El bario es un elemento químico de símbolo Ba y número atómico 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 , BaSO 4 ) y la witherita ( carbonato de bario , BaCO 3 ). El nombre bario se origina 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 un metal hasta 1808 con el advenimiento de la electrólisis .
El bario tiene pocas aplicaciones industriales. Históricamente, se utilizaba como absorbente para tubos de vacío y en forma de óxido como revestimiento emisor en cátodos calentados indirectamente . Es un componente de los YBCO ( superconductores de alta temperatura ) y de la electrocerámica, 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 impartir un color verde. El sulfato de bario se utiliza como aditivo insoluble en el fluido de perforación de pozos petrolíferos . En una 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 raticidas .
El bario es un metal blando, de color blanco plateado, con un ligero tono dorado cuando es ultrapuro. [8] : 2 El color blanco plateado del metal bario desaparece rápidamente al oxidarse en el aire, produciendo una capa gris oscura que contiene el óxido . El bario tiene un peso específico medio y una conductividad eléctrica alta. Debido a que el bario es difícil de purificar, muchas de sus propiedades no se han determinado con precisión. [8] : 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. [8] : 2 Es un metal blando con una dureza de Mohs de 1,25. [8] : 2 Su temperatura de fusión de 1.000 K (730 °C; 1.340 °F) [9] : 4–43 es intermedia entre las del estroncio, más ligero (1.050 K o 780 °C o 1.430 °F) [9] : 4–86 y el radio, más pesado (973 K o 700 °C o 1.292 °F); [9] : 4–78 sin embargo, su punto de ebullición de 2.170 K (1.900 °C; 3.450 °F) supera al del estroncio (1.655 K o 1.382 °C o 2.519 °F). [9] : 4–86 La densidad (3,62 g/cm 3 ) [9] : 4–43 es nuevamente intermedia entre las del estroncio (2,36 g/cm 3 ) [9] : 4–86 y el radio (≈5 g/cm 3 ). [9] : 4–78
El bario es químicamente similar al magnesio, calcio y estroncio, pero más reactivo. Sus compuestos se encuentran casi invariablemente en el estado de oxidación +2. Como se espera 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 a menudo se almacena bajo aceite o en una atmósfera inerte. [8] : 2 Las reacciones con otros no metales , como el carbono, el nitrógeno, el fósforo, el silicio y el hidrógeno, se producen al calentarse. [8] : 2–3 Las reacciones con agua y alcoholes también son exotérmicas y liberan gas hidrógeno: [8] : 3
El bario reacciona con el amoníaco para formar el electruro [Ba(NH 3 ) 6 ](e - ) 2 , que cerca de la temperatura ambiente da la amida Ba(NH 2 ) 2 . [10]
El metal es fácilmente atacado por los ácidos. El ácido sulfúrico es una notable excepción porque la pasivación detiene la reacción al formar sulfato de bario insoluble en la superficie. [11] El bario se combina con varios otros metales, incluidos el aluminio , el zinc , el plomo y el estaño , formando fases intermetálicas y aleaciones. [12]
Las sales de bario suelen ser blancas cuando son sólidas e incoloras cuando se disuelven. [13] Son más densas que los análogos de estroncio o calcio , a excepción de los haluros (véase la tabla; el zinc se proporciona a modo de comparación).
El hidróxido de bario ("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 verde a verde pálido , lo que constituye una prueba eficaz para detectar un compuesto de bario. El color resulta de las líneas espectrales a 455,4, 493,4, 553,6 y 611,1 nm. [8] : 3
Los compuestos organobáricos son un campo de conocimiento en crecimiento: recientemente se han descubierto los dialquilbarios y los alquilhalobarios. [8] : 3
El bario que se encuentra en la corteza terrestre es una mezcla de siete nucleidos primordiales , bario-130, 132 y 134 a 138. [14] El bario-130 sufre una desintegración radiactiva muy lenta a xenón -130 por desintegración doble beta plus , con una vida media de (0,5–2,7)×10 21 años (aproximadamente 10 11 veces la edad del universo). Su abundancia es ≈0,1% de la del bario natural. [14] Teóricamente, el bario-132 puede sufrir de forma similar una desintegración doble beta a xenón-132; esta desintegración no ha sido detectada. [15] La radiactividad de estos isótopos es tan débil que no suponen ningún peligro para la vida.
De los isótopos estables, el bario-138 compone el 71,7% de todo el bario; otros isótopos tienen una abundancia decreciente a medida que disminuye el número másico . [14]
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. [15] El bario también tiene 10 estados meta , de los cuales el bario-133m1 es el más estable, con una vida media de aproximadamente 39 horas. [15]
Los alquimistas de la Alta Edad Media conocían algunos minerales de bario. Se encontraron piedras de barita lisas y similares a guijarros en rocas volcánicas cerca de Bolonia , Italia , por lo que se las llamó "piedras de Bolonia". Los alquimistas se sintieron atraídos por ellas porque después de la exposición a la luz brillaban durante años. [16] Las propiedades fosforescentes de la barita calentada con sustancias orgánicas fueron descritas por V. Casciorolus en 1602. [8] : 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 al principio "barote" por Guyton de Morveau , un nombre que fue cambiado por Antoine Lavoisier a baryte (en francés) o baryta (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 por electrólisis de sales de bario fundidas en 1808 por Sir Humphry Davy en Inglaterra . [17] Davy, por analogía con el calcio , nombró "bario" en honor a la barita, con la terminación "-ium" 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 los 700 °C (1292 °F) liberando oxígeno: [20] [21]
El sulfato de bario se aplicó por primera vez como agente de radiocontraste en imágenes de rayos X del sistema digestivo en 1908. [22]
La abundancia de bario es de 0,0425% en la corteza terrestre y de 13 μg/L en el agua del mar. La principal fuente comercial de bario es la barita (también llamada barita o espato pesado), un mineral de sulfato de bario. [8] : 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. [8] : 5
Las reservas de barita se estiman entre 0,7 y 2 mil millones de toneladas . La producción máxima, 8,3 millones de toneladas, se produjo en 1981, pero solo el 7-8% se utilizó para el metal de bario o compuestos. [8] : 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%), Turquía (2,5%), Irán y Kazajstán (2,6% cada uno). [23]
El mineral extraído se lava, se tritura, se clasifica y se separa del cuarzo. Si el cuarzo penetra demasiado profundamente en el mineral, o 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 no debe ser inferior al 95%, con un contenido mínimo de hierro y dióxido de silicio . [8] : 7 Luego se reduce con carbono a sulfuro de bario : [8] : 6
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. [8] : 6 El nitrato se puede descomponer térmicamente para producir el óxido. [8] : 6 El bario metálico se produce por reducción con aluminio a 1100 °C (2010 °F). El compuesto intermetálico BaAl 4 se produce primero: [8] : 3
El BaAl 4 es un intermediario que reacciona con el óxido de bario para producir el metal. Nótese que no todo el bario se reduce. [8] : 3
El óxido de bario restante reacciona con el óxido de aluminio formado: [8] : 3
y la reacción global es [8] : 3
El vapor de bario se condensa y se envasa en moldes en una atmósfera de argón. [8] : 3 Este método se utiliza comercialmente y produce bario ultrapuro. [8] : 3 El bario que se vende comúnmente tiene una pureza de alrededor del 99 %, y las principales impurezas son el estroncio y el calcio (hasta un 0,8 % y un 0,25 %) y otros contaminantes contribuyen con menos del 0,1 %. [8] : 4
Una reacción similar con silicio a 1200 °C (2190 °F) produce bario y metasilicato de bario. [8] : 3 No se utiliza la electrólisis porque el bario se disuelve fácilmente en haluros fundidos y el producto es bastante impuro. [8] : 3
El mineral de bario, benitoíta (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 el ion Ba 2+ con una concentración oceánica promedio de 109 nmol/kg. [24] El bario también existe en el océano como BaSO 4 o barita. [25] El bario tiene un perfil similar al de los nutrientes [26] con un tiempo de residencia de 10 000 años. [24]
El bario muestra una concentración relativamente constante en el agua de mar de los océanos superiores, con excepción de las regiones con altos aportes de ríos y regiones con fuertes surgencias. [27] Hay poca disminución de las concentraciones de bario en los océanos superiores para un ion con un perfil similar al de los nutrientes, por lo que la mezcla lateral es importante. [27] Los valores isotópicos del bario muestran equilibrios a escala de cuenca en lugar de procesos locales o de corto plazo. [27]
El bario, como metal o en aleación con aluminio, se utiliza para eliminar gases no deseados ( captación ) de los tubos de vacío, como los tubos de imagen de los televisores. [8] : 4 El bario es adecuado para este propósito debido a su baja presión de vapor y reactividad hacia 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 tubo. [8] : 4
Otros usos del bario elemental son menores e incluyen un aditivo para el siluminio (aleaciones de aluminio y silicio) que refina su estructura, así como [8] : 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 . [9] : 4–5 El precipitado del compuesto (llamado "blanc fixe", del francés "blanco permanente") se utiliza en pinturas y barnices; como relleno en tintas de recubrimiento, plásticos y cauchos; como pigmento para revestimiento de papel; y en nanopartículas , para mejorar las propiedades físicas de algunos polímeros, como los epóxicos. [8] : 9
El sulfato de bario tiene una baja toxicidad y una densidad relativamente alta de ca. 4,5 g/cm 3 (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 (" harina de bario " y " enemas de bario "). [9] : 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 cuando se expone a sulfuros. [28]
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 es un problema para el BaSO 4 insoluble .
Paleoceanografía
La mezcla lateral del 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 del océano. [34]
La correlación del bario disuelto con el ácido silícico se puede ver 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 en partículas de bario (BaSO 4 ), como uno de los muchos indicadores, se puede utilizar para proporcionar una gran cantidad de información histórica sobre los procesos en diferentes entornos oceánicos (columna de agua, sedimentos y sitios hidrotermales). [25] En cada entorno hay diferencias en la composición isotópica y elemental de las partículas de barita. [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 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 los respiraderos hidrotermales, conocida como barita hidrotermal, revela alteraciones en la condición de la corteza terrestre alrededor de esos respiraderos. [25]
Los compuestos solubles de bario tienen una DL50 cercana a 10 mg/kg (ratas por vía oral). Los síntomas incluyen "convulsiones... parálisis del sistema nervioso periférico... inflamación grave del tracto gastrointestinal". [8] : 18 El sulfato insoluble no es tóxico y no está clasificado como mercancía peligrosa en las reglamentaciones de transporte. [8] : 9
Se sabe poco sobre los efectos a largo plazo de la exposición al bario. [37] La EPA de los Estados Unidos 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 y causar una afección benigna llamada baritosis . [38]
