Θειικό βάριο

Θειικό βάριο
Γενικά
Όνομα IUPAC	Θειικό βάριο
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	BaSO4
Μοριακή μάζα	233,39 amu
Αριθμός CAS	7727-43-7
SMILES	[Ba+2].[O-]S([O-])(=O)=O
Αριθμός RTECS	CR060000
Αριθμός UN	1564
PubChem CID	24414
ChemSpider ID	14129
Δομή
Διπολική ροπή	0
Κρυσταλλική δομή στερεού	ορθορομβική
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης	1.580 °C (1.850 K)
Σημείο βρασμού	1.600 °C (αποσυντίθεται)
Πυκνότητα	4,49 gr/cm^3
Διαλυτότητα στο νερό	δυσδιάλυτο (0,2448 mgr/100ml)
Διαλυτότητα σε άλλους διαλύτες	αδιάλυτο στην αιθανόλη, διαλυτό σε θερμό πυκνό θειικό οξύ
Δείκτης διάθλασης , nD	1,636
Εμφάνιση	λευκό στερεό
Χημικές ιδιότητες
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπό κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος (25°C, 100 kPa).

Το θειικό βάριο είναι ανόργανη χημική ένωση του βαρίου με μοριακό χημικό τύπο BaSO₄. Ως υλικό είναι λευκό κρυσταλλικό στερεό, άοσμο και σχεδόν αδιάλυτο στο νερό. Υπάρχει στη φύση ως ορυκτό με την ονομασία βαρύτης, το πλέον συνηθισμένο ορυκτό του βαρίου και η κυριότερη εμπορική πηγή βαρίου και των υλικών που παράγονται από αυτό.^[1]

Ιστορικές πληροφορίες

Το θειικό βάριο ανάγεται σε θειούχο βάριο από άνθρακα και η τυχαία ανακάλυψη αυτής της μετατροπής πριν από πολλούς αιώνες οδήγησε στην ανακάλυψη του πρώτου συνθετικού υλικού που εμφανίζει φωταύγεια.^[1]

Στα χρόνια του Μεσοπολέμου ο λεγόμενος «χοκουτόλιθος» (hokutolite) βρέθηκε στην περιοχή των θερμών πηγών Πεϊτού, κοντά στην Ταϊπέι της Ταϊβάν. Ο χοκουτόλιθος είναι ραδιενεργό ορυκτό, που αποτελείται κυρίως από θειικό μολυβδο (PbSO₄) και θειικό βάριο, αλλά περιέχει και ίχνη ουρανίου, θορίου και ραδίου. Οι Ιάπωνες κατακτητές εξήγαν τα στοιχεία του χοκουτόλιθου για βιομηχανικές χρήσεις και επίσης ανέπτυξαν δεκάδες «ιαματικά ραδιενεργά λουτρά» στο Πεϊτού.^[2]

Παραγωγή

Σχεδόν όλο το βάριο που καταναλώνεται από τον άνθρωπο προέρχεται από το ορυκτό βαρύτη, που συχνά περιέχει πολλές προσμίξεις. Με θερμοχημική αναγωγή θειικών (TSR), μια διεργασία γνωστή και ως ανθρακοθερμική αναγωγή (θέρμανση μαζί με κωκ), δίνει θειούχο βάριο:

BaSO₄ + 4 C → BaS + 4 CO

Το θειούχο βάριο, αντίθετα από το θειικό, είναι ευδιάλυτο στο νερό και μετατρέπεται έτσι εύκολα στο οξείδιό του, ανθρακικό βάριο και ενώσεις του με αλογόνα. Για την απόκτηση θειικού βαρίου υψηλής καθαρότητας, το θειούχο ή χλωριούχο βάριο δέχεται κατεργασία με θειικό οξύ ή με θειικά άλατα:

BaS + H₂SO₄ → BaSO₄ + H₂S

Το θειικό βάριο που παράγεται με τον τρόπο αυτόν αποκαλείται συχνά blanc fixe, όρος που στα γαλλικά σημαίνει «μόνιμο λευκό». Το Blanc fixe είναι η μορφή του βαρίου που ενυπάρχει στα καταναλωτικά προϊόντα, όπως στα χρώματα.^[3]

Στο εργαστήριο το θειικό βάριο παρασκευάζεται με ανάμιξη διαλυμάτων ιόντων βαρίου και θειικών αλάτων. Επειδή το θειικό βάριο είναι το λιγότερο τοξικό άλας του βαρίου εξαιτίας της αδιαλυτότητάς του στο νερό, απόβλητα που περιέχουν άλατα του βαρίου δέχονται κάποιες φορές κατεργασία με θειικό νάτριο προκειμένου να «αδρανοποιηθεί» το βάριο ως θειικό βάριο. Η πολύ μικρή διαλυτότητα του BaSO₄ χρησιμεύει στην ποιοτική ανόργανη ανάλυση ως «τεστ» για την ύπαρξη ιόντων του δισθενούς βαρίου, καθώς και για θειικού βαρίου.

Οι πρώτες ύλες, όπως ο φυσικός βαρύτης που σχηματίζεται υπό υδροθερμικές συνθήκες, μπορεί να περιέχουν πολλές προσμίξεις, ακόμα και χαλαζία ή και άμορφο διοξείδιο του πυριτίου.^[4]

Χρήσεις

Εκπλύσεις γεωτρήσεων

Περί το 80% της παγκόσμιας παραγωγής θειικού βαρίου, κυρίως κονιορτοποιημένος βαρύτης, καταναλώνεται ως μέρος πολτών εκπλύσεως γεωτρήσεων πετρελαίου (ή και αερίων), καθώς αυξάνει το ειδικό βάρος του ρευστού^[3], αυξάνοντας έτσι την υδροστατική πίεση στο πηγάδι και μειώνοντας την πιθανότητα εκτινάξεων.

Στην ιατρική απεικόνιση

Το εναιώρημα θειικού βαρίου χρησιμοποιείται συχνά στη διαγνωστική ιατρική ως μέσο απορροφήσεως ακτίνων Χ στις ακτινογραφίες και άλλες διαγνωστικές εξετάσεις. Χρησιμεύει συχνότερα στην απεικόνιση του γαστρεντερικού σωλήνα, με αυτό που είναι γνωστό κοινώς ως «γεύμα βαρίου». Χορηγείται από το στόμα ή με υποκλυσμό, ως εναιώρημα μικροσκοπικών σωματίων σε πυκνόρρευστο διάλυμα που μοιάζει με γάλα (συχνά με προσθήκη γλυκαντικών και αρωματικών μέσων). Παρά το ότι το βάριο είναι ένα από τα βαρέα μέταλλα και οι υδατοδιαλυτές ενώσεις του είναι συχνά πολύ τοξικές, η πολύ μικρή υδατοδιαλυτότητα του θειικού βαρίου προστατεύει τον λήπτη του γεύματος βαρίου από το να απορροφήσει βλαβερές ποσότητες του μετάλλου. Το θειικό βάριο απομακρύνεται γρήγορα από το σώμα, αντίθετα με το Thorotrast, το οποίο και αντικατέστησε. Εξαιτίας του μεγάλου σχετικώς ατομικού αριθμού (Z = 56) του βαρίου, όλες οι ενώσεις του απορροφούν τις ακτίνες Χ ισχυρότερα από όσο όλες σχεδόν οι ουσίες του ανθρώπινου σώματος.

Χρωστική

Η πλειονότητα του συνθετικώς παραγόμενου BaSO₄ χρησιμοποιείται ως συστατικό λευκής χρωστικής για την παραγωγή βαφών. Στο ελαιόχρωμα το θειικό βάριο είναι σχεδόν διαφανές και χρησιμεύει ως προσθετικό ή για την τροποποίηση της υφής. Ο συνδυασμός του με θειούχο ψευδάργυρο (ZnS) είναι η ανόργανη χρωστική που είναι γνωστή ως lithopone. Στη φωτογραφία το θειικό βάριο χρησιμοποιειται ως επικάλυψη ορισμένων φωτογραφικών χαρτιών.^[3]

Θερμοανακλαστική βαφή

Το θειικό βάριο ανακλά πολύ τόσο το ορατό, όσο και το υπεριώδες φως.^[5] Για τον λόγο αυτόν έχει δοκιμασθεί ως συστατικό σε βαφή που ανακλά το 98,1% όλης της ηλιακής ακτινοβολίας, διατηρώντας έτσι σε χαμηλή θερμοκρασία τις επιφάνειες τις οποίες έχει επικαλύψει. Συγκριτικά, οι εμπορικά διαθέσιμες λευκές βαφές ανακλούν το 80 έως 90% του ηλιακού φωτός.^[6] Με χρήση εξαγωνικών νανοπλακιδίων νιτριδίου του βορίου το πάχος του στρώματος βαφής μειώθηκε σε 1,5 χιλιοστό.^[5]

Λευκαντικό του χαρτιού

Μια λεπτή επίστρωση θειικού βαρίου επενδύει την επιφάνεια των περισσότερων φωτογραφικών χαρτιών προκειμένου να αυξηθεί η ανακλαστικότητα. Το πρώτο τέτοιο χαρτί έγινε διαθέσιμο στη Γερμανία^[7] το 1884. Κατόπιν το στρώμα αυτό επικαλύπτεται με το φωτοευαίσθητο μείγμα αλογονούχου άλατος του αργύρου. Το στρώμα θειικού βαρίου περιορίζει τη διείσδυση του υγρού φωτοευαίσθητου μείγματος στις ίνες του χαρτιού και ισοκατανέμει το μείγμα, με αποτέλεσμα πιο ομοιόμορφη απόδοση του μαύρου.^[8] Το θειικό βάριο έχει χρησιμοποιηθεί και στην αύξηση της ανακλαστικότητας χαρτιών εκτυπώσεως με ink-jet.^[9]

Πρόσθετο πλαστικών

Το θειικό βάριο χρησιμοποιείται ως πρόσθετο (filler) σε πλαστικά προκειμένου να αυξήσει την πυκνότητα του πολυμερούς σε εφαρμογές αποσβέσεως κραδασμών. Στα πλαστικά πολυπροπυλενίου και πολυστυρενίου αναμειγνύεται σε αναλογίες μέχρι και 70%. Αυξάνει την αντοχή σε όξινο και σε αλκαλικό περιβάλλον. Τέτοια σύνθετα χρησιμεύουν επίσης ως υλικά θωρακίσεως έναντι των ακτίνων Χ, εξαιτίας της αυξημένης αδιαφάνειάς τους στις ακτίνες αυτές.^[10] Για κάποιες εξειδικευμένες εφαρμογές προτιμώνται σύνθετα υλικά με περιεκτικότητα κατά μάζα 70 έως 80% σε θειικό βάριο από τις συνήθως χρησιμοποιούμενες χαλύβδινες θωρακίσεις.

Ειδικότερες χρήσεις

• Το θειικό βάριο χρησιμοποιείται στον έλεγχο εδαφών: Οι έλεγχοι του pH του εδάφους και άλλων παραμέτρων γίνονται με χρωματικούς δείκτες, οπότε σωματίδια (συνήθως αργίλου) του εδάφους μπορούν να θολώσουν το δείγμα ελέγχου και να δυσχεράνουν την παρατήρηση του χρώματος του δείκτη. Το θειικό βάριο, προστιθέμενο στο μείγμα, προσδένεται στα σωματίδια αυτά και τα καθιστά βαρύτερα, ώστε καθιζάνουν στον πυθμένα αφήνοντας ένα διαυγέστερο διάλυμα.
• Στη χύτευση μετάλλων το θειικό βάριο, έχοντας υψηλό σημείο τήξεως, χρησιμεύει συχνά ως επένδυση των καλουπιών ώστε να μη προσδένεται το χυτευόμενο μέταλλο στο καλούπι.
• Χρησιμοποιείται επίσης στις επιφάνειες τριβής φρένων, σε αφρούς απορροφήσεως ηχητικών κυμάτων και ως γέμισμα οδοντικών ριζών στην οδοντιατρική.
• Το θειικό βάριο αποτελεί συστατικό των «λαστιχένιων» σφαιρών που χρησιμοποιεί η αστυνομία της Χιλής.^[11] Μαζί με τη σιλικόνη, προσδίδει στη σφαίρα την κατάλληλη σκληρότητα.^[11]
• Στη χημεία το θειικό βάριο χρησιμεύει ως επιφάνεια πάνω στην οποία απλώνεται καταλύτης στην επιλεκτική υδρογόνωση λειτουργικών ομάδων που είναι ευαίσθητες στην υπεραναγωγή. Με μικρό εμβαδόν επιφάνειας, ο χρόνος επαφής του υποστρώματος (αντιδρώντων) με τον καταλύτη είναι μειωμένος και έτσι επιτυγχάνεται η επιλεκτικότητα. Το παλλάδιο πάνω σε θειικό βάριο χρησιμεύει ως καταλύτης στην αναγωγή Rosenmund.
• Επειδή οι ενώσεις του βαρίου εκπέμπουν ένα χαρακτηριστικό πράσινο φως όταν θερμαίνονται σε υψηλές θερμοκρασίες, τα άλατά του χρησιμοποιούνται συχνά σε πυροτεχνήματα. Αν και προτιμώνται τα νιτρικά και χλωρικά άλατα του βαρίου, το θειικό βάριο προστίθεται συχνά στα πυροτεχνήματα που εμφανίζουν ένα ταχύτατο επανειλημμένο «αναβόσβημα».
• Ως άλας με υψηλό σημείο τήξεως και αδιάλυτο στο νερό, το θειικό βάριο χρησιμεύει ως υλικό απελευθερώσεως στις πλάκες-ηλεκτρόδια ανόδου κατά την ηλεκτρολυτική παραγωγή καθαρού χαλκού.

Ασφάλεια

Τα υδατοδιαλυτά άλατα του βαρίου είναι τοξικά για τον ανθρώπινο οργανισμό, αλλά το θειικό βάριο αποτελεί εξαίρεση, επειδή ακριβώς είναι πολύ δυσδιάλυτο στο νερό. Οι περισσότερες περιπτώσεις τυχαίας δηλητηριάσεως με βάριο προκύπτουν από λήψη ευδιάλυτων αλάτων του που πιστεύεται (από λάθος ετικέτα, παρασκευαστικά λάθη κλπ.) ότι είναι BaSO₄. Στη φαρμακευτικό «περιστατικό του Celobar» (Βραζιλία 2003), 9 έως 20 ασθενείς πέθαναν από κακώς παρασκευασμένο μέσο ιατρικής απεικονίσεως. Ως προς την περιβαλλοντική έκθεση σε χώρους εργασίες, έχουν τεθεί στις ΗΠΑ «όριο επιτρεπτής εκθέσεως» 15 mg/m³ (χιλιοστά του γραμμαρίου ανά κυβικό μέτρο) και «συνιστώμενο όριο εκθέσεως» 10 mg/m³. Ως όριο στον εισπνεόμενο αέρα υπάρχει^[12] ένα ενιαίο όριο 5 mg/m³ σε χώρους εργασίας.

Δείτε επίσης

• Βαρύτης

Παραπομπές

1. Holleman, A.F. και Wiberg, E.: Inorganic Chemistry, Academic Press, San Diego 2001, ISBN 0-12-352651-5
2. Chu, Tieh-Chi; Wang, Jeng-long (2000). «Radioactive Disequilihrium of Uranium and Thorium Nuclide Series in Hot Spring and River Water from Peitou Hot Spring Basin in Taipei». Journal of Nuclear and Radiochemical Sciences 1 (1): 5-10. doi:10.14494/jnrs2000.1.5. 
3. Kresse, Robert· Baudis, Ulrich· Jäger, Paul· Riechers, H. Hermann· Wagner, Heinz· Winkler, Jochen· Wolf, Hans Uwe (2007). «Barium and Barium Compounds». Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. doi:10.1002/14356007.a03_325.pub2. ISBN 978-3-527-30673-2. 
4. Fedele, L.; Todesca, R.; Boni, M. (1 February 2003). «Barite-silica mineralization at the inter-Ordovician unconformity in southwestern Sardinia (Italy): a fluid inclusion study». Mineralogy and Petrology 77 (3–4): 197–213. doi:10.1007/s00710-002-0200-9. Bibcode: 2003MinPe..77..197F. 
5. Puiu, Tibi (4 Οκτωβρίου 2022). «World's whitest paint is now thin enough to coat and cool down cars, trains and planes». ZME Science. Ανακτήθηκε στις 12 Οκτωβρίου 2022. 
6. Wiles, Kayla (16 Σεπτεμβρίου 2021). «Purdue record for the whitest paint appears in latest edition of 'Guinness World Records'». www.purdue.edu. Ανακτήθηκε στις 12 Οκτωβρίου 2022. ^{[νεκρός σύνδεσμος]}
7. The Getty Conservation Institute: Silver Gelatin. The Atlas of Analytical Signatures of Photographic Processes, J. Paul Getty Trust, 2013
8. Salvaggio, Nanette L.: Basic Photographic Materials and Processes, Taylor & Francis US, 2008, σελ. 362
9. Nikitas, Theano: «Inkjet papers that will give your photos pizzazz: are you and your clients bored with your photo prints? check out our favorite fine-art and specialty inkjet papers that are sure to make your images stand out», Photo District News, Ιούλιος 2012, σσ. 36 κ.ε.. General Reference Center GOLD.
10. Lopresti, Mattia; Alberto, Gabriele; Cantamessa, Simone; Cantino, Giorgio; Conterosito, Eleonora; Palin, Luca; Milanesio, Marco (28 January 2020). «Light Weight, Easy Formable and Non-Toxic Polymer-Based Composites for Hard X-ray Shielding: A Theoretical and Experimental Study». International Journal of Molecular Sciences 21 (3): 833. doi:10.3390/ijms21030833. PMID 32012889. 
11. «Investigación U. de Chile comprueba que perdigones usados por Carabineros contienen solo 20 por ciento de goma». Universidad de Chile. November 18, 2019. https://www.uchile.cl/noticias/159315/perdigones-usados-por-carabineros-contienen-solo-20-por-ciento-de-goma. Ανακτήθηκε στις June 29, 2020. 
12. «Barium Sulfate». NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards. Centers for Disease Control and Prevention. 4 Απριλίου 2011. Ανακτήθηκε στις 18 Νοεμβρίου 2013.