El bario es un elemento químico ; tiene símbolo Ba y número atómico 56. Es el quinto elemento del grupo 2 y es un metal alcalinotérreo plateado, blando . 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 , BaSO 4 ) y la witherita ( carbonato de bario , BaCO 3 ). El nombre bario proviene del derivado alquímico "baryta", del griego βαρὺς ( barys ), que significa "pesado". Baric es la forma adjetiva de bario. El bario fue identificado como un nuevo elemento en 1772, pero no se redujo a metal hasta 1808 con la llegada de la electrólisis .
El bario tiene pocas aplicaciones industriales. Históricamente, se utilizó como captador para tubos de vacío y en forma de óxido como revestimiento emisivo en cátodos calentados indirectamente . Es un componente de YBCO ( superconductores de alta temperatura ) y electrocerámicas, y se agrega al acero y al hierro fundido para reducir el tamaño de los granos de carbono dentro de la microestructura. Se añaden compuestos de bario a los fuegos artificiales para darles un color verde. El sulfato de bario se utiliza como aditivo insoluble en el fluido de perforación de pozos petroleros . En su forma más pura se utiliza como agente de radiocontraste de rayos X para obtener imágenes del tracto gastrointestinal humano. Los compuestos de bario solubles en agua son venenosos y se han utilizado como rodenticidas .
El bario es un metal blando, de color blanco plateado, con un ligero tono dorado cuando es ultrapuro. [7] : 2 El color blanco plateado del bario metálico desaparece rápidamente tras la oxidación en el aire, produciendo una capa gris oscura que contiene el óxido . El bario tiene un peso específico medio y una alta conductividad eléctrica. Como el bario es difícil de purificar, muchas de sus propiedades no se han determinado con precisión. [7] : 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. [7] : 2 Es un metal muy blando con una dureza Mohs de 1,25. [7] : 2 Su temperatura de fusión de 1000 K (730 °C; 1340 °F) [8] : 4–43 es intermedia entre las del estroncio más ligero (1050 K o 780 °C o 1430 °F) [8] : 4–86 y radio más pesado (973 K o 700 °C o 1292 °F); [8] : 4–78 sin embargo, su punto de ebullición de 2170 K (1900 °C; 3450 °F) excede el del estroncio (1655 K o 1382 °C o 2519 °F). [8] : 4–86 La densidad (3,62 g/cm 3 ) [8] : 4–43 es nuevamente intermedia entre las del estroncio (2,36 g/cm 3 ) [8] : 4–86 y el radio (≈5 g /cm3 ) . [8] : 4–78
El bario es químicamente similar al magnesio, el calcio y el estroncio, pero aún más reactivo. Generalmente se encuentra en el estado de oxidación +2. La mayoría de las excepciones se encuentran en algunas especies moleculares raras e inestables que solo se caracterizan en la fase gaseosa, como BaF, [7] : 2 , pero en 2018 se informó una especie de bario (I) en un compuesto de intercalación de grafito. [9] Las reacciones con calcógenos son altamente exotérmicas (liberan energía); la reacción con oxígeno o aire ocurre a temperatura ambiente. Por este motivo, el bario metálico suele almacenarse bajo aceite o en una atmósfera inerte. [7] : 2 Las reacciones con otros no metales , como carbono, nitrógeno, fósforo, silicio e hidrógeno, son generalmente exotérmicas y se producen mediante calentamiento. [7] : 2–3 Las reacciones con agua y alcoholes son muy exotérmicas y liberan gas hidrógeno: [7] : 3
El bario reacciona con el amoníaco para formar complejos como Ba(NH 3 ) 6 . [7] : 3
El metal es fácilmente atacado por ácidos. El ácido sulfúrico es una excepción notable porque la pasivación detiene la reacción formando sulfato de bario insoluble en la superficie. [10] El bario se combina con varios otros metales, incluidos el aluminio , el zinc , el plomo y el estaño , formando fases y aleaciones intermetálicas. [11]
Las sales de bario suelen ser blancas cuando están sólidas e incoloras cuando están disueltas. [12] Son más densos que los análogos de estroncio o calcio , excepto los haluros (ver tabla; se proporciona zinc para comparación).
El hidróxido de bario ("barita") era conocido por los alquimistas, que lo producían calentando carbonato de bario. A diferencia del hidróxido de calcio, en soluciones acuosas absorbe muy poco CO 2 y, por tanto, es insensible a las fluctuaciones atmosféricas. Esta propiedad se utiliza para calibrar equipos de pH.
Los compuestos volátiles de bario arden con una llama de color verde a verde pálido , que es una prueba eficaz para detectar un compuesto de bario. El color resulta de líneas espectrales a 455,4, 493,4, 553,6 y 611,1 nm. [7] : 3
Los compuestos organobarios son un campo de conocimiento en crecimiento: recientemente se han descubierto dialquilbarios y alquilhalobarios. [7] : 3
El bario que se encuentra en la corteza terrestre es una mezcla de siete nucleidos primordiales , bario-130, 132 y 134 a 138. [13] El bario-130 sufre una desintegración radiactiva muy lenta a xenón -130 por desintegración doble beta plus , con una mitad- vida de (0,5–2,7)×10 21 años (aproximadamente 10 11 veces la edad del universo). Su abundancia es ≈0,1% la del bario natural. [13] Teóricamente, el bario-132 puede sufrir de manera similar una doble desintegración beta a xenón-132; esta descomposición no ha sido detectada. [14] La radiactividad de estos isótopos es tan débil que no suponen ningún peligro para la vida.
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 de masa . [13]
En total, el bario tiene 40 isótopos conocidos, cuya masa oscila entre 114 y 153. El radioisótopo artificial más estable es el bario-133 con una vida media de aproximadamente 10,51 años. Otros cinco isótopos tienen vidas medias superiores a un día. [14] El bario también tiene 10 metaestados , de los cuales el bario-133m1 es el más estable con una vida media de aproximadamente 39 horas. [14]
Los alquimistas de la Alta Edad Media conocían algunos minerales de bario. Se encontraron piedras lisas parecidas a guijarros de barita mineral en roca volcánica cerca de Bolonia , Italia , por lo que se las llamó "piedras de Bolonia". Los alquimistas se sentían atraídos por ellos porque, tras exponerlos a la luz, brillaban durante años. [15] Las propiedades fosforescentes de la barita calentada con compuestos orgánicos fueron descritas por V. Casciorolus en 1602. [7] : 5
Carl Scheele determinó en 1772 que la barita contenía un nuevo elemento, pero no pudo aislar el bario, sólo el óxido de bario . Johan Gottlieb Gahn también aisló óxido de bario dos años más tarde en estudios similares. El bario oxidado fue llamado en un principio "barote" por Guyton de Morveau , nombre que fue cambiado por Antoine Lavoisier a barita (en francés) o barita (en latín). También en el siglo XVIII, el mineralogista inglés William Withering notó 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 . [16] Davy, por analogía con el calcio , llamó "bario" en honor a barita, y la terminación "-ium" significa un elemento metálico. [15] Robert Bunsen y Augustus Matthiessen obtuvieron bario puro mediante electrólisis de una mezcla fundida de cloruro de bario y cloruro de amonio . [17] [18]
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 reemplazada por la electrólisis y la destilación fraccionada de aire licuado a principios del siglo XX. 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: [19] [20]
El sulfato de bario se aplicó por primera vez como agente de radiocontraste en imágenes de rayos X del sistema digestivo en 1908. [21]
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. [7] : 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 yacimientos se encuentran en Gran Bretaña, Rumanía y la antigua URSS. [7] : 5
Las reservas de barita se estiman entre 700 y 2000 millones de toneladas . La producción máxima, 8,3 millones de toneladas, se produjo en 1981, pero sólo entre el 7% y el 8% se utilizó para bario metálico o compuestos. [7] : 5 La producción de barita ha aumentado desde la segunda mitad de los años 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 por la India (14% en 2011). ), Marruecos (8,3%), Estados Unidos (8,2%), Turquía (2,5%), Irán y Kazajstán (2,6% cada uno). [22]
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 una barita pura al 98% (en masa); la pureza debe ser no inferior al 95%, con un contenido mínimo de hierro y dióxido de silicio . [7] : 7 Luego se reduce mediante carbono a sulfuro de bario : [7] : 6
El sulfuro de bario soluble en agua es el punto de partida para otros compuestos: al tratar BaS con oxígeno se produce el sulfato, con ácido nítrico el nitrato, con dióxido de carbono acuoso el carbonato, etc. [7] : 6 El nitrato se puede descomponer térmicamente para producir el óxido. [7] : 6 El bario metálico se produce por reducción con aluminio a 1100 °C (2010 °F). Primero se produce el compuesto intermetálico BaAl 4 : [7] : 3
BaAl 4 es un intermedio que reacciona con óxido de bario para producir el metal. Tenga en cuenta que no todo el bario se reduce. [7] : 3
El óxido de bario restante reacciona con el óxido de aluminio formado: [7] : 3
y la reacción general es [7] : 3
El vapor de bario se condensa y se empaqueta en moldes en una atmósfera de argón. [7] : 3 Este método se utiliza comercialmente y produce bario ultrapuro. [7] : 3 El bario que se vende habitualmente tiene aproximadamente un 99 % de pureza, siendo las principales impurezas el estroncio y el calcio (hasta un 0,8 % y un 0,25 %) y otros contaminantes que contribuyen con menos del 0,1 %. [7] : 4
Una reacción similar con silicio a 1200 °C (2190 °F) produce bario y metasilicato de bario. [7] : 3 No se utiliza la electrólisis porque el bario se disuelve fácilmente en haluros fundidos y el producto es bastante impuro. [7] : 3
El mineral de bario, benitoita (silicato de bario y titanio), se presenta como una piedra preciosa fluorescente azul muy rara y es la gema oficial del estado de California .
Bario en agua de mar
El bario existe en el agua de mar como ion Ba 2+ con una concentración oceánica promedio de 109 nmol/kg. [23] El bario también existe en el océano como BaSO 4 o barita. [24] El bario tiene un perfil similar al de un nutriente [25] con un tiempo de residencia de 10.000 años. [23]
El bario muestra una concentración relativamente constante en el agua de mar de la parte superior del océano, excepto en las regiones con aportes de ríos altos y regiones con fuertes surgencias. [26] Hay poco agotamiento de las concentraciones de bario en la parte superior del océano para un ion con un perfil similar al de un nutriente, por lo que la mezcla lateral es importante. [26] Los valores isotópicos de bario muestran equilibrios a escala de cuenca en lugar de procesos locales o de corto plazo. [26]
El bario, como metal o en aleación con aluminio, se utiliza para eliminar gases no deseados ( getting ) de los tubos de vacío, como los tubos de televisión. [7] : 4 El bario es adecuado para este fin 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 los gases nobles disolviéndolos en la red cristalina. Esta aplicación está desapareciendo gradualmente debido a la creciente popularidad de los televisores LCD, LED y plasma sin cámara. [7] : 4
Otros usos del bario elemental son menores e incluyen un aditivo para el silumin (aleaciones de aluminio y silicio) que refina su estructura, así como [7] : 4
El sulfato de bario (el mineral barita, BaSO 4 ) es importante para la industria petrolera como fluido de perforación en pozos de petróleo y gas . [8] : 4–5 El precipitado del compuesto (llamado "blanc fixe", del francés "blanco permanente") se utiliza en pinturas y barnices; como relleno en tintas anilladas, plásticos y cauchos; como pigmento para revestimiento de papel; y en nanopartículas , para mejorar las propiedades físicas de algunos polímeros, como los epoxis. [7] : 9
El sulfato de bario tiene una baja toxicidad y una densidad relativamente alta de ca. 4,5 g/cm 3 (y por tanto opacidad a los rayos X). Por esta razón se utiliza como agente de contraste radiológico en la obtención de imágenes de rayos X del sistema digestivo (" comidas de bario " y " enemas de bario "). [8] : 4–5 El litopone , un pigmento que contiene sulfato de bario y sulfuro de zinc , es un blanco permanente con buen poder cubriente que no se oscurece cuando se expone a sulfuros. [27]
Otros compuestos de bario sólo encuentran aplicaciones específicas, limitadas por la toxicidad de los iones Ba 2+ (el carbonato de bario es un veneno para ratas ), lo que no supone un problema para el insoluble BaSO 4 .
Paleoceanografía
La mezcla lateral del bario es causada por la mezcla de masas de agua y la circulación oceánica. [33] La circulación oceánica global revela una fuerte correlación entre el bario disuelto y el ácido silícico. [33] La circulación oceánica a gran escala combinada con la remineralización del bario muestra una correlación similar entre el bario disuelto y la alcalinidad del océano. [33]
La correlación del bario disuelto con el ácido silícico se puede ver tanto vertical como espacialmente. [34] Las partículas de bario muestran una fuerte correlación con las partículas de carbono orgánico o POC. [34] El bario se está volviendo cada vez más popular como base para indicadores paleoceanográficos. [34] Con los enlaces del bario disuelto y en partículas 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. [34]
La barita particulada de bario (BaSO 4 ), como uno de muchos sustitutos, se puede utilizar para proporcionar una gran cantidad de información histórica sobre procesos en diferentes entornos oceánicos (columna de agua, sedimentos y sitios hidrotermales). [24] En cada entorno existen diferencias en la composición isotópica y elemental de las partículas de barita. [24] La barita en la columna de agua, conocida como barita marina o pelágica, revela información sobre la variación química del agua de mar a lo largo del tiempo. [24] La barita en sedimentos, conocida como barita diagenética o de filtración en frío, proporciona información sobre los procesos redox sedimentarios. [24] La barita formada a través de la actividad hidrotermal en respiraderos hidrotermales, conocida como barita hidrotermal, revela alteraciones en la condición de la corteza terrestre alrededor de esos respiraderos. [24]
Debido a la alta reactividad del metal, sólo se dispone de datos toxicológicos para los compuestos. [36] Los compuestos solubles de bario son venenosos. En dosis bajas, los iones de bario actúan como estimulante muscular y en dosis más altas afectan el sistema nervioso , provocando irregularidades cardíacas, temblores, debilidad, ansiedad , dificultad para respirar y parálisis . Esta toxicidad puede ser causada por el bloqueo de Ba 2+ de los canales iónicos de potasio , que son fundamentales para el funcionamiento adecuado del sistema nervioso. [37] Otros órganos dañados por compuestos de bario solubles en agua (es decir, iones de bario) son los ojos, el sistema inmunológico, el corazón, el sistema respiratorio y la piel [36] causando, por ejemplo, ceguera y sensibilización. [36]
El bario no es cancerígeno [36] y no se bioacumula . [38] [39] El polvo inhalado que contiene compuestos de bario insolubles puede acumularse en los pulmones, provocando una afección benigna llamada baritosis . [40] El sulfato insoluble no es tóxico y no está clasificado como mercancía peligrosa en las normas de transporte. [7] : 9
Para evitar una reacción química potencialmente vigorosa, el bario metálico se mantiene en una atmósfera de argón o bajo aceites minerales . El contacto con el aire es peligroso y puede provocar ignición. Se debe evitar la humedad, la fricción, el calor, las chispas, las llamas, los golpes, la electricidad estática y la exposición a oxidantes y ácidos. Todo lo que pueda entrar en contacto con el bario debe estar conectado a tierra. [36]
