الباريوم خصائص العنصر واستخداماته

الوصف

الباريوم هو فلز قلوي ترابي قلوي متعدد الاستخدامات يستخدم بشكل أساسي في التصوير الطبي والألعاب النارية والتنقيب عن النفط، مع تطبيقات مهمة في إنتاج الزجاج والعمليات الصناعية.

مقدمة عن العنصر

الباريوم هو فلز قلوي ترابي قلوي فضي ناعم يبلغ عدده الذري 56 ووزنه الذري 137.33 جم/مول تقريباً. عُرف الباريوم منذ قرون من خلال مركباته الطبيعية، ولم يُعزل الباريوم في صورة نقية إلا مؤخرًا نسبيًا. وتشمل أبرز المصادر الطبيعية للباريوم معادن الباريوم (BaSO₄) والويذريت (BaCO₃). وقد استُخدمت هذه المركبات لأغراض مختلفة لعدة قرون، ولكن العلم الحديث مكّن من استخلاص الباريوم النقي لمجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية والطبية.

ويعد الباريوم معدن تفاعلي للغاية؛ فهو يتفاعل بشكل خاص مع الأكسجين عند تعرضه للهواء، مما يخلق طبقة أكسيد واقية. وهذه الخصائص، إلى جانب ليونة هذا العنصر وانخفاض درجة انصهاره، تجعل منه عنصرًا صعبًا ومثيرًا للاهتمام في التعامل معه. إن حالة أكسدة الباريوم +2 مستقرة، مما يتيح تكوين مركبات مع الأكسجين والكبريت والهالوجينات؛ وهذه المركبات مفيدة في مجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية.

التاريخ والتسمية

يعود تاريخ اكتشاف الباريوم إلى أواخر القرن الثامن عشر. عزل كارل فيلهلم شيله، وهو كيميائي سويدي، الباريوم لأول مرة على شكل كربونات الباريوم من معدن الويذريت في عام 1772. وأطلق همفري ديفي اسم "الباريوم" على هذا العنصر لاحقًا في عام 1808، حيث تمكن من عزل المعدن النقي من خلال التحليل الكهربي لهيدروكسيد الباريوم.

ويأتي أصل تسمية "الباريوم" من الاسم اليوناني "باريوم" الذي يعني "ثقيل"، لأن مركبات هذا العنصر ذات كثافة عالية، كما هو واضح في كبريتات الباريوم. وقد شجعت الثورة الصناعية على استخدام الباريوم بشكل عام خلال القرنين التاسع عشر والعشرين، حيث ازداد الطلب عليه في إنتاج الزجاج والتصوير الطبي.

الخواص الكيميائية

الباريوم تفاعلي للغاية ويوجد بشكل شائع في حالة الأكسدة +2، ويشكل مركبات مستقرة مع الأكسجين والكبريت والهالوجينات. عند تعريضه للهواء، يشكل الباريوم طبقة أكسيد واقية (BaO)، والتي تمنع المزيد من الأكسدة. هذه التفاعلية تجعل الباريوم ومركباته مهمة في مختلف التفاعلات الكيميائية والعمليات الصناعية.

• اختبار اللهب: تشتهر مركبات الباريوم بلهيبها الأخضر اللون المميز عند احتراقها. ثم تُستخدم هذه الخاصية على نطاق واسع في الألعاب النارية لإضفاء لون أخضر على الألعاب النارية والشعلات النارية.
• قابلية الذوبان: إن BaSO₄ غير قابل للذوبان في الماء بدرجة كبيرة، مما يجعله مرشحاً مثالياً للاستخدام كعامل تباين في التصوير الطبي، مثل التصوير بالأشعة السينية والتصوير المقطعي المحوسب.

الخواص الفيزيائية

يمتلك الباريوم بعض الخصائص الفيزيائية المهمة للغاية التي تحدد فائدته في العديد من المجالات:

• الكثافة 3.62 جم/سم مكعب
• درجة الانصهار: 727 درجة مئوية، وهي منخفضة نسبياً بالنسبة لمعدن
• درجة الغليان: 1640 درجة مئوية
• التركيب البلوري: متساوي الأضلاع

تجتمع الليونة ونقطة الانصهار المنخفضة نسبياً لتجعل من الباريوم معدناً قابلاً للطرق في التطبيقات الصناعية؛ ومع ذلك، فإن تفاعليته الكيميائية العالية تتطلب عناية كبيرة في التعامل معه لتجنب الأكسدة غير المرغوب فيها. يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

تطبيقات الباريوم

تمكّن الخصائص الفريدة للباريوم من استخدامه في أكثر الصناعات تنوعًا، مما يمنحه تنوعًا وقيمة كبيرة.

1- التصوير الطبي:

تُعد كبريتات الباريوم أو BaSO₄ عامل تباين يستخدم على نطاق واسع في التصوير بالأشعة السينية والتصوير المقطعي المحوسب لتصوير الجهاز الهضمي. ونظراً لكثافته العالية وخموله الكيميائي، يمكن استخدام كبريتات الباريوم للحصول على صور واضحة ذات تباين عالٍ دون إلحاق ضرر بالمرضى. على سبيل المثال، أثناء اختبار ابتلاع الباريوم، يتم ابتلاع كبريتات الباريوم أثناء اختبار ابتلاع كبريتات الباريوم، والتي تُظهر تشوهات المريء.

تُعد كبريتات الباريوم من أكثر طرق ابتلاع كبريتات الباريوم شيوعاً عند رؤية المعدة والأمعاء. وهي تحجب الأشعة السينية، وهي مفيدة جداً للأطباء في تحديد المشاكل مثل القرح والأورام والانسدادات.

2. مركبات الباريوم:

تدخل مركبات الباريوم، خاصةً نترات الباريوم (Ba(NO₃)₂)، في عملية التصنيع لجعل الألعاب النارية تنتج لهبًا أخضر ساطعًا. ينتج عن احتراق أملاح الباريوم لون أخضر ساطع أصبح مرادفاً لعروض الألعاب النارية الاحتفالية.

يعود اللون الأخضر الشائع في الألعاب النارية في رأس السنة الجديدة وعيد الاستقلال إلى نترات الباريوم.

3- صناعة النفط والغاز:

يعد الباريوم أحد المكونات المهمة لسوائل الحفر في استخراج موارد النفط والغاز. وتوفر مركبات الباريوم عالية الكثافة، وخاصةً كبريتات الباريوم، الوزن المطلوب الذي من شأنه أن يحقق الاستقرار في عملية الحفر لتجنب حدوث انفجارات من خلال تنظيم الضغط.

يُستخدم الباريوم (BaSO₄) في سوائل الحفر لموازنة ضغط البئر أثناء الحفر في أعماق البحار.

4- الزجاج والسيراميك:

تُستخدم مركبات الباريوم في تصنيع الزجاج والسيراميك عالي الجودة، خاصةً تلك التي تتطلب مؤشرات انكسار عالية. وتحسّن إضافة الباريوم من الخصائص البصرية للزجاج، مما يجعله جيداً للاستخدام في التطبيقات المتخصصة مثل العدسات البصرية والكاميرات وعدسات المجهر.

يُستخدم الباريوم في إنتاج أنابيب التلفاز وأجهزة CRT نظرًا لخصائصه البصرية.

5- استخدامات صناعية أخرى:

تشمل استخدامات أملاح الباريوم إنتاج الدهانات والبلاستيك، حيث تُستخدم في الغالب كمواد مالئة أو مثبتات. يُستخدَم أكسيد الباريوم (BaO) في الإلكترونيات والحفز، مما يحسّن أداء الأجهزة والعمليات المتنوعة.

إجراءات التحضير

ينطوي التحضير الصناعي للباريوم على عدة خطوات رئيسية، وأكثرها شيوعًا هو استخلاص كبريتات الباريوم من الباريوم، BaSO₄:

1. استخراج الباريت: يُستخرج الباريت من الرواسب الطبيعية، وغالبًا ما يكون ذلك في دول مثل الصين والهند والولايات المتحدة الأمريكية.

2-التحويل إلى BaCl₂: يتم تحويله إلى كلوريد الباريوم عن طريق معالجة الباريت بالكربون والكلور.

3.التنقية إلى باريوم نقي: يتم بعد ذلك اختزال كلوريد الباريوم الناتج عن التحليل الكهربائي أو اختزال الكربون إلى معدن الباريوم النقي.

الأسئلة المتداولة

ما هو الباريوم؟

الباريوم هو فلز ترابي قلوي رقمه الذري 56، ويشتهر بتعدد استخداماته الكيميائية وتفاعليته العالية واستخداماته الصناعية في الطب والألعاب النارية والحفر.

كيف يُستخدم الباريوم في التصوير الطبي؟

تُستخدم كبريتات الباريوم كعامل تباين في الأشعة السينية والتصوير المقطعي المحوسب لتعزيز وضوح الصور، خاصةً في تصوير الجهاز الهضمي.

ما هي طرق التحضير النموذجية للباريوم؟

ينطوي استخلاص الباريوم من معادن الباريوم على الكثير من المعالجة التي تتضمن التحويل إلى كلوريد الباريوم، وعن طريق التحليل الكهربائي أو اختزال الكربون، إلى معدن الباريوم النقي.

لماذا تنتج مركبات الباريوم لهبًا أخضر اللون في أعمال الحرائق؟

يُنتج الباريوم لونًا أخضر في حرق الألعاب النارية، وتُعد نترات الباريوم أحد أكثر منتجي اللون الأخضر انتشارًا. أثناء عملية الاحتراق، يُثار أيون الباريوم.

ما المنتجات الصناعية التي يُنتجها الباريوم؟

تشمل المنتجات المشتقة من الباريوم كبريتات الباريوم ونترات الباريوم وأكسيد الباريوم وكربونات الباريوم، وتستخدم في تطبيقات تتراوح بين التصوير الطبي والألعاب النارية وتصنيع الزجاج والتنقيب عن النفط.