Steckbrief Bariumcarbonat BaCO 3

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Paul Bieber
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Erstmals entdeckt wurde es 1784 von William Withering, einem britischen Botaniker. Abb.

1 Steckbrief Bariumcarbonat BaCO 3 Bariumcarbonat ist eine thermodynamisch stabile Verbindung, die aus Ba 2+ - Ionen 2- und CO 3 - Ionen besteht. Das farblose Salz gehört zur Stoffklasse der Carbonate und ist in der Natur als selten vorkommendes Mineral Witherit zu finden. Erstmals entdeckt wurde es 1784 von William Withering, einem britischen Botaniker. Abb.1: Natürliches Witherit aus der Fallowfield Mine in England Eigenschaften Das technisch hergestellte BaCO 3 ist ein weißes Salz. In der Natur existieren weiße, graue und gelb-braune Kristalle, je nach Fundort und Umgebungsbeschaffenheit. α-baco 3 kristallisiert im orthorhombischen Kristallsystem mit der Raumgruppe Pmcn und vier Formeleinheiten pro Elementarzelle. Dabei wird das Barium (blaue Kugeln) neunfach von Sauerstoff umgeben (rote Kugeln), wobei sich die Kohlenstoffatome jeweils in der Lücke von 3 Sauerstoffatomen befinden (siehe Abbildung 2). 1

Das β-baco 3 entsteht ab einer Temperatur von 1073 K.

2 Abb. 2: Ausschnitt aus der Witherit-Struktur Strukturaufklärung des Witherits mit Pulverröntgendiffraktometrie und IR- Spektroskopie: Abb.3 Pulverröntgendiffraktgramm von BaCO 3 Abb.4 IR-Spektrum von BaCO 3 Es existieren auch stabile Hochtemperaturformen dieser Verbindung. Das β-baco 3 entsteht ab einer Temperatur von 1073 K. Durch Pulverröntgendiffraktometrie wurde eine Phasenumwandlung der orthorhombischen Struktur in eine trigonale Struktur festgestellt. Weitere Phasenumwandlungen ab 1233 K führen bei dem γ- BaCO 3 zu einer kubischen Struktur. Ab einer Temperatur von etwa 1300 C zersetzt sich Bariumcarbonat zu Bariumoxid und Kohlenstoffdioxid: 2

3 BaCO 3(s) BaO (s) + CO 2(g) Natürlicher Witherit kann, je nach Fundort, unter UV-Strahlung oder Röntgenstrahlung fluoreszieren beziehungsweise phosphoreszieren. Die wichtigsten physikalischen und chemischen Daten sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst: Kenngröße Molare Masse Kristallstruktur Gitterkonstanten Aggregatzustand Dichte Schmelzpunkt Siedepunkt Brechungsindizes Wärmekapazität Bildungsenthalpie H (298K) Freie Enthalpie G (298K) Entropie S (298K) Thermische Ausdehnungskoeffizienten Härte Löslichkeit (293 K) Löslichkeitsprodukt Magnetische Suszeptibilität Wert 197,34 g/mol Orthorhombisch a = 5,31 Å; b = 8,90 Å; c = 6,43 Å Fest 4,286 g/cm³ 1084 K 1720 K, Zersetzung > 1633 K nα = 1,529 nβ = 1,676 nγ = 1,677 85,35 J/mol*K kj/mol -1137,6 kj/mol 112,1 J/mol*K α-baco₃ : 8,42*10 ⁵ 1/K β-baco₃ : 1,39*10 ⁴ 1/K γ-baco₃ : 1,50*10 ⁴ 1/K nach Mohs: 3,25 nach Vickers: 108 HV 0,02 g/l (H₂O), gut löslich in HNO₃ und HCL 2,58*10 ⁹ 58,9*10 ⁶ cm³/mol 3

Tabelle 1: Chemische und physikalische Kennwerte Herstellung Die größten natürlichen Vorkommen von Witherit sind in England, den USA und im süd-östlichen Deutschland, wo das Mineral noch aktiv

4 Tabelle 1: Chemische und physikalische Kennwerte Herstellung Die größten natürlichen Vorkommen von Witherit sind in England, den USA und im süd-östlichen Deutschland, wo das Mineral noch aktiv abgebaut wird. BaCO 3 ist die wichtigste Bariumverbindung, die großtechnisch hergestellt wird. In einem Drehrohrofen wird Petrolkoks zusammen mit Bariumsulfat auf 1000 C erhitzt. Dabei wird das wasserunlösliche Bariumsulfat in wasserlösliches Bariumsulfid überführt und anschließend im Rührwerk in Wasser gelöst. BaSO 4(s) + 2 C (s) BaS (aq) + 2 CO 2(g) Die Stoffe, die sich nicht überführen lassen, werden im nächsten Schritt durch Eindicken abgetrennt werden. Das klare Filtrat gelangt anschließend in den Karbonisator, wo es mit Kohlendioxid vermischt wird und das Bariumcarbonat entsteht. BaS (aq) + CO 2(g) + H 2 O (l) BaCO 3(s) + H 2 S (aq) Dieses wird dann in einer Zentrifuge vom Wasser getrennt und durch einen erneuten Ofenprozess oder eine mehrstufige Trocknung in Granulat oder Pulver überführt und in Silos gelagert. Der als Nebenprodukt entstehende Schwefelwasserstoff wird im Claus-Prozess zu elementarem Schwefel oxidiert und als Rohprodukt in der Autoreifenproduktion eingesetzt. 4

5 Abb.5: Großtechnisches Verfahren zur Herstellung von Bariumcarbonat Verwendungszwecke Bariumcarbonat hat aufgrund seiner Eigenschaften eine Vielzahl von Anwendungsgebieten. Die für das menschliche Auge sichtbare Anwendung ist in der Pyrotechnik zu finden, da BaCO 3 bei der Verbrennung eine leuchtend grüne Flammenfärbung zeigt. Außerdem wird es bei der Herstellung von Tonziegeln und keramischen Produkten verwendet. Das Salz verhindert durch Ausfällung das sogenannte Ausblühen der Produkte. Die im Wasser gelösten Sulfate werden sonst während des Trocknungsvorganges an die Oberfläche transportiert und kristallisieren dort aus, was nicht gewünschte Flecken auf dem Rohling zur Folge hat. Am Beispiel von Magnesiumsulfat ist zu erkennen, dass es mit dem Bariumcarbonat reagiert und wasserunlösliches Magnesiumcarbonat und Bariumsulfat gebildet werden. Somit verbleiben die Salze im Inneren der Keramik und es entsteht ein farblich einheitliches Produkt. MgSO 4 (aq) + BaCO 3 (s) BaSO 4 (s) + MgCO 3 (s) Der Einsatz in Beschichtungen für Keramiken, die mit Lebensmitteln in Kontakt kommen ist umstritten, da Bariumcarbonat in Säuren löslich ist. Daher kann es durch den Kontakt mit Lebensmitteln aus der Beschichtung heraus gelöst werden, was zu Funktionsstörungen im Nervensystem und Herzkreislauf, Muskellähmung und Lungenfunktionsstörung führen kann. BaCO 3 wird auch in der Glasindustrie eingesetzt. Es erleichtert die Herstellung der Glasschmelze durch Absenken der Glastemperatur und führt zu hoher mechanischer und chemischer Widerstandfähigkeit. Es ist sehr gut geeignet für die Herstellung von stark lichtbrechenden Gläsern, da es hohe Brechungsindizes aufweist. Ein weiteres Anwendungsgebiet findet Bariumcarbonat in der Elektrokeramik. Durch die Kalzinierung von Bariumcarbonat und Titandioxid bei C entsteht ferroelektrisches Bariumtitanat, welches eine sehr große Dielektrizitätskonstante besitzt und daher in großen Mengen zur Herstellung von Kondensatoren genutzt wird. 5

6 BaCO 3 (s) + TiO 2 (s) BaTiO 3 (s) + CO 2 (g) Quellen /Page/vsc/de/ch/16/ac/elemente/erdalkalimetalle/sr_ba_ra/sr_ba_ra07c.vscml.html

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