Le bismuth est un élément chimique ayant pour symbole Bi et pour numéro atomique 83. Il appartient au groupe 15 du tableau périodique des éléments, celui des pnictogènes. Il est le cinquième et dernier élément de ce groupe. Bien que toxique, le bismuth l’est moins que le plomb et peut être utilisé pour remplacer ce dernier dans certains usages. Il n’est pas présent dans le corps humain, et ne possède aucun rôle physiologique connu. Il ne se trouve qu’en très faible quantité dans les organismes animaux. En comparaison aux autres métaux lourds, le comportement du bismuth dans l’environnement et dans les organismes vivants a été peu étudié.
Le Bi partage des propriétés chimiques similaires avec certains éléments du groupe 15 (phosphore, antimoine et arsenic) et deux éléments du groupe 14, dont l’étain et le plomb. Il s’agit d’un élément chalcophile, c’est-à-dire qu’il est plus susceptible de se lier à des éléments sulfureux que des oxydes. Tous les éléments du groupe 15, dont l’azote (N), le phosphore (P), l’arsenic(As) et l’antimoine (Sb), possèdent également cette propriété.
Le corps pur du bismuth, ou bismuth natif, ainsi que ses principaux composés sont connus depuis le Moyen Âge, notamment dans les principaux centres miniers européens. Cependant, au cours de l’Antiquité, le bismuth et l’antimoine ont été confondus en raison de leurs propriétés physiques et chimiques similaires. Par ailleurs, le nom « bismuth » est tiré de l’arabe bi’ ’ithmid, qui signifie « proche de l’antimoine ». Il a finalement été reconnu comme un élément distinct et a été isolé pour la première fois en 1753. Il a par la suite été séparé du plomb par le chimiste français Claude François Geoffroy. Son symbole Bi est né en 1814 grâce au chimiste suédois Berzelius.
Le Bi a longtemps été considéré comme le dernier élément stable du tableau périodique. En raison de leurs propriétés physiques et chimiques similaires, les effets toxiques du bismuth et de ses composés ont été souvent confondus avec ceux du plomb ou de l’étain.
Selon le Centre national de la recherche scientifique (CNRS), ses conséquences dans l’environnement ont été peu étudiées. Cependant, des études récentes ont mis en évidence des effets négatifs sur les organismes vivants exposés à ce métal. En effet, il a été démontré que l’exposition au bismuth entraîne une réduction du métabolisme des spermatozoïdes chez l’être humain, une perturbation de la reproduction chez le ver de terre, et des effets toxiques sur la croissance chez les plantes.
Depuis la révolution industrielle, les activités humaines ont conduit à une augmentation significative de Bi dans l’environnement. Ce phénomène est lié à la combustion du charbon, une source importante d’émissions de bismuth, et à son usage dans les industries chimique et pharmaceutique.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, il a été utilisé comme additif de l’acier et de l’aluminium, en particulier dans la production d’alliages. Ce mélange de substances métalliques est ensuite utilisé pour la construction d’avions et d’engins militaires. Par conséquent, la présence de bismuth dans l’atmosphère européenne a augmenté. La trace de cette pollution a récemment été détectée dans des carottages de glace du Mont-Blanc provenant du Col du Dôme. Selon les résultats de l’analyse, le pic de pollution est situé entre 1935 et 1945.
Les pollutions dues à la métallurgie étaient, à cette époque, plus importantes que celles liées à la combustion du charbon. Toutefois, les émissions de bismuth ont diminué après 1970 grâce à l’installation de filtres dans les fonderies.
Le bismuth est un métal dur et cassant de couleur blanc-argenté avec une teinte rose. Il est considéré comme un métal pauvre à cause de sa conductivité thermique et électrique faible comparée à celle d’autres métaux.
Il possède une configuration électronique de [Xe] (4f)14 (5d)10 (6 s)2 (6p)3. En raison de sa structure électronique particulière, le premier degré d’oxydation du bismuth (+3) est beaucoup plus courant que le deuxième (+5) dans ses composés. Cela est dû à l’effet d’inertie du doublet s et à la symétrie sphérique de l’élément. D’une part, lorsqu’il perd 3 électrons, le bismuth forme l’ion Bi3+, avec une charge positive de 3 et un rayon ionique de 1,2 Å. D’autre part, lorsqu’il perd 5 électrons, il forme l’ion Bi5+ qui a une charge positive de 5 et un rayon ionique de 0,74 Å.
Comme l’eau et le silicium, le Bi possède une densité plus élevée à l’état liquide qu’à l’état solide. Grâce à cette propriété, il est souvent mélangé avec le plomb pour produire des alliages denses et résistants.
Le bismuth est un élément mononucléidique. En effet, parmi ses 35 isotopes connus (184 à 218), seul le 209Bi est présent dans la nature. Il a été considéré comme le dernier isotope stable, résultant de la désintégration du neptunium 237 et du plutonium 241. Cependant, des théories scientifiques ont suggéré l’instabilité de 209Bi. En 2003, l’Institut d’astrophysique spatiale d’Orsay a confirmé que ce dernier était un isotope radioactif avec une durée de vie de 19 × 1 018 années. La désintégration de 209Bi se fait par une transition α d’énergie 3,14 MeV pour donner du thallium 205 stable. Malgré sa radioactivité, il est toujours considéré comme stable dans toutes ses applications pratiques, en relation à sa demi-vie très longue. Avec cette découverte, le plus lourd des isotopes stables appartient au plomb.
Le bismuth est fabriqué semi-industriellement à partir de la bismuthinite et de ses minerais oxydés depuis 1860. Toutefois, sa production a cessé depuis un siècle. Il est actuellement produit lors du processus de raffinage de métaux tels que le plomb, l’étain, l’argent, le cuivre, l’or et surtout le tungstène.
La Bolivie, le Mexique et le Pérou en sont les principaux fournisseurs depuis 1990. Ils ont ensuite été rejoints par le Canada, le Japon, l’Allemagne et l’Espagne, et produisent au total environ 10 000 tonnes par an. Son extraction se fait via un processus précis. D’abord, les minéraux de bismuth sont placés dans une solution qui les fait flotter et les sépare des autres composants du minerai. Les sulfures de Bi sont ensuite chauffés à une température élevée dans l’air et réduits au carbone pour former les métaux. Enfin, le métal est peaufiné par fusion oxydante. Le bismuth métallique peut être purifié à 99 % soit par un chauffage à une température élevée (voie thermique par fusion de zone), soit par une décomposition chimique (électrolyse). La mine de Tasna en Bolivie et la mine de Shizhuyuan en Chine ont été identifiées en 2010 comme les seuls sites d’extraction ayant comme produit d’exploitation principal le bismuth. La Chine devient le premier producteur mondial la même année grâce à l’extraction de Bi sur la wolframite, un minéral constitué de manganèse et de tungstate de fer.
Le bismuth est un métal rare qu’on retrouve en très petite quantité sous sa forme naturelle dans l’environnement. Il est le 73e élément le plus abondant dans la croûte terrestre. Il est retrouvé sous forme solide, mais certaines formes se vaporisent facilement à température ambiante. Les données sur le cycle biogéochimique de ce métal sont insuffisantes. En parallèle, il n’est pas pris en compte dans les analyses régulières de l’eau, du sol, de l’air ou des aliments. Par conséquent, peu d’informations sont disponibles sur la manière dont il se comporte dans l’environnement, y compris sur sa distribution, ses transformations chimiques et sa mobilité.
Dans l’air rural, la concentration de Bi est inférieure à 1 µg/m3. Les sources principales de bismuth dans l’air sont les panaches et les émanations volcaniques, ainsi que l’érosion des sols. Depuis quelques décennies, la présence de sources anthropiques telles que l’industrie et la combustion ont augmenté sa concentration dans l’air.
En moyenne, le bismuth est présent à hauteur de 0,048 µg/g dans la croûte terrestre. Dans des sols naturels, sa concentration moyenne est de 0,2 µg/g (Bowen, 1979). Certains fongicides qui contiennent du Bi en tant qu’ingrédient actif, lorsqu’ils sont en contact direct avec les cultures alimentaires, entraînent une contamination du sol et de l’eau par la suite. Certains engrais, naturels ou synthétiques, en contiennent aussi naturellement une quantité infime. Il se retrouve rarement dans l’eau de boisson, à raison de 5 à 20 µg/jour.
Le bismuth n’est pas indispensable à l’organisme des êtres vivants. Il a une capacité limitée à être absorbée par les racines des plantes. Les végétaux, dont ceux qui ont poussé sur des sols contaminés, ne contiennent qu’une petite quantité de bismuth, inférieure à 0,06 μg/g. Ce taux est légèrement élevé près des minerais de Bi, jusqu’à 0,18μg/g, dont la majorité se retrouve dans les feuilles. Ce métal n’est pas toxique pour les plantes et ne dépasse le seuil de phytotoxicité de 100 ppm que très rarement.
Les animaux terrestres et aquatiques sont peu contaminés par le bismuth dans leur milieu naturel. Cependant, le taux de bismuth dans l’environnement est en constante augmentation, notamment à travers l’utilisation des billes métalliques dans les cartouches de chasse (grenailles) qui sont constituées à 91 % de Bi. Ces cartouches sont susceptibles de contaminer les zones humides où elles sont utilisées. Lorsque les industries ont commencé à produire ces cartouches, les effets du Bi sur les animaux et leur milieu naturel ont été peu étudiés. Les éventuels effets toxiques sur l’oiseau, maillon important des écosystèmes, et leur résistance au Bi n’ont été développés qu’en 2004. Des recherches ultérieures ont démontré que les cartouches au plomb contenaient déjà une certaine quantité de bismuth. Les foies et les muscles de canard contaminés par une grenaille ou une balle de plomb ont montré un taux moyen de Bi de 0,05 μg/g chez une espèce appelée Sarcelle d’hiver, et de 0,09 μg/g chez une autre espèce appelée Colvert. Ainsi, sa présence dans les tissus peut servir d’indicateur de la quantité de plomb présente dans l’environnement et de l’exposition des animaux à cette substance toxique.
Néanmoins, les effets toxiques du bismuth ne peuvent être déterminés ni par la dose ni par la durée d’exposition. Cette information a été confirmée par Martin-Bouyer en 1980, qui s’est basé sur les données toxicologiques du Bi.
Au cours des dernières décennies, il a été largement utilisé dans les munitions pour le gibier aquatique en Amérique du Nord. Cela a entraîné une exposition accrue de l’être humain et des animaux, par la voie du gibier blessé ou tué lors de la chasse avec des billes de bismuth. En outre, certains animaux conservent des débris de munitions dans leur organisme s’ils ont été blessés lors de la chasse.
D’après une étude de Pamphlett, ce métal est solubilisé dans le corps des animaux et entraîne une accumulation dans les cellules vitales. Des grenailles de Bi ont été placées dans la cavité abdominale des souris en laboratoire. Les résultats ont confirmé que le taux de Bi a augmenté dans les cellules tubulaires des reins, les cellules nerveuses, les cellules dendritiques du foie et les macrophages pulmonaires, avec des effets inconnus sur les animaux longévifs.
Par ailleurs, cette étude a permis de confirmer que cet élément traverse facilement la barrière hématoencéphalique qui protège le cerveau, et contamine les organes de manière variable. Les taux de contamination peuvent atteindre des niveaux potentiellement dangereux pour l’animal en quelques semaines.
Des recherches en autométallographie (technique pour identifier la présence de métaux dans les tissus biologiques) ont montré qu’il peut résider dans les testicules et affecter les cellules de Leydig, qui produisent la testostérone. Les macrophages testiculaires, jouant un rôle clé dans la lutte contre les infections et la régulation de l’inflammation, peuvent également être contaminés. Ce résultat soulève des inquiétudes sur les potentiels effets toxiques du bismuth sur la fertilité et la reproduction.
En 2008, une autre étude a montré que, contrairement au plomb, il n’est pas nocif pour la végétation locale, même en milieu acide. Il peut quand même rester disponible dans le sol sous forme de grit (petits éclats de métaux), surtout si le sol est acide. Les millions de débris de grenailles de plomb et de bismuth perdus chaque saison de chasse commencent progressivement à contaminer les milieux naturels. En outre, l’étude souligne que l’absence d’effets nocifs de ces munitions sur les écosystèmes et sur la santé n’a pas encore été prouvée.
Le bismuth, lié aux sulfures, sert de traceur pour les émissions volcaniques grâce à sa rareté exceptionnelle. Les données de ces émissions volcaniques sont aussi utilisées en météo. La concentration de Bi retrouvée dans les carottes de glaces polaires et les dépôts neigeux est mesurée en picogrammes afin de déterminer ses émissions passées. En outre, les sources volcaniques de Bi émettent annuellement entre 1 200 et 1 700 tonnes de bismuth élémentaire. Selon Candelone (1995), la quantité issue de l’érosion éolienne des continents et des sels marins est nettement inférieure, estimée à environ 40 tonnes par an.
Vers la fin des années 1990, l’être humain a largement contribué à la pollution de l’environnement, avec un apport de 15 tonnes de Bi. Ce taux est largement supérieur à la contamination causée par l’érosion du sol et les sels marins. Cette pollution est d’autant plus renforcée par les millions de billes de bismuth qui sont perdues dans la nature, et par le manque de recyclage du métal au fil du temps.
D’autres sources de contaminations viennent s’ajouter à la liste, à citer la métallurgie, certaines activités industrielles dont la soudure, ou encore les activités minières. En effet, le bismuth se retrouve près des mines d’argent, de plomb, d’étain et parfois de cuivre en des quantités parfois très élevées. Dans une mine de cuivre coréenne par exemple, on a constaté une teneur de 436 μg/g de Bi. L’usage croissant de combustibles tels que le charbon est aussi susceptible d’augmenter encore plus cette pollution environnementale. Certains charbons et graphites peuvent contenir du Bi jusqu’à 5 μg/g, de même que du mercure et du plomb.
La concentration de bismuth dans l’écorce terrestre est de 0,03 à 0,2 g/t. Il se retrouve en grande partie dans la partie externe de la couche terrestre. Ce métal se concentre également dans les particules émises par éruption volcanique et géothermale. En effet, les halogènes de bismuth ont la capacité de s’évaporer rapidement à température ambiante. Les isotopes 210Bi, 210Po et 210 Pb, sont d’ailleurs utilisés comme marqueurs pour les éruptions volcaniques passées.
Il s’agit d’un élément chalcophile qui se retrouve fréquemment avec les autres métaux de son genre tels que le plomb ou le zinc. Il est associé au soufre, au sélénium, ou au tellure. La plupart du bismuth dans le monde est extrait principalement des minerais de plomb. Les déchets des procédés électrochimiques de raffinage du cuivre ne représentent qu’environ 10 % de Bi. Il peut aussi être récupéré comme sous-produit lors du raffinage de l’étain ou du traitement de la cassitérite (espèce minérale).
Sa forme pure se trouve dans les structures géologiques de l’écorce terrestre où l’eau chaude et les minéraux se mélangent (veines hydrothermales et failles hydrothermales), en particulier lors des collisions continentales.
Les principaux minéraux du Bi sont la bismuthinite (Bi2S3), la bismite (Bi2O3α), la bismutite ou bismuthite (BiO)2CO3) et d’autres formes à l’instar de (BiO)2CO3. 2 H2O. Cette variété hydratée a été exploitée pendant une courte période à Meymac en Corrèze vers la fin du XIXe siècle. Le bismuth sous sa forme naturelle, quant à lui, est très rare. D’autres minéraux moins connus tels que la bismoclite (BiOCl), la bismuthtantalate Bi(Ta,Nb)O4, la bismuthoferrite ou bismutoferrite FeIII2Bi(SiO4)2(OH), l’eulytite ou eulytine Bi4(SiO4)3, et la tétradymite contiennent aussi du Bi. Il est également trouvé en petite quantité, à l’état de trace, dans certaines formes de sulfures de cuivre et de plomb. Les propriétés de ses sulfures, de même que certains oxydes et carbonates, sont comparables à celles de l’étain et du plomb. Enfin, ce métal est trouvé avec le cuivre et le molybdène dans les roches porphyres qui contiennent des minéraux aurifères.
Le bismuth existe sous forme d’empilement atomique (structure métallique) et sous forme moléculaire, à savoir le pentabismuth Bi5, le tétrabismuth Bi4, le tribismuth Bi3, le dibismuth Bi2 et le bismuth atomique. Il existe d’autres composés de Bi avec un degré d’oxydation de 3, 4 et 5, dus à des combinaisons de différentes orbitales atomiques. Les autres composés incluent les sulfures, les oxydes et les oxydes complexes (ferrite de bismuth). À ces variétés s’ajoutent les oxychlorures, les hydroxydes, les nitrates et sous-nitrates, les albuminates, les sous-carbonates, les phosphates, les citrates, les carboxylates, les hydrures instables et rares, les halogénures, les chlorures, ainsi que d’autres composés chimiques de carbone et de Bi. Sa forme métallique est connue depuis des siècles, mais ses composés chimiques à l’état pur n’ont été découverts que récemment.
Le bismuth, dans sa forme pure, est un semi-métal de couleur blanc argent, avec des reflets mauves, rouges ou rosés. Il se retrouve quelquefois sous la couleur gris-rougeâtre. Sa structure cristalline est appelée rhomboédrique ou trigonale en raison de la forme en losange de ses atomes. La densité du Bi varie entre 9,78 et 9,81. Il présente des clivages faciles et une grande fragilité, qui le rend naturellement cassant. Sur le plan mécanique, cet élément est considéré comme un semi-métal qui réagit aisément au processus de la pulvérisation fine, pour former des vapeurs métalliques bleu verdâtre. Il s’agit d’une réduction en poudre dense, utile pour préparer des matériaux.
Sa masse atomique se situe autour de 208,980 uma. C’est pourquoi en chimie, il est considéré comme un métal lourd. Il se distingue des autres métaux lourds par sa faible conductivité électrique et thermique, évaluée à 2 % par rapport à celle de l’argent, le classant comme un matériau isolant non conducteur.
Son point de fusion se situe à 271,4 °C et son point d’ébullition atteint la température de 1 560 °C +/- 5 °C. Il partage des propriétés uniques avec seulement quatre autres semi-métaux, à savoir le gallium (Ga), le silicium (Si), l’antimoine (Sb) et le germanium (Ge), ainsi que certains oxydes à l’instar de la glace H2O . En effet, ces éléments ont tendance à rétrécir de volume lorsqu’ils sont en fusion, et au contraire à se dilater lors du processus de solidification.
Le bismuth fait partie des matières solides les plus diamagnétiques. En effet, il est difficile de le magnétiser en raison de son effet Hall (courant électrique contraire au champ magnétique) très élevé. Il présente une faible absorption de neutrons et est également hermétique aux rayons X.
Il s’agit d’un élément thermoélectrique capable de convertir la chaleur en électricité. Cette propriété est renforcée lorsqu’il est en contact avec l’antimoine.
Les cristaux artificiels de bismuth se présentent sous des formes géométriques complexes, et possèdent des nuances de couleur allant du blanc argenté au rose pâle ou même au jaune. Ils sont connus pour leur propriété à changer de couleur selon l’angle de vue. Cette irisation provient de la fine couche d’oxydation présente. Ces cristaux sont souvent utilisés à des fins décoratives et sont fabriqués en laboratoire.
Le bismuth est un très mauvais conducteur de chaleur. Il se place juste après le mercure, considéré comme le métal ayant la plus faible conductivité thermique. En revanche, sa résistance électrique est très élevée. En présence d’un champ magnétique, elle augmente de plus en plus. Il est par ailleurs considéré comme le métal le plus diamagnétique, ayant l’effet Hall le plus élevé. Les monocristaux de Bi perdent leur résistance électrique et deviennent supraconducteurs à des températures extrêmement basses (0,53 mK). Le champ magnétique maximum qu’il peut supporter avant de perdre son état supraconducteur est estimé à 5,2 mT à 0 K. La théorie BCS (pour Bardeen, Cooper et Schrieffer), qui explique la supraconductivité dans les métaux à haute température, ne s’applique pas au bismuth. En effet, il possède une faible densité de porteurs et une structure de bandes particulière.
Il partage avec l’eau, l’antimoine, le gallium, l’argent, le sodium, le germanium, et le plutonium, la particularité d’avoir une densité plus élevée à l’état liquide qu’à l’état solide. En effet, sa densité à l’état liquide est supérieure à 9,8 g/cm3, tandis que celle à l’état solide est de 9,780 g/cm3. En outre, l’alliage plomb-bismuth possède une densité presque égale à l’état solide et liquide. La capacité calorifique (Cp) du Bi solide est approximée par l’équation Cp = 0,1077 + 5,2055 × 10−5 T, où T est exprimé en kelvins (K) et Cp en kJ/(kg⋅K).
Le bismuth peut être façonné en une grande variété de formes métalliques : billets, anneaux, lingots, cylindriques, boules, plaques, disques, tranches, rubans, granulés, pastilles, aiguilles, globules, bâtons, barres, pièces, perles, grains, feuilles, barrettes, brides, billettes, poudre, copeaux, petites et grosses pièces, disquettes, blocs, matière concentrée, galettes, nodules, bosse, microlames, tubes, lames. Des échantillons de formes précises sont aussi fabriqués pour des applications spécifiques.
Depuis plus d’un siècle et demi, les alliages à base de bismuth, de plomb, d’étain et de cadmium sont connus pour leur aptitude à la fusion et leur capacité à changer de densité en fonction de la température. L’alliage Bi2Sn2Pb possède une température de fusion d’environ 94 °C. Il se dilate entre 0 et 35 °C, et commence à se contracter à 55 °C. Au-delà de 55 °C, il se dilate à nouveau jusqu’à atteindre la température de fusion.
Autrefois, l’alliage de Newton était composé à 8 % de Bi, à 5 % de Pb et 5 % de Sn, avec un point de fusion de 94,5 °C. L’alliage de Darcet, fondant à 93 °C, était quant à lui constitué de 2 % de Bi, 1 % de Pb et 1 % de Sn. Enfin, l’alliage de Wood, qui fond vers 65 °C, était composé de 7 % de Bi, 2 % de Pb, 2 % de Sn et 2 % de Cd.
Les composants d’un alliage sont listés en fonction de leur quantité respective, avec l’élément le plus abondant en premier. Les mélanges à base de bismuth et d’autres métaux sont présentés sous forme de :
Le bismuth est considéré comme un métal en raison de plusieurs caractéristiques chimiques, telles que la propriété basique de Bi2O3 et le caractère plus basique de Bi2S3 par rapport aux sulfures d’arsenic ou d’antimoine. Les composés les plus connus comprennent la bismuthine BiH3 et le tellurure Bi2Te3, considéré comme élément semi-conducteur dans le domaine de la chimie minérale. En chimie organique, les composés les plus courants sont le sous-gallate (C7H5BiO6) et le sous-salicylate (C7H5BiO4).
La majorité des composés de bismuth sont insolubles dans l’eau. Par contre, en présence de l’ion BiO+, les chlorures , nitrates, et sulfates se solubilisent dans de l’eau préalablement acidifiée. Ces variétés se décomposent en un dépôt blanc de forme irrégulière, contenant de l’hydroxyde de bismuth Bi(OH)3, lorsqu’ils sont chauffés ou en contact avec de l’eau pure. Une fois l’eau perdue, le Bi(OH)3 se transforme en BiO(OH) ou hydroxyde de bismuthyle. Le dépôt blanc, aussi appelé « blanc d’Espagne », est utilisé en peinture pour sa capacité à recouvrir efficacement une surface. En cosmétique, il est connu comme le « blanc de fard » et sert dans la fabrication de certains types de maquillage. La légende chimiste raconte que le nom du bismuth ou wismuth a été inspiré de l’expression allemande « weisse Masse », signifiant « masse blanche ».
La couleur des sels de bismuth est donnée par l’anion et d’autres ions présents dans la composition, mais ils sont généralement incolores. En présence d’acide sulfurique, un précipité noir insoluble dans les sulfures alcalins se forme. Avec les alcalis, un précipité blanc se forme également, mais devient insoluble en présence d’un excès d’alcalis.En alliage avec le fer ou le zinc, ces sels se décomposent et libèrent le bismuth par réaction d’oxydoréduction. Le magnésium, mélangé avec un acide fort, donne un gaz instable appelé bismuthine en petite quantité. Le test de Marsh, permettant de détecter la présence de petites quantités d’arsenic, est quant à lui un processus difficile à réaliser et peut même être impossible dans certains cas.
Le chimiste Chancel a proposé un dosage de l’acide phosphorique en ajoutant des phosphates solubles aux sels de bismuth. Ce procédé a donné naissance à un précipité insoluble dans l’acide nitrique dilué.
On peut déterminer la quantité de bismuth métal en le transformant d’abord en chromate ou en oxychlorure. Cette transformation permet d’obtenir des composés plus manipulables et solubles dans certains solvants, et facilite le dosage.La paire Bi(V)/Bi(III) est un oxydant beaucoup plus puissant que celle de l’oxygène natif, O2/O2− ou gaz dioxygène/oxyde.
Les composés chimiques du bismuth les plus connus sont représentés dans le tableau suivant :
| Types de composés chimiques | Subdivision |
| Sulfures | sulfure de bismuth(III) Bi2S3 ou bismuthinite sulfure double d’iridium et bismuth ou minéral naturel changchengite sulfotellurure de bismuth Bi2Te2S ou tétradymite sulfoséléniure de bismuth Bi2(Se,S)3 ou paraguanajuatite sulfosel (Ag,Cu)3 (Bi,Pb)7 S12 ou benjaminite |
| Séléniures | séléniure de palladium et de bismuth PdBiSe ou padmaïte séléniure de bismuth Bi2Se3 connu avec le minéral naturel guanajuatite |
| Tellulures | tellurure de bismuth Bi2Te3 semi-conducteur tellurure de palladium, platine et bismuth, ou michenerite tellurure double de platine et bismuth ou maslovite, minéral naturel tellurure d’antimoine et de bismuth BiSbTe (granules, poudres, morceaux) ou Bi0.55Sb1.5Te3 en billes, semi-conducteur |
| Oxydes | penta-oxyde de bismuth NaBiO3 ou Bi2O5.Na2O, agent oxydant solide obtenu dans la soude appelé bismuthate de sodium, mais existe sous forme de Bi2O5, forme instable et peu connue sesquioxyde de bismuth(III) Bi2O3 et ses trois variétés d’ oxydes basiques : Bi2O3α correspond à la bismite monoclinique pseudo-orthorhombique en minéralogie; et Bi2O3β à sphaérobismoïte également appelée bismuthosphérite tétragonale à structure de fluorine |
| Oxydes complexes | oxydes multiples Bi1.6Pb0.4Sr1.6Ca2.0Cu2.8O9.2+x ou Bi2Sr2CaCu2O8+x ferrite de bismuth germanate de bismuth |
| Peroxydes | peroxyde de bismuth(IV) Bi2O4 |
| Hydroxydes | Bi(OH)3 : une substance qui peut se comporter à la fois comme un acide ou comme une base, à hydrolyse facile |
| Oxyhalogénures | BiOCl.H2O BiOCl insoluble ou blanc de perle oxybromure de bismuth BiOBr oxyiodure BiOI |
| Bromures, iodures fluorures et chlorures | BiBr3 iodure de bismuth BiI3 semi-conducteur BiF3 à structure ionique BiF5 BiCl3 (acide de Lewis) |
| Borates | borate de bismuth BiBO3 |
| Carbonates et sous-carbonates | Bi2O3(CO2). H2O carbonate de bismuth Bi2(CO3)3 sous-carbonate de bismuth Bi2(CO2)O2 ou (BiO)2CO3 appelé minéral naturel bismutite |
| Sulfates | Bi2(SO4)3 |
| Nitrates | Bi(NO3)3 Bi(NO3)3.3H2O Bi(NO3)3.5H2O |
| Sous-nitrates | BiONO3.H2O qui ne se dissout pas dans l’eau sous-nitrate de bismuth(IV) Bi5O(OH)9(NO3)4 oxynitrate de bismuth(III) BiONO3 |
| Phosphates | BiPO4 monophosphate AxB12−2xBi4 + x(PO4)12 avec 0 ⩽ x ⩽ 6, A et B sont soit des métaux alcalins, soit des métaux alcalinoterreux |
| Stannates | Bi2O3· 2 SnO2 stannate de bismuth Bi2(SnO4)3 stannate anhydride Bi2O3(SnO2)3 pentahydrate Bi2O3(SnO2)3. 5H2O |
| Arséniates | arséniate de bismuth et de cuivre BiCu6(AsO4)3(OH)6•3(H2O) ou minéral de mixite arséniate de bismuth BiAsO4 |
| Aluminates | Bi(AlO2)3 |
| Chromates | |
| Niobates | orthoniobate de bismuth(III) BiNbO4 |
| Tantalates | BiTaO4 ou orthotantalate de bismuth |
| Arséniures | arséniure de palladium et de bismuth Pd2(As,Bi), appelé minéral Palladobismutharsenide en anglais |
| Antimoinures semi-conducteurs | antimoniure de bismuth BiSb diantimoniure de dibismuth Bi2Sb2 |
| Bismuthures | bismuthure d’erbium BiEr |
| Vanadates | vanadate de bismuth BiVO4 , qui existe sous trois formes polymorphes : orthorhombique (minéral de pucherite ou puchérite), dreyerite et clinobisvanite |
| Molybdates | Bi2MoO6 Bi2Mo2O9 molybdate de bismuth Bi2(MoO4)3 |
| Titanates semi-conducteurs | titanate de bismuth(III) Bi2Ti2O7 titanate de bismuth Bi4(TiO4)3 titanate de strontium dopé au bismuth, Bi-SrTiO3 |
| Zirconates | BiZrO3 |
| Tungstates | Bi2(WO4)3 |
| Carboxylates | citrate de bismuth(III) BiC6H5O7hexafluoroacétylacétonate de bismuth Bi(F3CCOCHCOCF3)3 néodécanoate de bismuth Bi(C10H19O2)3 formiate de bismuth Bi(CHO2)3 acétate de bismuth Bi(C2H3O2)3 sous-gallate de bismuth C7H5BiO6 sous-gallates hydratés C7H5BiO6 • x H2O oxalate de bismuth Bi2(C2O4)3 gallate basique de bismuth (utilisé en médecine comme traitement contre les hémorroïdes, souvent en association avec de l’oxyde de bismuth) citrate de bismuth et d’ammonium Bi(NH4)3 (C6H5O7)2 citrate de bismuth et de potassium sous-succinate de bismuth (BiO)2(C4H4O4) (en association avec d’autres médicaments dans le traitement de certaines infections respiratoires et autre, administré par voie rectale sous forme de suppositoire) succinate de bismuth Bi2(C4H4O4)3 (utilisé le traitement des infections bactériennes sous forme de suppositoires) gluconate de bismuth (utilisé en oligothérapie, en solutés buvables, par voie orale ou sublinguale) sous-citrate de bismuth (utilisé en association avec des médicaments tels que les antibactériens locaux, les antibiotiques, ou autres antiulcéreux antiacides sous forme de comprimés ou de gélules) |
| Salicylates et sous-salicylates | sous-salicylate de bismuth C7H5BiO4, agent actif du médicament pepto-bismol |
| Butylthiolaurate de bismuth C16H33BiO4S | butyl-thiolaurate de bismuthyle |
| Iodobismuthite de quinine | |
| Naphténates | dinaphténate de Bi ou bi(naphténate)2 |
| Sulfonates | trifluorométhanesulfonate de bismuth Bi(OSO2CF3)3 ou C3BiF9O9S3 |
| Albuminates | |
| Hydrures | tri(4-ethoxyphenyl)bismuthine ou C24H27BiO3 bismuthine BiH3 (instable et n’est obtenu qu’à l’état de trace) |
| Carbures | BiC |
| Composés métalliques binaires | Mg3Bi2 |
| 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 |
| Composés organométalliques de bismuth | triphényl-bismuth Bi(C6H5)3 dichloritri(o-tolyl)bismuth C21H21BiCl2 R3Bi alkyl-bismuthane triméthyl-bismuth Bi(CH3)3 (composé toxique et génotoxique) bismuth tris(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate) C33H57BiO6 dichlorotri(4-chlorophenyl)bismuth C18H12BiCl5 dichloro-(4-methylphenyl)-diphenylbismuth C19H17BiCl2 tris(1-methoxy-2-methyl-2-propoxy)bismuth Bi(C5H11O2)3 tris(2,2,6,6-tetramethylheptane-3,5-dionato)bismuth Bi(C11H19O2)3 |
Près de 50 % du bismuth extrait dans les minerais sont utilisés comme additifs dans les alliages métalliques. L’industrie chimique, y compris la production de verres et de céramiques, ainsi que la pharmacologie en utilisent près de 25 %. Le reste est exploité en électrochimie, en particulier comme traitement anticorrosif en galvanisation. Les alliages fusibles à basse température et les pare-feux de sécurité contiennent du Bi. De même, il est présent dans les munitions, en remplacement du plomb, et est utilisé dans des soudures spéciales.
Depuis le XIXe siècle, les alliages d’acier contiennent du Bi en grande quantité. Ceux à bas point de fusion à l’instar des alliages de Wood, Rose ou Field, en renferment également.
Le bismuth possède un poids atomique élevé (9,78 g/cm3), atteignant presque celui du plomb (11,32 g/cm3). La similarité entre ces deux éléments leur confère des propriétés balistiques et d’absorption de rayonnements identiques. Le Bi est par ailleurs moins toxique que le plomb, même s’il coûte plus cher vu sa rareté dans la nature. C’est pour cette raison qu’il est de plus en plus adopté dans différentes industries à la place de son homologue chimique.
Le plomb des platines de pêche est remplacé par le bismuth pour les rendre moins toxiques quand elles se perdent dans la nature ou sont avalées par des oiseaux.
Il est présent dans les grenailles de chasse, en remplacement aux anciennes munitions plus nocives constituées d’alliage d’arsenic, d’antimoine et de plomb. Ce dernier commence à être interdit dans certains pays européens (Danemark, Angleterre, Pays-Bas, pays de Galles) et aux États-Unis, en particulier son application dans les grenailles de chasse. Les animaux, dont les oiseaux aquatiques, qui ingèrent des billes de chasse ou de tir en plomb subissent une intoxication qui peut conduire à leur mort. Les oiseaux sont particulièrement vulnérables à l’intoxication au Pb étant donné qu’ils ingèrent souvent ces billes en les confondant avec du grit. Même si les grenailles à base de bismuth et d’étain (5 %) ont des capacités balistiques semblables à celles du plomb, elles ont tendance à se disperser vite au moment de l’impact. Par la suite, elles contaminent les consommateurs avec des particules ou nanoparticules bismuthées. La grenaille en acier ou en fer doux (recouverte de couches de Bi pour sa propriété antirouille) peut s’y substituer, mais elle est moins performante.
Il n’est pas utilisé pour les balles de chasse au grand gibier en raison de son manque de ductilité. En effet, suite à un incident de chasse, les risques toxiques de la présence des fragments de billes de bismuth dans le muscle ou les organes ont été étudiés et publiés en 2012. Pour ce faire, des petits morceaux de ces billes ont été introduits dans les tissus musculaires des rats de laboratoire. Les résultats ont montré la présence de molécules de Bi dans l’urine et le sang des cobayes. La bio-imagerie a permis de visualiser la diffusion du métal dans le tissu. Il est distribué légèrement et d’une manière asymétrique dans la chair autour des fragments, mais cette image peut ne pas correspondre exactement à sa distribution réelle. La présence de morceaux de Bi entraîne une concentration accrue de zinc dans la zone environnante, considérée comme indicateur d’une réponse inflammatoire induite par l’expérimentation.
Dans la production de munitions, le bismuth a été identifié comme une alternative plus sûre et moins nocive pour remplacer le plomb. Les balles « vertes », les balles non létales et les munitions anti-émeutes contenant du Bi sont ainsi de plus en plus utilisées, de même que celles destinées à l’entraînement, à l’impact ponctuel ou à la distraction suspecte.
Il est aussi utilisé comme alternative dans la fabrication d’écrans de protection contre les rayons X pour le corps humain. Ces écrans sont fabriqués en latex imprégné de bismuth et sont utilisés lors d’examens médicaux tels que les tomodensitomètres, afin de réduire les risques de toxicité associés à l’exposition au plomb.
La directive européenne sur la limitation de l’utilisation de substances dangereuses (RoHS) a étendu son utilisation dans la production de composants électroniques, en tant que composant de soudures à bas point de fusion (en substitut aux soudures traditionnelles au plomb-plomb, plus toxiques). Le bismuth est une alternative préférable pour les soudures utilisées dans les équipements de traitement des aliments et les conduites d’eau en cuivre. Il est appliqué dans l’industrie automobile, surtout au sein de l’Union européenne.
Cet élément peut remplacer le Pb dans les cuivres à usinage libre utilisés en plomberie, mais il ne possède pas les mêmes performances que les aciers au plomb.
Le bismuth est un matériau de choix pour la fabrication de moules de précision sous pression en raison de sa bonne capacité de fusion. Ces moules sont utilisés dans le modélisme, notamment dans la fabrication des petites voitures de collection ou des maquettes. Il est également employé comme matériau métallique pour le moulage, permettant de créer des pièces métalliques complexes, avec une grande précision et une finition soignée.
L’eutectique est le point de fusion le plus bas d’un alliage où les différents éléments qui le composent fondent simultanément. Pour les alliages à bas point de fusion, l’eutectique se situe à 48 % de bismuth en masse. À ce stade, ils changent de propriétés physiques : certains se contractent tandis que d’autres se dilatent. Ils sont sélectionnés pour réaliser des soudures à matériaux réduits. L’alliage bismuth-plomb, respectivement 56 % et 44 %, est adopté dans les soudures à froid dû à son point de fusion relativement bas de 125 °C. Son mélange avec l’étain (Sn42Bi58) est exploité en électronique pour produire des soudures à bas point de fusion dépourvues de plomb (RoHS).
L’alliage d’Arcet, connu sous le nom d’alliage de Darcet, est composé de 49,2 % de Bi, 32,2 % de Pb et 18,4 % de Sn. Cet alliage a la particularité de fondre à une température très basse, avant même 97 °C.
Le métal de Wood est un mélange fondant dans l’eau chaude à environ 70 °C, composé d’environ 50 % de Bi, 25 % de Pb, 12,5 % de Cd et de Sn. Comme l’alliage de Newton, il a la propriété d’absorber les rayonnements.
Les alliages de Rose et de Field contiennent du bismuth et d’autres métaux tels que le plomb, l’étain, le cadmium et l’indium. Avec le métal de Wood, ils sont souvent utilisés en raison de leur point de fusion très bas et leur capacité à être utilisés comme fusibles en électricité, à l’instar de l’association bismuth-étain (40 % / 60 %).
Ces alliages sont des matériaux particulièrement adaptés à la protection contre les incendies. Par exemple, ils peuvent servir de coupe-circuits électriques, ou déclencher une vanne de sécurité anti-incendie (déclencheur de chute d’eau) en cas de température élevée, de fumées chaudes ou de vapeurs. Dans les systèmes d’extinction automatique à eau, comme les sprinklers, un mélange très fusible est souvent utilisé pour obstruer une vanne et empêcher l’eau de s’écouler jusqu’à 47 °C. L’alliage employé comme joint verre-métal (49,2 % Bi, 22 % Pb, 18 % Zn, 8 % Sn, 5 % Ca, 4 % Hg), qui fond à 45 °C, partage ces mêmes propriétés.
Les dispositifs d’extinction automatique (têtes arroseuses) pour les systèmes sprinklers ou les vannes de sécurité pour les cylindres de gaz comprimé (prises de sûreté) sont fabriqués à partir d’alliages de Bi.
Ses alliages avec le manganèse, ainsi que l’oxyde de bismuth, servent dans la fabrication des aimants permanents à champ coercitif élevé.
Il est choisi comme alternative au plomb dans le domaine de la plomberie. Il est utilisé en tuyauterie et en soudure. Les alliages de ce métal sont actuellement à l’étude pour réaliser des assemblages techniques à la place de son homologue.
Il est souvent adopté dans la fabrication d’éléments thermo-électriques grâce à sa capacité à convertir directement une différence de température en électricité. Mélangé avec le tellure ou l’antimoine (Bi2Te3, Bi1–xSbx), il acquiert des capacités semi-conductrices, nécessaires dans la fabrication des thermocouples.
Dans la fabrication de verre et de céramique, il est appliqué comme pigment blanc sous forme d’oxynitrate ou de sous-nitrate de bismuth (BiONO3), et comme pigment vert-jaune par l’orthovanadate de bismuth (BiVO4).
Le borosilicate de bismuth est appliqué en émaillage pour améliorer la durabilité et la résistance à l’usure des surfaces émaillées.
Les verres optiques, également appelés verres Flint, sont des verres spéciaux utilisés pour la fabrication d’objectifs optiques, de télescopes et d’autres instruments d’optique. Ils renferment du phosphate de bismuth.
Le carboxylate de Bi sert de siccatif dans l’industrie des peintures, en remplacement au plomb. Il agit comme agent accélérateur du processus de séchage. Ses oxydes sont autant employés dans l’industrie des peintures comme pigments. L’oxyde Bi2O3 produit une teinte jaune et est opté pour colorer les grues de chantier. L’oxychlorure BiOCl produit une teinte blanche et sert dans la fabrication des perles artificielles. Ces pigments sont appréciés pour leur stabilité chimique et leur résistance à la décoloration.
En pyrotechnie, il est utilisé comme combustible sous forme de triphényl-bismuth (TPB) et de tris (ethoxyphényl) bismuth (TEPB). L’exportation de ces composés est souvent réglementée et soumise à autorisation dans de nombreux pays.
Le BiCl3 est un catalyseur efficace pour différentes réactions chimiques, notamment dans la production des fibres acryliques et divers polymères. Par ailleurs, le bismuth agit comme ignifugeant et retardateur de flamme dans les papiers peints ou les polymères, et limite ainsi leur inflammabilité et la propagation du feu en cas d’incendie.
Dans l’industrie du caoutchouc, le sesquioxyde de bismuth (Bi2O3) est souvent adopté comme catalyseur de vulcanisation. Il s’agit du processus chimique qui permet de renforcer les propriétés mécaniques du caoutchouc.
Dans l’industrie nucléaire, l’hydroxyde et le phosphate de bismuth sont utilisés comme réactifs de séparation pour extraire le plutonium de l’uranium irradié.
Il est appliqué comme dopant pour le germanium et le soufre dans la fabrication de semi-conducteurs. Les hydrures de bismuth sont utilisés pour modifier les propriétés électriques du matériau, mais ils sont instables, volatils et très réactifs.
Ce métal est présent dans l’industrie des pesticides, notamment dans la composition de certains fongicides. Cependant, il est considéré comme un élément qui ne peut être décomposé naturellement dans l’environnement. Par conséquent, son application dans les pesticides peut entraîner une accumulation du métal dans le sol et dans les eaux environnantes, et avoir des conséquences néfastes sur l’environnement et la santé humaine.
Pendant plusieurs siècles, la médecine traditionnelle a utilisé les sous-nitrates et les sous-carbonates de bismuth, dans la préparation des médicaments et en parapharmacie. Le nitrate Bi(OH)2NO3, un composé insoluble dans l’eau, possède des propriétés antiseptiques. Il a été adopté en médecine comme pansement gastrique sous le nom de « magisterium bismuti » ou magistère de bismuth. Il était généralement pris par ingestion, pour traiter l’ulcère gastro-duodénal et divers problèmes digestifs tels que les colites, la diarrhée, la constipation et les entérites. Ses propriétés calmantes et antiseptiques sont considérées comme efficaces pour les blessures et les brûlures (pansements), ainsi que contre les infections cutanées. Il trouvait aussi un usage important dans le traitement de la syphilis.
Pour garantir son application en médecine, le bismuth doit être sous sa forme chimique pure. Toutefois, cette pureté est difficile à atteindre dans la mesure où son minerai renferme des substances hautement toxiques telles que le tellure, l’argent, l’arsenic ou le plomb.
Le surdosage de ce métal peut causer des intoxications médicamenteuses graves telles que sa métabolisation dans le corps ou des dommages au cerveau. Ces effets peuvent survenir lorsqu’il est ingéré ou inhalé en quantités excessives, ou lorsque le traitement médicamenteux est prolongé au-delà de la dose recommandée. En France, l’application du bismuth sous forme soluble et insoluble a même été interdite.
Certaines formes dérivées de la chimie organique du bismuth sont encore appliquées en médecine. Ces produits ne sont toutefois présents qu’en très faible quantité et sous forme pure et insoluble dans l’eau, afin de minimiser les risques de toxicité. Les sels de bismuth insolubles, ayant une absorption digestive limitée, sont encore maniés pour fabriquer des pansements. La capacité couvrante élevée des nitrates et des carbonates basiques, ainsi que leurs propriétés antiacides et antiseptiques leur permettent de réduire considérablement les fermentations gastriques. Lorsqu’elles se divisent, ces couches salines développent une forte capacité à attirer les gaz soufrés (adsorption chalcophile), et le bismuth peut facilement les fixer dans le tube digestif. Par la suite, il se transforme en sulfure Bi2S3 qui donne une couleur noire aux selles. Il a la particularité d’être opaque aux rayons X. Par conséquent, le pansement doit être retiré avant une analyse radiologique afin que les substances de contraste nécessaires à l’examen circulent parfaitement. Cet élément est encore recommandé en petite quantité par certains oligothérapeutes contre les infections virales qui entraînent des infections douloureuses (laryngite ou pharyngite). Il est aussi appliqué dans le traitement de la leucémie.
Le bismuth possède une toxicité naturelle qui lui confère des propriétés désinfectantes. C’est pourquoi il a été utilisé dans certains désinfectants, notamment sous forme de sesquioxyde. Cependant, en raison de son impact négatif sur l’environnement et de sa persistance dans les écosystèmes, il a été remplacé par des alternatives moins toxiques et plus respectueuses de l’environnement. Le (sous)succinate de bismuth possède une action biocide, c’est-à-dire qu’il peut tuer les micro-organismes qui causent des maladies ou empêchent leur croissance. Il est administré par voie rectale (sous forme de suppositoire) pour traiter les angines, ainsi que par voie parentérale (injection) pour traiter la syphilis. Certains traitements par antibiotiques peuvent encore inclure l’application de dérivés liposolubles de bismuth tels que le butyl-thiolaurate de bismuthyle ou l’iodobismuthite de quinine. Ils sont administrés par voie intramusculaire à des intervalles de temps précis.
Le bismuth subsalicylate (BSS) est une substance active du Pepto-bismol, pris contre les troubles gastro-intestinaux, tels que la diarrhée, les nausées et les vomissements. Elle est considérée comme insoluble dans l’eau. Cependant, en 2005, des études ont montré que lorsque le BSS entre en contact avec des jus de fruits, des substrats contenant des thiols ou de l’acide ascorbique, il peut devenir soluble. Cette forme est la plus efficace contre Clostridium difficile, la bactérie qui provoque une diarrhée sévère chez les patients hospitalisés sous antibiotiques. Par ailleurs, des recherches sont en cours pour améliorer ses propriétés contre la bactérie clostridium.
En cosmétique, l’oxychlorure (BiOCl) et l’oxynitrate de bismuth (BiONO3) sont ajoutés aux produits (rouges à lèvres, laques pour ongles et ombres à paupière) pour leur donner une brillance nacrée. Le citrate de bismuth se retrouve à 0,2 % dans une lotion de repigmentation des cheveux. Il agit en se fixant sur les protéines de la kératine présentes dans les cheveux, et grâce au soufre présent dans le produit. Des dérivés de bismuth se retrouvent encore dans la composition des déodorants dans quelques pays qui n’ont pas adopté le principe de précaution. En ce qui concerne la France, ce dernier a été reconnu en 1974.
En raison de sa toxicité et de sa rareté, il est plus écologique de recycler le bismuth plutôt que de le jeter. Cependant, la récupération de cet élément dans de nombreux produits reste difficile, tels que les peintures, les fibres, les additifs, les munitions et les pesticides.
Le bismuth métal est souvent utilisé dans des alliages comme catalyseur. Le recyclage sous cette forme se fait actuellement avec des scraps d’alliage ou des alliages à forte teneur.
En 2010, la Chine est devenue le plus grand producteur de bismuth, représentant plus de 60 % du marché mondial. Les réserves principales se trouvent dans son territoire, soit environ 75 % des 340 à 350 mille tonnes reconnues et exploitables dans le monde. Elles sont estimées suffisantes pour encore quarante ans, à une fréquence de consommation fixe de 9 000 tonnes par an.
En 2014, la France est considérée comme un importateur net de bismuth selon les douanes françaises, avec un prix moyen à l’importation de 17 000 € par tonne.
Sa forme très pure avoisinait les 40 $ pour 100 grammes avant 2010. Cependant, en l’achetant en grande quantité dans une forme moins pure, le prix du kilogramme descend entre 10 à 30 dollars.
Les effets toxiques du bismuth sur l’environnement sont peu connus, et ceux de ses isotopes le sont encore moins. En revanche, l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) a élaboré une fiche pédagogique sur le 209Bi pour sensibiliser le public aux risques liés à cet isotope.
Le bismuth métallique est considéré comme le moins nocif des métaux lourds et ses effets sur l’être humain sont temporaires. Cependant, les données sur son écotoxicité sont insuffisantes, en particulier les formes organométalliques et/ou inhalables ou volatiles (méthylbismuth).
En 2008, Von Recklinghausen et ses collaborateurs ont mené des expériences in vitro qui ont révélé des similarités entre le bismuth et le mercure. Ces éléments sont absorbés par les cellules humaines et causent des effets toxiques aux érythrocytes, lymphocytes et hépatocytes, en particulier le triméthyl-bismuth Bi(CH3)3 ou bismuth méthylé. Les résultats ont montré que les érythrocytes et les lymphocytes étaient les plus touchés par cette variété après une ou 24 heures d’exposition. Ses effets sont génotoxiques, et peuvent entraîner des mutations génétiques. En revanche, sous forme de citrate ou de glutathion, il ne montre pas d’effets toxiques pour l’ADN. Tout comme le mercure, il subit facilement une méthylation dans des sédiments peu oxygénés en réaction aux bactéries du groupe des methanobacteria/methanoarchaea.
Des études passées ont déjà révélé que la forme méthylée du bismuth peut provenir d’une partie de la flore intestinale du côlon humain. Les variations d’intoxications chez l’Homme ou l’animal de laboratoire pourraient s’expliquer par la variété des microbiotes, bien que cela n’a pas encore été confirmé. Les chercheurs ont décrété que cette forme rend le sel de bismuth primaire beaucoup plus toxique. De ce fait, des lésions chromosomiques (sans dérivé réactif de l’oxygène) se forment dans les cellules humaines. Cette toxicité est due à une inhibition de la réparation de l’ADN ou à une interaction directe avec l’ADN.
Les effets toxiques du bismuth sur le corps humain sont peu connus. Antoine Béchamp, professeur à Montpellier, a signalé dès 1860 dans sa thèse de médecine que les sels de bismuth étaient nocifs.
Le salicylate de Bi a été testé comme remède contre la syphilis chez l’être humain. Son injection a eu comme effets secondaires des dégâts sur le foie et les reins, ainsi que des dommages neurotoxiques. Les patients présentaient une gingivostomatite sous forme de taches noires sur les gencives (ligne de bismuth), une mauvaise haleine et une salivation excessive. Des recherches récentes par observations au microscope électronique ont révélé que les cellules épithéliales tubulaires proximales du rein, exposées au bismuth, ne meurent pas naturellement, mais par nécrose. La z-VAD-fmk est un inhibiteur de l’enzyme caspase-3, impliquée dans le processus de mort cellulaire programmée ou apoptose. Dans le cas des cellules NRK-52E exposées au Bi, l’inhibition de la caspase-3 par la z-VAD-fmk n’empêche pas la mort cellulaire, contrairement au cisplatine. Les études ont montré que les effets toxiques de cet élément sur les reins ne sont liés ni à la dysfonction mitochondriale ni à l’induction de radicaux libres. Les indices précoces de dommages et le déplacement anticipé de la N-cadhérine suggèrent qu’il attaque directement les fonctions de la membrane des cellules épithéliales tubulaires proximales du rein, entraînant ainsi leur apoptose. Les effets nocifs du bismuth sont réversibles après quelques mois d’exposition, contrairement aux conséquences permanentes des autres métaux lourds. Toutefois, ses retombées sur les embryons ou les fœtus, ainsi que sur les travailleurs n’ont pas été cherchées.
Des études ont montré que cet élément peut traverser la barrière hématoencéphalique. Il s’accumule dans plusieurs parties du cerveau, dont les neurones et les cellules gliales du cervelet, du néocortex, du thalamus ou encore de l’hippocampe. En effet, ces résultats ont été découverts suite à l’autopsie de personnes décédées d’intoxication au bismuth, et au traçage histochimique effectué sur des animaux. Il est plus présent dans les parois des vaisseaux sanguins du cervelet que dans celles des autres parties du cerveau. Il se retrouve dans les cellules, principalement dans les lysosomes, mais aussi dans les membranes basales de certains vaisseaux sanguins.
Le bismuth est capable de se déplacer d’un axone à l’autre. Cette capacité a été observée après son injection dans le triceps d’un rat. Une accumulation de Bi a été retrouvée trois jours plus tard dans les motoneurones qui relient le muscle à la moelle épinière, ainsi que dans les cellules des ganglions de la racine dorsale, près de la zone d’injection. En 2002, une étude a été menée pour examiner l’effet du citrate de bismuth sur les macrophages présents à la base et aux marges d’ulcères. Les résultats ont montré qu’il se regroupait dans les lysosomes, organites intracellulaires impliqués dans la dégradation de différentes molécules. Cette agglomération peut conduire à une rupture des lysosomes et conduire à la mort des cellules (apoptose). Une autre étude affirme que le Bi accumulé augmente à la fois avec la durée du traitement et la dose administrée. En 1996, ses propriétés d’induction puissante de la métallothionéine dans la cellule ont été découvertes. Il s’agit d’une protéine qui se lie aux métaux dans le processus de détoxication de la cellule. Le bismuth est responsable de la production de diverses enzymes glycolytiques. Sa présence dans la cellule conduit à une diminution de l’oxygène disponible pour la cellule, et active un stress de type « hypoxie ». L’apoptose des cellules en réponse au Bi peut résulter de l’interaction entre les protéines Bnip3 et BCL2/adénovirus E1B 19 kDa, connue pour réguler la mort cellulaire causée par l’hypoxie.
L’inhalation de ses vapeurs conduit à une intoxication par voie respiratoire. Le bismuth émet des vapeurs toxiques à basse température, et sa forme méthylée à température ambiante.
Lorsqu’il est ingéré, une partie passe à travers la barrière gastro-intestinale. La quantité absorbée varie selon la forme ingérée et les caractéristiques individuelles de chaque personne.
Ses substances qui se lient aux métaux lourds (chélateurs), à savoir la D-pénicillamine et son dérivé N-acétyl, sont efficaces dans le traitement de l’intoxication au citrate de bismuth chez la souris par voie intrapéritonéale.
A l’ingestion, il n’est détectable dans le plasma qu’à des concentrations significatives, généralement inférieures à 1 ron 10. Il est partiellement absorbé par le tube digestif, mais une grande partie est éliminée dans les selles.
Le bismuth a été utilisé avant 1974 à des doses dangereuses, presque mortelles, sans interruption ni limite de temps, malgré les avertissements émis depuis plus d’un siècle. En 1910, des précautions d’emploi ont été édifiées, notamment en précisant que son usage soit discontinu. Les laboratoires et les médecins ont par la suite encouragé son utilisation thérapeutique, entraînant une augmentation de sa prescription. De 1964 à 1974, la consommation de bismuth a doublé pour atteindre 800 tonnes par an en France.
À partir de 1974, l’épidémiologie des effets du bismuth a commencé à être mieux comprise en France, grâce à l’étude menée par l’Institut national de la santé et de la recherche médicale, à travers le programme « maladies transmissibles et accidents toxiques ». Elle a examiné 942 cas d’intoxication à l’ingestion du Bi décrits dans la littérature médicale, dont 72 se sont soldés par la mort. Les recherches ont révélé l’implication de tous ses sels dans les intoxications graves. Par ailleurs, son niveau de dangerosité n’a pas été pris en compte de manière appropriée. Ces recherches ont permis d’établir que la prise de ce métal comme médicament était responsable d’encéphalopathies. Elles se présentent en deux phases distinctes, dont la première, la phase prodromique, est marquée par l’asthénie, l’insomnie, les céphalées et la perte de mémoire. Arrive ensuite la phase aiguë, caractérisée par des troubles neurologiques graves (semblables aux symptômes provoqués par le plomb ou le mercure) tels que la dysarthrie, l’ataxie, les troubles de la mémoire, les états confusionnels, la désorientation, l’agitation, les tremblements, les troubles de la marche, les myoclonies, les hallucinations et les convulsions. Après l’arrêt de la prise de bismuth, une amélioration clinique est généralement constatée en quelques jours. Certains symptômes persistent toutefois, à l’instar des troubles de la mémoire et/ou les céphalées, des troubles du sommeil, et de l’asthénie.
Les fortes doses de ce métal dans les médicaments ont été interdites par le ministère de la santé français suite à l’identification de milliers de cas de contamination en France et en Australie. Certains pays l’utilisent encore en petite quantité en oligothérapie. Les dérivés du « sous-citrate de bismuth-colloïdal » tels que le citrate DENOL* et le complexe citrate de bismuth-ranitidine sont choisis par certains pays pour traiter certaines affections ORL. Ces formes sont prescrites uniquement pour traiter les ulcères gastroduodénaux. Ses propriétés toxiques permettent d’éliminer efficacement la bactérie responsable de cette maladie (Helicobacter pylori), qui est difficile à éliminer avec d’autres traitements. Les doses de bismuth présentes dans le médicament sont bien plus faibles que celles prescrites avant 1974. Chaque phase de traitement dure un mois, et doit être suivie d’une pause de deux mois minimum avant de poursuivre.
Les analyses classiques de sang et d’urine ne révèlent que des contaminations récentes au bismuth. En effet, il est éliminé en quelques jours via les urines après la fin de l’exposition. En revanche, comme pour le plomb, l’antimoine et l’arsenic, des traces se retrouvent dans les cheveux s’ils ne sont pas coupés.
L’origine étymologique du mot allemand « das Wismuth » est attribuée à un étymon double de l’allemand « weisse Masse », qui signifie « masse blanche », ou « weisse matte », traduit comme « matte blanche ». Le nom wismuth apparaît dans le livre Ein nützlich Bergbüchlin, destiné aux apprentis maîtres-mineurs, publié vers 1527. Le minerai de bismuth y est appelé wißmad ärcz, signifiant minerai blanc (wissmatt ou wissmad), pour indiquer qu’il est souvent relié aux veines de cobalt argentifères. Georgius Bauer, aussi connu sous le nom d’Agricola, l’a appelé cinereum plumbum ou plomb cendré sous l’influence de l’alchimie. Il a suggéré que le bismuth natif se forme par une réaction entre un métal plus dense (plomb) et des cendres carbonées moins denses. Cette réaction se produit à l’air libre ou dans le mélange de minéraux contenant des sulfures ou des oxydes, et conduit selon lui à la formation de bismuth d’apparence métallique.
Sa forme native, ou le métal lourd, a été désignée sous le terme bisemutum en latin médiéval et dans la langue alchimique. Ce terme apparaît dès 1450 avec wismutum, et vers 1530 avec bisemutum. Le terme wesemut est attesté en moyen-allemand en 1390. Une hypothèse suppose qu’il dérive d’un terme d’origine arabe et/ou grec, traduit dès le IXe siècle à partir du livre de référence de Dioscoride, De materia medica, ou grâce à des spécialistes miniers. Une autre avance que b[i]sīmūtīyūn, serait une adaptation du grec ancien ψιμύθιον psimýthion signifiant « blanc de plomb ». Une dernière suppose que le mot vient de bi iṯ’mid ou bi’ ’ithmid, qui signifie littéralement « semblable à l’antimoine ». Cette alternative suppose que la similitude et la différence entre le bismuth et l’antimoine natif étaient préalablement connues. Ces dernières alternatives sont considérées comme les plus probables. Deux autres éventualités sont toutefois proposées par la tradition minière. La première met en relation l’origine du mot avec le site minier de Saint-Georges « in der Wiesen » situé près du Schneeberg dans l’Erzgebirge saxon au XVe siècle. Ce gisement très actif produisait de la matte ou de la masse de bismuth. La seconde suggère que la racine wis(se)mat ne désigne qu’une masse ou une matte blanche. Ces étymologies dites populaires ou pseudo-savantes, bien qu’imprécises, rappellent les pratiques minières anciennes.
Le bismuth est largement mentionné dans les écrits de Basilius Valentinus, à l’époque connu comme moine bénédictin, pseudonyme possible de l’éditeur allemand Johann Thölde (XVIIe siècle). Malgré son association avec l’alchimie, le bismuth est principalement connu des experts miniers et des spécialistes en métallurgie. C’est pourquoi ses autres appellations sont reliées à d’autres éléments chimiques tels que le plomb cendré ou le « plumbum cinearum » en latin, l’étain de glace ou l’étain gris, l’antimoine blanc, la weisse matte, ou encore le vrai démorgon, la glaure, et la nymphe.
Henri Lammens suggère que la langue arabe peut fournir une origine linguistique. Selon lui, le bismuth vient du mot أُثمُد (othmod) / إِثمِد (ithmid), traduit au sens littéral comme antimoine.
Finalement, la connaissance du bismuth a été promue au XVIIIe siècle par les scientifiques Carl Wilhelm Scheele, Jean Hellot, Claude François Geoffroy, Johann Heinrich Pott, et Torbern Olof Bergman.
Le bismuth a souvent été confondu avec d’autres métaux lourds tels que l’antimoine, le plomb ou le zinc par les potiers d’étain ou les alchimistes. Les scientifiques se sont servis de cette confusion pour mieux avancer dans leurs recherches.
Le tain provient d’un mélange de bismuth, de plomb et d’étain, qui est réduit en feuille puis appliqué sur une surface miroir.
En 1830, la région minière de Saxe lance la première production industrielle de bismuth. Vers 1901, le bismuth extrait de l’alliage du plomb doux est distribué en grande quantité en tant que sous-produit. Entre 1918 et 1939, ses alliages ont été largement utilisés, notamment pour les besoins militaires.
Les médicaments thérapeutiques contenant du bismuth dépassent les 150 tonnes par an en 1953. Le ministère de la Santé français ne prend des mesures qu’en 1974, suite aux effets négatifs sur les patients. Son utilisation en pharmacie a été réduite à moins de 10 tonnes en 1979. L’application de composés à base de bismuth comme retardateurs de flamme dans l’industrie plastique, ainsi que comme pigments a toutefois stimulé la croissance de l’industrie du bismuth.
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