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不一樣的元素故事:有鋇而來|《自然-化學》專欄
發布時間:2021-08-23

原文作者:Katharina M. Fromm,瑞士弗里堡大學化學系

Katharina M. Fromm講述了鋇和鋇礦石是如何從一個吸引巫師和煉金術士的神奇發光物種,到成為現代生活中具有關鍵作用的各種各樣的化合物的組分。

1602年,鞋匠、煉金術士Vincenzo Casciarolo為一種被稱為博洛尼亞石(又名“太陽石”)的礦物而著迷。這種礦石中有細小的發光晶體,當其暴露于日光下后會持續自行發光,這正是它令那些巫師和煉金術士著迷的原因。

 

Ulisse Aldrovandi公布了這一現象,但這太不尋常,以至于當伽利略拿著一塊博洛尼亞石向科學家Giulio Cesare Lagalla展示時,他仍然不相信這是真的。通過進一步研究,Lagalla發現持續發光的現象主要發生在經過煅燒后的博洛尼亞石上,并將之記錄在他發表于1612年的De Phenomenis in Orbe Lunae一書中。

 

博洛尼亞石的發光曾被認為來源于其主要成分重晶石(BaSO4),但最近發現其實是來自于其中的被一價和二價銅離子所摻雜的硫化鋇。

 

1774年,瑞典化學家Scheele在石膏中發現了氧化鋇;隨后在1808年,Humphrey Davy爵士分離出了一些不純的金屬鋇。到了1855年,本生最終通過電解熔融氯化鋇BaCl2 得到了純凈的金屬鋇。

 

此后,第五十六號元素在其它科學發現中繼續發揮著重要作用;大約50多年后,Marie Curie在鐳鋇的混合物中發現了其中更重的原子——鐳。1938年,當Otto Hahn和Fritz Strassmann在用慢中子轟擊鈾的產物中發現鋇的時候,他們與Lise Meitner一起得出了正確的結論:鈾的原子核裂變了。

 

金屬鋇極易與空氣和水反應,因此在真空管道中用于去除不想要的氣體,從而抑制高壓和防止井噴。曾經神秘的重晶石——鋇及其化合物的主要來源,如今已實現大規模生產(2010年產量超過500萬噸)

 

這一礦物在石油工業中作為增重劑用于增加油氣勘探中鉆井液的密度。事實上,鋇正是因其高密度而得名。鋇(Barium)這一名稱來源于希臘語中的βαρ?ς (barys),意為“沉重的”。

 

我們在很多不同的材料中都可以找到重晶石,如相紙中的白色顏料,油漆、塑料和汽車涂料中用于增加平滑度和耐腐蝕性的填充劑。在高密度混凝土和防輻射水泥中也有重晶石的身影,它甚至可以用于醫療。雖然會引起相當的不適,但硫酸鋇確實可以被從消化系統的上下兩個開口中引入人體,以作為x射線掃描的造影劑用于檢測腸胃疾病。

 

盡管鋇離子是有毒的——會嚴重干擾鈣和鉀的代謝反應,誘發心律失常和顫抖并導致癱瘓;但硫酸鋇的不溶性能確保它可以被安全地攝入。與硫酸鋇形成對比的是,碳酸鋇因其可以溶于胃酸而被用于鼠藥。

 

盡管鋇具有毒性,但在一些植物中可以觀察到鋇的吸收和積累。綠藻甚至需要鋇才能長得好,但鋇在綠藻生長的具體作用仍不明確。巴西堅果可含有多至1%的鋇,此外它還含一些硒(攝入過量也會中毒),因此食用巴西堅果需要注意適度。

 

另一個值得注意的鋇化合物是氫氧化鋇。它能用于一個引人注目的演示實驗:將氫氧化鋇和銨鹽(如氯化銨)混合后,它們會發生強烈的吸熱反應,并得到液體 (BaCl2和水)和氨氣;與此同時,放在反應容器下面的水會結冰。

 

氫氧化鋇作為一種強堿(pKB 值為–2),可用于在有機合成中水解酯類和腈類;而其納米顆粒可以通過與石膏(硫酸鈣)反應生成硫酸鋇來修復舊壁畫。這一方法發明于1966年佛羅倫薩的一場洪災之后。它被成功地應用于14-18世紀的壁畫的修復,例如修復威尼斯及意大利南蒂羅爾的修道院的壁畫。

 

毒重石(BaCO3也是常用的鋇化合物。由硫化鋇和二氧化碳制備而成的這種化合物可以作為釉料成分,當與其它氧化物結合時它還可以展現出獨特的色彩。

 

其他含鋇的氧化物也表現出引人注目的特性,例如鈦酸鋇(BaTiO3是同時擁有光折變性、鐵電性和壓電性的陶瓷;YBa2Cu3O7是一種高溫超導體。鹵化鋇被用于制備這些氧化物材料的低溫前體。

 

在鋇的豐富多彩的應用中,其中有一種用途仍然與鋇最初的引人注目的發光特性息息相關,那就是鋇在焰火中的應用。焰火中鮮明的綠色就是由其中的硝酸鋇和氯化鋇賦予的。?

原文以Barium bright and heavy為標題

發布在2013年1月24日的《自然-化學》In Your Element上

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