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(xiàn)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為一種被稱為博洛尼亞石(又名“太陽石”)的礦物而著迷。這種礦石中有細(xì)小的發(fā)光晶體,當(dāng)其暴露于日光下后會(huì)持續(xù)自行發(fā)光,這正是它令那些巫師和煉金術(shù)士著迷的原因。
Ulisse Aldrovandi公布了這一現(xiàn)象,但這太不尋常,以至于當(dāng)伽利略拿著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。通過進(jìn)一步研究,Lagalla發(fā)現(xiàn)持續(xù)發(fā)光的現(xiàn)象主要發(fā)生在經(jīng)過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一書中。
博洛尼亞石的發(fā)光曾被認(rèn)為來源于其主要成分重晶石(BaSO4),但最近發(fā)現(xiàn)其實(shí)是來自于其中的被一價(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(xiàn)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(hào)元素在其它科學(xué)發(fā)現(xiàn)中繼續(xù)發(fā)揮著重要作用;大約50多年后,Marie Curie在鐳鋇的混合物中發(fā)現(xiàn)了其中更重的原子——鐳。1938年,當(dāng)Otto Hahn和Fritz Strassmann在用慢中子轟擊鈾的產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)鋇的時(shí)候,他們與Lise Meitner一起得出了正確的結(jié)論:鈾的原子核裂變了。
金屬鋇極易與空氣和水反應(yīng),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源,如今已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)(2010年產(chǎn)量超過500萬噸)。
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)這一名稱來源于希臘語中的βαρ?ς (barys),意為“沉重的”。
我們?cè)诤芏嗖煌牟牧现卸伎梢哉业街鼐缦嗉堉械陌咨伭希推帷⑺芰虾推囃苛现杏糜谠黾悠交群湍透g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(yī)療。雖然會(huì)引起相當(dāng)?shù)牟贿m,但硫酸鋇確實(shí)可以被從消化系統(tǒng)的上下兩個(gè)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(huì)嚴(yán)重干擾鈣和鉀的代謝反應(yīng),誘發(fā)心律失常和顫抖并導(dǎo)致癱瘓;但硫酸鋇的不溶性能確保它可以被安全地?cái)z入。與硫酸鋇形成對(duì)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(jiān)果可含有多至1%的鋇,此外它還含一些硒(攝入過量也會(huì)中毒),因此食用巴西堅(jiān)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(yàn):將氫氧化鋇和銨鹽(如氯化銨)混合后,它們會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng),并得到液體 (BaCl2和水)和氨氣;與此同時(shí),放在反應(yīng)容器下面的水會(huì)結(jié)冰。
氫氧化鋇作為一種強(qiáng)堿(pKB 值為–2),可用于在有機(jī)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(yīng)生成硫酸鋇來修復(fù)舊壁畫。這一方法發(fā)明于1966年佛羅倫薩的一場洪災(zāi)之后。它被成功地應(yīng)用于14-18世紀(jì)的壁畫的修復(fù),例如修復(fù)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(dāng)與其它氧化物結(jié)合時(shí)它還可以展現(xiàn)出獨(dú)特的色彩。
其他含鋇的氧化物也表現(xiàn)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(biāo)題
發(fā)布在2013年1月24日的《自然-化學(xué)》In Your Element上