Bari

Bari là một nguyên tố hoá học có ký hiệu là Ba và số hiệu nguyên tử là 56. Đây là nguyên tố thứ năm trong nhóm 2 của bảng tuần hoàn và là một kim loại kiềm thổ mềm, màu trắng bạc. Do có khả năng phản ứng hóa học cao nên bari không thể được tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng nguyên tố tự do.

Các khoáng vật phổ biến nhất của bari trong tự nhiên là barit (bari sulfat, BaSO4) và witherit (bari carbonat, BaCO3), cả hai chất này đều không tan trong nước. Tên bari bắt nguồn từ dẫn xuất giả kim "baryta", từ tiếng Hy Lạp βαρύς (barys), có nghĩa là "nặng". Bari được xác định là một nguyên tố mới vào năm 1774, nhưng không tồn tại phản ứng khử thành kim loại cho đến năm 1808 với sự ra đời của điện phân.

Bari có ít ứng dụng công nghiệp. Trong lịch sử, nó được sử dụng làm chất thu khí cho đèn điện tử chân không. Nó là một thành phần của YBCO (chất siêu dẫn nhiệt độ cao) và gốm điện, đồng thời được thêm vào thép và gang để giảm kích thước của các hạt carbon trong cấu trúc vi mô. Các hợp chất bari được thêm vào pháo hoa để tạo ra màu xanh lục. Bari sulfat được sử dụng như một chất phụ gia không hòa tan trong dung dịch khoan giếng dầu, và ở dạng tinh khiết hơn, làm thuốc cản quang phóng xạ tia X để chụp ảnh đường tiêu hóa của con người. Các hợp chất bari tan có tính độc do sự giải phóng ion bari hòa tan và đã được sử dụng làm thuốc diệt chuột.

Tính chất

Tính chất vật lý 

Bari là một kim loại mềm màu trắng bạc, bóng hơi vàng khi ở trạng thái siêu tinh khiết. Màu trắng bạc của kim loại bari biến mất nhanh chóng khi bị oxy hóa trong không khí tạo một lớp oxide màu xám sậm. Bari có trọng lượng riêng ở mức trung bình và tính dẫn điện tốt. Do bari khó làm sạch nên nhiều tính chất của nguyên tố vẫn chưa được xác định chính xác.

Ở nhiệt độ phòng, bari có cấu trúc lập phương tâm khối với khoảng cách giữa hai nguyên tử bari là 503 picômét, tăng dần khi nóng lên với tốc độ khoảng 1,8/°C. Bari là một kim loại rất mềm với độ cứng là 1,25 trên thang Mohs. Điểm nóng chảy của nó ở mức  nằm giữa nguyên tố nhẹ hơn là stronti () và nguyên tố nặng hơn là radi (); tuy nhiên, điểm sôi ở  cao hơn nhiều so với stronti (). Khối lượng riêng của bari (3,62 g/cm3) cũng nằm giữa nguyên tố stronti (2,36 g/cm3) và radi (≈5 g/cm3).

Tính chất hóa học 
Bari có tính chất hóa học tương tự với magnesi, calci và stronti, cùng với khả năng phản ứng cao hơn rất nhiều. Nguyên tố này gần như luôn có trạng thái oxy hóa là +2 trong các hợp chất. Vì là kim loại có độ dương điện cao nên phản ứng giữa bari với chalcogen tỏa nhiệt mạnh (giải phóng năng lượng). Phản ứng với oxy khí quyển xảy ra trong không khí ở nhiệt độ phòng, do đó bari thường được cất trữ trong dầu hỏa hoặc môi trường khí trơ. Phản ứng với các phi kim khác như carbon, nitơ, phosphor, silic và hydro xảy ra khi đun nóng. Phản ứng với nước và alcohol cũng tỏa nhiệt và giải phóng khí hydro:
↑ (R là gốc hydrocarbon hoặc nguyên tử hydro)

Bari tác dụng với amonia để hình thành electride , sau đó bị phân rã ở gần nhiệt độ phòng thành amide .

Kim loại bari dễ bị acid ăn mòn. Acid sulfuric là một ngoại lệ đáng chú ý do tính thụ động hóa làm phản ứng ngừng lại bằng cách tạo thành bari sulfat không tan trên bề mặt. Bari kết hợp với một số kim loại khác như nhôm, kẽm, chì và thiếc tạo thành các pha kim loại trung gian và hợp kim.

Hợp chất 

Muối bari thường có màu trắng ở thể rắn và không màu khi bị phân hủy. Chúng có khối lượng riêng lớn hơn các muối stronti và calci tương ứng (xem bảng; khối lượng của muối kẽm được cho thêm với mục đích so sánh).

Bari hydroxide ("baryta") là một chất được biết đến trong giới giả kim thuật và được sản xuất bằng cách đun nóng bari carbonat. Khác với calci hydroxide, bari hydroxide hấp thụ rất ít CO2 trong dung dịch nước và do đó ít nhạy cảm với điều kiện môi trường thay đổi. Tính chất này được ứng dụng trong việc kiểm định thiết bị đo độ pH.

Các hợp chất bari cháy với ngọn lửa màu xanh lục hoặc lục nhạt. Màu của ngọn lửa bắt nguồn từ các vạch quang phổ tại bước sóng 455,4, 493,4, 553,6 và 611,1 nm.

Nhóm hợp chất hữu cơ của bari là một nhóm hợp chất đang tiếp tục được nghiên cứu; một số hợp chất diankylbari cũng như ankylhalobari đã được phát hiện gần đây.

Đồng vị 

Dữ liệu hạt nhân được lấy từ nguồn tài liệu tiêu chuẩn sau (nếu không nói gì thêm):
Bari trên vỏ Trái Đất là hỗn hợp của bảy nuclide nguyên thủy, gồm bari-130, 132 và từ 134 đến 138. Bari-130 trải qua quá trình phóng xạ rất chậm thành xenon-130 qua phân rã beta cộng kép với chu kỳ bán rã khoảng (0,5–2,7)×1021 năm (gấp khoảng 1011 lần tuổi của vũ trụ). Độ phong phú của bari-130 là khoảng 0,11% lượng bari trong tự nhiên. Về mặt lý thuyết bari-132 cũng có thể phân rã beta cộng kép thành xenon-132, nhưng các bằng chứng thực nghiệm chưa ghi nhận hiện tượng này.

Trong số các đồng vị ổn định, bari-138 chiếm 71,7% tổng lượng bari; các đồng vị còn lại có độ phong phú giảm dần theo số khối giảm dần (ngoại trừ 130Ba khả năng có độ phong phú lớn hơn 132Ba).

Tổng cộng, bari có 41 đồng vị đã biết với số khối từ 114 đến 154. Đồng vị phóng xạ tổng hợp ổn định nhất là bari-133 với chu kỳ bán rã 10,538 năm. Năm đồng vị khác có chu kỳ bán rã dài hơn một ngày. Hai đồng phân có thời gian sống lâu nhất là 133mBa (38,90 giờ) và 135m1Ba (28,11 giờ). Một đồng phân khác là 137m1Ba (chu kỳ bán rã 2,552 phút) xuất hiện trong chuỗi phân rã của sản phẩm phân hạch phổ biến caesi-137.

Lịch sử 

Các nhà giả kim thuật thời Trung Cổ đã biết đến một số loại khoáng vật bari. Một vài viên đá khoáng vật barit giống như đá cuội trơn nhẵn đã được tìm thấy trong đá núi lửa gần Bologna, Ý, và do đó được gọi là "đá Bologna". Chúng đã được các nhà giả kim thuật chú ý vì sau khi tiếp xúc với nguồn sáng, chúng có thể phát sáng trong nhiều năm. Tính chất lân quang của barit đun nóng với các chất hữu cơ được V. Casciorolus mô tả vào năm 1602.

Carl Scheele xác định được barit chứa một nguyên tố mới vào năm 1774, nhưng không phân lập được bari mà chỉ được bari oxide. Cũng trong thế kỷ 18, nhà khoáng vật học người Anh William Withering quan sát được một khoáng vật nặng trong các mỏ chì ở Cumberland, mà hiện nay được đặt tên là witherit. Bari được Sir Humphry Davy phân lập thành công tại Anh vào năm 1808 qua điện phân muối bari nóng chảy. Dựa trên tính chất hóa học tương đồng với calci, Davy đặt tên nguyên tố là "barium" theo tên barit, trong đó hậu tố "-ium" chỉ nguyên tố kim loại. Robert Bunsen và Augustus Matthiessen thu được bari tinh khiết bằng cách điện phân nóng chảy hỗn hợp bari chloride và amoni chloride.

Việc sản xuất oxy tinh khiết bằng quá trình Brin vào thập niên 1880 đã sử dụng một lượng lớn bari peroxide, trước khi quá trình này bị thay thế bằng điện phân và chưng cất phân đoạn không khí lỏng vào những năm 1900. Trong quá trình này bari oxide phản ứng với không khí ở  tạo ra bari peroxide, sau đó bị phân hủy ở nhiệt độ trên  giải phóng khí oxy:

Bari sulfat lần đầu tiên được ứng dụng làm thuốc cản quang phóng xạ trong ảnh chụp y khoa bằng tia X của hệ tiêu hóa người vào năm 1908.

Phân bố và sản xuất 
Bari chiếm 0,0425% trong vỏ Trái Đất và 13 µg/L trong nước biển. Nguồn sản xuất bari chủ yếu trong thương mại là baryt, một khoáng vật chứa bari sulfat với các mỏ khai thác trải dài khắp thế giới. Nguồn nguyên liệu thương mại thứ hai (ít quan trọng hơn barit) là witherit có chứa bari carbonat với các mỏ khai thác chính nằm ở Anh, România và Liên Xô cũ.

Lượng dự trữ barit trên toàn cầu ước tính khoảng từ 0,7 đến 2 tỷ tấn. Sản lượng barit từng đạt đỉnh vào năm 1981 với 8,3 triệu tấn, nhưng chỉ có 7–8% trong số đó được sử dụng để điều chế kim loại bari hoặc hợp chất. Sản xuất barit bắt đầu tăng trưởng nhanh kể từ nửa sau thập niên 1990, với sản lượng tăng lên từ 4,4 triệu tấn (1996) lên 7,6 triệu tấn (2005), đến năm 2011 là 7,8 triệu tấn và năm 2019 là 8,87 triệu tấn. Tổng sản lượng barit năm 2024 ước tính là 8,2 triệu tấn, trong đó Ấn Độ chiếm nhiều nhất (2,6 triệu tấn), tiếp theo là Trung Quốc (2,1 triệu tấn), Maroc (1 triệu tấn) và Kazakhstan (650 nghìn tấn).

Quặng sau khi khai thác sẽ được làm sạch, nghiền vỡ, phân loại và tách ra khỏi thạch anh. Nếu thạch anh lọt vào quá sâu bên trong quặng, kỹ thuật tuyển nổi sẽ được áp dụng. Sản phẩm thu được là barit tinh khiết 98% (theo khối lượng); độ tinh khiết phải đạt ít nhất 95% với một lượng nhỏ sắt và silic dioxide. Sản phẩm này sau đó được carbon khử về bari sulfide:
↑

Bari sulfide (một chất tan trong nước) là điểm khởi đầu để điều chế các hợp chất khác: phản ứng của BaS với oxy tạo muối sulfat, với acid nitric tạo muối nitrat, với carbon dioxide tạo muối carbonat,... Muối nitrat có thể bị nhiệt phân để tạo thành oxide. Kim loại bari được sản xuất qua phản ứng khử với nhôm ở 1.100 °C (2.010 °F). Hợp chất kim loại trung gian BaAl4 được điều chế trước tiên:

Phần bari oxide còn lại tác dụng với nhôm oxide vừa hình thành:

và toàn bộ quá trình trên đây được đưa về phương trình

Chú ý rằng chỉ có một phần bari trải qua phản ứng khử.

Bari dạng hơi được cô đặc và đóng lại thành khuôn trong môi trường argon. Phương pháp này được sử dụng phổ biến trong thương mại, tạo ra bari siêu tinh khiết. Loại bari thường bán trên thị trường có độ tinh khiết khoảng 99% với các tạp chất chủ yếu gồm stronti và calci (tối đa 0,8% và 0,25%) cùng dưới 0,1% các chất khác.

Phản ứng tương tự với silic ở  sinh ra bari và bari metasilicat. Kỹ thuật điện phân không được áp dụng do bari dễ bị phân hủy trong muối halide nóng chảy và sản phẩm thu được có độ tinh khiết thấp hơn.

Đá quý 

Một khoáng vật chứa bari khác là benitoit (bari titani silicat), tồn tại dưới dạng đá quý huỳnh quang màu lam rất hiếm và được chọn làm đá quý biểu trưng của bang California, Mỹ, từ ngày 1 tháng 10 năm 1985.

Ứng dụng

Kim loại và hợp kim 
Dưới dạng kim loại hoặc hợp kim với nhôm, bari được sử dụng làm chất thu khí loại bỏ khí không mong muốn trong các ống chân không, chẳng hạn như đèn hình màu tivi. Nguyên nhân chính là do nguyên tố có áp suất hơi thấp và khả năng phản ứng cao với oxy, nitơ, carbon dioxide và nước; bari còn có thể làm loại đi một phần khí hiếm bằng cách phân hủy chúng trên mạng tinh thể. Ứng dụng này hiện đang dần biến mất với sự ra đời của các loại tivi màn hình LCD và màn hình plasma không có ống chân không.

Một ứng dụng ít phổ biến khác của nguyên tố bari là làm chất phụ gia để tinh chỉnh cấu trúc cho hợp kim nhôm–silic. Một số ứng dụng khác nữa bao gồm:

 hợp kim làm ổ trục;
 hợp kim hàn chì–thiếc để tăng khả năng chống rão;
 hợp kim với nickel dùng cho bugi đánh lửa;
 chất thêm vào gang, thép dưới dạng chất tạo mầm;
 hợp kim với calci, mangan, silic và nhôm làm chất chống oxy hóa đối với thép chất lượng cao.

Bari sulfat và barit 

Bari sulfat (khoáng vật barit, BaSO4) là một chất quan trọng trong công nghiệp xăng dầu do được dùng làm dung dịch khoan trong giếng dầu. Phần kết tủa của hợp chất (gọi là "blanc fixe", từ tiếng Pháp có nghĩa là "trắng vĩnh cửu") được sử dụng làm sơn và vecni; làm chất đệm trong mực kết vòng, nhựa dẻo và cao su; làm chất màu trong tráng phủ giấy; và dùng trong hạt nano để biến đổi tính chất vật lý của một số polyme, ví dụ như nhựa epoxy.

Bari sulfat có độc tính thấp và khối lượng riêng tương đối lớn, khoảng 4,5 g/cm3 (và do đó có tính chắn sáng các tia X). Vì vậy, hợp chất này được sử dụng làm thuốc cản quang phóng xạ trong chụp X-quang hệ tiêu hóa người. Lithopone, một chất màu chứa bari sulfat và kẽm sulfide, có màu trắng vĩnh cửu với sức che phủ tốt cùng khả năng không bị tối màu khi tiếp xúc với muối sulfide.

Các hợp chất bari khác 

Các hợp chất khác của bari chỉ có một số ứng dụng hạn chế do ion Ba2+ có độc tính cao (bari carbonat là chất độc đối với chuột).

 Lớp bari oxide ở điện cực của đèn huỳnh quang giúp các electron dễ phát ra hơn.
 Bari carbonat được sử dụng trong sản xuất thủy tinh. Vì là nguyên tố nặng, bari làm tăng chiết suất và độ sáng của thủy tinh. Hợp chất này cũng được dùng để làm giảm rò rỉ tia X từ tivi CRT.
 Bari (thường dưới dạng bari nitrat) làm cho pháo hoa có màu vàng hoặc màu xanh lục táo trong môi trường không chứa chlor.
 Bari peroxide có thể dùng làm chất xúc tác để bắt đầu phản ứng nhiệt nhôm trong hàn thanh ray. Hợp chất cũng có trong đạn pháo hiệu màu xanh lục và được dùng làm chất tẩy màu.
 Bari titanat là một loại gốm điện tiềm năng.
 Bari fluoride có ứng dụng làm vật liệu quang phổ hồng ngoại do cự ly truyền ở mức rộng, khoảng 0,15 đến 12 micromet.
 YBCO là chất siêu dẫn nhiệt độ cao đầu tiên có thể được làm lạnh bằng nitơ lỏng, do nhiệt độ chuyển tiếp ở mức  lớn hơn điểm sôi của nitơ ().

Độc tính 

Nhóm hợp chất bari tan có  gần 10 mg/kg (đường miệng, ở chuột) với triệu chứng bao gồm co giật, liệt hệ thần kinh ngoại biên và viêm đường dạ dày ruột nặng. Sulfat không tan không có độc tính và không được phân loại là vật liệu nguy hiểm trong quản lý vận tải.

Có ít thông tin được biết về tác động lâu dài từ việc phơi nhiễm bari. Cục Bảo vệ Môi sinh Hoa Kỳ đánh giá bari khó có khả năng gây ung thư khi được tiêu thụ bằng đường miệng. Bụi chứa hợp chất bari không tan khi hít vào có thể tích tụ trong phổi, gây ra một căn bệnh lành tính có tên là baritosis.

Bari carbonat từng được dùng làm thuốc diệt chuột. Loại thuốc này hiện đã bị xem là lỗi thời nhưng có thể vẫn còn một số nước sử dụng.

Tham khảo

Liên kết ngoài 

 
 
 Barium tại The Periodic Table of Videos (Đại học Nottingham)
 Elementymology & Elements Multidict
 3-D Holographic Display Using Strontium Barium Niobate

Kim loại kiềm thổ
Độc chất học
Bari
Từ gốc Pháp