56 Ba 钡 137.327
碱土金属 s区 第6周期 第2族

钡

Ba · 元素56 · 碱土金属

密度大、反应性强,也是“钡餐”能让消化道在X射线上显影的原因。

20°C时的状态 固态
原子量 137.327 u
电子排布[Xe] 6s²

结构

钡原子

这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

属性表

每个条形图显示钡在全部118种元素中该属性所处的位置。

物理

密度 3.51 g/cm³ 25%
熔点 1000 K 43%
沸点 2170 K 46%
比热容 0.204 J/g·K
热导率 18.4 W/m·K 46%

原子

原子半径 222 pm 78%
共价半径 215 pm
范德华半径 268 pm

电子

电负性 0.89 4%
电离能 502.7 kJ/mol 5%
电子亲和能 14.5 kJ/mol 16%

存在情况

地壳中的丰度 425 mg/kg 88%

身份

符号Ba
原子序数56
原子量137.327 u
类别碱土金属
区s
晶体结构体心立方
氧化态+2
发现1808
发现者Humphry Davy

来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。

尺寸,按比例显示

钡的原子有多大?

半径222 pm——即0.222 nm,因此大约2.25百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。

温度范围

固态、液态、气态——以及转变时机

钡在1170 K的范围内呈液态,温度从1000 K到2170 K。

所在位置

在表中的位置

钡位于第6周期、第2族。 第2族中的所有元素具有相同的最外层电子数,因此它们的性质非常相似。

其他碱土金属

所有碱土金属

背后的故事

钡是什么,以及我们如何发现它

密度大、反应性强,也是“钡餐”能让消化道在X射线上显影的原因。

钡的发现

炼金术士发光的石头

钡的故事始于17世纪初的意大利。当时,博洛尼亚鞋匠兼业余炼金术士Vincenzo Casciarolo在寻找哲人之石时,发现了博洛尼亚附近奇异的重石。这些石头加热后会在黑暗中发出诡异的光。几个世纪以来,这些“博洛尼亚石”(硫化钡)一直令学者着迷,直到人们最终了解其真实本质。

Scheele的化学侦探工作

1774年,瑞典药剂师Carl Wilhelm Scheele在分析软锰矿(二氧化锰)时取得了关键突破。他发现一些样品中含有未知的“重土”,这种物质与硫酸反应会形成白色沉淀,这是钡存在的首个化学证据。

Hope的系统研究

1792年,格拉斯哥大学的苏格兰医生Thomas Charles Hope系统研究了这种神秘物质。他以希腊语中意为“重”的“barys”为词源,将其命名为“baryta”,因为它的密度异常高于其他类似土质的物质。

Davy的电解成就

1808年,杰出的英国化学家Sir Humphry Davy最终利用革命性的电解技术分离出金属钡。他让电流通过熔融氢氧化钡,制得了银色的纯钡金属液滴——不过这些液滴一接触空气就立即燃烧起来!

危险的早期实验

早期的钡研究人员始终面临危险。钡的极端反应性导致了许多实验室火灾和爆炸。Antoine Lavoisier在研究钡化合物时险些烧掉眉毛,其他化学家也因钡与空气中水分发生意外反应而遭受严重烧伤。

工业革命时期的应用

19世纪,钡从实验室中的新奇物质转变为工业主力。随着石油工业发现重晶石在钻井泥浆中的价值,重晶石开采迅速发展。1895年X射线的发明带来了新的医疗应用,而20世纪的电子革命使钛酸钡成为现代电容器不可或缺的材料。

现代认可

如今,钡通过分析化学领域的Scheele奖和皇家学会颁发的Davy奖章向其发现者致敬。从发光的石头到智能手机元件,钡的发展历程体现了人类对物质本身不断深入的认识。

用途

钡的用途

医学成像革命

硫酸钡作为消化系统X射线成像的主要造影剂,改变了医学诊断。其较高的原子序数使其对X射线不透明,医生可以清晰地观察胃、肠道和结肠。全球每年进行超过1000万次钡剂检查,能够发现原本可能无法察觉的癌症、溃疡和消化系统疾病。

先进颜料与涂层

硫酸钡在高性能涂料中用作优质白色颜料和填充剂,具有出色的不透明性、亮度和耐化学性。汽车涂料使用钡化合物来提高耐久性和色彩稳定性,而建筑涂层依靠钡来增强耐候性并防止褪色。

石油与天然气钻探

石油工业每年消耗超过800万吨硫酸钡(重晶石),将其作为钻井泥浆中的加重剂。这种高密度矿物能够提高泥浆密度,以抵消高压油气地层的压力,防止深度达到30000多英尺的钻井作业发生危险井喷。

显示技术

钛酸钡凭借其铁电性质推动了电子技术的发展,使电容器能够在微小空间内储存大量电荷。CRT电视和电脑显示器曾在电子枪和荧光粉涂层中使用钡化合物,而现代智能手机中的陶瓷电容器则含有钛酸钡,用于电源管理。

烟火与信号弹

硝酸钡和氯酸钡能在烟花、信号弹和军事信号装置中产生明亮的绿色火焰。这种独特的绿色纯净而鲜艳,因此钡化合物在专业烟火中不可替代,从奥运会仪式到海上应急信号弹都有应用。

玻璃与陶瓷增强

含氧化钡的光学玻璃具有出色的清晰度和折射性能,可用于相机、望远镜和科学仪器中的精密镜头。含钡的冕牌玻璃具有更优异的光学性能,而陶瓷应用则利用钡来增强介电性能。

医疗程序

如果你曾接受过“钡餐检查”或消化系统X射线检查,那么你就摄入过硫酸钡!这种粉笔状、草莓味的饮料能让医生在X射线下清晰观察你的消化道,从而安全有效地诊断从溃疡到肠梗阻等各种疾病。

汽车工业

你的汽车漆中很可能含有硫酸钡,用于提高耐久性和光泽。刹车片使用钡化合物来保持稳定摩擦,火花塞陶瓷中加入钡以提高耐热性。甚至汽车玻璃中也可能含有钡,以增强光学清晰度。

家庭用品

你家中的高级涂料和底漆含有硫酸钡,可提供更好的覆盖力和持久性。高端化妆品使用硫酸钡作为安全、无毒的填充剂和增白剂,用于粉底和粉饼。

电子产品

你的智能手机、平板电脑和笔记本电脑中都含有用于高效管理电源的钛酸钡电容器。这些微小元件能够精确储存和释放电能,使现代电子设备实现快速充电和稳定运行。

建筑材料

混凝土和建筑材料通常加入硫酸钡,用于医院和核设施的辐射屏蔽。高密度钡混凝土能够在X射线检查期间保护医务人员,并屏蔽核反应堆设施。

摄影与光学

高质量的相机镜头和双筒望远镜使用含钡光学玻璃,以获得更优异的成像质量。氧化钡能够减少色差,为专业摄影和科学仪器提供出色的清晰度。

防伪特征

纸币和重要文件有时会在防伪油墨和纸张中加入钡化合物,通过认证专家使用的特殊检测方法增加伪造难度。

来源

自然存在

地壳中含量为425 mg/kg · 比88%的元素更丰富

丰富的地壳元素

钡是地壳中丰度排名第14的元素,含量为425ppm,比碳或硫更常见。尽管丰度较高,钡由于与氧气和水的极端反应性,在自然界中从不以游离金属形式存在。

主要矿物——重晶石

最重要的钡矿物是重晶石(BaSO₄),在世界各地形成大型矿床。主要重晶石矿山分布在中国、印度、摩洛哥和美国,其中中国年产量超过300万吨,约占全球产量的40%。

毒重石——稀有碳酸盐

毒重石(BaCO₃)会形成美丽的晶簇,但其出现频率远低于重晶石。这些矿物以英国矿物学家William Withering命名,可为需要碳酸盐起始材料的特殊化学应用提供高纯度钡。

沉积富集

海洋环境通过生物过程富集钡,在海底形成沉积型重晶石矿床。深海钻探揭示了富钡层,这些岩层记录了古代海洋条件和生物生产力周期。

地理分布

重要的钡矿床遍布全球:内华达州的Battle Mountain(世界最大的重晶石矿山)、印度的安得拉邦(高品位矿床)、摩洛哥的阿特拉斯山脉(主要储量)以及土耳其的安纳托利亚地区(产量不断增长)。

恒星形成

钡在渐近巨星支星中通过s过程形成,在这一过程中,缓慢的中子俘获会形成重元素。富钡星为研究核合成和数十亿年银河系化学演化提供了天文实验室。

处理

安全

严重毒性警告

有毒:可溶性钡化合物具有极强毒性!氯化钡、硝酸钡和氢氧化钡在低至1-2克的剂量下就可能造成致命中毒。症状包括呕吐、腹泻、肌肉麻痹、心律失常和呼吸衰竭,最终导致死亡。

心血管危险

钡中毒主要影响心血管系统和神经系统。它会阻断细胞膜上的钾通道,引起危险的心律异常、肌肉无力和瘫痪。紧急治疗需要立即补充钾并进行心脏监测。

安全化合物例外

硫酸钡由于在水和生物流体中完全不溶,因此非常安全。它被安全地用于数百万次医学X射线检查,并以原状通过消化系统。然而,绝不能将其与可溶性钡盐混淆,后者会致命。

放射性钡的危害

钡-140和其他放射性同位素会同时带来化学毒性和辐射暴露这两种威胁。这些同位素会像钙一样在骨骼中富集,造成长期辐射损伤并增加患癌风险。

金属钡的反应性

金属钡会在空气中自燃,并与水发生爆炸性反应,产生氢气和腐蚀性氢氧化钡。应在惰性气体或矿物油中储存。金属火灾需要使用专用灭火器——绝不能用水!

紧急处理程序

发生钡中毒时,立即就医至关重要。如果患者意识清醒,可给予活性炭;只有在中毒控制中心指导下才能催吐,并应做好心脏监测和钾治疗的准备。立即联系急救服务——几分钟可能决定生死。

工作场所安全

处理钡化合物的工业工人必须使用全面的呼吸防护、耐化学品手套和护目装备。严格执行卫生规程,暴露后淋浴,并且绝不要在含有钡材料的工作区域进食或饮水。

快速解答

钡:常见问题

钡是什么?

钡(符号Ba)是元素周期表中的第56号元素,属于6周期2族的碱土金属。 密度大、反应性强,也是“钡餐”能让消化道在X射线上显影的原因。 在室温下为固态。

钡的电子排布是什么?

钡的基态电子排布为[Xe] 6s²,共有6个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 18, 8, 2。

钡的熔点和沸点是多少?

钡在1000 K(726.9 °C)熔化,在2170 K(1896.9 °C)沸腾。

钡的原子量是多少?

钡的标准原子量为137.327 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。

钡的密度是多少?

钡的密度为3.51 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此钡块约重3.5倍。

钡的电负性是多少?

钡的鲍林电负性为0.89。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 如此低的数值意味着,它很容易失去最外层电子,形成正离子。

谁发现了钡,是在什么时候?

钡由Humphry Davy于1808年发现。 它以希腊语 barys,“沉重的”命名。

钡在地球上有多常见?

钡约占地壳的425 mg/kg——含量足够高,可以进行规模化开采。