Bario

El bario es un elemento químico ; su símbolo es Ba y su número atómico es 56. Es el quinto elemento del grupo 2 y es un metal alcalinotérreo blando y plateado . Debido a su alta reactividad química , el bario nunca se encuentra en la naturaleza como elemento libre .

Los minerales más comunes de bario son la barita ( sulfato de bario , BaSO₄ ₎ y la witherita ( carbonato de bario , BaCO₃ ₎ . El nombre bario proviene del derivado alquímico "baryta", del griego βαρὺς ( barys ), que significa "pesado". Bárico es la forma adjetival de bario. El bario fue identificado como un nuevo elemento en 1772, pero no se redujo a metal hasta 1808 con el advenimiento de la electrólisis .

El bario tiene pocas aplicaciones industriales. Históricamente, se usaba como absorbente para tubos de vacío y en forma de óxido como recubrimiento emisor en cátodos calentados indirectamente . Es un componente del YBCO ( superconductores de alta temperatura ) y de las electrocerámicas, y se añade al acero y al hierro fundido para reducir el tamaño de los granos de carbono dentro de la microestructura. Los compuestos de bario se añaden a los fuegos artificiales para darles un color verde. El sulfato de bario se usa como aditivo insoluble en el fluido de perforación de pozos petrolíferos . En una forma más pura, se usa como agente de contraste radiológico para rayos X para obtener imágenes del tracto gastrointestinal humano. Los compuestos de bario solubles en agua son venenosos y se han usado como rodenticidas .

Características

Propiedades físicas

El bario es un metal blando, de color blanco plateado, con un ligero tono dorado cuando es ultrapuro. ^{[ 9 ]}^{: 2} El color blanco plateado del bario metálico desaparece rápidamente al oxidarse en el aire, dejando una capa gris oscura que contiene el óxido . El bario tiene un peso específico medio y una alta conductividad eléctrica. Debido a la dificultad para purificar el bario, muchas de sus propiedades no se han determinado con precisión. ^{[ 9 ]}^{: 2}

A temperatura y presión ambiente, el bario metálico adopta una estructura cúbica centrada en el cuerpo , con una distancia bario-bario de 503 picómetros , expandiéndose con el calentamiento a una velocidad de aproximadamente 1,8 × 10⁻⁵ /°C.^{[ 9 ]}^{: 2} Es un metal blando con una dureza Mohs de 1,25.^{[ 9 ]}^{: 2} Su temperatura de fusión de 1000 K (730 °C; 1340 °F) ^[¹⁰^]^:^4–43 es intermedia entre las del estroncio más ligero ( 1050 K o 780 °C o 1430 °F )^[¹⁰^]^:^4–86 y el radio más pesado ( 973 K o 700 °C o 1292 °F );^[¹⁰^]^:^4–78 Sin embargo, su punto de ebullición de 2170 K (1900 °C; 3450 °F) supera al del estroncio ( 1655 K o 1382 °C o 2519 °F ).^[¹⁰^]^:^4–86 La densidad (3,62g/cm³⁾ [¹⁰^]^:^4–43^es nuevamente intermedia entre las del estroncio (2,36g/cm³⁾ [¹⁰^]^:^4–86^y el radio (≈5g/cm³⁾ .^[¹⁰^]^:^4–78

Reactividad química

El bario es químicamente similar al magnesio , el calcio y el estroncio , pero más reactivo. Sus compuestos se encuentran casi invariablemente en el estado de oxidación +2. Como es de esperar para un metal altamente electropositivo , la reacción del bario con los calcógenos es altamente exotérmica (libera energía). El bario reacciona con el oxígeno atmosférico en el aire a temperatura ambiente. Por esta razón, el bario metálico se almacena a menudo bajo aceite o en una atmósfera inerte. ^{[ 9 ]}^{: 2} Las reacciones con otros no metales , como el carbono, el nitrógeno, el fósforo, el silicio y el hidrógeno, se producen al calentarse. ^{[ 9 ]}^{: 2–3} Las reacciones con agua y alcoholes también son exotérmicas y liberan gas hidrógeno: ^{[ 9 ]}^{: 3}

Ba + 2 ROH → Ba(OR) ₂ + H ₂ ↑ (R es un grupo alquilo o un átomo de hidrógeno)

El bario reacciona con el amoníaco para formar el electrido [ Ba(NH ₃ ) ₆ ](e ⁻ ) ₂ , que cerca de la temperatura ambiente da la amida Ba(NH ₂ ) ₂ . ^[¹¹^]

El metal es fácilmente atacado por ácidos. El ácido sulfúrico es una excepción notable porque la pasivación detiene la reacción al formar sulfato de bario insoluble en la superficie. ^{[ 12 ]} El bario se combina con otros metales, como aluminio , zinc , plomo y estaño , formando fases intermetálicas y aleaciones. ^{[ 13 ]}

compuestos

Las sales de bario suelen ser blancas en estado sólido e incoloras en estado disuelto. ^{[ 14 ]} Son más densas que sus análogos de estroncio o calcio (véase la tabla; el zinc se incluye a modo de comparación).

El hidróxido de bario (o «barita») era conocido por los alquimistas, quienes lo producían calentando carbonato de bario. A diferencia del hidróxido de calcio, absorbe muy poco CO₂ _en soluciones acuosas y, por lo tanto, es insensible a las fluctuaciones atmosféricas. Esta propiedad se utiliza para calibrar equipos de pH.

Los compuestos de bario arden con una llama de color verde a verde pálido , lo que constituye una prueba eficaz para detectarlos. El color resulta de las líneas espectrales a 455,4, 493,4, 553,6 y 611,1 nm. ^{[ 9 ]}^{: 3}

Los compuestos organobarios constituyen un campo de conocimiento en constante crecimiento: recientemente se han descubierto los dialquilbarios y los alquilhalobarios. ^{[ 9 ]}^{: 3}

isótopos

Todos los datos nucleares que no se indiquen de otra manera provienen de la fuente estándar: ^{[ 15 ]}

El bario presente en la corteza terrestre es una mezcla de siete nucleidos primordiales : bario-130, 132 y 134 a 138. El bario-130 experimenta una desintegración radiactiva muy lenta a xenón -130 mediante desintegración beta doble positiva , con una vida media de (0,5–2,7) × 10²¹ ^años (aproximadamente ^10¹¹ veces la edad del universo). Su abundancia es de alrededor del 0,11 % de la del bario natural. Si bien el bario-132 teóricamente puede experimentar la misma desintegración, dando lugar al xenón-132, la evidencia experimental no lo ha detectado.

De los isótopos estables, el bario-138 constituye el 71,7% de todo el bario; otros isótopos tienen una abundancia decreciente a medida que disminuye el número másico (excepto por una probable inversión para los núcleos p ¹³⁰ Ba y ¹³² Ba).

En total, el bario tiene 41 isótopos conocidos, con masas que oscilan entre 114 y 154. El radioisótopo artificial más estable es el bario-133, con una vida media de 10,538 años. Otros cinco isótopos tienen vidas medias superiores a un día. Los isómeros de mayor duración son el ^133mBa , con 38,90 horas, y el ^135m1Ba , con 28,11 horas. El análogo ^137m1Ba (vida media de 2,552 minutos) se produce en la desintegración del producto de fisión común cesio-137 .

Historia

Los alquimistas de la Alta Edad Media conocían algunos minerales de bario. Se encontraron piedras lisas, parecidas a guijarros, de barita en roca volcánica cerca de Bolonia , Italia, por lo que se las denominó "piedras de Bolonia". Los alquimistas se sintieron atraídos por ellas porque, tras exponerlas a la luz, brillaban durante años. ^{[ 16 ]} Las propiedades fosforescentes de la barita calentada con compuestos orgánicos fueron descritas por V. Casciorolus en 1602. ^{[ 9 ]}^{: 5}

Carl Scheele determinó que la barita contenía un nuevo elemento en 1772, pero no pudo aislar el bario, solo el óxido de bario . Johan Gottlieb Gahn también aisló el óxido de bario dos años después en estudios similares. El bario oxidado fue llamado inicialmente "barote" por Guyton de Morveau , un nombre que Antoine Lavoisier cambió a barita (en francés) o barita (en latín). También en el siglo XVIII, el mineralogista inglés William Withering observó un mineral pesado en las minas de plomo de Cumberland , ahora conocido como witherita . El bario fue aislado por primera vez mediante electrólisis de sales de bario fundidas en 1808 por Sir Humphry Davy en Inglaterra . ^{[ 17 ]} Davy, por analogía con el calcio , nombró "bario" a partir de la barita, con la terminación "-io" que significa un elemento metálico. ^{[ 16 ]} Robert Bunsen y Augustus Matthiessen obtuvieron bario puro mediante electrólisis de una mezcla fundida de cloruro de bario y cloruro de amonio . ^{[ 18 ]}^{[ 19 ]}

La producción de oxígeno puro en el proceso Brin fue una aplicación a gran escala del peróxido de bario en la década de 1880, antes de que fuera reemplazado por la electrólisis y la destilación fraccionada de aire licuado a principios de la década de 1900. En este proceso, el óxido de bario reacciona a 500–600 °C (932–1112 °F) con el aire para formar peróxido de bario, que se descompone por encima de 700 °C (1292 °F) liberando oxígeno: ^[²⁰^]^[²¹^]

2 BaO + O ₂ ⇌ 2 BaO ₂

El sulfato de bario se aplicó por primera vez como agente de radiocontraste en imágenes de rayos X del sistema digestivo en 1908. ^{[ 22 ]}

Ocurrencia y producción

La abundancia de bario es del 0,0425 % en la corteza terrestre y de 13 μg/L en el agua de mar. La principal fuente comercial de bario es la barita (también llamada barita o espato pesado), un mineral de sulfato de bario. ^{[ 9 ]}^{: 5} con depósitos en muchas partes del mundo. Otra fuente comercial, mucho menos importante que la barita, es la witherita , carbonato de bario. Los principales depósitos se encuentran en Gran Bretaña, Rumania y la antigua URSS. ^{[ 9 ]}^{: 5}

Barita, de izquierda a derecha: aspecto, gráfico que muestra las tendencias de producción a lo largo del tiempo y mapa que muestra la participación de los países productores más importantes en 2010.

Las reservas de barita se estiman entre 0,7 y 2 mil millones de toneladas . La producción más alta, 8,3 millones de toneladas, se alcanzó en 1981, pero solo el 7-8% se utilizó para bario metálico o compuestos. ^{[ 9 ]}^{: 5} La producción de barita ha aumentado desde la segunda mitad de la década de 1990 de 5,6 millones de toneladas en 1996 a 7,6 en 2005 y 7,8 en 2011. China representa más del 50% de esta producción, seguida de India (14% en 2011), Marruecos (8,3%), EE. UU. (8,2%), Irán y Kazajistán (2,6% cada uno) y Turquía (2,5%). ^{[ 23 ]}

El mineral extraído se lava, tritura, clasifica y separa del cuarzo. Si el cuarzo penetra demasiado profundamente en el mineral, o si el contenido de hierro, zinc o plomo es anormalmente alto, se utiliza la flotación por espuma . El producto es barita con una pureza del 98 % (en masa); la pureza no debe ser inferior al 95 %, con un contenido mínimo de hierro y dióxido de silicio . ^{[ 9 ]}^{: 7} Luego se reduce con carbono a sulfuro de bario : ^{[ 9 ]}^{: 6}

BaSO₄ + ₂ C → BaS + 2 _CO₂

El sulfuro de bario soluble en agua es el punto de partida para otros compuestos: el tratamiento de BaS con oxígeno produce el sulfato, con ácido nítrico el nitrato, con dióxido de carbono acuoso el carbonato, y así sucesivamente. ^{[ 9 ]}^{: 6} El nitrato puede descomponerse térmicamente para producir el óxido. ^{[ 9 ]}^{: 6} El bario metálico se produce por reducción con aluminio a 1100 °C (2010 °F) . El compuesto intermetálico BaAl ₄ se produce primero: ^[⁹^]^:³

3 BaO + 14 Al → 3 BaAl ₄ + Al ₂ O ₃

El óxido de bario restante reacciona con el óxido de aluminio formado... ^{[ 9 ]}^{: 3}

BaO + Al ₂ O ₃ → BaAl ₂ O ₄

...y la reacción general es: ^{[ 9 ]}^{: 3}

4 BaO + 2 Al → 3 Ba↓ + BaAl ₂ O ₄

Nótese que no todo el bario se reduce. ^{[ 9 ]}^{: 3}

El vapor de bario se condensa y se introduce en moldes en una atmósfera de argón. ^{[ 9 ]}^{: 3} Este método se utiliza comercialmente, obteniéndose bario ultrapuro. ^{[ 9 ]}^{: 3} El bario que se vende habitualmente tiene una pureza de aproximadamente el 99 %, siendo las principales impurezas el estroncio y el calcio (hasta un 0,8 % y un 0,25 %) y otros contaminantes que contribuyen en menos del 0,1 %. ^{[ 9 ]}^{: 4}

Una reacción similar con silicio a 1200 °C (2190 °F) produce bario y metasilicato de bario . ^[⁹^]^:³ La electrólisis no se utiliza porque el bario se disuelve fácilmente en haluros fundidos y el producto es bastante impuro. ^[⁹^]^:³

Piedra preciosa

El mineral de bario, la benitoíta (silicato de titanio y bario), se presenta como una gema fluorescente azul muy rara y es la gema oficial del estado de California .

Bario en el agua de mar

El bario existe en el agua de mar como el ion Ba²⁺ ^con una concentración oceánica promedio de 109 nmol/kg. ^{[ 24 ]} El bario también existe en el océano como BaSO₄ _o barita. ^{[ 25 ]} El bario tiene un perfil similar al de un nutriente ^{[ 26 ]} con un tiempo de residencia de 10 000 años. ^{[ 24 ]}

El bario muestra una concentración relativamente constante en el agua de mar de la superficie oceánica, excepto en regiones con altos aportes fluviales y regiones con fuerte afloramiento . ^{[ 27 ]} Hay poca disminución de las concentraciones de bario en la superficie oceánica para un ion con un perfil similar al de un nutriente, por lo que la mezcla lateral es importante. ^{[ 27 ]} Los valores isotópicos del bario muestran balances a escala de cuenca en lugar de procesos locales o a corto plazo. ^{[ 27 ]}

Aplicaciones

Metales y aleaciones

El bario, como metal o aleado con aluminio, se utiliza para eliminar gases no deseados ( obtención de gases ) de tubos de vacío, como los tubos de imagen de los televisores. ^{[ 9 ]}^{: 4} El bario es adecuado para este propósito debido a su baja presión de vapor y su reactividad con el oxígeno, el nitrógeno, el dióxido de carbono y el agua; incluso puede eliminar parcialmente gases nobles disolviéndolos en la red cristalina. Esta aplicación ha desaparecido gradualmente debido a la popularidad de los televisores LCD, LED y de plasma sin tubos. ^{[ 9 ]}^{: 4}

Otros usos del bario elemental son menores e incluyen un aditivo para el silumin (aleaciones de aluminio-silicio) que refina su estructura, así como ^{[ 9 ]}^{: 4}

aleaciones para cojinetes ;
Aleaciones de soldadura de plomo-estaño : para aumentar la resistencia a la fluencia;
aleación con níquel para bujías ;
Aditivo para acero y hierro fundido como inoculante;
aleaciones con calcio, manganeso, silicio y aluminio como desoxidantes de acero de alta calidad .

sulfato de bario y barita

Amebiasis tal como se observa en una radiografía de un colon lleno de bario.

El sulfato de bario (el mineral barita, BaSO₄ ₎ es importante para la industria petrolera como fluido de perforación en pozos de petróleo y gas . ^{[ 10 ]}^{: 4–5} El precipitado del compuesto (llamado "blanc fixe", del francés "blanco permanente") se utiliza en pinturas y barnices; como relleno en tintas de anillo , plásticos y cauchos; como pigmento para recubrimiento de papel; y en nanopartículas , para mejorar las propiedades físicas de algunos polímeros, como las resinas epoxi. ^{[ 9 ]}^{: 9}

El sulfato de bario tiene una baja toxicidad y una densidad relativamente alta de aproximadamente 4,5 g/cm³ ⁽ y por lo tanto, opacidad a los rayos X). Por esta razón, se utiliza como agente de contraste radiológico en imágenes de rayos X del sistema digestivo (" comidas de bario " y " enemas de bario "). ^{[ 10 ]}^{: 4–5} El litopón , un pigmento que contiene sulfato de bario y sulfuro de zinc , es un blanco permanente con buen poder cubriente que no se oscurece al exponerse a sulfuros. ^{[ 28 ]}

Otros compuestos de bario

Otros compuestos de bario solo encuentran aplicaciones específicas, limitadas por la toxicidad de los iones Ba ²⁺ , lo cual no es un problema para el BaSO ₄ insoluble .

El recubrimiento de óxido de bario en los electrodos de las lámparas fluorescentes facilita la liberación de electrones .
Debido a su gran densidad atómica, el carbonato de bario aumenta el índice de refracción y el brillo del vidrio ^{[ 10 ]}^{: 4–5} y reduce las fugas de rayos X de las pantallas CRT . ^{[ 9 ]}^{: 12–13}
El bario, generalmente como nitrato de bario, imparte un color amarillo o verde "manzana" a los fuegos artificiales cuando no hay donantes de cloro presentes; ^{[ 29 ]} los verdes esmeralda se generan utilizando donantes de cloro ( clorato de bario actuando como donante y oxidante en muchas fórmulas) para producir cloruro de bario in situ.
El peróxido de bario es un catalizador en la reacción aluminotérmica ( termita ) para la soldadura de vías férreas. También es un agente de bengala verde en munición trazadora y un agente blanqueador. ^{[ 30 ]}
El titanato de bario es una cerámica electroquímica prometedora . ^{[ 31 ]}
El fluoruro de bario se utiliza en óptica para aplicaciones infrarrojas debido a su amplio rango de transparencia de 0,15 a 12 micrómetros. ^{[ 32 ]}
El YBCO fue el primer superconductor de alta temperatura enfriado con nitrógeno líquido, con una temperatura de transición de 93 K (−180,2 °C; −292,3 °F) mayor que el punto de ebullición del nitrógeno ( 77 K o −196,2 °C o −321,1 °F ). ^[³³^]
La ferrita , un tipo de cerámica sinterizada compuesta de óxido de hierro ( _Fe₂O₃ ) y óxido de bario (BaO), es a la vez _{eléctricamente} no conductora y ferrimagnética , y puede magnetizarse temporal o permanentemente.

Paleoceanografía

La mezcla lateral de bario es causada por la mezcla de masas de agua y la circulación oceánica . ^{[ 34 ]} La circulación oceánica global revela una fuerte correlación entre el bario disuelto y el ácido silícico . ^{[ 34 ]} La circulación oceánica a gran escala combinada con la remineralización del bario muestra una correlación similar entre el bario disuelto y la alcalinidad oceánica. ^{[ 34 ]}

La correlación del bario disuelto con el ácido silícico se puede observar tanto vertical como espacialmente. ^{[ 35 ]} El bario particulado muestra una fuerte correlación con el carbono orgánico particulado o POC. ^{[ 35 ]} El bario se está volviendo más popular como base para indicadores paleoceanográficos. ^{[ 35 ]} Con los vínculos del bario disuelto y particulado con el ácido silícico y el POC, se puede utilizar para determinar variaciones históricas en la bomba biológica , el ciclo del carbono y el clima global. ^{[ 35 ]}

La barita particulada de bario ( BaSO₄ ), como uno de los muchos indicadores, puede utilizarse para proporcionar una gran cantidad de información histórica sobre procesos en diferentes entornos oceánicos ( _columna de agua , sedimentos y sitios hidrotermales). ^[²⁵^] En cada entorno existen diferencias en la composición isotópica y elemental de la barita particulada. ^[²⁵^] La barita en la columna de agua, conocida como barita marina o pelágica, revela información sobre la variación de la química del agua de mar a lo largo del tiempo. ^[²⁵^] La barita en los sedimentos, conocida como barita diagenética o de filtraciones frías, proporciona información sobre los procesos redox sedimentarios. ^[²⁵^] La barita formada a través de la actividad hidrotermal en chimeneas hidrotermales, conocida como barita hidrotermal, revela alteraciones en el estado de la corteza terrestre alrededor de esas chimeneas. ^[²⁵^]

Toxicidad

_{Los compuestos solubles} de bario tienen una LD50 cercana a 10 mg/kg (oral, ratas). Los síntomas incluyen "convulsiones... parálisis del sistema nervioso periférico... inflamación grave del tracto gastrointestinal". ^{[ 9 ]}^{: 18} El sulfato insoluble no es tóxico y no está clasificado como mercancía peligrosa en las regulaciones de transporte. ^{[ 9 ]}^{: 9}

Se sabe poco sobre los efectos a largo plazo de la exposición al bario. ^{[ 37 ]} La EPA de EE. UU . considera improbable que el bario sea cancerígeno cuando se consume por vía oral. El polvo inhalado que contiene compuestos de bario insolubles puede acumularse en los pulmones, causando una afección benigna llamada baritosis . ^{[ 38 ]}

El carbonato de bario se ha utilizado como rodenticida. ^{[ 39 ]} Aunque se considera obsoleto, puede que todavía se utilice en algunos países. ^{[ 40 ]}

Véase también

El púrpura Han y el azul Han son pigmentos sintéticos de silicato de bario y cobre desarrollados y utilizados en la antigua China imperial.

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Enlaces externos

El bario en la tabla periódica de los vídeos (Universidad de Nottingham)
Elementotomía y Multidiccionario de Elementos
Pantalla holográfica 3D que utiliza niobato de estroncio y bario

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