Bario

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

Los minerales de bario más comunes 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 adjetival de bario. El bario se identificó como un nuevo elemento en 1774, pero no se redujo a metal hasta 1808 con el advenimiento de la electrólisis.

El bario tiene pocas aplicaciones industriales. Históricamente, se usó como captador para tubos de vacío y en forma de óxido como recubrimiento 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. Los compuestos de bario se agregan a los fuegos artificiales para impartir un color verde. El sulfato de bario se usa como un aditivo insoluble para el fluido de perforación de pozos de petróleo. 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 rodenticidas.

Características

Propiedades físicas

El bario es un metal blando de color blanco plateado, con un ligero tono dorado cuando es ultrapuro. El color blanco plateado del bario metálico se desvanece rápidamente con la oxidación en el aire y produce una capa gris oscuro que contiene el óxido. El bario tiene un peso específico medio y una alta conductividad eléctrica. Debido a que el bario es difícil de purificar, muchas de sus propiedades no se han determinado con precisión.

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 /°C. Es un metal muy blando con una dureza Mohs de 1,25. Su temperatura de fusión de 1000 K (730 °C; 1340 °F) es intermedia entre las del estroncio más ligero (1050 K o 780 °C o 1430 °F) y el radio más pesado (973 K o 700 °C o 1292 °F); 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). La densidad (3,62 g/cm) vuelve a ser intermedia entre las del estroncio (2,36 g/cm) y el radio (≈5 g/cm).

Reaccion quimica

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 unas pocas especies moleculares raras e inestables que solo se caracterizan en la fase gaseosa, como BaF, pero recientemente se informó una especie de bario (I) en un compuesto de intercalación de grafito. Las reacciones con calcógenos son altamente exotérmicas (liberan energía); la reacción con oxígeno o aire ocurre a temperatura ambiente. Por esta razón, el bario metálico a menudo se almacena bajo aceite o en una atmósfera inerte. Las reacciones con otros no metales, como el carbono, el nitrógeno, el fósforo, el silicio y el hidrógeno, son generalmente exotérmicas y se producen con el calentamiento. Las reacciones con agua y alcoholes son muy exotérmicas y liberan gas hidrógeno: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 complejos como el Ba(NH ₃) ₆.

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. El bario se combina con varios otros metales, incluidos el aluminio, el zinc, el plomo y el estaño, formando fases y aleaciones intermetálicas.

Compuestos

Las sales de bario suelen ser blancas cuando están sólidas e incoloras cuando se disuelven. Son más densos que los análogos de estroncio o calcio, a excepción de los haluros (consulte la tabla; se proporciona zinc para comparar).

El hidróxido de bario ("baryta") era conocido por los alquimistas, que lo producían calentando carbonato de bario. A diferencia del hidróxido de calcio, absorbe muy poco CO ₂ 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 volátiles se queman con una llama verde a verde pálido, que es 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.

Los compuestos de organobario son un campo de conocimiento en crecimiento: recientemente se han descubierto los dialquilbarios y los alquilhalobarios.

Isótopos

El bario que se encuentra en la corteza terrestre es una mezcla de siete nucleidos primordiales, bario-130, 132 y 134 a 138. El bario-130 sufre una desintegración radiactiva muy lenta a xenón-130 por desintegración doble beta más, con una vida media de (0,5–2,7) × 10 años (alrededor de 10 veces la edad del universo). Su abundancia es ≈0,1% de la del bario natural. Teóricamente, el bario-132 puede sufrir de manera similar una doble desintegración beta a xenón-132; esta descomposición no ha sido detectada. La radiactividad de estos isótopos es tan débil que no representan 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 con un número de masa decreciente.

En total, el bario tiene 40 isótopos conocidos, cuya masa varía 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. El bario también tiene 10 estados meta, de los cuales el bario-133m1 es el más estable con una vida media de unas 39 horas.

Historia

Los alquimistas de la Alta Edad Media conocían algunos minerales de bario. Se encontraron piedras lisas de barita mineral en forma de guijarros en rocas volcánicas cerca de Bolonia, Italia, por lo que se las llamó "piedras de Bolonia". Los alquimistas se sintieron atraídos por ellos porque después de la exposición a la luz brillarían durante años. Las propiedades fosforescentes de la barita calentada con compuestos orgánicos fueron descritas por V. Casciorolus en 1602.

Carl Scheele determinó que la barita contenía un nuevo elemento en 1774, pero no pudo aislar el bario, solo el óxido de bario. Johan Gottlieb Gahn también aisló óxido de bario dos años después en estudios similares. El bario oxidado fue inicialmente llamado "barote" por Guyton de Morveau, nombre que fue cambiado por Antoine Lavoisier a baryta. 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 por electrólisis de sales de bario fundidas en 1808 por Sir Humphry Davy en Inglaterra. Davy, por analogía con el calcio, nombró "bario" por baryta, con la terminación "-ium" que significa un elemento metálico.Robert Bunsen y Augustus Matthiessen obtuvieron bario puro por electrólisis de una mezcla fundida de cloruro de bario y cloruro de amonio.

La producción de oxígeno puro en el proceso Brin fue una aplicación a gran escala de peróxido de bario en la década de 1880, antes de que fuera reemplazada por electrólisis y 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 los 700 °C (1292 °F) liberando oxígeno: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.

Ocurrencia y producción

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

Barita, de izquierda a derecha: apariencia, gráfico que muestra las tendencias en la producción a lo largo del tiempo y el mapa que muestra las participaciones 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 máxima, 8,3 millones de toneladas, se produjo en 1981, pero solo el 7-8% se utilizó para bario metálico o compuestos. 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).

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, entonces 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. Luego se reduce con carbono a sulfuro de bario:BaSO ₄ + 2 C → BaS + 2 CO ₂

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. El nitrato se puede descomponer térmicamente para producir el óxido. El bario metálico se produce por reducción con aluminio a 1100 °C (2010 °F). El compuesto intermetálico BaAl ₄ se produce primero:3 BaO + 14 Al → 3 BaAl ₄ + Al ₂ O 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.8 BaO + BaAl ₄ → Ba↓ + 7 BaAl ₂ O ₄

El óxido de bario restante reacciona con el óxido de aluminio formado:BaO ₊ Al2O3 → _{BaAl2O4 _ _} _

y la reacción total es4 BaO + 2 Al → 3 Ba↓ + BaAl ₂ O ₄

El vapor de bario se condensa y se empaqueta en moldes en una atmósfera de argón. Este método se usa comercialmente y produce bario ultrapuro. El bario comúnmente vendido 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 con menos del 0,1 %.

Una reacción similar con silicio a 1200 ° C (2190 ° F) produce bario y metasilicato de bario. No se utiliza electrólisis porque el bario se disuelve fácilmente en haluros fundidos y el producto es bastante impuro.

Piedra preciosa

El mineral de bario, benitoita (silicato de titanio y bario), 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 con una concentración oceánica promedio de 109 nmol/kg. El bario también existe en el océano como BaSO ₄ o barita. El bario tiene un perfil similar al de un nutriente con un tiempo de residencia de 10.000 años.

El bario muestra una concentración relativamente constante en el agua de mar de la parte superior del océano, con excepción de las regiones con aportes elevados de ríos y regiones con fuertes afloramientos. 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. Los valores isotópicos de bario muestran balances a escala de cuenca en lugar de procesos locales o de corto plazo.

Aplicaciones

Metal y aleaciones

El bario, como metal o cuando está aleado con aluminio, se usa para eliminar gases no deseados (desgaste) de los tubos de vacío, como los tubos de imagen de TV. El bario es adecuado para este propósito debido a su baja presión de vapor y reactividad frente al oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono y 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 equipos de plasma y LCD sin cámara.

Otros usos del bario elemental son menores e incluyen un aditivo a la silumina (aleaciones de aluminio y silicio) que refina su estructura, así como

• aleaciones para rodamientos;
• aleaciones de soldadura de plomo y 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

El sulfato de bario (el mineral barita, BaSO ₄) es importante para la industria del petróleo como fluido de perforación en pozos de petróleo y gas. El precipitado del compuesto (llamado "blanc fixe", del francés "blanco permanente") se usa en pinturas y barnices; como relleno en tinta de timbre, plásticos y cauchos; como pigmento de revestimiento de papel; y en nanopartículas, para mejorar las propiedades físicas de algunos polímeros, como los epoxis.

El sulfato de bario tiene una toxicidad baja y una densidad relativamente alta de ca. 4,5 g/cm (y por tanto opacidad a los rayos X). Por esta razón, se utiliza como agente de radiocontraste en la formación de imágenes de rayos X del sistema digestivo ("comidas de bario" y "enemas de bario"). 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 los sulfuros.

Otros compuestos de bario

Otros compuestos de bario encuentran solo aplicaciones de nicho, limitadas por la toxicidad de los iones de Ba (el carbonato de bario es un veneno para ratas), que no es un problema para el BaSO ₄ insoluble.

• El revestimiento de óxido de bario en los electrodos de las lámparas fluorescentes facilita la liberación de electrones.
• Por su gran densidad atómica, el carbonato de bario aumenta el índice de refracción y el brillo del vidrio y reduce las fugas de rayos X de los televisores con tubos de rayos catódicos (CRT).
• Bario, típicamente como nitrato de bario imparte un color amarillo o verde "manzana" a los fuegos artificiales; para el verde brillante se utiliza monocloruro de bario.
• El peróxido de bario es un catalizador en la reacción aluminotérmica (termita) para soldar vías férreas. También es una bengala verde en munición trazadora y un agente blanqueador.
• El titanato de bario es una electrocerámica prometedora.
• El fluoruro de bario se utiliza para la óptica en aplicaciones infrarrojas debido a su amplio rango de transparencia de 0,15 a 12 micrómetros.
• YBCO fue el primer superconductor de alta temperatura enfriado por nitrógeno líquido, con una temperatura de transición de 93 K (-180,2 °C; -292,3 °F) que excedía el punto de ebullición del nitrógeno (77 K o -196,2 °C o -321,1 ° F).
• La ferrita, un tipo de cerámica sinterizada compuesta de óxido de hierro (Fe ₂ O ₃) y óxido de bario (BaO), es 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. La circulación oceánica global revela una fuerte correlación entre el bario disuelto y el ácido silícico. 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.

La correlación del bario disuelto con el ácido silícico se puede ver tanto vertical como espacialmente. El bario particulado muestra una fuerte correlación con el carbono orgánico particulado o POC. El bario se está volviendo más popular para usarse como base para proxies paleoceanográficos. Con enlaces de bario disuelto y particulado con ácido silícico y POC, se puede utilizar para determinar variaciones históricas en la bomba biológica, el ciclo del carbono y el clima global.

La barita particulada de bario (BaSO ₄), como uno de los muchos representantes, 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). En cada escenario hay diferencias en la composición isotópica y elemental de las partículas de barita. 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. La barita en los sedimentos, conocida como barita diagenética o de filtraciones frías, brinda información sobre los procesos redox sedimentarios. 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.

Toxicidad

Debido a la alta reactividad del metal, los datos toxicológicos solo están disponibles para los compuestos. Los compuestos solubles de bario son venenosos. En dosis bajas, los iones de bario actúan como un estimulante muscular y en dosis más altas afectan el sistema nervioso, causando irregularidades cardíacas, temblores, debilidad, ansiedad, dificultad para respirar y parálisis. Esta toxicidad puede deberse a que el Ba bloquea los canales de iones de potasio, que son fundamentales para el correcto funcionamiento del sistema nervioso. Otros órganos dañados por compuestos de bario solubles en agua (es decir, iones de bario) son los ojos, el sistema inmunitario, el corazón, el sistema respiratorio y la piel, causando, por ejemplo, ceguera y sensibilización.

El bario no es cancerígeno y no se bioacumula. El polvo inhalado que contiene compuestos de bario insolubles puede acumularse en los pulmones y causar una condición benigna llamada baritosis. El sulfato insoluble no es tóxico y no está clasificado como mercancía peligrosa en las normas de transporte.

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 causar 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 conectarse a tierra. Cualquier persona que trabaje con el metal debe usar zapatos que no produzcan chispas y que hayan sido limpiados previamente, ropa de goma resistente al fuego, guantes de goma, delantal, gafas protectoras y una máscara antigás. Por lo general, está prohibido fumar en el área de trabajo. Se requiere un lavado a fondo después de manipular el bario.