Bismuto e composti del bismuto: tipologie principali e applicazioni

Il bismuto è presente nella crosta terrestre a una concentrazione pressoché identica a quella dell'argento. Ha un basso punto di fusione, un'elevata densità e si espande quando solidifica. Rispetto a molti metalli pesanti, il bismuto presenta una tossicità relativamente bassa. Anche la sua radioattività naturale è estremamente ridotta. Per questi motivi, il bismuto viene spesso definito un "metallo verde".“

La Cina è il più grande produttore mondiale di bismuto e uno dei principali paesi produttori. I prodotti a base di bismuto presenti sul mercato includono bismuto raffinato, leghe di bismuto e composti come triossido di bismuto, ossicloruro di bismuto e citrato di bismuto e potassio. Questi prodotti trovano impiego in leghe a basso punto di fusione, saldature, additivi metallici, farmaci per lo stomaco, pigmenti, cosmetici e materiali elettronici.

Negli ultimi anni, i materiali a base di bismuto sono stati utilizzati anche in catalizzatori, materiali termoelettrici e rivelatori. Hanno suscitato interesse in molti settori, come le celle solari, la stampa 3D, i sensori flessibili e la diagnostica per immagini in ambito medico.

Questo articolo illustra le principali tipologie, gli usi pratici e le future applicazioni del bismuto metallico e dei suoi composti.

Usi del bismuto

Il bismuto ha una tossicità relativamente bassa rispetto al piombo e a molti altri metalli pesanti. Questo lo ha reso utile nelle saldature senza piombo, nei pigmenti, in alcuni componenti metallici, nei medicinali e nei cosmetici.

Il bismuto ha un basso punto di fusione, di circa 271,4 °C. Può formare leghe con stagno, indio, antimonio, cadmio e altri metalli. Molte di queste leghe fondono al di sotto dei 200 °C. Alcune fondono a temperature molto più basse. Ciò le rende utili nella saldatura a bassa temperatura, nella produzione di componenti per la sicurezza termica, in lavorazioni di fissaggio temporaneo e in fusioni speciali.

Il bismuto si espande quando solidifica. L'aumento di volume è di circa 3,31 volte il Tp/3T. La maggior parte dei metalli si contrae durante la solidificazione. Il bismuto può contribuire a bilanciare questa contrazione in una lega. Ciò era importante nella stampa tipografica e nella fusione di precisione. È ancora utile negli stampi a bassa temperatura di fusione, nei supporti per lenti e nei componenti che necessitano di una buona riproduzione della forma.

Il bismuto è anche un materiale denso. La sua densità è di circa 9,8 g/cm³. I materiali che contengono un'elevata quantità di bismuto possono bloccare o ridurre i raggi X e i raggi gamma. Ciò ha portato allo sviluppo di prodotti schermanti a base di bismuto e alla ricerca sui materiali per l'imaging medicale.

Le sue proprietà elettriche e ottiche aprono la strada a un'ulteriore gamma di applicazioni. Il bismuto ha una conduttività termica molto bassa rispetto agli altri metalli e un elevato coefficiente di Hall. Il tellururo di bismuto e i materiali correlati possono convertire una differenza di temperatura in elettricità. Possono anche generare raffreddamento quando vengono attraversati da corrente elettrica. Altri composti del bismuto assorbono la luce ultravioletta, visibile o nel vicino infrarosso. Per questo motivo il bismuto viene studiato per le sue potenziali applicazioni in sensori, celle solari, fotocatalizzatori e materiali fotosensibili.

Tipologie e applicazioni del bismuto metallico

Il bismuto metallico è disponibile in commercio sotto forma di lingotti, barre, bacchette, granuli, pallini, aghi e polvere. La composizione chimica è la stessa, ma la forma fisica ne influenza l'utilizzo.

I lingotti sono una scelta comune per gli impianti di produzione di leghe e per le aziende di lavorazione dei metalli. Sono facili da immagazzinare e adatti al caricamento in forno. Granuli, pallini e aghi sono più facili da pesare in piccole quantità. Inoltre, fondono più velocemente perché hanno una maggiore superficie. Polvere di bismuto Si usa quando è necessaria una miscelazione fine o una reazione più rapida.

La purezza dipende dall'utilizzo finale. Per le leghe in generale si può utilizzare bismuto raffinato standard. Per alcune applicazioni nei semiconduttori, nei rivelatori e nella ricerca è necessario un metallo ad elevata purezza. In molte applicazioni metalliche, l'analisi del titolo è solo il primo controllo. Anche piombo, arsenico, antimonio, rame, ferro e argento possono essere rilevanti.

Le leghe a basso punto di fusione rappresentano il principale impiego tradizionale del bismuto metallico. Le leghe stagno-bismuto sono comunemente utilizzate nelle saldature a bassa temperatura. Le leghe bismuto-indio-stagno e altre leghe multimetalliche vengono impiegate quando è necessario un intervallo di fusione ancora più basso. Queste leghe consentono di unire componenti termosensibili senza la necessità di temperature elevate, spesso richieste dalle saldature standard. Sono utilizzate in elettronica, ma la scelta precisa dipende da requisiti specifici quali resistenza del giunto, bagnabilità, resistenza ai cicli termici e fragilità.

Le leghe fusibili di bismuto sono utilizzate anche nei dispositivi di sicurezza termica. Un componente realizzato con questa lega si fonde a una determinata temperatura. Questa azione può aprire una valvola, rilasciare una molla, interrompere un circuito o avviare un'altra fase di sicurezza. Esempi includono fusibili termici, tappi di sicurezza, collegamenti per impianti antincendio a sprinkler e dispositivi di rilascio del calore.

Le leghe a basso punto di fusione sono adatte anche per lavorazioni di formatura e fissaggio temporaneo. Un componente può essere fissato in posizione con una lega fusa e lavorato meccanicamente dopo che la lega si è solidificata. La lega viene quindi fusa e rimossa. Lo stesso principio viene utilizzato per il posizionamento di lenti, la piegatura di tubi e il supporto di componenti sottili o irregolari. Le leghe contenenti bismuto sono impiegate anche in stampi e matrici riutilizzabili. La loro bassa temperatura di lavorazione riduce i tempi del ciclo di riscaldamento e raffreddamento.

L'espansione del bismuto durante la solidificazione favorisce queste applicazioni. La lega può riempire i dettagli più fini e mantenere uno stretto contatto con il pezzo.

Il bismuto viene utilizzato anche come additivo metallico. Piccole aggiunte possono migliorare la lavorazione di alcuni acciai, leghe di alluminio, leghe di rame e ghise. Le particelle fini di bismuto favoriscono la rottura del truciolo e riducono l'attrito in prossimità dell'utensile da taglio. Ciò può migliorare la velocità di taglio e la finitura superficiale. Il bismuto è stato studiato come sostituto del piombo in alcuni metalli a lavorabilità migliorata.

Il bismuto ha anche un ruolo minore nei sistemi nucleari e di radioprotezione. Le leghe liquide di piombo-bismuto possono trasportare calore in alcuni tipi di reattori. Hanno un basso punto di fusione e un alto punto di ebollizione. Il bismuto assorbe anche meno neutroni termici rispetto a molti metalli pesanti. Si tratta di applicazioni ingegneristiche particolari che richiedono un controllo rigoroso della corrosione, della temperatura, della composizione della lega e dei prodotti radioattivi.

Tipologie e applicazioni dei composti del bismuto

I composti del bismuto combinano una tossicità relativamente bassa con un'elevata densità e utili proprietà ottiche, elettriche e catalitiche. Diversi materiali a base di bismuto trovano impiego in pigmenti, cosmetici, prodotti farmaceutici, leghe a basso punto di fusione, catalizzatori, materiali elettronici e ricerca di laboratorio. Ossidi, ossialogenuri, vanadati, solfuri, seleniuri e tellururi di bismuto sono inoltre in fase di sviluppo per la fotocatalisi, i dispositivi termoelettrici, la schermatura dalle radiazioni e l'imaging avanzato.

Triossido di bismuto (CAS 1304-76-3) è una delle principali materie prime utilizzate nell'industria chimica del bismuto. Si tratta di un ossido giallo con formula Bi₂O₃. Viene utilizzato per la produzione di altri composti del bismuto. Viene inoltre aggiunto direttamente a vetro, ceramica, ceramica elettronica, pigmenti e sistemi catalitici.

Nel vetro speciale, il triossido di bismuto può aumentarne la densità e l'indice di rifrazione. Può anche contribuire alla produzione di vetro senza piombo con utili proprietà ottiche e di tenuta. Nei sistemi ceramici, può abbassare la temperatura di cottura o favorire la formazione della fase elettrica desiderata. Tra le sue applicazioni si annoverano condensatori ceramici, ferrite, varistori, fritte di vetro e altre ceramiche funzionali.

Il triossido di bismuto viene utilizzato anche nella produzione di catalizzatori. Può essere l'ossido attivo, parte di un ossido misto o una fonte di bismuto durante la fabbricazione del catalizzatore.

Il nitrato di bismuto, l'idrossido di bismuto e il sottocarbonato di bismuto sono spesso utilizzati come materie prime chimiche:

• Nitrato di bismuto (CAS 10361-44-1)Il bismuto può fornire ioni di bismuto nella produzione di ossidi, ossidi misti, catalizzatori e altri sali. Quando viene utilizzato in un processo a base d'acqua, viene solitamente mantenuto in una soluzione acida perché si idrolizza in acqua. Se il livello di acidità diminuisce, si può formare nitrato di bismuto basico allo stato solido. Ciò può alterare la concentrazione di bismuto e ostruire tubature o filtri.
• Idrossido di bismuto (CAS 10361-43-0) È principalmente un intermedio. Può reagire con acidi selezionati per formare nitrati, citrati, salicilati e altri composti del bismuto. Il suo contenuto di acqua e la sua attività reattiva possono influenzare i calcoli in batch.
• Sottocarbonato di bismuto (CAS 5892-10-4) Viene utilizzato in alcuni prodotti farmaceutici. È inoltre impiegato nella produzione di altri composti del bismuto e in alcuni sistemi ceramici o catalitici.

Ossicloruro di bismuto (CAS 7787-59-9) è il principale prodotto a base di bismuto utilizzato nei cosmetici colorati. Si formano particelle sottili a forma di lamella. Queste particelle riflettono la luce e conferiscono un effetto perlato dal bianco all'argento. Inoltre, donano scorrevolezza e una sensazione di morbidezza a polveri e creme.

L'ossicloruro di bismuto è utilizzato in fondotinta, ciprie in polvere, ciprie compatte, fard, ombretti, prodotti per le labbra e smalti per unghie. Può essere usato da solo per un effetto perlato delicato. Può anche essere miscelato con mica, biossido di titanio e ossidi di ferro. Questo crea diversi colori, livelli di luminosità e copertura. FDA statunitense Il farmaco elenca l'ossicloruro di bismuto come additivo colorante per cosmetici, compresi i prodotti per la zona perioculare. Il materiale può essere utilizzato anche in rivestimenti decorativi e materie plastiche.

Vanadato di bismuto (CAS 14059-33-7) serve un mercato di pigmenti diverso. Si tratta di un pigmento giallo inorganico brillante. Possiede una buona intensità di colore, resistenza al calore e agli agenti atmosferici. Viene utilizzato in vernici, rivestimenti e materie plastiche. Può sostituire alcuni pigmenti gialli contenenti piombo, cromo o cadmio.

I composti farmaceutici a base di bismuto vengono utilizzati per trattare le disfunzioni gastriche.

• Subsalicilato di bismuto (CAS 14882-18-9) Viene utilizzato come principio attivo in prodotti per la diarrea e il mal di stomaco.
• Subgallato di bismuto (cas 99-26-3) Viene utilizzato nei prodotti deodoranti per uso interno. Aiuta a ridurre l'odore di flatulenza e feci.
• Citrato di bismuto (CAS 813-93-4) viene utilizzato per produrre prodotti farmaceutici a base di citrato.
• Citrato di bismuto e potassio (CAS 57644-54-9)viene utilizzato in alcuni trattamenti combinati per Helicobacter pylori.
• Alluminato di bismuto (CAS 12284-76-3), subnitrato di bismuto (CAS 1304-85-4), e il sottocarbonato di bismuto sono stati utilizzati anche in prodotti gastroprotettivi o antiacidi.

Foconsci Chemical Industry Co., Ltd.è un fornitore cinese di composti a base di bismuto. La nostra gamma rappresentativa di bismuto comprende triossido di bismuto, sottocarbonato di bismuto, ossicloruro di bismuto, subnitrato di bismuto, idrossido di bismuto, nitrato di bismuto, alluminato di bismuto, subsalicilato di bismuto, subgallato di bismuto, ossido di nitrato di bismuto, citrato di bismuto e potassio e citrato di bismuto.

Il bismuto nell'elettronica e in altri settori ad alta tecnologia.

I materiali termoelettrici rappresentano una delle applicazioni più consolidate nel settore dell'alta tecnologia. Tellururo di bismuto (CAS 1304-82-1) E tellururo di antimonio (CAS 1327-50-0) Le leghe funzionano a temperature prossime a quella ambiente. Vengono utilizzate nei moduli di raffreddamento a stato solido. Questi moduli non hanno compressore né refrigerante in movimento. Sono impiegati per raffreddare sensori, componenti laser, piccoli dispositivi elettronici, strumenti di laboratorio e contenitori a temperatura controllata. Lo stesso tipo di materiale può anche convertire il calore di scarto in energia elettrica.

Le prestazioni termoelettriche dipendono da più fattori della sola purezza. L'orientamento cristallino, la granulometria, il livello dei portatori di carica, la densità e la configurazione dei contatti influenzano tutti il dispositivo. La polvere di tellururo di bismuto non è quindi un prodotto termoelettrico completo. Deve essere trasformata in un materiale controllato e collegata al resto del modulo.

La stampa 3D è oggetto di studio come metodo per realizzare componenti termoelettrici. La ricerca ha utilizzato inchiostri a base di tellururo di bismuto e tellururo di antimonio per stampare piccole strutture generatrici di energia. Questo metodo potrebbe consentire la realizzazione di componenti curvi o di forma personalizzata, riducendo al contempo gli sprechi di materiale. Tuttavia, la velocità di stampa, la precisione della forma, la densità e il contatto elettrico necessitano ancora di miglioramenti.

I fotocatalizzatori a base di bismuto sono un altro settore di ricerca attivo. I materiali comuni includono triossido di bismuto, vanadato di bismuto, tungstato di bismuto, ossicloruro di bismuto, ossibromuro di bismuto, ossiioduro di bismuto (CAS 7787-63-5), e il sottocarbonato di bismuto. Questi composti possono assorbire la luce e creare cariche attive sulla loro superficie. I ricercatori li utilizzano per la degradazione degli inquinanti, la produzione di idrogeno, l'ossidazione dell'acqua e alcune reazioni organiche.

Il bismuto è presente anche in materiali ottici ed elettronici. Germanato di bismuto (CAS 12233-56-6) I cristalli vengono utilizzati nei rivelatori di radiazioni perché producono luce quando assorbono radiazioni ad alta energia. Ferrite di bismuto (CAS 12010-42-3) Viene studiato e utilizzato in ceramiche elettroniche speciali perché presenta sia proprietà elettriche che magnetiche. Solfuro di bismuto (CAS 1345-07-9) È un semiconduttore che reagisce alla luce visibile e al vicino infrarosso. Viene studiato nei fotorivelatori, nei materiali solari e nei sensori.

L'ossido di bismuto ad elevata purezza viene utilizzato in alcune ceramiche conduttive e in elettroliti a base di ossidi. Il vetro contenente bismuto può offrire un elevato indice di rifrazione e una buona trasmissione infrarossa. Fibre e vetri drogati con bismuto sono inoltre oggetto di studio per applicazioni in amplificatori ottici e sorgenti luminose.

I materiali solari a base di bismuto rappresentano un campo di ricerca emergente. I ricercatori stanno testando alogenuri di bismuto e materiali simili alle perovskiti a base di bismuto come alternative meno tossiche alle perovskiti al piombo. Questi materiali sono in grado di assorbire la luce e risultano più stabili in determinate condizioni. Tuttavia, la loro efficienza di conversione energetica è ancora inferiore a quella dei migliori sistemi a base di piombo.

Sono in fase di studio anche i sensori flessibili. Il bismuto ha un elevato coefficiente di Hall. Sottili pellicole di bismuto possono rilevare variazioni in un campo magnetico. I ricercatori hanno applicato queste pellicole su polimeri flessibili per realizzare sensori che possono piegarsi attorno a un dito o a un polso. Tra le possibili applicazioni figurano il tracciamento del movimento, i dispositivi di controllo indossabili e i dispositivi elettronici flessibili. La durata nel tempo e la stabilità della produzione rimangono questioni cruciali.

La ricerca medica sfrutta un'altra proprietà del bismuto: il suo elevato numero atomico. Le particelle a base di bismuto possono fornire un forte contrasto nelle immagini a raggi X e nella tomografia computerizzata (TC). Alcune particelle sono anche in grado di assorbire la luce nel vicino infrarosso e di trasformarla in calore. Ciò suscita interesse nello sviluppo di sistemi combinati di imaging e trattamento.

Prospettive di offerta e di mercato

La maggior parte del bismuto viene recuperata durante la lavorazione di piombo, tungsteno, zinco, rame e altri minerali. Spesso è un sottoprodotto o un coprodotto. Pertanto, l'offerta di bismuto può variare in base alle modifiche apportate all'estrazione e alla raffinazione di altri metalli.

La Cina è il più grande paese produttore di bismuto. Riepiloghi delle materie prime minerarie dell'USGS per il 2026 Si stima che la produzione mineraria mondiale si attesterà intorno alle 16.000 tonnellate metriche nel 2025. La Cina ne ha prodotte circa 14.000 tonnellate metriche. Ciò equivale a circa 881 tonnellate metriche del totale mondiale.

L'Hunan è il principale centro di risorse di bismuto e di produzione a monte in Cina. Anche il Jiangxi e altre regioni ricche di metalli non ferrosi partecipano alla catena di approvvigionamento. I fornitori di prodotti chimici a valle si trovano in un numero maggiore di regioni. Foconsci Industria Chimica ha sede nello Shandong e fornisce composti di bismuto lavorati. Questo è diverso dall'estrazione o dalla raffinazione del bismuto metallico.

La Cina ha introdotto controlli sulle esportazioni di determinati prodotti a base di bismuto nel febbraio 2025. L'elenco dei prodotti soggetti a controllo non comprende tutti i composti del bismuto. Esportatori e acquirenti devono verificare con precisione la composizione chimica, il codice doganale, la forma del prodotto, l'utilizzatore finale e l'uso previsto. Tale verifica dovrebbe iniziare prima che l'ordine sia pronto per la spedizione.

La domanda proviene da diversi mercati. I settori farmaceutico e cosmetico generano una domanda costante di gradi di purezza controllati. I limiti di piombo giustificano l'utilizzo del bismuto nelle saldature a bassa temperatura, nelle leghe a lavorabilità migliorata e in alcuni pigmenti. Vetro, ceramica e catalizzatori alimentano la domanda di triossido di bismuto e di altri composti inorganici. I materiali termoelettrici e altre applicazioni elettroniche presentano volumi inferiori, ma richiedono una purezza maggiore e un controllo più rigoroso.

La ricerca ad alta tecnologia sta aprendo nuove possibilità di utilizzo per il bismuto. Fotocatalizzatori, celle solari a base di bismuto, sensori flessibili, componenti termoelettrici stampati e particelle per l'imaging medicale si trovano in diverse fasi di sviluppo. Alcuni di questi hanno già prodotti commerciali, mentre altri sono ancora principalmente materiali di laboratorio.

Riferimenti

• Usi e campi di applicazione del bismuto — Enciclopedia dei metalli
• Proprietà peculiari del bismuto e prospettive di applicazione in settori ad alta tecnologia.
• Servizio geologico degli Stati Uniti: Riepiloghi delle materie prime minerarie 2026 — Bismuto
• Servizio geologico degli Stati Uniti: statistiche e informazioni sul bismuto
• FDA statunitense: Stato normativo dell'ossicloruro di bismuto
• US DailyMed: Informazioni sul farmaco subsalicilato di bismuto
• Codice elettronico dei regolamenti federali: subgallato di bismuto nei prodotti deodoranti per uso interno
• US DailyMed: Prodotto combinato di subcitrato di bismuto e potassio
• Ministero del Commercio cinese: Controlli sulle esportazioni di alcuni articoli in bismuto