Según el Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS), sus consecuencias en el medio ambiente han sido poco estudiadas. Sin embargo, estudios recientes han puesto de manifiesto efectos negativos sobre los organismos vivos expuestos a este metal. En efecto, se ha demostrado que la exposición al bismuto provoca una reducción del metabolismo de los espermatozoides en el ser humano, una perturbación de la reproducción en las lombrices de tierra y efectos tóxicos sobre el crecimiento en las plantas.

Desde la revolución industrial, las actividades humanas han llevado a un aumento significativo de Bi en el medio ambiente. Este fenómeno está relacionado con la combustión del carbón, una fuente importante de emisiones de bismuto, y con su uso en las industrias química y farmacéutica.

Durante la Segunda Guerra Mundial, se utilizó como aditivo del acero y del aluminio, especialmente en la producción de aleaciones. Esta mezcla de sustancias metálicas se utilizó posteriormente para la construcción de aviones y vehículos militares. Por consiguiente, la presencia de bismuto en la atmósfera europea aumentó. El rastro de esta contaminación se ha detectado recientemente en muestras de hielo del Mont-Blanc procedentes del Col du Dôme. Según los resultados del análisis, el pico de contaminación se sitúa entre 1935 y 1945.

Las contaminaciones debidas a la metalurgia eran, en aquella época, más importantes que las relacionadas con la combustión del carbón. Sin embargo, las emisiones de bismuto disminuyeron después de 1970 gracias a la instalación de filtros en las fundiciones.

Propiedades físicas y químicas

El bismuto es un metal duro y quebradizo de color blanco plateado con un tinte rosado. Se considera un metal pobre debido a su conductividad térmica y eléctrica baja en comparación con la de otros metales.

Posee una configuración electrónica de [Xe] (4f)¹⁴ (5d)¹⁰ (6 s)² (6p)³. Debido a su estructura electrónica particular, el primer grado de oxidación del bismuto (+3) es mucho más común que el segundo (+5) en sus compuestos. Esto se debe al efecto de inercia del doblete s y a la simetría esférica del elemento. Por un lado, cuando pierde 3 electrones, el bismuto forma el ion Bi3+, con una carga positiva de 3 y un radio iónico de 1,2 Å. Por otro lado, cuando pierde 5 electrones, forma el ion Bi5+ que tiene una carga positiva de 5 y un radio iónico de 0,74 Å.

Como el agua y el silicio, el Bi tiene una densidad más alta en estado líquido que en estado sólido. Gracias a esta propiedad, a menudo se mezcla con el plomo para producir aleaciones densas y resistentes.

Isótopos

El bismuto es un elemento mononucleídico. De hecho, entre sus 35 isótopos conocidos (184 a 218), solo el ²⁰⁹Bi está presente en la naturaleza. Se consideró como el último isótopo estable, resultante de la desintegración del neptunio 237 y del plutonio 241. Sin embargo, teorías científicas sugirieron la inestabilidad del ²⁰⁹Bi. En 2003, el Instituto de Astrofísica Espacial de Orsay confirmó que este último era un isótopo radiactivo con una vida útil de 19 × 10¹⁸ años. La desintegración del ²⁰⁹Bi se produce por una transición α de energía 3,14 MeV para dar talio 205 estable. A pesar de su radiactividad, todavía se considera estable en todas sus aplicaciones prácticas, en relación con su vida media muy larga. Con este descubrimiento, el más pesado de los isótopos estables pertenece al plomo.

Extracción y producción

El bismuto se fabrica semi-industrialmente a partir de la bismuthinita y sus minerales oxidados desde 1860. Sin embargo, su producción cesó hace un siglo. Actualmente se produce durante el proceso de refinado de metales como el plomo, el estaño, la plata, el cobre, el oro y especialmente el tungsteno.

Bolivia, México y Perú han sido los principales proveedores desde 1990. Posteriormente se unieron Canadá, Japón, Alemania y España, produciendo un total de alrededor de 10.000 toneladas al año. Su extracción se realiza mediante un proceso preciso. Primero, los minerales de bismuto se colocan en una solución que los hace flotar y los separa de los otros componentes del mineral. Los sulfuros de Bi luego se calientan a una temperatura elevada en el aire y se reducen al carbono para formar los metales. Finalmente, el metal se refina mediante fusión oxidante. El bismuto metálico puede purificarse al 99% ya sea mediante calentamiento a alta temperatura (vía térmica por fusión de zona) o por descomposición química (electrólisis). La mina de Tasna en Bolivia y la mina de Shizhuyuan en China fueron identificadas en 2010 como los únicos sitios de extracción que tienen como principal producto de explotación el bismuto. China se convirtió en el primer productor mundial el mismo año gracias a la extracción de Bi sobre la wolframita, un mineral constituido de manganeso y tungstato de hierro.

Presencia en el medio ambiente

El bismuto es un metal raro que se encuentra en cantidades muy pequeñas en su forma natural en el medio ambiente. Es el 73º elemento más abundante en la corteza terrestre. Se encuentra en forma sólida, pero algunas formas se evaporan fácilmente a temperatura ambiente. Los datos sobre el ciclo biogeoquímico de este metal son insuficientes. Paralelamente, no se tiene en cuenta en los análisis regulares del agua, suelo, aire o alimentos. Por lo tanto, hay poca información disponible sobre cómo se comporta en el medio ambiente, incluyendo su distribución, transformaciones químicas y movilidad.

En el aire

En el aire rural, la concentración de Bi es inferior a 1 µg/m³. Las principales fuentes de bismuto en el aire son las plumas y emanaciones volcánicas, así como la erosión de los suelos. Desde hace algunas décadas, la presencia de fuentes antropogénicas como la industria y la combustión han aumentado su concentración en el aire.

En los suelos

De media, el bismuto está presente a razón de 0,048 µg/g en la corteza terrestre. En suelos naturales, su concentración media es de 0,2 µg/g (Bowen, 1979). Algunos fungicidas que contienen Bi como ingrediente activo, cuando están en contacto directo con los cultivos alimentarios, provocan una contaminación del suelo y posteriormente del agua. Algunos fertilizantes, naturales o sintéticos, también contienen naturalmente una cantidad ínfima. Raramente se encuentra en el agua potable, a razón de 5 a 20 µg/día.

En las plantas

El bismuto no es indispensable para el organismo de los seres vivos. Tiene una capacidad limitada para ser absorbido por las raíces de las plantas. Los vegetales, incluidos los que han crecido en suelos contaminados, solo contienen una pequeña cantidad de bismuto, inferior a 0,06 μg/g. Esta tasa es ligeramente elevada cerca de los minerales de Bi, hasta 0,18μg/g, encontrándose la mayoría en las hojas. Este metal no es tóxico para las plantas y rara vez supera el umbral de fitotoxicidad de 100 ppm.

En los animales

Los animales terrestres y acuáticos están poco contaminados por el bismuto en su medio natural. Sin embargo, la tasa de bismuto en el medio ambiente está en constante aumento, especialmente a través del uso de perdigones metálicos en los cartuchos de caza que están constituidos en un 91% de Bi. Estos cartuchos son susceptibles de contaminar las zonas húmedas donde se utilizan. Cuando las industrias comenzaron a producir estos cartuchos, los efectos del Bi sobre los animales y su medio natural fueron poco estudiados. Los posibles efectos tóxicos sobre las aves, eslabón importante de los ecosistemas, y su resistencia al Bi no fueron desarrollados hasta 2004. Investigaciones posteriores demostraron que los cartuchos de plomo ya contenían una cierta cantidad de bismuto. Los hígados y músculos de patos contaminados por un perdigón o una bala de plomo mostraron una tasa media de Bi de 0,05 μg/g en una especie llamada Cerceta común, y de 0,09 μg/g en otra especie llamada Ánade real. Así, su presencia en los tejidos puede servir como indicador de la cantidad de plomo presente en el medio ambiente y de la exposición de los animales a esta sustancia tóxica.

Sin embargo, los efectos tóxicos del bismuto no pueden determinarse ni por la dosis ni por la duración de la exposición. Esta información fue confirmada por Martin-Bouyer en 1980, quien se basó en los datos toxicológicos del Bi.

Durante las últimas décadas, ha sido ampliamente utilizado en municiones para la caza acuática en América del Norte. Esto ha provocado una mayor exposición del ser humano y de los animales, a través de la caza herida o muerta durante la caza con perdigones de bismuto. Además, algunos animales conservan restos de municiones en su organismo si han sido heridos durante la caza.

Según un estudio de Pamphlett, este metal se solubiliza en el cuerpo de los animales y provoca una acumulación en las células vitales. Se colocaron perdigones de Bi en la cavidad abdominal de ratones en laboratorio. Los resultados confirmaron que la tasa de Bi aumentó en las células tubulares de los riñones, las células nerviosas, las células dendríticas del hígado y los macrófagos pulmonares, con efectos desconocidos sobre los animales longevos.

Por otro lado, este estudio permitió confirmar que este elemento atraviesa fácilmente la barrera hematoencefálica que protege el cerebro, y contamina los órganos de manera variable. Las tasas de contaminación pueden alcanzar niveles potencialmente peligrosos para el animal en unas pocas semanas.

Las investigaciones en autometalografía (técnica para identificar la presencia de metales en los tejidos biológicos) han demostrado que puede residir en los testículos y afectar a las células de Leydig, que producen testosterona. Los macrófagos testiculares, que desempeñan un papel clave en la lucha contra las infecciones y la regulación de la inflamación, también pueden estar contaminados. Este resultado plantea preocupaciones sobre los potenciales efectos tóxicos del bismuto sobre la fertilidad y la reproducción.

En 2008, otro estudio mostró que, a diferencia del plomo, no es dañino para la vegetación local, incluso en medio ácido. Sin embargo, puede permanecer disponible en el suelo en forma de grit (pequeños fragmentos de metales), especialmente si el suelo es ácido. Los millones de restos de perdigones de plomo y bismuto perdidos cada temporada de caza comienzan gradualmente a contaminar los medios naturales. Además, el estudio subraya que la ausencia de efectos nocivos de estas municiones sobre los ecosistemas y sobre la salud aún no ha sido probada.

Fuente medioambiental

El bismuto, ligado a los sulfuros, sirve como trazador para las emisiones volcánicas gracias a su excepcional rareza. Los datos de estas emisiones volcánicas también se utilizan en meteorología. La concentración de Bi encontrada en los núcleos de hielo polar y en los depósitos de nieve se mide en picogramos para determinar sus emisiones pasadas. Además, las fuentes volcánicas de Bi emiten anualmente entre 1.200 y 1.700 toneladas de bismuto elemental. Según Candelone (1995), la cantidad procedente de la erosión eólica de los continentes y de las sales marinas es claramente inferior, estimada en unas 40 toneladas al año.

Hacia finales de los años 1990, el ser humano contribuyó ampliamente a la contaminación del medio ambiente, con un aporte de 15 toneladas de Bi. Esta tasa es muy superior a la contaminación causada por la erosión del suelo y las sales marinas. Esta contaminación se ve aún más reforzada por los millones de perdigones de bismuto que se pierden en la naturaleza, y por la falta de reciclaje del metal a lo largo del tiempo.

Otras fuentes de contaminación se añaden a la lista, como la metalurgia, ciertas actividades industriales como la soldadura, o las actividades mineras. En efecto, el bismuto se encuentra cerca de las minas de plata, plomo, estaño y a veces de cobre en cantidades a veces muy elevadas. En una mina de cobre coreana, por ejemplo, se constató un contenido de 436 μg/g de Bi. El uso creciente de combustibles como el carbón también es susceptible de aumentar aún más esta contaminación ambiental. Algunos carbones y grafitos pueden contener Bi hasta 5 μg/g, así como mercurio y plomo.

Fuente mineralógica y geológica

La concentración de bismuto en la corteza terrestre es de 0,03 a 0,2 g/t. Se encuentra en gran parte en la parte externa de la capa terrestre. Este metal también se concentra en las partículas emitidas por erupciones volcánicas y geotermales. En efecto, los halogenuros de bismuto tienen la capacidad de evaporarse rápidamente a temperatura ambiente. Los isótopos ²¹⁰Bi, ²¹⁰Po y ²¹⁰Pb, se utilizan como marcadores para erupciones volcánicas pasadas.

Es un elemento calcófilo que se encuentra frecuentemente con otros metales de su tipo como el plomo o el zinc. Está asociado al azufre, al selenio o al telurio. La mayoría del bismuto en el mundo se extrae principalmente de los minerales de plomo. Los residuos de los procesos electroquímicos de refinado del cobre solo representan alrededor del 10% de Bi. También puede recuperarse como subproducto durante el refinado del estaño o del tratamiento de la casiterita (especie mineral).

Su forma pura se encuentra en las estructuras geológicas de la corteza terrestre donde el agua caliente y los minerales se mezclan (venas hidrotermales y fallas hidrotermales), particularmente durante las colisiones continentales.

Los principales minerales del Bi son la bismuthinita (Bi₂S₃), la bismita (Bi₂O₃α), la bismutita (BiO)₂CO₃) y otras formas como (BiO)₂CO₃. 2 H₂O. Esta variedad hidratada fue explotada durante un breve período en Meymac en Corrèze hacia finales del siglo XIX. El bismuto en su forma natural, por su parte, es muy raro. Otros minerales menos conocidos como la bismoclita (BiOCl), la bismuthtantalato Bi(Ta,Nb)O₄, la bismuthoferrita o bismutoferrita Fe^III₂Bi(SiO₄)₂(OH), la eulytita o eulytina Bi₄(SiO₄)₃, y la tetradymita también contienen Bi. También se encuentra en pequeñas cantidades, en forma de trazas, en ciertas formas de sulfuros de cobre y plomo. Las propiedades de sus sulfuros, así como ciertos óxidos y carbonatos, son comparables a las del estaño y del plomo. Finalmente, este metal se encuentra con el cobre y el molibdeno en las rocas pórfidos que contienen minerales auríferos.

Cristales de bismuto

Los cristales artificiales de bismuto se presentan en formas geométricas complejas, y poseen matices de color que van desde el blanco plateado hasta el rosa pálido o incluso el amarillo. Son conocidos por su propiedad de cambiar de color según el ángulo de visión. Esta iridiscencia proviene de la fina capa de oxidación presente. Estos cristales a menudo se utilizan con fines decorativos y se fabrican en laboratorio.

Propiedades físicas del cuerpo simple

El bismuto es un muy mal conductor de calor. Se sitúa justo después del mercurio, considerado como el metal con la más baja conductividad térmica. En cambio, su resistencia eléctrica es muy elevada. En presencia de un campo magnético, aumenta cada vez más. Por otra parte, es considerado como el metal más diamagnético, teniendo el efecto Hall más elevado. Los monocristales de Bi pierden su resistencia eléctrica y se vuelven superconductores a temperaturas extremadamente bajas (0,53 mK). El campo magnético máximo que puede soportar antes de perder su estado superconductor se estima en 5,2 mT a 0 K. La teoría BCS (por Bardeen, Cooper y Schrieffer), que explica la superconductividad en los metales a alta temperatura, no se aplica al bismuto. En efecto, posee una baja densidad de portadores y una estructura de bandas particular.

Comparte con el agua, el antimonio, el galio, la plata, el sodio, el germanio y el plutonio, la particularidad de tener una densidad más elevada en estado líquido que en estado sólido. En efecto, su densidad en estado líquido es superior a 9,8 g/cm3, mientras que la del estado sólido es de 9,780 g/cm3. Además, la aleación plomo-bismuto posee una densidad casi igual en estado sólido y líquido. La capacidad calorífica (Cp) del Bi sólido se aproxima mediante la ecuación C_p = 0,1077 + 5,2055 × 10⁻⁵ T, donde T se expresa en kelvins (K) y C_p en kJ/(kg⋅K).

Formas del bismuto comercial

El bismuto puede ser moldeado en una gran variedad de formas metálicas: billetes, anillos, lingotes, cilindros, bolas, placas, discos, rodajas, cintas, gránulos, pastillas, agujas, glóbulos, barras, piezas, perlas, granos, hojas, barritas, virutas, polvo, trozos pequeños y grandes, discos, bloques, materia concentrada, tortas, nódulos, protuberancias, microláminas, tubos, cuchillas. También se fabrican muestras de formas precisas para aplicaciones específicas.

Aleaciones

Desde hace más de un siglo y medio, las aleaciones a base de bismuto, plomo, estaño y cadmio son conocidas por su aptitud a la fusión y su capacidad para cambiar de densidad en función de la temperatura. La aleación Bi₂Sn₂Pb posee una temperatura de fusión de aproximadamente 94 °C. Se dilata entre 0 y 35 °C, y comienza a contraerse a 55 °C. Por encima de 55 °C, se dilata de nuevo hasta alcanzar la temperatura de fusión.

Antiguamente, la aleación de Newton estaba compuesta por un 8% de Bi, un 5% de Pb y un 5% de Sn, con un punto de fusión de 94,5 °C. La aleación de Darcet, fundente a 93 °C, estaba constituida por un 2% de Bi, un 1% de Pb y un 1% de Sn. Finalmente, la aleación de Wood, que funde hacia los 65 °C, estaba compuesta por un 7% de Bi, un 2% de Pb, un 2% de Sn y un 2% de Cd.

Los componentes de una aleación se enumeran en función de su cantidad respectiva, con el elemento más abundante primero. Las mezclas a base de bismuto y otros metales se presentan en forma de:

• AlBi
• BiCd
• BiSb
• BiTe en partículas o en polvo
• PbBiSnCd
• InBi (compuesto fijo), InBi, InBiCd, InBiCdSn, InBiSn
• BiSn al eutéctico (trozo), BiSnCd, BiSnInPb, BiSnAg, BiSn
• SnBiCuAg, SnBiZn
• SnInAgBiCu
• BiIn, BiInCd, BiInPbSn, BiInSn
• BiPb, BiPbCd, BiPbCdIn, BiPbCdInSn, BiPbCdSn, BiPbIn, BiPbInSn, BiPbSn, BiPbSnInCd, BiPbSnIn, BiPbSnCd, BiPbSnAg
• SnPbAgBi en partículas o en polvo
• SnAgBiCu
• Metal de Wood en barra

El químico Chancel propuso una dosificación del ácido fosfórico añadiendo fosfatos solubles a las sales de bismuto. Este procedimiento dio lugar a un precipitado insoluble en ácido nítrico diluido.

Se puede determinar la cantidad de bismuto metal transformándolo primero en cromato o en oxicloruro. Esta transformación permite obtener compuestos más manipulables y solubles en ciertos disolventes, y facilita la dosificación. El par Bi(V)/Bi(III) es un oxidante mucho más potente que el del oxígeno nativo, O₂/O²⁻ o gas dioxígeno/óxido.

Los compuestos químicos del bismuto más conocidos se representan en la siguiente tabla:

No se utiliza para las balas de caza de caza mayor debido a su falta de ductilidad. En efecto, tras un incidente de caza, los riesgos tóxicos de la presencia de fragmentos de perdigones de bismuto en el músculo o los órganos fueron estudiados y publicados en 2012. Para ello, se introdujeron pequeños trozos de estos perdigones en los tejidos musculares de ratas de laboratorio. Los resultados mostraron la presencia de moléculas de Bi en la orina y la sangre de los cobayos. La bioimagen permitió visualizar la difusión del metal en el tejido. Se distribuye ligeramente y de manera asimétrica en la carne alrededor de los fragmentos, pero esta imagen puede no corresponder exactamente a su distribución real. La presencia de trozos de Bi provoca una concentración aumentada de zinc en la zona circundante, considerada como indicador de una respuesta inflamatoria inducida por la experimentación.

En la producción de municiones, el bismuto ha sido identificado como una alternativa más segura y menos nociva para reemplazar al plomo. Las balas “verdes”, las balas no letales y las municiones antidisturbios que contienen Bi son así cada vez más utilizadas, al igual que las destinadas al entrenamiento, al impacto puntual o a la distracción sospechosa.

También se utiliza como alternativa en la fabricación de pantallas de protección contra los rayos X para el cuerpo humano. Estas pantallas se fabrican en látex impregnado de bismuto y se utilizan durante exámenes médicos como las tomografías computarizadas, con el fin de reducir los riesgos de toxicidad asociados a la exposición al plomo.

La directiva europea sobre la limitación del uso de sustancias peligrosas (RoHS) ha extendido su utilización en la producción de componentes electrónicos, como componente de soldaduras a bajo punto de fusión (en sustitución de las soldaduras tradicionales al plomo-plomo, más tóxicas). El bismuto es una alternativa preferible para las soldaduras utilizadas en los equipos de tratamiento de alimentos y las conducciones de agua de cobre. Se aplica en la industria del automóvil, sobre todo en el seno de la Unión Europea.

Este elemento puede reemplazar al Pb en los cobres de mecanizado libre utilizados en fontanería, pero no posee las mismas prestaciones que los aceros al plomo.

En moldeo

El bismuto es un material de elección para la fabricación de moldes de precisión bajo presión debido a su buena capacidad de fusión. Estos moldes se utilizan en el modelismo, especialmente en la fabricación de pequeños coches de colección o maquetas. También se emplea como material metálico para el moldeo, permitiendo crear piezas metálicas complejas, con gran precisión y un acabado cuidado.

En aleación

El eutéctico es el punto de fusión más bajo de una aleación donde los diferentes elementos que la componen funden simultáneamente. Para las aleaciones de bajo punto de fusión, el eutéctico se sitúa en el 48% de bismuto en masa. En este punto, cambian de propiedades físicas: algunos se contraen mientras que otros se dilatan. Se seleccionan para realizar soldaduras con materiales reducidos. La aleación bismuto-plomo, respectivamente 56% y 44%, se adopta en las soldaduras en frío debido a su punto de fusión relativamente bajo de 125 °C. Su mezcla con el estaño (Sn₄₂Bi₅₈) se explota en electrónica para producir soldaduras a bajo punto de fusión desprovistas de plomo (RoHS).

La aleación de Arcet, conocida bajo el nombre de aleación de Darcet, está compuesta por 49,2% de Bi, 32,2% de Pb y 18,4% de Sn. Esta aleación tiene la particularidad de fundir a una temperatura muy baja, antes incluso de 97 °C.

El metal de Wood es una mezcla que funde en agua caliente a unos 70 °C, compuesta de aproximadamente 50% de Bi, 25% de Pb, 12,5% de Cd y de Sn. Como la aleación de Newton, tiene la propiedad de absorber las radiaciones.

Las aleaciones de Rose y de Field contienen bismuto y otros metales como el plomo, el estaño, el cadmio y el indio. Con el metal de Wood, a menudo se utilizan debido a su punto de fusión muy bajo y su capacidad para ser utilizados como fusibles en electricidad, al igual que la asociación bismuto-estaño (40% / 60%).

Estas aleaciones son materiales particularmente adaptados a la protección contra los incendios. Por ejemplo, pueden servir como cortacircuitos eléctricos, o activar una válvula de seguridad anti-incendio (disparador de caída de agua) en caso de temperatura elevada, de humos calientes o de vapores. En los sistemas de extinción automática de agua, como los rociadores, una mezcla muy fusible se utiliza a menudo para obstruir una válvula e impedir que el agua fluya hasta 47 °C. La aleación empleada como junta vidrio-metal (49,2% Bi, 22% Pb, 18% Zn, 8% Sn, 5% Ca, 4% Hg), que funde a 45 °C, comparte estas mismas propiedades.

Los dispositivos de extinción automática (cabezas rociadoras) para los sistemas de rociadores o las válvulas de seguridad para los cilindros de gas comprimido (tomas de seguridad) se fabrican a partir de aleaciones de Bi.

Sus aleaciones con el manganeso, así como el óxido de bismuto, sirven en la fabricación de los imanes permanentes con campo coercitivo elevado.

Se elige como alternativa al plomo en el ámbito de la fontanería. Se utiliza en tubería y en soldadura. Las aleaciones de este metal están actualmente en estudio para realizar ensamblajes técnicos en lugar de su homólogo.

A menudo se adopta en la fabricación de elementos termoeléctricos gracias a su capacidad para convertir directamente una diferencia de temperatura en electricidad. Mezclado con el telurio o el antimonio (Bi₂Te₃, Bi_1–xSb_x), adquiere capacidades semiconductoras, necesarias en la fabricación de los termopares.

En industria química, cerámica y vidriera

En la fabricación de vidrio y de cerámica, se aplica como pigmento blanco en forma de oxinitrato o de subnitrato de bismuto (BiONO₃), y como pigmento verde-amarillo por el ortovanadato de bismuto (BiVO₄).

El borosilicato de bismuto se aplica en esmaltado para mejorar la durabilidad y la resistencia al desgaste de las superficies esmaltadas.

Los vidrios ópticos, también llamados vidrios Flint, son vidrios especiales utilizados para la fabricación de objetivos ópticos, de telescopios y de otros instrumentos de óptica. Contienen fosfato de bismuto.

El carboxilato de Bi sirve como secante en la industria de las pinturas, en sustitución al plomo. Actúa como agente acelerador del proceso de secado. Sus óxidos se emplean igualmente en la industria de las pinturas como pigmentos. El óxido Bi₂O₃ produce un tinte amarillo y es elegido para colorear las grúas de obra. El oxicloruro BiOCl produce un tinte blanco y sirve en la fabricación de las perlas artificiales. Estos pigmentos son apreciados por su estabilidad química y su resistencia a la decoloración.

En pirotecnia, se utiliza como combustible en forma de trifenil-bismuto (TPB) y de tris (etoxifenil) bismuto (TEPB). La exportación de estos compuestos a menudo está regulada y sometida a autorización en numerosos países.

El BiCl₃ es un catalizador eficaz para diferentes reacciones químicas, especialmente en la producción de las fibras acrílicas y diversos polímeros. Por otra parte, el bismuto actúa como ignífugo y retardador de llama en los papeles pintados o los polímeros, y limita así su inflamabilidad y la propagación del fuego en caso de incendio.

En la industria del caucho, el sesquióxido de bismuto (Bi2O3) a menudo se adopta como catalizador de vulcanización. Se trata del proceso químico que permite reforzar las propiedades mecánicas del caucho.

En la industria nuclear, el hidróxido y el fosfato de bismuto se utilizan como reactivos de separación para extraer el plutonio del uranio irradiado.

Se aplica como dopante para el germanio y el azufre en la fabricación de semiconductores. Los hidruros de bismuto se utilizan para modificar las propiedades eléctricas del material, pero son inestables, volátiles y muy reactivos.

Este metal está presente en la industria de los pesticidas, especialmente en la composición de ciertos fungicidas. Sin embargo, se considera como un elemento que no puede descomponerse naturalmente en el medio ambiente. Por consiguiente, su aplicación en los pesticidas puede provocar una acumulación del metal en el suelo y en las aguas circundantes, y tener consecuencias nefastas sobre el medio ambiente y la salud humana.

En medicina, cuidado del cuerpo y parafarmacia

Durante varios siglos, la medicina tradicional ha utilizado los subnitratos y los subcarbonatos de bismuto, en la preparación de los medicamentos y en parafarmacia. El nitrato Bi(OH)₂NO₃, un compuesto insoluble en agua, posee propiedades antisépticas. Ha sido adoptado en medicina como apósito gástrico bajo el nombre de “magisterium bismuti” o magisterio de bismuto. Generalmente se tomaba por ingestión, para tratar la úlcera gastroduodenal y diversos problemas digestivos como las colitis, la diarrea, el estreñimiento y las enteritis. Sus propiedades calmantes y antisépticas se consideran como eficaces para las heridas y las quemaduras (apósitos), así como contra las infecciones cutáneas. También encontraba un uso importante en el tratamiento de la sífilis.

Para garantizar su aplicación en medicina, el bismuto debe estar bajo su forma química pura. Sin embargo, esta pureza es difícil de alcanzar en la medida en que su mineral contiene sustancias altamente tóxicas como el telurio, la plata, el arsénico o el plomo.

La sobredosis de este metal puede causar intoxicaciones medicamentosas graves como su metabolización en el cuerpo o daños en el cerebro. Estos efectos pueden aparecer cuando es ingerido o inhalado en cantidades excesivas, o cuando el tratamiento medicamentoso se prolonga más allá de la dosis recomendada. En Francia, la aplicación del bismuto bajo forma soluble e insoluble incluso ha sido prohibida.

Ciertas formas derivadas de la química orgánica del bismuto todavía se aplican en medicina. Sin embargo, estos productos solo están presentes en muy pequeña cantidad y en forma pura e insoluble en agua, con el fin de minimizar los riesgos de toxicidad. Las sales de bismuto insolubles, que tienen una absorción digestiva limitada, todavía se manipulan para fabricar apósitos. La capacidad cubriente elevada de los nitratos y de los carbonatos básicos, así como sus propiedades antiácidas y antisépticas les permiten reducir considerablemente las fermentaciones gástricas. Cuando se dividen, estas capas salinas desarrollan una fuerte capacidad para atraer los gases sulfurados (adsorción calcófila), y el bismuto puede fácilmente fijarlos en el tubo digestivo. Posteriormente, se transforma en sulfuro Bi₂S₃ que da un color negro a las heces. Tiene la particularidad de ser opaco a los rayos X. Por lo tanto, el apósito debe retirarse antes de un análisis radiológico para que las sustancias de contraste necesarias para el examen circulen perfectamente. Este elemento todavía es recomendado en pequeña cantidad por algunos oligoterapeutas contra las infecciones virales que provocan infecciones dolorosas (laringitis o faringitis). También se aplica en el tratamiento de la leucemia.

El bismuto posee una toxicidad natural que le confiere propiedades desinfectantes. Por eso ha sido utilizado en ciertos desinfectantes, especialmente en forma de sesquióxido. Sin embargo, debido a su impacto negativo sobre el medio ambiente y su persistencia en los ecosistemas, ha sido reemplazado por alternativas menos tóxicas y más respetuosas con el medio ambiente. El (sub)succinato de bismuto posee una acción biocida, es decir, que puede matar los microorganismos que causan enfermedades o impedir su crecimiento. Se administra por vía rectal (en forma de supositorio) para tratar las anginas, así como por vía parenteral (inyección) para tratar la sífilis. Algunos tratamientos con antibióticos todavía pueden incluir la aplicación de derivados liposolubles de bismuto como el butil-tiollaurato de bismutilo o el iodobismutito de quinina. Se administran por vía intramuscular a intervalos de tiempo precisos.

El subsalicilato de bismuto (BSS) es una sustancia activa del Pepto-bismol, tomado contra los trastornos gastrointestinales, tales como la diarrea, las náuseas y los vómitos. Se considera como insoluble en agua. Sin embargo, en 2005, estudios mostraron que cuando el BSS entra en contacto con zumos de frutas, sustratos que contienen tioles o ácido ascórbico, puede volverse soluble. Esta forma es la más eficaz contra Clostridium difficile, la bacteria que provoca una diarrea severa en pacientes hospitalizados bajo antibióticos. Por otra parte, se están realizando investigaciones para mejorar sus propiedades contra la bacteria clostridium.

En cosmética, el oxicloruro (BiOCl) y el oxinitrato de bismuto (BiONO₃) se añaden a los productos (barras de labios, esmaltes de uñas y sombras de ojos) para darles un brillo nacarado. El citrato de bismuto se encuentra al 0,2% en una loción de repigmentación del cabello. Actúa fijándose en las proteínas de la queratina presentes en el cabello, y gracias al azufre presente en el producto. Derivados de bismuto todavía se encuentran en la composición de los desodorantes en algunos países que no han adoptado el principio de precaución. En lo que respecta a Francia, este último fue reconocido en 1974.

Reciclaje

Debido a su toxicidad y su rareza, es más ecológico reciclar el bismuto que tirarlo. Sin embargo, la recuperación de este elemento en numerosos productos sigue siendo difícil, como las pinturas, las fibras, los aditivos, las municiones y los pesticidas.

El bismuto metal a menudo se utiliza en aleaciones como catalizador. El reciclaje bajo esta forma se hace actualmente con scraps de aleación o aleaciones con alto contenido.

Comercialización

En 2010, China se convirtió en el mayor productor de bismuto, representando más del 60% del mercado mundial. Las reservas principales se encuentran en su territorio, es decir, aproximadamente el 75% de las 340 a 350 mil toneladas reconocidas y explotables en el mundo. Se estiman suficientes para unos cuarenta años más, a una frecuencia de consumo fija de 9.000 toneladas al año.

En 2014, Francia es considerada como un importador neto de bismuto según las aduanas francesas, con un precio medio de importación de 17.000 € por tonelada.

Su forma muy pura se acercaba a los 40 $ por 100 gramos antes de 2010. Sin embargo, comprándolo en gran cantidad en una forma menos pura, el precio del kilogramo desciende entre 10 a 30 dólares.

Toxicidad para el medio ambiente

Los efectos tóxicos del bismuto sobre el medio ambiente son poco conocidos, y los de sus isótopos lo son aún menos. En cambio, el Instituto de Radioprotección y Seguridad Nuclear (IRSN) ha elaborado una ficha pedagógica sobre el ²⁰⁹Bi para sensibilizar al público sobre los riesgos relacionados con este isótopo.

El bismuto metálico se considera como el menos nocivo de los metales pesados y sus efectos sobre el ser humano son temporales. Sin embargo, los datos sobre su ecotoxicidad son insuficientes, en particular las formas organometálicas y/o inhalables o volátiles (metilbismuto).

En 2008, Von Recklinghausen y sus colaboradores realizaron experimentos in vitro que revelaron similitudes entre el bismuto y el mercurio. Estos elementos son absorbidos por las células humanas y causan efectos tóxicos en los eritrocitos, linfocitos y hepatocitos, en particular el trimetil-bismuto Bi(CH₃)₃ o bismuto metilado. Los resultados mostraron que los eritrocitos y los linfocitos eran los más afectados por esta variedad después de una o 24 horas de exposición. Sus efectos son genotóxicos, y pueden provocar mutaciones genéticas. En cambio, en forma de citrato o de glutatión, no muestra efectos tóxicos para el ADN. Al igual que el mercurio, sufre fácilmente una metilación en sedimentos poco oxigenados en reacción a las bacterias del grupo de las methanobacteria/methanoarchaea.

Estudios pasados ya revelaron que la forma metilada del bismuto puede provenir de una parte de la flora intestinal del colon humano. Las variaciones de intoxicaciones en el Hombre o el animal de laboratorio podrían explicarse por la variedad de los microbiomas, aunque esto aún no ha sido confirmado. Los investigadores decretaron que esta forma hace que la sal de bismuto primaria sea mucho más tóxica. De este modo, se forman lesiones cromosómicas (sin derivado reactivo del oxígeno) en las células humanas. Esta toxicidad se debe a una inhibición de la reparación del ADN o a una interacción directa con el ADN.

Toxicidad para el Hombre

Los efectos tóxicos del bismuto sobre el cuerpo humano son poco conocidos. Antoine Béchamp, profesor en Montpellier, señaló ya en 1860 en su tesis de medicina que las sales de bismuto eran nocivas.

El salicilato de Bi ha sido probado como remedio contra la sífilis en el ser humano. Su inyección tuvo como efectos secundarios daños en el hígado y los riñones, así como daños neurotóxicos. Los pacientes presentaban una gingivoestomatitis en forma de manchas negras en las encías (línea de bismuto), mal aliento y salivación excesiva. Investigaciones recientes por observaciones al microscopio electrónico han revelado que las células epiteliales tubulares proximales del riñón, expuestas al bismuto, no mueren naturalmente, sino por necrosis. La z-VAD-fmk es un inhibidor de la enzima caspasa-3, implicada en el proceso de muerte celular programada o apoptosis. En el caso de las células NRK-52E expuestas al Bi, la inhibición de la caspasa-3 por la z-VAD-fmk no impide la muerte celular, contrariamente al cisplatino. Los estudios han mostrado que los efectos tóxicos de este elemento sobre los riñones no están relacionados ni con la disfunción mitocondrial ni con la inducción de radicales libres. Los índices precoces de daños y el desplazamiento anticipado de la N-cadherina sugieren que ataca directamente las funciones de la membrana de las células epiteliales tubulares proximales del riñón, provocando así su apoptosis. Los efectos nocivos del bismuto son reversibles tras algunos meses de exposición, contrariamente a las consecuencias permanentes de otros metales pesados. Sin embargo, sus repercusiones sobre los embriones o los fetos, así como sobre los trabajadores no han sido buscadas.

Estudios han mostrado que este elemento puede atravesar la barrera hematoencefálica. Se acumula en varias partes del cerebro, entre ellas las neuronas y las células gliales del cerebelo, del neocórtex, del tálamo o del hipocampo. En efecto, estos resultados fueron descubiertos tras la autopsia de personas fallecidas por intoxicación con bismuto, y el trazado histoquímico efectuado en animales. Está más presente en las paredes de los vasos sanguíneos del cerebelo que en las de otras partes del cerebro. Se encuentra en las células, principalmente en los lisosomas, pero también en las membranas basales de ciertos vasos sanguíneos.

El bismuto es capaz de desplazarse de un axón a otro. Esta capacidad ha sido observada tras su inyección en el tríceps de una rata. Una acumulación de Bi se encontró tres días más tarde en las motoneuronas que conectan el músculo a la médula espinal, así como en las células de los ganglios de la raíz dorsal, cerca de la zona de inyección. En 2002, se realizó un estudio para examinar el efecto del citrato de bismuto sobre los macrófagos presentes en la base y en los márgenes de úlceras. Los resultados mostraron que se agrupaba en los lisosomas, orgánulos intracelulares implicados en la degradación de diferentes moléculas. Esta aglomeración puede conducir a una ruptura de los lisosomas y conducir a la muerte de las células (apoptosis). Otro estudio afirma que el Bi acumulado aumenta tanto con la duración del tratamiento como con la dosis administrada. En 1996, sus propiedades de inducción potente de la metalotioneína en la célula fueron descubiertas. Se trata de una proteína que se une a los metales en el proceso de desintoxicación de la célula. El bismuto es responsable de la producción de diversas enzimas glicolíticas. Su presencia en la célula conduce a una disminución del oxígeno disponible para la célula, y activa un estrés de tipo “hipoxia”. La apoptosis de las células en respuesta al Bi puede resultar de la interacción entre las proteínas Bnip3 y BCL2/adenovirus E1B 19 kDa, conocida por regular la muerte celular causada por la hipoxia.

La inhalación de sus vapores conduce a una intoxicación por vía respiratoria. El bismuto emite vapores tóxicos a baja temperatura, y su forma metilada a temperatura ambiente.

Cuando es ingerido, una parte pasa a través de la barrera gastrointestinal. La cantidad absorbida varía según la forma ingerida y las características individuales de cada persona.

Sus sustancias que se unen a los metales pesados (queladores), a saber la D-penicilamina y su derivado N-acetil, son eficaces en el tratamiento de la intoxicación por citrato de bismuto en ratones por vía intraperitoneal.

A la ingestión, solo es detectable en el plasma a concentraciones significativas, generalmente inferiores a 1 ron 10. Es parcialmente absorbido por el tubo digestivo, pero una gran parte se elimina en las heces.

El bismuto se utilizó antes de 1974 en dosis peligrosas, casi mortales, sin interrupción ni límite de tiempo, a pesar de las advertencias emitidas desde hace más de un siglo. En 1910, se edificaron precauciones de empleo, especialmente precisando que su uso sea discontinuo. Los laboratorios y los médicos posteriormente fomentaron su utilización terapéutica, provocando un aumento de su prescripción. De 1964 a 1974, el consumo de bismuto se duplicó para alcanzar 800 toneladas al año en Francia.

A partir de 1974, la epidemiología de los efectos del bismuto comenzó a ser mejor comprendida en Francia, gracias al estudio realizado por el Instituto Nacional de la Salud y de la Investigación Médica, a través del programa “enfermedades transmisibles y accidentes tóxicos”. Examinó 942 casos de intoxicación por ingestión del Bi descritos en la literatura médica, de los cuales 72 acabaron en muerte. Las investigaciones revelaron la implicación de todas sus sales en las intoxicaciones graves. Por otra parte, su nivel de peligrosidad no fue tenido en cuenta de manera apropiada. Estas investigaciones permitieron establecer que la toma de este metal como medicamento era responsable de encefalopatías. Se presentan en dos fases distintas, de las cuales la primera, la fase prodrómica, está marcada por la astenia, el insomnio, las cefaleas y la pérdida de memoria. Llega después la fase aguda, caracterizada por trastornos neurológicos graves (similares a los síntomas provocados por el plomo o el mercurio) tales como la disartria, la ataxia, los trastornos de la memoria, los estados confusionales, la desorientación, la agitación, los temblores, los trastornos de la marcha, las mioclonías, las alucinaciones y las convulsiones. Tras el cese de la toma de bismuto, generalmente se constata una mejora clínica en pocos días. Algunos síntomas persisten sin embargo, como los trastornos de la memoria y/o las cefaleas, los trastornos del sueño, y la astenia.

Las fuertes dosis de este metal en los medicamentos han sido prohibidas por el ministerio de sanidad francés tras la identificación de miles de casos de contaminación en Francia y en Australia. Algunos países todavía lo utilizan en pequeña cantidad en oligoterapia. Los derivados del “subcitrato de bismuto-coloidal” tales como el citrato DENOL* y el complejo citrato de bismuto-ranitidina son elegidos por algunos países para tratar ciertas afecciones ORL. Estas formas se prescriben únicamente para tratar las úlceras gastroduodenales. Sus propiedades tóxicas permiten eliminar eficazmente la bacteria responsable de esta enfermedad (Helicobacter pylori), que es difícil de eliminar con otros tratamientos. Las dosis de bismuto presentes en el medicamento son mucho más bajas que las prescritas antes de 1974. Cada fase de tratamiento dura un mes, y debe ser seguida de una pausa de dos meses mínimo antes de continuar.

Indicadores de exposición en el Hombre

Los análisis clásicos de sangre y de orina solo revelan contaminaciones recientes al bismuto. En efecto, es eliminado en pocos días a través de la orina después del final de la exposición. En cambio, como para el plomo, el antimonio y el arsénico, se encuentran rastros en el cabello si no se corta.

Historia química y origen etimológico

El origen etimológico de la palabra alemana “das Wismuth” se atribuye a un étimo doble del alemán “weisse Masse“, que significa “masa blanca”, o “weisse matte“, traducido como “mate blanca”. El nombre wismuth aparece en el libro Ein nützlich Bergbüchlin, destinado a los aprendices de maestros mineros, publicado hacia 1527. El mineral de bismuto se llama allí wißmad ärcz, que significa mineral blanco (wissmatt o wissmad), para indicar que a menudo está relacionado con las venas de cobalto argentíferas. Georgius Bauer, también conocido bajo el nombre de Agrícola, lo llamó cinereum plumbum o plomo ceniciento bajo la influencia de la alquimia. Sugirió que el bismuto nativo se forma por una reacción entre un metal más denso (plomo) y cenizas carbonosas menos densas. Esta reacción se produce al aire libre o en la mezcla de minerales que contienen sulfuros u óxidos, y conduce según él a la formación de bismuto de apariencia metálica.

Su forma nativa, o el metal pesado, ha sido designada bajo el término bisemutum en latín medieval y en la lengua alquímica. Este término aparece ya en 1450 con wismutum, y hacia 1530 con bisemutum. El término wesemut está atestiguado en medio alemán en 1390. Una hipótesis supone que deriva de un término de origen árabe y/o griego, traducido desde el siglo IX a partir del libro de referencia de Dioscórides, De materia medica, o gracias a especialistas mineros. Otra avanza que b[i]sīmūtīyūn, sería una adaptación del griego antiguo ψιμύθιον psimýthion que significa “blanco de plomo”. Una última supone que la palabra viene de bi iṯ’mid o bi’ ‘ithmid, que significa literalmente “semejante al antimonio”. Esta alternativa supone que la similitud y la diferencia entre el bismuto y el antimonio nativo eran previamente conocidas. Estas últimas alternativas son consideradas como las más probables. Dos otras eventualidades son sin embargo propuestas por la tradición minera. La primera relaciona el origen de la palabra con el sitio minero de San Jorge “in der Wiesen” situado cerca del Schneeberg en el Erzgebirge sajón en el siglo XV. Este yacimiento muy activo producía mata o masa de bismuto. La segunda sugiere que la raíz wis(se)mat solo designa una masa o una mata blanca. Estas etimologías llamadas populares o pseudoeruditas, aunque imprecisas, recuerdan las prácticas mineras antiguas.

El bismuto es ampliamente mencionado en los escritos de Basilius Valentinus, en la época conocido como monje benedictino, posible seudónimo del editor alemán Johann Thölde (siglo XVII). A pesar de su asociación con la alquimia, el bismuto es principalmente conocido por los expertos mineros y los especialistas en metalurgia. Es por eso que sus otras denominaciones están relacionadas con otros elementos químicos tales como el plomo ceniciento o el “plumbum cinearum” en latín, el estaño de hielo o el estaño gris, el antimonio blanco, la weisse matte, o incluso el verdadero demorgon, la glaura, y la ninfa.

Henri Lammens sugiere que la lengua árabe puede proporcionar un origen lingüístico. Según él, el bismuto viene de la palabra أُثمُد (othmod) / إِثمِد (ithmid), traducida en el sentido literal como antimonio.

Finalmente, el conocimiento del bismuto fue promovido en el siglo XVIII por los científicos Carl Wilhelm Scheele, Jean Hellot, Claude François Geoffroy, Johann Heinrich Pott, y Torbern Olof Bergman.

El bismuto a menudo ha sido confundido con otros metales pesados tales como el antimonio, el plomo o el zinc por los alfareros de estaño o los alquimistas. Los científicos se sirvieron de esta confusión para avanzar mejor en sus investigaciones.

El estaño proviene de una mezcla de bismuto, de plomo y de estaño, que se reduce en hoja y luego se aplica sobre una superficie espejo.

En 1830, la región minera de Sajonia lanza la primera producción industrial de bismuto. Hacia 1901, el bismuto extraído de la aleación del plomo dulce es distribuido en gran cantidad como subproducto. Entre 1918 y 1939, sus aleaciones han sido ampliamente utilizadas, especialmente para las necesidades militares.

Los medicamentos terapéuticos que contienen bismuto superan las 150 toneladas al año en 1953. El ministerio de Sanidad francés no toma medidas hasta 1974, tras los efectos negativos sobre los pacientes. Su utilización en farmacia se redujo a menos de 10 toneladas en 1979. La aplicación de compuestos a base de bismuto como retardadores de llama en la industria plástica, así como como pigmentos ha estimulado sin embargo el crecimiento de la industria del bismuto.