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56. Barium (Ba) - Der grüne Feuerwerks-König · Das Periodensystem der Elemente

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Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
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Podcastreihen wie Wissensreise durch die Uhrzeit oder
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Wissensreise durch die Länder der Erde?
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Heute widmen wir uns einem Element, das die Nachthimmel der
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Welt in sattes Grün taucht, das Ärztinnen und Ärzten einen Blick
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in den menschlichen Verdauungstrakt ermöglicht.
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Und das ganz nebenbei an einer der folgenreichsten Entdeckungen
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der Physikgeschichte beteiligt war.
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Lehn dich zurück, schließ die Augen und lass dich mitnehmen in
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die Welt von Barium, dem grünen feuerwerkskönig Barium trägt im
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Periodensystem das Symbol BA und die Ordnungszahl 56.
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Es gehört zur Gruppe der Erd Alkalimetalle, gemeinsam mit
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Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium und dem radioaktiven
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Radium erd Alkalimetalle besitzen 2 Elektronen in ihrer
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äußersten Schale, die sie bereitwillig abgeben, weshalb
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sie chemisch sehr reaktionsfreudig sind, wenn auch
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nicht ganz so extrem wie die benachbarten Alkalimetalle.
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Innerhalb dieser Gruppe nimmt die Reaktionsfreudigkeit mit
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zunehmender Ordnungszahl zu. Und Bariumdi zählt damit
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abgesehen vom radioaktiven Radium zum Reaktionsfreudigsten
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stabilen Vertreter seiner Gruppe.
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Der Name Barium leitet sich vom griechischen Wort Barys ab, was
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so viel wie schwer bedeutet. Diese Namensgebung geht auf die
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außergewöhnlich hohe Dichte des Minerals Schwerspat zurück, das
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chemisch aus Bariumsulfat besteht und bereits im 17
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Jahrhundert Alchemistinnen und Alchemisten.
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Sowie frühen Chemikern aufgrund seines für ein nicht
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metallisches Mineral ungewöhnlich hohen Gewichts
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auffiel. Entdeckt im chemischen Sinne
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wurde Barium jedoch erst deutlich später im Jahr 1774
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gelang es dem schwedischen Apotheker und Chemiker Karl
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Wilhelm Scheele, in Schwerspat ein neues, bis dahin unbekanntes
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Oxid nachzuweisen, das er Baryt nannte.
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Schele, der zu den produktivsten Elemententdeckern seiner Zeit
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zählte und unter anderem auch an der Entdeckung von Sauerstoff
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maßgeblich beteiligt war, konnte das enthaltene Metall selbst
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jedoch nicht isolieren, da Barium in reiner Form äußerst
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reaktionsfreudig ist und sich einer einfachen chemischen
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Reduktion entzieht. Erst 34 Jahre später, im Jahr
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1808, gelang dem britischen Chemiker Humphrey Davy die
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erstmalige Isolierung von metallischem Barium.
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Davy nutzte dafür die damals noch junge Technik der
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Elektrolyse, bei der eine geschmolzene oder gelöste
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chemische Verbindung mit Hilfe von elektrischem Strom in ihre
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Bestandteile zerlegt wird. Durch die Elektrolyse einer
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Bariumhydroxidschmelze gelang es ihm, reines metallisches Barium
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an einer Elektrode abzuscheiden, dieselbe Methode, mit der er im
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selben Zeitraum auch die verwandten Elemente Calcium,
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Strontium und Magnesium erstmals in reiner Form gewinnen konnte.
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Davy zählt damit zu den Chemikern, die allein durch die
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Anwendung der Elektrolyse mehrere neue Elemente auf einen
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Schlag der wissenschaftlichen Welt zugänglich machten.
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Chemisch und physikalisch ist Barium ein weiches, silbrig
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weißes Metall, das an der Luft rasch anläuft und sich mit einer
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dünnen Oxidschicht überzieht, ähnlich wie es auch bei anderen
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reaktionsfreudigen Metallen der Fall ist.
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Mit Wasser reagiert Barium heftig unter Bildung von
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Bariumhydroxid und Wasserstoffgas, wenn auch nicht
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ganz so explosionsartig wie die Alkalimetalle der benachbarten
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Gruppe. Aus diesem Grund muss reines
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Barium ebenfalls unter Schutzgas oder in Mineralöl gelagert
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werden, um eine unkontrollierte Reaktion mit der Umgebungsluft
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oder mit Feuchtigkeit zu verhindern, in Reiner
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metallischer Form findet Barium aufgrund dieser
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Reaktionsfreudigkeit nur sehr eingeschränkte praktische
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Anwendung. Seine wahre technische und
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wissenschaftliche Bedeutung entfaltet das Element vor allem
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in Form seiner Verbindungen. Beginnen wir mit jener
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Anwendung, die Barium seinen Beinamen als grüner
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Feuerwerkskönig eingebracht hat, werden bestimmte
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Bariumverbindungen, insbesondere Bariumnitrat oder Bariumchlorid,
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in einer pyrotechnischen Mischung verbrannt, entsteht
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eine charakteristische, Sattgrüne Flammenfärbung.
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Dieser Effekt beruht auf einem quantenphysikalischen
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Grundprinzip. Durch die Hitze der Verbrennung
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werden Elektronen in der Elektronenhülle der Bariumatome
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kurzzeitig auf ein höheres Energieniveau angehoben, fallen
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diese Elektronen anschließend wieder in ihren ursprünglichen
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energieärmeren Zustand zurück, wird die Energiedifferenz in
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Form von Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge
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abgestrahlt. Bei Barium liegt diese
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charakteristische Emission überwiegend im grünen Bereich
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des sichtbaren Spektrums. Bei einer Wellenlänge von etwa
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524 Nanometern, verursacht insbesondere durch das
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kurzzeitig entstehende Molekül Barium, Monochlorid,
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Pyrotechnikerinnen und Pyrotechniker nutzen dieses
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Prinzip gezielt, um in Feuerwerkskörpern satte,
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leuchtend grüne Farbeffekte zu erzeugen, eine Farbe.
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Die sich mit anderen Metallsalzen kaum in
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vergleichbarer Reinheit und Intensität erzeugen lässt.
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Zum Vergleich erzeugt Strontium ein tiefes rot, Natrium, ein
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intensives gelb, Kupfer ein charakteristisches Blau oder
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türkis und die gezielte Kombination dieser
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unterschiedlichen Metallsalze ermöglicht die bunte Vielfalt,
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die wir von modernen Feuerwerken kennen.
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Eine der bedeutendsten industriellen Anwendungen von
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Barium liegt jedoch nicht in der Pyrotechnik, sondern in einem
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deutlich unspektakuläreren, aber wirtschaftlich enorm wichtigen
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Bereich, der Erdöl und Erdgasförderung.
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Das Mineral Schwerspat, also Bariumsulfat, wird aufgrund
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seiner hohen Dichte in gemahlener Form als sogenanntes
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Beschwerungsmittel in Bohrspülungen eingesetzt, das.
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Bei Tiefbohrungen muss der enorme Druck, der in tiefen
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Gesteinsschichten herrscht, durch eine ausreichend dichte
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Spülflüssigkeit ausgeglichen werden, um ein unkontrolliertes
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Aufsteigen von Öl, Gas oder Wasser während des Bohrvorgangs
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zu verhindern. Schwerspat eignet sich hierfür
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besonders gut, da es chemisch weitgehend inert und in Wasser
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praktisch unlöslich ist, wodurch es die Bohrspülung beschweren
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kann, ohne selbst unerwünschte chemische Reaktionen einzugehen.
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Schätzungsweise mehr als 3 Viertel der weltweiten
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Schwerspertförderung fließen in diesen Anwendungsbereich, was
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ihn zur mit Abstand bedeutendsten wirtschaftlichen
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Nutzung von Barium überhaupt macht.
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Eben jene chemische Unlöslichkeit von Bariumsulfat
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ist auch der Grund für eine weitere sehr bekannte Anwendung,
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den Einsatz als Kontrastmittel in der medizinischen
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Röntgendiagnostik. Bariumsulfat ist für
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Röntgenstrahlung nahezu undurchlässig, wodurch es auf
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Röntgenaufnahmen deutlich heller erscheint als umliegendes
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Gewebe. Bei der sogenannten
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Bariumbreiuntersuchung wird eine Suspension aus fein gemahlenem
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Bariumsulfat oral eingenommen oder Rektal verabreicht, um den
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Verlauf und die Beschaffenheit des Verdauungstrakts,
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insbesondere der Speiseröhre, des Magens und des Darms auf
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Röntgenbildern präzise sichtbar zu machen.
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Diese Untersuchungsmethode wird zwar in den letzten Jahrzehnten
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zunehmend durch modernere bildgebende Verfahren wie die
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Computertomographie oder die Endoskopie ergänzt oder ersetzt,
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bleibt jedoch in bestimmten klinischen Fragestellungen
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weiterhin ein wertvolles diagnostisches Werkzeug.
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Entscheidend für die Sicherheit dieser Untersuchung ist, dass
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ausschließlich das nahezu unlösliche Bariumsulfat
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verwendet wird. Andere wasserlösliche
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Bariumverbindungen wie Bariumchlorid oder
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Bariumcarbonat sind hingegen für den menschlichen Körper
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hochgiftig, da lösliche Barium Ionen im Körper mit Kalium Ionen
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konkurrieren und dadurch schwere Störungen der Muskel und
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Nervenfunktion sowie potentiell tödliche Herzrhythmusstörungen
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auslösen können. Genau diese Giftigkeit macht
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sich der Mensch an anderer Stelle gezielt zu nutze.
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Bariumcarbonat wird traditionell als Bestandteil von Rattengift
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eingesetzt, da es für Nagetiere Hochtoxisch, für den Menschen
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bei sachgemäßer Handhabung jedoch beherrschbar ist.
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Damit kommen wir zu jenem Kapitel der Bariumgeschichte,
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das zugleich eines der folgenreichsten Kapitel der
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gesamten modernen Physik darstellt.
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Die Entdeckung der Kernspaltung. Im Dezember 1938 führten die
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deutschen Chemiker Otto Hahn und Fritz Strassmann in Berlin
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Experimente durch, bei denen sie Uran mit Neutronen beschossen.
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In der Erwartung, dabei neue, schwerere sogenannte
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Transuranelemente zu erzeugen, wie es zuvor bereits die
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italienische Forschungsgruppe um Enrico Fermi vermutet hatte.
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Zu ihrer großen Überraschung wiesen Hahn und Strassmann
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jedoch in den Reaktionsprodukten eindeutig das Element Barium
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nach. Ein Element, das nur etwa halb
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so schwer ist wie Uran. Dieses Ergebnis widersprach
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zunächst allen gängigen physikalischen Erwartungen, denn
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nach dem damaligen Verständnis konnte ein derart schwerer
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Atomkern wie Uran durch den Beschuss mit einem einzelnen,
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vergleichsweise leichten Neutron unmöglich in 2 annähernd gleich
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große Bruchstücke zerfallen. Otto Hahn, der sich der
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revolutionären Tragweite seines Befundes zunächst nicht sicher
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war. Schrieb noch am selben Tag einen
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Brief an seine langjährige Kollegin und Mitarbeiterin Liese
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Meitner, die aufgrund ihrer jüdischen Herkunft kurz zuvor
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aus Nazi Deutschland nach Schweden hatte fliehen müssen
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und daher nicht mehr direkt an den Experimenten in Berlin
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beteiligt war. Meitner besprach den
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überraschenden Befund gemeinsam mit ihrem Neffen, dem Physiker
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Otto Frisch, während eines gemeinsamen
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Weihnachtsspaziergangs im schwedischen Kungelf.
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Gemeinsam entwickelten die beiden die entscheidende
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theoretische Erklärung. Der Urankern hatte sich unter
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dem Einfluss des einfallenden Neutrons tatsächlich in 2
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kleinere Atomkerne gespalten, darunter Barium, wobei gewaltige
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Mengen an Energie freigesetzt wurden, exakt in Übereinstimmung
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mit Albert Einsteins berühmter Formel zur Äquivalenz von Masse
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und Energie. Meitner und frisch prägten für
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dieses Phänomen den Begriff der Kernspaltung.
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Auf Englisch Nuclear Fishion und veröffentlichten ihre Erklärung
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nur wenige Wochen später in der Fachzeitschrift Nature.
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Die Entdeckung, dass ausgerechnet der Nachweis von
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Barium den entscheidenden experimentellen Hinweis auf die
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Kernspaltung lieferte, markiert damit den Beginn des
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Kernzeitalters mit all seinen weitreichenden Folgen für
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Energieerzeugung, Forschung, aber auch für die Entwicklung
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von Kernwaffen. Otto Hahn erhielt für diese
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Entdeckung im Jahr 1944 den Nobelpreis für Chemie.
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Während die maßgeblich an der theoretischen Deutung beteiligte
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Liese Meitner, deren Beitrag von vielen Historikerinnen und
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Historikern der Wissenschaft heute als ebenso entscheidend
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gewertet wird, zu Lebzeiten nie mit dem Nobelpreis ausgezeichnet
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wurde. Ein bis heute viel diskutiertes
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Kapitel der Wissenschaftsgeschichte.
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Neben diesem historischen Meilenstein besitzt Barium auch
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in der modernen Materialwissenschaft und
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Elektrotechnik bedeutende Anwendungen.
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Barium titanat, eine Verbindung aus Barium, Titan und
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Sauerstoff, zählt zu den bekanntesten sogenannten
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ferroelektrischen Materialien. Ferroelektrische Stoffe besitzen
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die bemerkenswerte Eigenschaft, auch ohne ein anliegendes
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äußeres elektrisches Feld eine permanente elektrische
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Polarisation aufrechtzuerhalten, die sich zudem durch ein äußeres
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Feld gezielt umkehren lässt. Ähnlich wie sich bei
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ferromagnetischen Materialien die magnetische Ausrichtung
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beeinflussen lässt. Diese Eigenschaft macht
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Bariumtitanat zu einem wichtigen Werkstoff für keramische
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Kondensatoren. Wie sie in praktisch jedem
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modernen elektronischen Gerät in großer Zahl verbaut sind sowie
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für piezoelektrische Bauteile, die mechanischen Druck in
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elektrische Spannung umwandeln können und umgekehrt etwa in
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Ultraschallsensoren, Mikrofonen oder bestimmten
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Lautsprechertypen. Auch in der Glasindustrie findet
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Barium in Form von Bariumoxid Verwendung, der Zusatz von
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Bariumoxid zu Glasschmelzen erhöht den Brechungsindex des
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Glases, ohne dabei dessen Transparenz zu beeinträchtigen.
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Eine Eigenschaft, die insbesondere bei der Herstellung
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hochwertiger optischer Linsen etwa für Kameras, Ferngläser
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oder wissenschaftliche Instrumente geschätzt wird.
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Über Jahrzehnte hinweg wurde bariumhaltiges Glas zudem in der
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Herstellung von Bildröhren für klassische Röhrenfernseher
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eingesetzt. Da es zuverlässig
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hochenergetische Röntgenstrahlung abschirmte, die
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bei der Beschleunigung von Elektronen innerhalb der Röhre
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als unerwünschtes Nebenprodukt entstand und dadurch die
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Nutzerinnen und Nutzer vor Strahlenbelastung schützte.
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Mit dem weitgehenden Verschwinden der
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Röhrentechnologie zugunsten von Flachbildschirmen ist diese
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spezielle Anwendung heute jedoch weitgehend Geschichte.
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Auch als weißes Pigment findet Bariumsulfat unter der
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Bezeichnung Blanc fixe. In der Farben und Lackindustrie
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sowie in der Papierherstellung. Breite Verwendung aufgrund
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seiner chemischen Reaktionsträgheit, seiner hohen
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Lichtechtheit und seiner feinen, gut kontrollierbaren
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Partikelgröße dient es dabei häufig als sogenannter
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Füllstoff, der die Deckkraft, die Oberflächenglätte und die
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Druckqualität von Papier sowie die Farbtiefe und Beständigkeit
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von Lacken und Beschichtungen verbessert, ohne selbst zur
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eigentlichen Farbwirkung beizutragen.
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In der Natur kommt Varium relativ häufig vor.
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Es zählt mit einem Anteil von etwa 0,04% an der Erdkruste zu
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den vierzehnt häufigsten Elementen überhaupt, was es
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deutlich häufiger macht als etwa Blei oder Zinn.
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Trotz dieser vergleichsweise hohen natürlichen Häufigkeit
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kommt Varium jedoch wie viele andere Erdalkalimetalle auch,
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niemals in reiner metallischer Form vor.
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Sondern ausschließlich gebunden in Mineralien, vor allem im
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bereits erwähnten Schwerstbad sowie im selteneren Witheret,
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einem bariumcarbonat Mineral. Bedeutende Vorkommen finden sich
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unter anderem in China, das heute den weltweit größten
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Anteil der Barium Förderung stellt, sowie in Indien, Marokko
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und den Vereinigten Staaten. Barium besitzt insgesamt 7
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natürlich vorkommende stabile Isotope.
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Eine für ein Element dieser Größenordnung bemerkenswert hohe
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Zahl, die es geowissenschaftlerinnen und
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Geowissenschaftlern ermöglicht, anhand bestimmter
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Isotopenverhältnisse Rückschlüsse auf geochemische
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Prozesse und Kreisläufe zu ziehen, etwa im Zusammenhang mit
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der Untersuchung mariner Sedimente und der Rekonstruktion
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vergangener Meeresströmungen und Klimabedingungen.
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Radioaktive Bariumisotope wiederum, insbesondere jenes
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Barium 140, das Otto Hahn und Fritz Strassmann 1938
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nachwiesen, entstehen als kurzlebige Zwischenprodukte bei
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der Kernspaltung von Uran und zerfallen innerhalb weniger Tage
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weiter zu anderen Elementen. Ein Prozess, der bis heute in
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jedem Kernreaktor der Welt kontinuierlich abläuft.
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Auch in der Astronomie hat sich der Name Barium in einer eigenen
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Sternenklasse verewigt. Sogenannte Bariumsterne sind
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Riesensterne, in deren Spektrum astronominnen und Astronomen
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ungewöhnlich starke Bariumlinien nachweisen konnten, deutlich
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stärker als es der normalen chemischen Zusammensetzung eines
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Sterns dieser Art entsprechen würde.
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Die Erklärung für dieses Phänomen liegt nicht etwa in
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einer besonderen Eigenproduktion von Barium im jeweiligen Stern
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selbst, sondern in seiner Vergangenheit als Teil eines
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Doppelsternsystems in der Frühphase eines solchen Systems
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durchlief der heute unsichtbare, kompaktere Begleitstern meist
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ein sogenannter Weißer Zwerg, bereits sein Endstadium als
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roter Riese und produzierte dabei über den sogenannten
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Essprozess erhebliche Mengen schwerer Elemente wie Barium in
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seinen äußeren Schichten. Ein erheblicher Teil dieses
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angereicherten Materials wurde anschließend auf den heute
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beobachtbaren Begleitstern übertragen, der dadurch bis
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heute die charakteristische bariumreiche chemische Signatur
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seines einstigen Partners in sich trägt.
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Gewissermaßen ein stellares Echo eines längst vergangenen
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kosmischen Ereignisses. Auch in der belebten Natur
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spielt Barium eine kleine, aber faszinierende Rolle.
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Einige Grünalgenarten sowie bestimmte einzellige Organismen
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der Tiefsee, sogenannte Xenophyrophoren, bilden in ihrem
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inneren winzige Kristalle aus Bariumsulfat, deren genaue
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biologische Funktion bis heute nicht abschließend geklärt ist,
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wobei Forschende unter anderem eine Rolle bei der
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Schwerkraftwahrnehmung oder beim Schutz vor Fressfeinden
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diskutieren. Auch in den Statolitenähnlichen
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Zellstrukturen mancher Pflanzenwurzeln, die für die
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Wahrnehmung der Schwerkraft und damit für das gerichtete
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Wurzelwachstum verantwortlich sind.
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Wurden vereinzelt bariumsulfat Kristalle nachgewiesen?
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Ein Hinweis darauf, dass die Natur die hohe Dichte dieses
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Elements ganz unabhängig vom Menschen für ähnliche
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physikalische Zwecke nutzt wie die moderne Bohrindustrie auch
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in der Kernphysik selbst findet ein künstlich erzeugtes Barium
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Isotop praktische Anwendung. Barium 133 wird aufgrund seiner
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gut definierten und gut messbaren Gammastrahlung.
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Häufig als Kalibrierquelle für Gamma Spektrometer eingesetzt,
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jene empfindlichen Messgeräte, mit denen radioaktive Strahlung
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in Forschungslaboren, Krankenhäusern und
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Strahlenschutzbehörden präzise analysiert wird.
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Mit einer Halbwertszeit von rund 10,5 Jahren eignet sich Barium
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133 besonders gut für diesen Zweck, da es über viele Jahre
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hinweg als verlässlicher, gleichbleibender
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Referenzstandard genutzt werden kann.
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Ohne dass die Kalibrierquelle allzu häufig ersetzt werden
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muss. Wenn wir also heute an Barium
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denken, sollten wir nicht nur an das grüne Leuchten eines
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Feuerwerks am Nachthimmel denken, sondern an ein Element,
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das an einer erstaunlichen Bandbreite bedeutender
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Entwicklungen beteiligt war, von der medizinischen Diagnostik
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über die moderne Elektronik bis hinzu jenem folgenschweren
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Dezembertag im Jahr 1938. An dem der Nachweis eines
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vermeintlich unscheinbaren Metalls die Tür zum
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Kernzeitalter Aufstieß. Diese Geschichte erinnert uns
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eindrücklich daran, welche enorme Verantwortung mit
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wissenschaftlicher Erkenntnis einhergehen kann und wie wichtig
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es ist, dass Forschung in offenen demokratischen
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Gesellschaften stattfindet, in denen ihre Ergebnisse
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verantwortungsvoll und zum Wohle aller genutzt werden, unseren
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Planeten und die demokratischen Werte.
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Die eine solche verantwortungsvolle Nutzung
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wissenschaftlicher Erkenntnisse erst ermöglichen zu bewahren,
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bleibt eine der wichtigsten Aufgaben unserer Zeit.
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Damit sind wir am Ende unserer heutigen Reise durch die Welt
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von Barium angekommen, wir hoffen, dir hat der Ausflug vom
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Feuerwerkshimmel bis zur Entdeckung der Kernspaltung
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