原文作者:Katharina M. Fromm,瑞士弗里堡大學(xué)化學(xué)系
Katharina M. Fromm講述了鋇和鋇礦石是如何從一個(gè)吸引巫師和煉金術(shù)士的神奇發(fā)光物種,到成為現代生活中具有關(guān)鍵作用的各種各樣的化合物的組分。
1602年,鞋匠、煉金術(shù)士Vincenzo Casciarolo為一種被稱(chēng)為博洛尼亞石(又名“太陽(yáng)石”)的礦物而著(zhù)迷。這種礦石中有細小的發(fā)光晶體,當其暴露于日光下后會(huì )持續自行發(fā)光,這正是它令那些巫師和煉金術(shù)士著(zhù)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(zhù)一塊博洛尼亞石向科學(xué)家Giulio Cesare Lagalla展示時(shí),他仍然不相信這是真的。通過(guò)進(jìn)一步研究,Lagalla發(fā)現持續發(fā)光的現象主要發(fā)生在經(jīng)過(guò)煅燒后的博洛尼亞石上,并將之記錄在他發(fā)表于1612年的De Phenomenis in Orbe Lunae一書(shū)中。
博洛尼亞石的發(fā)光曾被認為來(lái)源于其主要成分重晶石(BaSO4),但最近發(fā)現其實(shí)是來(lái)自于其中的被一價(jià)和二價(jià)銅離子所摻雜的硫化鋇。
1774年,瑞典化學(xué)家Scheele在石膏中發(fā)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(guò)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(xué)發(fā)現中繼續發(fā)揮著(zhù)重要作用;大約50多年后,Marie Curie在鐳鋇的混合物中發(fā)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(chǎn)物中發(fā)現鋇的時(shí)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(jīng)神秘的重晶石——鋇及其化合物的主要來(lái)源,如今已實(shí)現大規模生產(chǎn)(2010年產(chǎn)量超過(guò)500萬(wàn)噸)。
這一礦物在石油工業(yè)中作為增重劑用于增加油氣勘探中鉆井液的密度。事實(shí)上,鋇正是因其高密度而得名。鋇(Barium)這一名稱(chēng)來(lái)源于希臘語(yǔ)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(chē)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(huì )引起相當的不適,但硫酸鋇確實(shí)可以被從消化系統的上下兩個(gè)開(kāi)口中引入人體,以作為x射線(xiàn)掃描的造影劑用于檢測腸胃疾病。
盡管鋇離子是有毒的——會(huì )嚴重干擾鈣和鉀的代謝反應,誘發(fā)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(guān)察到鋇的吸收和積累。綠藻甚至需要鋇才能長(cháng)得好,但鋇在綠藻生長(cháng)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(guò)量也會(huì )中毒),因此食用巴西堅果需要注意適度。
另一個(gè)值得注意的鋇化合物是氫氧化鋇。它能用于一個(gè)引人注目的演示實(shí)驗:將氫氧化鋇和銨鹽(如氯化銨)混合后,它們會(huì )發(fā)生強烈的吸熱反應,并得到液體 (BaCl2和水)和氨氣;與此同時(shí),放在反應容器下面的水會(huì )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(lèi)和腈類(lèi);而其納米顆??梢酝ㄟ^(guò)與石膏(硫酸鈣)反應生成硫酸鋇來(lái)修復舊壁畫(huà)。這一方法發(fā)明于1966年佛羅倫薩的一場(chǎng)洪災之后。它被成功地應用于14-18世紀的壁畫(huà)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(huà)。
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(shí)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(shí)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(fā)光特性息息相關(guān),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(fā)布在2013年1月24日的《自然-化學(xué)》In Your Element上