Els empèdocles moderns – Carl Wilhelm Scheele (1772) i l’element 56 (Ba) – bari (nilpenthexi, Nph)

En aquesta sèrie parlem de “massa atòmica” en l’apartat “isòtops i abundància” i de “pes atòmic” en l’apartat d’història, sobretot en referir-nos als estudis vuitcentistes. “Pes atòmic” i “massa atòmica” semblen sinònims. Però només ho són en la mesura que ho són “pes” i “massa”. I la sinonímia aquesta fou trencada definitivament amb la física newtoniana. La “massa” esdevingué una propietat fonamental dels objectes, dels sistemes d’objectes, definida particularment com a “massa inercial”. El pes, es canvi, es definí com la força que actua damunt d’un objecte deguda a la gravetat. El pes (W) és directament proporcional a la massa (m) tan sols en un context gravitatori determinat, definit per l’acceleració gravitatòria local (g). W = m•g. En la superfície terrestre, simplifiquem la relació perquè la g és, si fa no fa, constant. Però si volem parlar amb propietat no direm que una persona “pesa” 70 kg, sinó direm que “té una massa” de 70 kg i que pesa 70 quilopondis (kp) o quilograms-força. Ara bé, el pes és una força i, si volem utilitzar les unitats del sistema internacional, haurem de dir que pesa uns 690 newtons (N). En la vida corrent, preferim dir que pesa 70 quilograms, i au. Per a les precisions que gastem, això ja val. Però la gravetat no és pas un valor ecumènicament constant. En la Tercera Conferència General de Pesos i Mesures, del 1901, hom va definir la gravetat estàndard (g0, gn), com l’acceleració gravitacional nominal de qualsevol objecte situat en el buit prop de la superfície de la Terra, no i adoptant el valor de 9,80665 m•s-2. En els exercicis escolars hom fa servir les aproximacions decimals de 9,81 m•s-1, de 9,8 m•s-1 o, els amics del boc gros, de 10 m•s-1. Però com que el nostre planeta no és pas una esfera perfecta, els valors poden oscil•lar. A uns 45º de latitud, el valor s’apropa a l’estàndard (9,806 m•s-2), però en els pols es fa més elevat (9,832 m•s-2) i en l’equador davalla (9,780 m•s-2). Si considerem l’efecte de l’altitud, ampliem el rang de gravetats locals a un 0,7% de la mitjana. La gravetat màxima s’experimenta en la superfície de l’Oceà Àrtic (9,8337 m•s-2) i la mínima en el cim del Nevado Huascarán (9,8337 m•s-2). Nosaltres arribem així al nombre 56 de la nostra sèrie.

Variació de la gravetat experimentada per un objecte “en caiguda lliure” segons la distància (radi) al centre terrestre. La línia blava mostra els valors d’acord el PREM (Model Preliminar de Referència de la Terra). La línia verda fosca mostra els valors d’acord amb una Terra que fos de densitat uniforme. La línia verda clara mostra els valors d’acord amb una Terra que es fes més densa de manera uniforme a més profunditat. Com que la Terra és formada per capes de densitats diferents, la major gravetat es donaria just en la transició entre el mantell i el nucli

Carl Wilhelm Scheele i la descoberta del bari

Des del 1770, Carl Wilhelm Scheele era director del laboratori de la farmàcia de Locke, a Uppsala. Entre les nombroses recerques d’aquest període hi ha hagué la caracterització química de la barita.

Cristalls de barita

El nom de barita l’havia guanyat aquest material pel seu pes específic, de 4,3-5 vegades el pes específic de l’aigua, i per tant gairebé dues vegades superior a la de molts minerals. En efecte, barita deriva del grec βαρύς , que vol dir pesant i, en sentit figurat, també es feia servir per indicar el soroll greu i també allò insuportable, penós, difícil, però tanmateix també allò poderós, digne, important. És a dir, allò “greu”, en llatí “gravis”, que havia donat lloc al terme “gravitas” (gravetat), també en el sentit pres per a la física moderna. La barita (o baritina o baritita) també era coneguda pels sinònims directes (terre pesante, schwerspath, heavy spar, tiff), o per termes com ara “blanc fixe”.

Peça de barita

Una altra denominació superposada era la de “pedra de Bolonya”, aplicada a la barita fosforescent que Vincenzo Casciariolo havia descrit a Bolonya en el 1602. Aquestes pedres de Bolonya, en efecte, emetien llum en la foscor.

Alguns d’aquests minerals constituïren una matèria primera d’alguns colorants semisintètics de la Xina antiga (dinastia Han). Els minerals eren escalfats a 1100 K, en presència de sals de plom, i s’hi afegia quars i mineral de coure.

En el 1772, Scheele determinava que la barita contenia una substància elemental. No fou capaç, però, d’aïllar-la, i la deixà sense nom. Louis-Bernard Guyton de Morveau (1737-1816) proposà el nom de “barote”.

En el 1784, William Withering (1741-1799) publicà una monografia sobre la “terra ponderosa”, substància que havia identificat en una mina de plom de Cumberland. Withering considerava aquest mineral classificable en el grup de la barita.

Antoine Lavoisier, en el seu Traité Élémentaire de Chimie (1789) considera la barita (baryte) com una de les substàncies simples, concretament classificada com una “substància simple salificable terrosa”, al costat de la calç, la magnèsia, l’alúmina i la sílice. Consigna com a sinònims els termes de “barota” i de “terra pesant”.

Mostra de witherita. Aquest mineral havia estat descrit originàriament per William Withering en el 1784, com una mena de barita (“terra ponderosa”). En el 1789, Abraham Gottlob Werner considerava aquest mineral en una categoria diferenciada, a la que denominà “witherita” en honor de Withering

La terminologia de Lavoisier feia que “barita” indiqués tant la substància simple com els minerals que la contenien. També hi havia controvèrsia sobre la “terra barita” era realment una substància simple o l’òxid d’una substància metàl•lica.

Humphry Davy (1778-1829)

En el 1807, Humphry Davy havia emprat una tècnica de separació en camp elèctric (electròlisi) que l’havia dut a descriure que la potassa era en realitat un òxid metàl•lic, al qual metall denominà potassi (potassium). Més tard, de manera similar, descrigué que la calç com un altre òxid metàl•lic, al qual metall denominà calci (calcium).

Davy aplicà aquesta tècnica a la barita. La barita fossa, electrolitzada, donava lloc a una substància metàl•lica, d’alt pes específic, al que denominà “bari” (barium). La descoberta la comunicà en una memòria sobre el bari i altres metalls “alcalino-terris” (1808).

Símbols de diferents elements simples emprats per John Dalton a “New System of Chemical Philosophy” (1808). El nombre 30 correspon al bari

En el 1813, Jöns Jakob Berzelius proposa un sistema de símbols per als elements químics basats en les inicials. Aquest sistema donava prioritat als metal•loids, de manera que la lletra B anà para al bor, mentre que el bari fou simbolitzat com a Ba. Aquest és el símbol que s’ha utilitzat de manera universal. Les diferents llengües adapten el llatí “barium”, per bé que algunes utilitzen un sinònim etimològic local (com el maorí, “konu-okehu”).

Les similituds dels metalls de les terres alcalines, particularment del calci, de l’estronci i del bari ja havia estat posat de manifest per Davy. Johann Wolfgang Döbereiner que, des del 1817, havia fet intents de classificar els elements químics, els tenia com un dels punts de partida. En el 1829 formulà la llei de les tríades. Una d’aquestes tríades era la formada pel calci, l’estronci i el bari, que es manifestava en l’escala harmonitzada de pesos atòmics (Ca, 40; Sr, 88; Ba, 137), de manera que el pes atòmic de l’estronci era similar a la mitjana aritmètica dels pesos del calci i del bari.

En el 1855, Robert Bunsen i Augustus Matthiessen aconseguiren bari metàl•lic a una puresa superior, gràcies a una modificació de l’electròlisi d’una barreja fossa de clorur de bari i clorur d’amoni. Això permeté una determinació més fina del pes atòmic i d’altres propietats fonamentals de l’element.

En el 1865, John Newlands formulà la llei d’octaus per classificar els elements química. En aquest esquema, bari (Ba) i vanadi (V) compartien la mateixa casella, la 45, la qual cosa els posava en el setè període del grup del glucini (G = beril•li), en el que apareixien, a banda, de metalls alcalino-terris (magnesi, calci, estronci), el zinc, el cadmi i el mercuri.

Més difusió tindria la taula periòdica de Mendeleev, del 1869. En aquesta taula, el bari (Ba = 137) és assignat al cinquè període, concretament al grup del calci.

La redefinició de la taula en el 1871, va transportar el bari al període 8, dins del grup II. En aquest grup apareixien elements que formaven òxids de fórmula RO. Aquest grup seria després escindit, entre el IIa (metalls alcalinoterris) i el grup del zinc-cadmi-mercuri. Llavors el bari quedaria ja en el període 6.

Una aplicació de la barita (sulfat de bari) havia estat la de pigment blanc en pintures o vernissos. En els anys 1870, la companyia DuPont va desenvolupar el Lithopone, consistent en una barreja de BaSO4 i ZnS. El poc cost i el bon recobriment fins i tot en superfície orgàniques n’estimulà l’ús.

En el 1884, els germans Quentin i Arthur Leon Brin obrien una fàbrica de producció de gas oxigen. El procés de Brin treia profit d’una reacció del peròxid de bari: 2 BaO2 → 2 BaO + O2. La reacció ja havia estat descrita en el 1811 per Josèp-Loïs Gay-Lussac i Louis-Jacques Thenard i, en el 1852, Jean-Baptiste Boussingault l’havia postulada per produir oxigen. Deixebles de Boussingault, els Brin havien trobat que aquesta reacció requeria una baixa concentració de CO2 per evitar la formació de carbonat bàric. Per fer-ho empraren hidròxid sòdic. El BaO era sotmès a temperatures de 800-900 K i, en reacció amb l’aire, donava lloc a BaO2; en fer pujar la temperatura a 1000 K, el BaO2 es descomposa en BaO i O2. Bona part de la producció industrial d’oxigen pel procés de Brin era destinada al sistemes de llum de calci emprats en teatres. El procés de Brin suposà un augment de la demanda d’òxid de bari i de l’explotació de barita. Però canvis en luminotècnica i l’aparició de formes alternatives de producció d’oxigen (electròlisi d’aigua, destil•lació fraccionada de l’aire) feren obsolet el procés de Brin en el tombant de segle.

La descoberta que algunes sals de bari eren opaques als raigs X, recentment descoberts, va fer que hom investigués la seva aplicació en radiodiagnòstic. Ja en el 1908, hom administrà oralment sulfat de bari a pacients per obtindre’n radiografies digestives.

L’abril del 1986, Georg Bednorz i Karl Müller descobriren que l’òxid de lantà, bari i coure (LBCO) era un material superconductor a temperatures de fins a 35 K. L’òxid d’itri, bari i coure (YBa2Cu3O7; YBCO), un sòlid de color negre, d’una densitat de 6300 kg•m-3 a temperatura ambient, encara mantenia la propietat superconductora a una temperatura de 93 K. Posteriorment, Schilling et al. (1993) descrigueren superconductors com el HgBa2Ca2Cu3O8 (Hg-1223) amb una temperatura crítica de 134 K.

El bari: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del bari és de 137,327 uma, que és la mitjana ponderada de les masses dels seus isòtops naturals (138Ba, 137Ba, 136Ba, 135Ba, 134Ba, 130Ba, 132Ba). El llistat complet d’isòtops fa:
– bari-112 (112Ba). Nucli format per 56 protons i 56 neutrons Descobert recentment, és l’isòtop detectat més pesant amb nombre igual de protons i de neutrons.
– barri-114 (114Ba; 113,95068 uma). Nucli format per 56 protons i 58 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,53 s. Decau normalment (99,59%) a xenó-113 (amb emissió d’un protó i d’un positró) o, alternativament, a xenó-110 (0,37%; amb emissió d’un nucli d’heli-4), cesi-114 (0,04%; amb emissió d’un positró) o, si més no teòricament, a estany-102 (<0,0034%; amb emissió d’un nucli de carboni-12).
– bari-115 (115Ba; 114,94737 uma). Nucli format per 56 protons i 59 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,45 s. Decau bé a cesi-115 (amb emissió d’un positró) bé a xenó-114 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– bari-116 (116Ba; 115,94138 uma). Nucli format per 56 protons i 60 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,3 s. Decau bé a cesi-116 (amb emissió d’un positró) bé a xenó-115 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– bari-117 (117Ba; 116,93850 uma). Nucli format per 56 protons i 61 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,75 s. Decau a cesi-117 (amb emissió d’un positró), iode-113 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o xenó-116 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– bari-118 (118Ba; 117,93304 uma). Nucli format per 56 protons i 62 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 5,2 s. Decau a cesi-118 (amb emissió d’un positró) o a xenó-117 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– bari-119 (119Ba; 118,93066 uma). Nucli format per 56 protons i 63 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 5,4 s. Decau bé a cesi-119 (amb emissió d’un positró) o a xenó-118 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– bari-120 (120Ba; 119,92604 uma). Nucli format per 56 protons i 64 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 24 s. Decau a cesi-120, amb emissió d’un positró.
– bari-121 (121Ba; 120,92405 uma). Nucli format per 56 protons i 65 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 29,7 s. Decau normalment (99,98%) a cesi-121 (amb emissió d’un protó) o, alternativament (0,02%), a xenó-120 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– bari-122 (122Ba; 121,91990 uma). Nucli format per 56 protons i 66 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 117 s. Decau a cesi-122, amb emissió d’un positró.
– bari-123 (123Ba; 122,918781 uma). Nucli format per 56 protons i 67 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 160 s (3 minuts). Decau a cesi-123, amb emissió d’un positró.
– bari-124 (124Ba; 123,915094 uma). Nucli format per 56 protons i 68 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 660 s (11 minuts). Decau a cesi-124, amb emissió d’un positró.
– bari-125 (125Ba; 124,914473 uma). Nucli format per 56 protons i 69 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 210 s (4 minuts). Decau a cesi-125, amb emissió d’un positró.
– bari-126 (126Ba; 125,914473 uma). Nucli format per 56 protons i 70 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6000 s (2 hores). Decau a cesi-126, amb emissió d’un positró.
– bari-127 (127Ba; 126,911094 uma). Nucli format per 56 protons i 71 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 762 s (13 minuts). Decau a cesi-127, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (127mBa) a 80,33 keV, que té una semivida de 1,9 s i que decau a l’estat basal.
– bari-128 (128Ba; 127,908318 uma). Nucli format per 56 protons i 72 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,10•105 s (2 dies). Decau a cesi-128, amb emissió d’un positró.
– bari-129 (129Ba; 128,908679 uma). Nucli format per 56 protons i 73 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 8030 s (2 hores). Decau a cesi-129, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (129mBa) a 8,42 keV, que té una semivida de 7780 s, i que decau bé a l’estat basal bé directament a cesi-129.
– bari-130 (130Ba; 129,9063208 uma). Nucli format per 56 protons i 74 neutrons. Decau a xenó-130, per doble captura electrònica. Ho fa, però, amb una semivida tan llarga (5,0•1028 s; 11 ordres de magnitud superior a l’edat actual de l’univers) que, a efectes pràctics, se’l pot considerar un isòtop estable (per bé que és responsable del xenó-130 detectat en roques). La seva freqüència és de 0,106%. Si més no part de la dotació terrestre és primordial. Posseeix un estat metastable (130mBa) a 2475,12 keV, que té una semivida de 0,00954 s, i que decau a l’estat basal.
– bari-131 (131Ba; 130,906941 uma). Nucli format per 56 protons i 75 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 9,994•105 s (12 dies). Decau a cesi-131, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (131mBa) a 187,14 keV, que té una semivida de 876 s i que decau a l’estat basal.
– bari-132 (132Ba; 131,9050613 uma). Nucli format per 56 protons i 76 neutrons. Teòricament, decau a xenó-132, amb emissió de dos positrons. Ho faria, però, amb una semivida tan llarga (9•1027; 10 ordres de magnitud superior a l’edat actual de l’univers) que, a efectes observacionals, és un isòtop estable. La seva freqüència és de 0,101%.
– bari-133 (133Ba; 132,9060075 uma). Nucli format per 56 protons i 77 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3,317•108 s (11 anys). Decau a cesi-133, per captura electrònica. Posseeix un estat metastable (133mBa) a 288,247 keV, que té una semivida de 1,40•105 s i que decau bé a l’estat basal (99,99%) o directament a cesi-133 (0,0096%).
– bari-134 (134Ba; 133,9045084 uma). Nucli format per 56 protons i 78 neutrons. És un isòtop estable, per bé que teòricament susceptible de fissió espontània. La seva freqüència és de 2,417%.
– bari-135 (135Ba; 134,9056886 uma). Nucli format per 56 protons i 79 neutrons. És un isòtop estable, per bé que teòricament susceptible de fissió espontània. La seva freqüència és de 6,592%. Posseeix un estat metastable (135mBa) a 268,22 keV, que té una semivida de 1,03•105 s, i que decau a l’estat basal.
– bari-136 (136Ba; 135,9045759 uma). Nucli format per 56 protons i 79 neutrons. És un isòtop estable, per bé que teòricament susceptible de fissió espontània. La seva freqüència és de 7,854%. Posseeix un estat metastable (136mBa) a 2030,466 keV, que té una semivida de 0,3084 s, i que decau a l’estat basal.
– bari-137 (137Ba; 136,9058274 uma). Nucli format per 56 protons i 81 neutrons. És un isòtop estable, per bé que teòricament susceptible de fissió espontània. La seva freqüència és de 11,232%. Posseeix dos estats metastables, un a 661,659 keV (137m1Ba; que té una semivida de 153,1 s i que decau a l’estat basal) i un altre a 2349,1 keV (137m2Ba; que té una semivida de 5,9•10-7 s). El 137m1Ba és producte del cesi-137, i així se’l detecta entre els productes de la fissió nuclear.
– bari-138 (138Ba; 137,9052472 uma). Nucli format per 56 protons i 82 neutrons. És un isòtop estable, per bé que teòricament susceptible de fissió espontània. Amb una freqüència de 71,698%, és l’isòtop més comú. En part és producte de la fissió de radioisòtops més pesants. Posseeix un estat metastable (138mBa) a 2090,54 keV, que té una semivida de 8•10-7 s.
– bari-139 (139Ba; 138,9088413 uma). Nucli format per 56 protons i 83 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4983 s (83 minuts). Decau a lantà-139, amb emissió d’un electró. És producte de la fissió de radioisòtops més pesants.
– bari-140 (140Ba; 139,910605 uma). Nucli format per 56 protons i 84 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,102•106 s (13 dies). Decau a lantà-140, amb emissió d’un electró. És producte de la fissió de radioisòtops més pesants.
– bari-141 (141Ba; 140,914411 uma). Nucli format per 56 protons i 85 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1096 s (18 minuts). Decau a lantà-141, amb emissió d’un electró. És producte de la fissió de radioisòtops més pesants.
– bari-142 (142Ba; 141,916453 uma). Nucli format per 56 protons i 86 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 636 s (11 minuts). Decau a lantà-142, amb emissió d’un electró. És producte de la fissió de radioisòtops més pesants.
– bari-143 (143Ba; 142,920627 uma). Nucli format per 56 protons i 87 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 14,5 s. Decau a lantà-143, amb emissió d’un electró. És producte de la fissió de radioisòtops més pesants.
– bari-144 (144Ba; 143,922953 uma). Nucli format per 56 protons i 88 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 11,5 s. Decau a lantà-144, amb emissió d’un electró. És producte de la fissió de radioisòtops més pesants.
– bari-145 (145Ba; 144,92763 uma). Nucli format per 56 protons i 89 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,31 s. Decau a lantà-145, amb emissió d’un electró.
– bari-146 (146Ba; 145,93022 uma). Nucli format per 56 protons i 90 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,22 s. Decau normalment (99,98%) a lantà-146 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,02%), a lantà-145 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– bari-147 (147Ba; 146,93495 uma). Nucli format per 56 protons i 91 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,893 s. Decau normalment (99,94%) a lantà-147 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,06%), a lantà-146 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– bari-148 (148Ba; 147,93772 uma). Nucli format per 56 protons i 92 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,612 s. Decau normalment (99,6%) a lantà-148 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,4%), a lantà-147 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– bari-149 (149Ba; 148,94258 uma). Nucli format per 56 protons i 93 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,344 s. Decau normalment (99,57%) a lantà-149 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,43%), a lantà-148 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– bari-150 (150Ba; 149,94568 uma). Nucli format per 56 protons i 94 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,3 s. Decau normalment a lantà-150 (amb emissió d’un electró) o, alternativament, a lantà-149 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– bari-151 (151Ba; 150,95081 uma). Nucli format per 56 protons i 95 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,2 s. Decau a lantà-151, amb emissió d’un electró.
– bari-152 (152Ba; 151,95427 uma). Nucli format per 56 protons i 96 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,1 s. Decau a lantà-152, amb emissió d’un electró.
– bari-153 (153Ba; 152,95961 uma). Nucli format per 56 protons i 97 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,08 s. Decau a lantà-153, amb emissió d’un electró.

L’àtom neutre de bari conté 56 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s2. És doncs l’element del període 6 per al grup 2 (metalls alcalino-terris), dins del bloc s. L’estat d’oxidació és gairebé sempre de +2. El radi atòmic empíric és de 2,22•10-10 m i el radi de Van der Waals és de 2,68•10-10 m.

Bari metàl•lic, conservat en atmosfera d’argó (a dalt). El bari ultrapur és d’un color blanc argentí, amb un reflex daurat, però la superfície s’oxida fàcilment (a sota)

En condicions estàndards de pressió i de temperatura, el bari elemental és presenta com un sòlid metàl•lic d’aspecte argentí i coloració grisa (amb una lleugera tonalitat daurada). És força tou (1,25 en l’escala de Mohs) i bon conductor elèctric (resistivitat de 332 nΩ•m). A temperatura ambient, la densitat de 3510 kg•m-3, corresponent a una distància interatòmica de 5,03•10-10 m de la xarxa cúbica centrada en cos, que s’expandeix amb la temperatura a una taxa de 1,8•10-5 K-1.

En condicions estàndards de pressió, el bari fon a 1000 K. La densitat del bari elemental líquid en el punt de fusió és de 3338 kg•m-3.

En condicions estàndars de pressió, el bari bull a 2118 K.

El bari elemental és encara més reactiu que els altres metalls alcalino-terris més lleugers. Reacciona exotèrmicament amb l’aigua i l’alcohol, alliberant gas hidrogen. Reacciona amb l’oxigen atmosfèric fins i tot a temperatura ambient. És atacat per la majoria d’àcids, amb l’excepció de l’àcid sulfúric (degut a la formació d’una capa superficial passivadora de sulfat bàric). Entre els compostos de bari:
– les sals de bari, en general, són sòlid blancs i incolors en condicions estàndards de pressió i de temperatura. La densitat sol ser elevada: BaF2 (4890 kg•m-3), BaCl2 (3890 kg•m-3), BaSO4 (4490 kg•m-3), BaCO3 (4290 kg•m-3). Els halurs són relativament solubles en aigua, però el sulfat i el carbonat són força insolubles.
– òxid de bari (BaO). És sòlid a temperatura ambient, amb una densitat de 5720 kg•m-3.
– sulfur de bari (BaS). És sòlid a temperatura ambient, amb una densitat de 4300 kg•m-3.
– hidrur de bari (BaH2). És sòlid a temperatura ambient, amb una densitat de 4160 kg•m-3.
– hidròxid de bari (BaOH), a la qual se sol reservar en l’actualitat el terme “barita”.
– compostos organobàrics, com ara els dialquilbaris, els alquilhalobaris, etc.

Sota la flama, els compostos de bari emeten una coloració verda, corresponent a les línies espectrals de 455,4 nm, 493,4 nm, 553,6 nm i 611,1 nm.

L’abundància atòmica del bari en l’univers és condicionada pels processos de nucleosíntesi en estels en fases avançades de fusió, per les rutes de desintegració de radioisòtops d’elements més pesants i per l’estabilitat dels seus propis isòtops. En aquest sentit, hi ha set isòtops que són pràcticament estables. Això contribueix favorablement al seu abundor, superant de llarg els dos elements que el flanquegen en la taula periòdica, el cesi i el lantà. El bari guanya en abundància atòmic molts altres elements més lleugers (començant pel beril•li i seguint per tots els que hi ha a partir de l’element 41, exceptuant per poc el xenó i el tel•luri). Dels elements més pesants, no n’hi ha cap que sigui més abundant que el bari en termes atòmics.

En la Terra, l’abundància atòmica del bari és de 0,85 ppm (4,50 ppm en termes de massa). Com a element litòfil, el bari és molt més abundant en l’escorça terrestre, on arriba a 425 ppm en termes de massa. El trobem bàsicament en forma de sals de Ba2+, com ara el sulfat (barita, BaSO4) o el carbonat (witherita, BaCO3).

La benitoïta és una pedra gemma feta de silicat de bari i titani. És blava i fluorescent

En la hidrosfera, la concentració bari depèn del context geològic (i geoquímic) en les aigües continentals. En els oceans la concentració típica és de 13 μg•L-1. La concentració oceànica depèn del balanç entre l’aportació de sediments continentals i la precipitació en zones pelàgiques. En efecte, la barita (sulfat de bari), per la seva insolubilitat, és un constituent rellevant dels sediments oceànics. La distribució isotòpica de la barita (particularment la variació en oxigen-18) ha estat utilitzada en paleoclimatologia per estimar les temperatures del fons oceànics d’acord amb l’edat geològica dels sediments.

Rosa de desert, feta de barita, procedent d’Oklahoma. Corresponen a una formació evaporítica del període permià (fa 250 milions d’anys). La barita precipità recoberta de sorra de quars. El cicle geoquímic del bari, entre la litosfera i la hidrosfera, depèn de la solubilitat diferencial de les diferents sals de bari

En l’atmosfera, el bari és present en forma de traça. En ambients laborals, cal no depassar uns nivells, ja que l’exposició crònica respiratòria a pols de bari pot donar lloc a una pneumoconiosi, manifestada en la formació de concrecions de 2-4 mm de diàmetre (baritosi).

El bari no és comptat entre els bioelements. És present en la biosfera de manera passiva, fonamentalment en forma iònica (Ba2+). En l’organisme humà, una concentració típica en termes de massa és de 0,31 ppm (0,012 ppm en termes atòmics). Així, en un cos de 70 kg, el contingut corporal de bari seria de 22 mg.

El cations Ba2+ interfereixen el metabolisme dels cations divalents que sí tenen rellevància biològica, Ca2+ i Mg2+, però també afecten el K+. Això explicaria la toxicitat de les sals solubles de bari. El Ba2+, a baixa dosi, actua com un estimulador muscular, però si depassa un llindar afecta el sistema nerviós i cardíac (probablement pel bloqueig de canals de K+), així com els ulls, el sistema immunitari, la pell, etc.

Menys tòxiques resulten les sals insolubles de bari. L’exposició crònica, d’altra banda, no condueix a una acumulació tissular de bari. Fins i tot la baritosi pulmonar és gradualment reversible. Fins on se sap, els compostos de bari no són carcinògens.

Pel que fa al bari metàl•lic, més que la toxicitat el risc va vinculat a la seva forta reactivitat química. Cal previndre l’exposició amb l’aire (que pot induir-ne una ignició), així com la humitat, la fricció, la calor o l’electricitat. El bari metàl•lic sol ser preservat sota atmosfera inert (argó) o submergit en oli mineral.

Les aplicacions del bari

La principal font mineral comercial de bari és la barita (BaSO4), seguida per la witherita (BaCO3). La producció mundial anual de barita se situa en uns 8 milions de tones, més de la meitat de les quals correspon a dipòsits de la R.P. de Xina. Els dipòsits de witherita més rellevants són a Anglaterra i Romania.

Evolució de la producció mundial de barita. Com que les reserves accessibles de barita es calculen en 700-2000 milions de tones, hi ha encara prou marge d’explotació

La barita extreta és rentada i esmicolada. Se’n fa un procés de separació del quars i d’altres impureses (ferro, zinc, plom) fins a arribar a pureses del 95%-98%.

Vora tres quartes parts del consum mundial de barita es destinen a la confecció de fluids de perforació en explotacions de petroli i gas natural. En aquests fluids, la barita, esmicolada en partícules de 6-75 μm i amb un pes específic de no pas menys de 4,2, actua com a agent de densificació. Els líquids de perforació mantenen dins uns marges la pressió dels pous. Per això, a més fondària, més quantitat de barita serà necessària per al líquid. La poca reactivitat química de la barita i el seu caràcter no-magnètic contribueixen a aquesta aplicació.

Una altra aplicació de la barita es troba en l’elaboració del “blanc fix”, utilitzat en pintures, vernissos, plàstics, gomes, etc.

Radiografia en la qual s’observa l’intestí prim gràcies al contrast que ofereix el BaSO4. Administrat en forma de papilla (o d’enema), el sulfat de bari és utilitzat en radiodiagnòstic digestiu per la seva baixa toxicitat i per l’opacitat als raigs X (deguda a l’elevada densitat del material, de 4500 kg•m-3.

Un 8% de la producció de barita es destina a l’obtenció de bari i dels seus compostos. Amb aquesta finalitat, la barita és reduïda amb carboni per aconseguir sulfur de bari (BaS), que serveix de base a reaccions ulteriors:
– el BaS dissolt en aigua, exposat a oxigen, dóna lloc a Ba(OH)2. En l’actualitat el Ba(OH)2 ha perdut la rellevància que tenia en diferents processos industrials (refinament del sucre; elaboració de pigments).
– la reacció del BaS amb nitrat dóna lloc a Ba(NO3)2.
– la reacció del BaS amb CO2 fa BaCO3.
– el Ba(NO3) es pot descompondre tèrmicament per generar BaO.
– el BaO es pot reduir amb alumini a 1400 K per generar vapor elemental bari metàl•lic, que és recollit i refredat fins a solidificar-se en atmosfera d’argó. El bari metàl•lic sol comercialitzar-se amb pureses del 99% (bàsicament les impureses consisteixen en estronci i calci).

Entre els usos del bari metàl•lic podem esmentar:
– una aplicació en retrocés, però històricament rellevant, fou l’ús de bari (o d’aliatge de bari i alumini) en la confecció de tubs catòdics per a l’eliminació de gasos (O2, N2, CO2, H2O) que haurien quedat atrapats en el vidre. La baixa pressió de vapor del bari i l’alta reactivitat davant d’aquests gasos el feia més atractiu que no pas altres opcions.
– com a additiu en aliatges d’alumini-silici per refinar-ne l’estructura. Juntament amb el calci i el manganès és afegir a aliatges d’alumini-silici emprats en la desoxidació d’acers d’alta prestació.
– com a additiu en aliatges de coixinets.
– com a additiu de resistència en aliatges de soldar.
– com a additiu en aliatges de níquel per a bugies d’encesa.
– inoculant en ferro i acer.

Entre les aplicacions d’altres compostos de bari podem assenyalar:
– el BaO és emprat com a revestiment dels elèctrodes de làmpades fluorescents.
– el BaCO3 és utilitzat en la indústria del vidre per augmentar-hi l’índex refractiu.
– el BaO2 és utilitzat com a catalitzador en l’inici de la reacció aluminotèrmica.
– el BaF2 és emprat en dispositius d’infraroig per la seva transparència a longituds d’ona de 150-1200 nm.
– l’ús de Ba(OH)<sub<2 com a calibrador alcalí de pHmetres. Entre els avantatges que ofereix respecte el Ca(OH)2 hi ha la menor absorció de CO2 atmosfèric, que pot interferir en les lectures.
– el titanat de bari (BaTiO3) és un material electroceràmic per a capacitadors

Entre els pigments verds emprats en pirotècnica destaquen compostos de bari com el Ba(NO3)2 o el BaCl

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: