans l'environnement) ;
• pour des grenaille de chasse, le bismuth en alliage, bien moins toxique que le plomb (mais dont la biodisponibilité à partir des grenailles incrustées dans la chair était inconnue, et se fragmentant facilement à l'impact, et source possible de contamination de la viande et du consommateur[18]) remplace le plomb dans certaines munitions de chasse antérieurement faites d'un alliage de plomb généralement durci à 8 % d'arsenic et antimoine. Les Pays-Bas, le Danemark, l'Angleterre, le pays de Galles, les États-Unis et de nombreux autres pays interdisent désormais l'utilisation de la grenaille de plomb pour la chasse, sur tout le territoire ou au moins dans les zones humides, car de très nombreux animaux (oiseaux d'eau particulièrement, et leurs prédateurs meurent ou sont chroniquement victimes de saturnisme animal. Ce saturnisme est acquis à la suite de l'ingestion directe ou indirecte de grenaille de chasse ou de ball-trap dispersée dans l'environnement par milliers de tonnes chaque année. Les oiseaux avalant du plomb en croyant ingérer du grit (petits cailloux arrondis ingérés pour broyer les aliments dans le gésier). La grenaille faite d'alliage de bismuth à 5 % d'étain a des performances balistiques similaires à celles du plomb mais elle tend à se fragmenter plus facilement à l'impact, or les particules ou nanoparticules[32] de bismuth sont une source préoccupante de contamination de l'animal ou du consommateur. (Une autre solution moins chère, mais également moins performante ou nécessitant une charge de poudre augmentée, est la grenaille faite d'acier, acier doux ou fer doux, dont les grains peuvent être « bismuthés » (couverts d'une couche de bismuth qui empêche le fer de rouiller, tout en économisant le bismuth dont les ressources géologiques connues sont limitées
  Le manque de malléabilité du bismuth le rend toutefois impropre à une utilisation pour les balles de chasse au grand gibier ; à la suite d'un accident de chasse avec grenaille de bismuth, constatant qu'on ignorait encore le risque posé par la présence dans le muscle ou un organe de grenailles ou fragments de bismuth, une étude a été décidée (publiée en 2012)[33]. Elle a porté sur les effets de l'inoculation de fragments de bismuth dans le muscles des membres d'un groupe de rats de laboratoire. Du bismuth moléculaire a rapidement été retrouvé dans l'urine et le sang de ces animaux[33]. La bio-imagerie a donné des informations sur la distribution du métal diffusant dans le tissu, montrant une légère diffusion du bismuth dans la chair autour de l'implant, en un motif non symétrique (mais il y est difficile de différencier la diffusion réelle, et un étalement résultant de la coupe du tissu pour l'imagerie[33]. Une accumulation de zinc a été constatée autour de l’implant ; elle a été interprétée comme un marqueur de l’inflammation induite par l'implant[33].
• pour d'autres types de munitions (dont balles dites vertes, non-létales, anti-émeutes ou « destiné l'entraînement, à l'impact ponctuel ou à la distraction suspecte »[34]) ;
• pour fabriquer des écrans de protection du corps humain contre les rayons X, en latex imprégné de bismuth. Ces écrans sont utilisés lors des examens médicaux, tels que les tomodensitomètres, principalement car le bismuth est moins toxique que le plomb[35] ;
• pour la production de soudures à bas point de fusion : la directive européenne sur la limitation de l'utilisation de substances dangereuses (RoHS), pour faciliter la réduction des usages du plomb, a élargi l'utilisation du bismuth dans les composants électroniques en tant que composant de soudures à bas point de fusion, en remplacement des soudures traditionnelles au plomb-plomb[36]. Sa moindre toxicité le rend préférable notamment pour les soudures d'équipements de traitement des aliments et de conduites d'eau en cuivre, bien qu'elle puisse également être utilisée dans d'autres applications, notamment dans l'industrie automobile, dans l'UE par exemple[37].
• Le bismuth a été évalué comme solution de rechange au plomb dans les cuivres à usinage libre utilisés en plomberie[38], bien qu'il ne soit pas à la hauteur des performances des aciers au plomb[37].

Ce semi-métal dense et fondant assez facilement est apprécié pour fabriquer certains moules de moulage de précision sous pression (pour fabriquer des modèles réduits, comme des « petites voitures de collection » à finition soignée, ou des éléments de maquettisme, par exemple).
Le bismuth sert aussi de matière métal à mouler.

À l'eutectique des alliages à bas point de fusion, soit à 48 % de bismuth en masse, on obtient essentiellement des alliages qui se contractent, et à plus de 55 %, des alliages qui se dilatent. Un des premiers usages de ceux-ci est la soudure avec un matériel réduit au minimum. L'alliage au plomb type 44 % en masse de Pb et 56 % en Bi dont le point de fusion équivaut à 125 °C permet de réaliser des soudures à froid. En électronique, allié avec l'étain (Sn₄₂Bi₅₈), il est utilisé comme soudure (brasure) sans plomb (RoHS) à bas point de fusion.
L'alliage d'Arcet ou alliage de Darcet soit 49,2 % de Bi, 32,2 % Pb, 18,4 % de Sn fond avant 97 °C.
Un métal de Wood soit grossièrement 50 % de Bi, 25 % Pb, 12,5 % de Cd et de Sn fond dans l'eau chaude à environ 70 °C.
Les alliages de Wood, de Rose ou de Field font d'excellents fusibles en électricité : on utilise fréquemment comme fil fusible, un alliage de bismuth et d'étain (40 % / 60 %), à très bas point de fusion.
L'alliage de Wood et celui de Newton servent également à la radioprotection.

Ce sont en conséquence des fusibles adaptés à la protection incendie ou à l'alarme thermique (thermo-alarmes) : ces alliages peuvent jouer le rôle de coupe-circuits électriques, de vannes de sécurité anti-incendie, par exemple en déclenchant une chute de colonne d'eau en présence de fumées chaudes ou de vapeurs. Dans les installations d'extinction automatique à eau, souvent communément appelées « sprinkler », on utilise parfois comme obturateur un mélange quasi eutectique très fusible qui fond à 47 °C. Il est très proche d'un alliage utilisé comme joint verre-métal à base de bismuth (49,2 %), plomb (22 %), zinc Zn (18 %), étain Sn (8 %), calcium Ca (5 %), mercure Hg (4 %) et qui fond à 45 °C.
Ainsi les têtes arroseuses de sprinklers ou les prises de sûreté pour cylindres de gaz comprimés sont en alliages de bismuth.

Ces alliages avec Mn ont permis de mettre au point des aimants permanents, à champ coercitif élevé. Notez que l'on peut utiliser également l'oxyde de bismuth pour les aimants.

En plomberie, l'utilisation du bismuth, en substitution au plomb pour les assemblages techniques, est à l'étude. Ces alliages sont parfois utilisés en tuyautage et pour souder.

Le bismuth est présent dans les éléments thermo-électriques, sous forme de semi-conducteurs à propriétés thermoélectriques tels que Bi₂Te₃ et avec l'antimoine, Bi_1–xSb_x. Il permet la conception de thermocouples.

Ces industries l'utilisent beaucoup, surtout sous forme d'oxydes :

• le verre et la céramique intègrent de l'oxynitrate ou sous-nitrate de bismuth, BiONO₃ comme pigment blanc, alors que L'orthovanadate de bismuth BiVO₄ donne un pigment vert-jaune ;
• l'émaillage utilise le borosilicate de bismuth ;
• les verres optiques (flint glass) utilisent le phosphate de bismuth ;
• l'industrie des peintures utilise le carboxylate de bismuth comme siccatif moins toxique que le plomb , et surtout divers oxydes comme pigment : l'oxyde Bi₂O₃ (jaune, que l'on remarque sur les grues jaunes de chantier) ; L'oxychlorure BiOCl (blanc, notamment employé pour fabriquer des perles artificielles) ;
• la pyrotechnie utilise aussi du bismuth, dont sous forme de TPB (triphényl-bismuth) (CAS 603-33-8) et de TEPB (tris (ethoxyphényl) bismuth) (CAS 90591-48-3), classés dans divers pays comme matériel de guerre dont l'export est interdit ou soumis à autorisation[39] ;
• l'industrie chimique et des fibres artificielles, l'utilisent comme catalyseur pour produire des fibres acryliques et divers polymères, le BiCl₃ catalyse efficacement diverses réaction chimique. Le bismuth intervient aussi comme ignifugeant et retardateur de flamme (de papiers peints ou polymères) ;
• l'industrie du caoutchouc utilise le sesquioxyde de bismuth Bi₂O₃ comme catalyseur de la vulcanisation ;
• l'industrie nucléaire utilise l'hydroxyde de bismuth, à l'instar du phosphate de bismuth, comme réactif de séparation du plutonium de l'uranium irradié.
• l'industrie des semi conducteur utilise des hydrures de bismuth (bien qu'instables, volatils et réactifs) pour préparer des semi-conducteurs au germanium et au soufre.
• l'industrie des pesticides utilise du bismuth dans la composition de certains fongicides[14] (le bismuth non biodégradable, devient alors un contaminant de l'environnement).

Certains de ses dérivés (comme les sous-nitrates et les sous-carbonates) ont été employés durant plusieurs siècles par la pharmacopée traditionnelle (en pharmacie galénique, voire en parapharmacie). Ainsi le nitrate de bismuth basique, Bi(OH)₂NO₃, sous le nom de « magisterium bismuti » (magistère de bismuth), se présentant comme dépôt insoluble à propriétés antiseptiques, était autrefois utilisé comme pansement gastrique. Il était prescrit sous des formes variées, notamment par voie orale, contre l'ulcère gastro-duodénal et dans diverses indications digestives : diarrhée, constipation, colites, entérites. On le considérait comme calmant ces troubles digestifs, et antiseptique pour les blessures et infections cutanées, voire comme utile contre la syphilis, ainsi que pour enduire les pansements pour brûlure, en dermatologie.

Le bismuth médical devait être chimiquement pur, ce qui était difficile alors que son minerai est généralement très contaminé par l'arsenic, le tellure, l'argent ou le plomb (hautement toxiques).

Puis ses effets neurotoxiques secondaires ont été mis en évidence, et le bismuth sous forme soluble dans l'eau ou insoluble dans l'eau en posologie excessive a été interdit en France, après de nombreux problèmes d'intoxication médicamenteuse grave, et notamment après le constat inquiétant de métabolisation du bismuth et de l'occurrence d'encéphalopathies graves induites par des prescriptions thérapeutiques[40].

Des dérivés bismuthiques issus de sa chimie organique font néanmoins toujours partie de la pharmacie médicamenteuse, mais à très faibles doses et sous forme de produits purs et insolubles dans l'eau. Les sels insolubles (à absorption digestive limitée) constituent encore de remarquables pansements : parmi eux, les nitrates et carbonates basiques de bismuth, à fort pouvoir couvrant, montrent des propriétés antiacides et antiseptiques, réduisant drastiquement les fermentations. Ces couches salines en se divisant permettent une forte adsorption chalcophile, le bismuth fixant facilement les gaz soufrés en se minéralisant en sulfure de bismuth Bi₂S₃ qui colore alors les fèces en noir. Remarque : le bismuth étant opaque aux rayons X, il faut suspendre ce type de pansement avant une exploration radiologique du tube digestif qui nécessite la progression de substances de contraste spécifiques.
Il est encore utilisé dans les traitements de la leucémie. Et certains oligothérapeutes le recommandent encore à dose faible pour combattre des infections virales répétées, perpétuant le plus souvent des réactions inflammatoires douloureuses, tels certains maux de gorge décrits en laryngite ou pharyngite[41].

Sa toxicité intrinsèque en fait l'un des biocides naturels connus : il a été utilisé dans certains désinfectants (sous forme de sesquioxyde de bismuth), mais comme le mercure, en raison de ses effets secondaires et de son caractère non dégradable, il a été remplacé par des produits moins toxiques, moins écotoxiques et/ou plus dégradables. Son action biocide envers les micro-organismes intestinaux vecteurs de maladie ou les développements viraux justifie le (sous)succinate de bismuth en thérapeutique par voie rectale (suppositoire) contre les angines, ou par voie parentérale contre la syphilis. Certaines (inter)cures d'antibiothérapie font encore appel à des dérivés liposolubles (ex : butyl-thiolaurate de bismuthyle ou iodobismuthite de quinine ; par injections musculaires à dates programmées). Il a été récemment (2005) montré que le Bismuth subsalicylate (BSS, matière active du médicament Pepto-Bismol) réputé insoluble devient soluble quand il interagit avec des jus de fruits, l'acide ascorbique, ou des substrats contenant des thiols ; et il présente alors une toxicité accrue contre Clostridium difficile ; on a cherché à doper cette efficacité contre le clostridium[42].

En cosmétique, les rouges à lèvres ou des laques pour ongles contiennent une charge d'oxychlorure de bismuth (BiOCl) et/ou d'oxynitrate de bismuth (BiONO₃) qui leur donnent une brillance nacrée. L'oxychlorure de bismuth donne aussi un aspect nacré à des « ombres à paupières ».
Du citrate de bismuth (à 0,2 %) est utilisé dans une lotion de repigmentation des cheveux[43]. Les ions de bismuth réagissent en effet avec la fibroprotéine du cheveu (kératine) par l'intermédiaire du soufre également contenu dans cette lotion.
Certains pays n'appliquant pas le principe de précaution reconnu en 1974 en France, acceptent encore des dérivés de bismuth dans la composition de déodorants.

Son coût, sa rareté relative, son utilité comme catalyseur et sa toxicité justifient qu'il soit mieux recyclé, mais beaucoup de ses usages sont dispersifs (peintures, munitions, fibres, additifs, pesticide, ce qui rend très difficile sa récupération).
Le recyclage du bismuth métal ne se conçoit aujourd'hui qu'avec des alliages à forte teneur connue dénommé en franglais scraps d'alliage[alpha 11].

Le plus grand producteur mondial de bismuth est devenu la Chine (plus de 60 % du marché dans les années 2010). ce pays serait également propriétaire d'environ trois-quarts des quelque 340 à 350 mille tonnes de réserves reconnues et exploitables facilement, estimée à quarante années d'usage à un rythme de consommation stable de 9 000 tonnes/an.

La France est nette importatrice de bismuth (selon les douanes françaises, en 2014). Le prix moyen à la tonne à l'import était de 17 000 €[44].

Avant les années 2010, le prix de 100 g de bismuth très pur avoisinait 40 dollars US. Acheté en masse et conditionné à un degré moins pur, le kilogramme de bismuth pouvait se réduire entre 20 et 30 dollars US, atteignant parfois une dizaine de dollars US.

• Alain Foucault, Jean-François Raoult, Fabrizio Cecca, Bernard Platevoet, Dictionnaire de Géologie - 8^e édition, Français/Anglais, édition Dunod, 2014, 416 pages. Avec la simple entrée « bismuth » page 43.
• Anne-Marie TRISTANT, article « Bismuth », in Encyclopædia Universalis, 2001.
• Bruce Herbert Mahan, Chimie, InterEdition, Paris, 1977, 832 p. (Traduction de University Chemistry, 2^e éd., Addison-Wesley Publishing Company, Massachusetts, 1969 (ISBN 978-2-7296-0065-5)), en particulier p. 629-630.
• Paul Pascal, P. Bothorel, Adolphe Pacault, Guy Pannetier (dir.), P. Bothorel, R. Dolique, L. Domange, P. Pascal (rédacteurs), Nouveau traité de chimie minérale : Arsenic, antimoine, bismuth, Volume 11, Masson, 1958.
• Danscher G, Stoltenberg M, Kemp K, Pamphlett R (2000) Bismuth autometallography. Protocol–specificity–differentiation. J Histochem Cytochem 48:1503–1510
• Filella M (2010) How reliable are environmental data on ‘orphan’elements? The case of bismuth concentrations in surface waters. Journal of Environmental Monitoring, 12(1), 90-109 (résumé).

• Élément-trace métallique (métaux lourds)
• Toxicité des munitions
• Isotopes du bismuth

• (fr) Bismuth dans le TLF
• (fr) Macrophotographies de bismuth fondu avec effet d'irisation
• (fr) Salicylate de bismuth basique
• (fr) Salicylate de bismuth pour la diarrhée chez l’enfant, Journal médical canadien
• (fr) Ulcère gastroduodénal lié à Helicobacter Pylori : éviter le bismuth, sur prescrire.org, en 2013
• (en) Images de bismuth sous différentes formes
• (en) Données globales avec incorrections et coquilles, en particulier sur la température d'ébullition, toxicologie
• (en) « Bismuth », sur Laboratoire national de Los Alamos (consulté le 6 avril 2018)
• (en) Fiche de présentation du Bi du laboratoire Jefferson
• (en) Minéralogie de l'élément bismuth
• (en) Fusion du Bismuth métal, fabrication de lingot et fabrication de cristaux de Bi au chalumeau
• (en) Comment fabriquer des cristaux de bismuth artificiels. Ne pas imiter cette préparation simplifiée en cuisine, mais en laboratoire avec hotte aspirante, lunettes et gants par principe de précaution.
• (en) Lévitation d'un petit aimant cubique, en particulier entre des cristaux de bismuth
• (en) Courte présentation chimique et lévitation d'un cube de bismuth entre deux assiettes de bismuth métal, sous l'influence d'un aimant au néodyme
• (en) Sur les bronzes au bismuth
• (en) Dossier bibliographique du service géologique américain USGS
• (en) Une partie des corps simples, alliages et corps composés répertoriés du bismuth, ainsi que leurs aspects pratiques
• (en) Découverte de la radioactivité naturelle du Bi
• (en) Présentation des applications et formes de ses alliages de soudure au bismuth par une société américaine spécialisée
• (en) « Technical data for Bismuth » (consulté le 15 août 2016), avec en sous-pages les données connues pour chaque isotope