56. Barium (Ba) - Der grüne Feuerwerks-König

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0:25 Heute widmen wir uns einem Element, das die Nachthimmel der Welt in sattes Grün taucht, das Ärztinnen und Ärzten einen Blick in den menschlichen Verdauungstrakt ermöglicht. Und das ganz nebenbei an einer der folgenreichsten Entdeckungen der Physikgeschichte beteiligt war. Lehn dich zurück, schließ die Augen und lass dich mitnehmen in die Welt von Barium, dem grünen feuerwerkskönig Barium trägt im Periodensystem das Symbol BA und die Ordnungszahl 56.

0:53 Es gehört zur Gruppe der Erd Alkalimetalle, gemeinsam mit Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium und dem radioaktiven Radium erd Alkalimetalle besitzen 2 Elektronen in ihrer äußersten Schale, die sie bereitwillig abgeben, weshalb sie chemisch sehr reaktionsfreudig sind, wenn auch nicht ganz so extrem wie die benachbarten Alkalimetalle.

1:16 Innerhalb dieser Gruppe nimmt die Reaktionsfreudigkeit mit zunehmender Ordnungszahl zu. Und Bariumdi zählt damit abgesehen vom radioaktiven Radium zum Reaktionsfreudigsten stabilen Vertreter seiner Gruppe. Der Name Barium leitet sich vom griechischen Wort Barys ab, was so viel wie schwer bedeutet. Diese Namensgebung geht auf die außergewöhnlich hohe Dichte des Minerals Schwerspat zurück, das chemisch aus Bariumsulfat besteht und bereits im 17 Jahrhundert Alchemistinnen und Alchemisten.

1:50 Sowie frühen Chemikern aufgrund seines für ein nicht metallisches Mineral ungewöhnlich hohen Gewichts auffiel. Entdeckt im chemischen Sinne wurde Barium jedoch erst deutlich später im Jahr 1774 gelang es dem schwedischen Apotheker und Chemiker Karl Wilhelm Scheele, in Schwerspat ein neues, bis dahin unbekanntes Oxid nachzuweisen, das er Baryt nannte.

2:13 Schele, der zu den produktivsten Elemententdeckern seiner Zeit zählte und unter anderem auch an der Entdeckung von Sauerstoff maßgeblich beteiligt war, konnte das enthaltene Metall selbst jedoch nicht isolieren, da Barium in reiner Form äußerst reaktionsfreudig ist und sich einer einfachen chemischen Reduktion entzieht. Erst 34 Jahre später, im Jahr 1808, gelang dem britischen Chemiker Humphrey Davy die erstmalige Isolierung von metallischem Barium.

2:42 Davy nutzte dafür die damals noch junge Technik der Elektrolyse, bei der eine geschmolzene oder gelöste chemische Verbindung mit Hilfe von elektrischem Strom in ihre Bestandteile zerlegt wird. Durch die Elektrolyse einer Bariumhydroxidschmelze gelang es ihm, reines metallisches Barium an einer Elektrode abzuscheiden, dieselbe Methode, mit der er im selben Zeitraum auch die verwandten Elemente Calcium, Strontium und Magnesium erstmals in reiner Form gewinnen konnte.

3:12 Davy zählt damit zu den Chemikern, die allein durch die Anwendung der Elektrolyse mehrere neue Elemente auf einen Schlag der wissenschaftlichen Welt zugänglich machten. Chemisch und physikalisch ist Barium ein weiches, silbrig weißes Metall, das an der Luft rasch anläuft und sich mit einer dünnen Oxidschicht überzieht, ähnlich wie es auch bei anderen reaktionsfreudigen Metallen der Fall ist.

3:37 Mit Wasser reagiert Barium heftig unter Bildung von Bariumhydroxid und Wasserstoffgas, wenn auch nicht ganz so explosionsartig wie die Alkalimetalle der benachbarten Gruppe. Aus diesem Grund muss reines Barium ebenfalls unter Schutzgas oder in Mineralöl gelagert werden, um eine unkontrollierte Reaktion mit der Umgebungsluft oder mit Feuchtigkeit zu verhindern, in Reiner metallischer Form findet Barium aufgrund dieser Reaktionsfreudigkeit nur sehr eingeschränkte praktische Anwendung. Seine wahre technische und wissenschaftliche Bedeutung entfaltet das Element vor allem in Form seiner Verbindungen. Beginnen wir mit jener Anwendung, die Barium seinen Beinamen als grüner Feuerwerkskönig eingebracht hat, werden bestimmte

4:22 Bariumverbindungen, insbesondere Bariumnitrat oder Bariumchlorid, in einer pyrotechnischen Mischung verbrannt, entsteht eine charakteristische, Sattgrüne Flammenfärbung. Dieser Effekt beruht auf einem quantenphysikalischen Grundprinzip. Durch die Hitze der Verbrennung werden Elektronen in der Elektronenhülle der Bariumatome kurzzeitig auf ein höheres Energieniveau angehoben, fallen diese Elektronen anschließend wieder in ihren ursprünglichen energieärmeren Zustand zurück, wird die Energiedifferenz in Form von Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge abgestrahlt. Bei Barium liegt diese charakteristische Emission überwiegend im grünen Bereich des sichtbaren Spektrums. Bei einer Wellenlänge von etwa

5:06 524 Nanometern, verursacht insbesondere durch das kurzzeitig entstehende Molekül Barium, Monochlorid, Pyrotechnikerinnen und Pyrotechniker nutzen dieses Prinzip gezielt, um in Feuerwerkskörpern satte, leuchtend grüne Farbeffekte zu erzeugen, eine Farbe. Die sich mit anderen Metallsalzen kaum in vergleichbarer Reinheit und Intensität erzeugen lässt.

5:31 Zum Vergleich erzeugt Strontium ein tiefes rot, Natrium, ein intensives gelb, Kupfer ein charakteristisches Blau oder türkis und die gezielte Kombination dieser unterschiedlichen Metallsalze ermöglicht die bunte Vielfalt, die wir von modernen Feuerwerken kennen. Eine der bedeutendsten industriellen Anwendungen von Barium liegt jedoch nicht in der Pyrotechnik, sondern in einem deutlich unspektakuläreren, aber wirtschaftlich enorm wichtigen Bereich, der Erdöl und Erdgasförderung.

6:02 Das Mineral Schwerspat, also Bariumsulfat, wird aufgrund seiner hohen Dichte in gemahlener Form als sogenanntes Beschwerungsmittel in Bohrspülungen eingesetzt, das. Bei Tiefbohrungen muss der enorme Druck, der in tiefen Gesteinsschichten herrscht, durch eine ausreichend dichte Spülflüssigkeit ausgeglichen werden, um ein unkontrolliertes Aufsteigen von Öl, Gas oder Wasser während des Bohrvorgangs zu verhindern. Schwerspat eignet sich hierfür besonders gut, da es chemisch weitgehend inert und in Wasser praktisch unlöslich ist, wodurch es die Bohrspülung beschweren kann, ohne selbst unerwünschte chemische Reaktionen einzugehen.

6:41 Schätzungsweise mehr als 3 Viertel der weltweiten Schwerspertförderung fließen in diesen Anwendungsbereich, was ihn zur mit Abstand bedeutendsten wirtschaftlichen Nutzung von Barium überhaupt macht. Eben jene chemische Unlöslichkeit von Bariumsulfat ist auch der Grund für eine weitere sehr bekannte Anwendung, den Einsatz als Kontrastmittel in der medizinischen Röntgendiagnostik. Bariumsulfat ist für Röntgenstrahlung nahezu undurchlässig, wodurch es auf Röntgenaufnahmen deutlich heller erscheint als umliegendes Gewebe. Bei der sogenannten Bariumbreiuntersuchung wird eine Suspension aus fein gemahlenem Bariumsulfat oral eingenommen oder Rektal verabreicht, um den Verlauf und die Beschaffenheit des Verdauungstrakts,

7:24 insbesondere der Speiseröhre, des Magens und des Darms auf Röntgenbildern präzise sichtbar zu machen. Diese Untersuchungsmethode wird zwar in den letzten Jahrzehnten zunehmend durch modernere bildgebende Verfahren wie die Computertomographie oder die Endoskopie ergänzt oder ersetzt, bleibt jedoch in bestimmten klinischen Fragestellungen weiterhin ein wertvolles diagnostisches Werkzeug.

7:48 Entscheidend für die Sicherheit dieser Untersuchung ist, dass ausschließlich das nahezu unlösliche Bariumsulfat verwendet wird. Andere wasserlösliche Bariumverbindungen wie Bariumchlorid oder Bariumcarbonat sind hingegen für den menschlichen Körper hochgiftig, da lösliche Barium Ionen im Körper mit Kalium Ionen konkurrieren und dadurch schwere Störungen der Muskel und Nervenfunktion sowie potentiell tödliche Herzrhythmusstörungen auslösen können. Genau diese Giftigkeit macht sich der Mensch an anderer Stelle gezielt zu nutze.

8:21 Bariumcarbonat wird traditionell als Bestandteil von Rattengift eingesetzt, da es für Nagetiere Hochtoxisch, für den Menschen bei sachgemäßer Handhabung jedoch beherrschbar ist. Damit kommen wir zu jenem Kapitel der Bariumgeschichte, das zugleich eines der folgenreichsten Kapitel der gesamten modernen Physik darstellt.

8:40 Die Entdeckung der Kernspaltung. Im Dezember 1938 führten die deutschen Chemiker Otto Hahn und Fritz Strassmann in Berlin Experimente durch, bei denen sie Uran mit Neutronen beschossen. In der Erwartung, dabei neue, schwerere sogenannte Transuranelemente zu erzeugen, wie es zuvor bereits die italienische Forschungsgruppe um Enrico Fermi vermutet hatte.

9:03 Zu ihrer großen Überraschung wiesen Hahn und Strassmann jedoch in den Reaktionsprodukten eindeutig das Element Barium nach. Ein Element, das nur etwa halb so schwer ist wie Uran. Dieses Ergebnis widersprach zunächst allen gängigen physikalischen Erwartungen, denn nach dem damaligen Verständnis konnte ein derart schwerer Atomkern wie Uran durch den Beschuss mit einem einzelnen, vergleichsweise leichten Neutron unmöglich in 2 annähernd gleich große Bruchstücke zerfallen. Otto Hahn, der sich der revolutionären Tragweite seines Befundes zunächst nicht sicher war. Schrieb noch am selben Tag einen Brief an seine langjährige Kollegin und Mitarbeiterin Liese Meitner, die aufgrund ihrer jüdischen Herkunft kurz zuvor

9:45 aus Nazi Deutschland nach Schweden hatte fliehen müssen und daher nicht mehr direkt an den Experimenten in Berlin beteiligt war. Meitner besprach den überraschenden Befund gemeinsam mit ihrem Neffen, dem Physiker Otto Frisch, während eines gemeinsamen Weihnachtsspaziergangs im schwedischen Kungelf.

10:03 Gemeinsam entwickelten die beiden die entscheidende theoretische Erklärung. Der Urankern hatte sich unter dem Einfluss des einfallenden Neutrons tatsächlich in 2 kleinere Atomkerne gespalten, darunter Barium, wobei gewaltige Mengen an Energie freigesetzt wurden, exakt in Übereinstimmung mit Albert Einsteins berühmter Formel zur Äquivalenz von Masse und Energie. Meitner und frisch prägten für dieses Phänomen den Begriff der Kernspaltung.

10:33 Auf Englisch Nuclear Fishion und veröffentlichten ihre Erklärung nur wenige Wochen später in der Fachzeitschrift Nature. Die Entdeckung, dass ausgerechnet der Nachweis von Barium den entscheidenden experimentellen Hinweis auf die Kernspaltung lieferte, markiert damit den Beginn des Kernzeitalters mit all seinen weitreichenden Folgen für Energieerzeugung, Forschung, aber auch für die Entwicklung von Kernwaffen. Otto Hahn erhielt für diese Entdeckung im Jahr 1944 den Nobelpreis für Chemie.

11:06 Während die maßgeblich an der theoretischen Deutung beteiligte Liese Meitner, deren Beitrag von vielen Historikerinnen und Historikern der Wissenschaft heute als ebenso entscheidend gewertet wird, zu Lebzeiten nie mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Ein bis heute viel diskutiertes Kapitel der Wissenschaftsgeschichte.

11:26 Neben diesem historischen Meilenstein besitzt Barium auch in der modernen Materialwissenschaft und Elektrotechnik bedeutende Anwendungen. Barium titanat, eine Verbindung aus Barium, Titan und Sauerstoff, zählt zu den bekanntesten sogenannten ferroelektrischen Materialien. Ferroelektrische Stoffe besitzen die bemerkenswerte Eigenschaft, auch ohne ein anliegendes äußeres elektrisches Feld eine permanente elektrische Polarisation aufrechtzuerhalten, die sich zudem durch ein äußeres Feld gezielt umkehren lässt. Ähnlich wie sich bei ferromagnetischen Materialien die magnetische Ausrichtung beeinflussen lässt. Diese Eigenschaft macht Bariumtitanat zu einem wichtigen Werkstoff für keramische

12:09 Kondensatoren. Wie sie in praktisch jedem modernen elektronischen Gerät in großer Zahl verbaut sind sowie für piezoelektrische Bauteile, die mechanischen Druck in elektrische Spannung umwandeln können und umgekehrt etwa in Ultraschallsensoren, Mikrofonen oder bestimmten Lautsprechertypen. Auch in der Glasindustrie findet Barium in Form von Bariumoxid Verwendung, der Zusatz von Bariumoxid zu Glasschmelzen erhöht den Brechungsindex des Glases, ohne dabei dessen Transparenz zu beeinträchtigen.

12:40 Eine Eigenschaft, die insbesondere bei der Herstellung hochwertiger optischer Linsen etwa für Kameras, Ferngläser oder wissenschaftliche Instrumente geschätzt wird. Über Jahrzehnte hinweg wurde bariumhaltiges Glas zudem in der Herstellung von Bildröhren für klassische Röhrenfernseher eingesetzt. Da es zuverlässig hochenergetische Röntgenstrahlung abschirmte, die bei der Beschleunigung von Elektronen innerhalb der Röhre als unerwünschtes Nebenprodukt entstand und dadurch die Nutzerinnen und Nutzer vor Strahlenbelastung schützte.

13:11 Mit dem weitgehenden Verschwinden der Röhrentechnologie zugunsten von Flachbildschirmen ist diese spezielle Anwendung heute jedoch weitgehend Geschichte. Auch als weißes Pigment findet Bariumsulfat unter der Bezeichnung Blanc fixe. In der Farben und Lackindustrie sowie in der Papierherstellung. Breite Verwendung aufgrund seiner chemischen Reaktionsträgheit, seiner hohen Lichtechtheit und seiner feinen, gut kontrollierbaren Partikelgröße dient es dabei häufig als sogenannter Füllstoff, der die Deckkraft, die Oberflächenglätte und die Druckqualität von Papier sowie die Farbtiefe und Beständigkeit von Lacken und Beschichtungen verbessert, ohne selbst zur eigentlichen Farbwirkung beizutragen.

13:55 In der Natur kommt Varium relativ häufig vor. Es zählt mit einem Anteil von etwa 0,04% an der Erdkruste zu den vierzehnt häufigsten Elementen überhaupt, was es deutlich häufiger macht als etwa Blei oder Zinn. Trotz dieser vergleichsweise hohen natürlichen Häufigkeit kommt Varium jedoch wie viele andere Erdalkalimetalle auch, niemals in reiner metallischer Form vor.

14:20 Sondern ausschließlich gebunden in Mineralien, vor allem im bereits erwähnten Schwerstbad sowie im selteneren Witheret, einem bariumcarbonat Mineral. Bedeutende Vorkommen finden sich unter anderem in China, das heute den weltweit größten Anteil der Barium Förderung stellt, sowie in Indien, Marokko und den Vereinigten Staaten. Barium besitzt insgesamt 7 natürlich vorkommende stabile Isotope.

14:47 Eine für ein Element dieser Größenordnung bemerkenswert hohe Zahl, die es geowissenschaftlerinnen und Geowissenschaftlern ermöglicht, anhand bestimmter Isotopenverhältnisse Rückschlüsse auf geochemische Prozesse und Kreisläufe zu ziehen, etwa im Zusammenhang mit der Untersuchung mariner Sedimente und der Rekonstruktion vergangener Meeresströmungen und Klimabedingungen.

15:09 Radioaktive Bariumisotope wiederum, insbesondere jenes Barium 140, das Otto Hahn und Fritz Strassmann 1938 nachwiesen, entstehen als kurzlebige Zwischenprodukte bei der Kernspaltung von Uran und zerfallen innerhalb weniger Tage weiter zu anderen Elementen. Ein Prozess, der bis heute in jedem Kernreaktor der Welt kontinuierlich abläuft.

15:34 Auch in der Astronomie hat sich der Name Barium in einer eigenen Sternenklasse verewigt. Sogenannte Bariumsterne sind Riesensterne, in deren Spektrum astronominnen und Astronomen ungewöhnlich starke Bariumlinien nachweisen konnten, deutlich stärker als es der normalen chemischen Zusammensetzung eines Sterns dieser Art entsprechen würde.

15:57 Die Erklärung für dieses Phänomen liegt nicht etwa in einer besonderen Eigenproduktion von Barium im jeweiligen Stern selbst, sondern in seiner Vergangenheit als Teil eines Doppelsternsystems in der Frühphase eines solchen Systems durchlief der heute unsichtbare, kompaktere Begleitstern meist ein sogenannter Weißer Zwerg, bereits sein Endstadium als roter Riese und produzierte dabei über den sogenannten Essprozess erhebliche Mengen schwerer Elemente wie Barium in seinen äußeren Schichten. Ein erheblicher Teil dieses angereicherten Materials wurde anschließend auf den heute beobachtbaren Begleitstern übertragen, der dadurch bis heute die charakteristische bariumreiche chemische Signatur

16:38 seines einstigen Partners in sich trägt. Gewissermaßen ein stellares Echo eines längst vergangenen kosmischen Ereignisses. Auch in der belebten Natur spielt Barium eine kleine, aber faszinierende Rolle. Einige Grünalgenarten sowie bestimmte einzellige Organismen der Tiefsee, sogenannte Xenophyrophoren, bilden in ihrem inneren winzige Kristalle aus Bariumsulfat, deren genaue biologische Funktion bis heute nicht abschließend geklärt ist, wobei Forschende unter anderem eine Rolle bei der Schwerkraftwahrnehmung oder beim Schutz vor Fressfeinden diskutieren. Auch in den Statolitenähnlichen Zellstrukturen mancher Pflanzenwurzeln, die für die Wahrnehmung der Schwerkraft und damit für das gerichtete

17:19 Wurzelwachstum verantwortlich sind. Wurden vereinzelt bariumsulfat Kristalle nachgewiesen? Ein Hinweis darauf, dass die Natur die hohe Dichte dieses Elements ganz unabhängig vom Menschen für ähnliche physikalische Zwecke nutzt wie die moderne Bohrindustrie auch in der Kernphysik selbst findet ein künstlich erzeugtes Barium Isotop praktische Anwendung. Barium 133 wird aufgrund seiner gut definierten und gut messbaren Gammastrahlung.

17:48 Häufig als Kalibrierquelle für Gamma Spektrometer eingesetzt, jene empfindlichen Messgeräte, mit denen radioaktive Strahlung in Forschungslaboren, Krankenhäusern und Strahlenschutzbehörden präzise analysiert wird. Mit einer Halbwertszeit von rund 10,5 Jahren eignet sich Barium 133 besonders gut für diesen Zweck, da es über viele Jahre hinweg als verlässlicher, gleichbleibender Referenzstandard genutzt werden kann.

18:14 Ohne dass die Kalibrierquelle allzu häufig ersetzt werden muss. Wenn wir also heute an Barium denken, sollten wir nicht nur an das grüne Leuchten eines Feuerwerks am Nachthimmel denken, sondern an ein Element, das an einer erstaunlichen Bandbreite bedeutender Entwicklungen beteiligt war, von der medizinischen Diagnostik über die moderne Elektronik bis hinzu jenem folgenschweren Dezembertag im Jahr 1938. An dem der Nachweis eines vermeintlich unscheinbaren Metalls die Tür zum Kernzeitalter Aufstieß. Diese Geschichte erinnert uns eindrücklich daran, welche enorme Verantwortung mit wissenschaftlicher Erkenntnis einhergehen kann und wie wichtig es ist, dass Forschung in offenen demokratischen

18:58 Gesellschaften stattfindet, in denen ihre Ergebnisse verantwortungsvoll und zum Wohle aller genutzt werden, unseren Planeten und die demokratischen Werte. Die eine solche verantwortungsvolle Nutzung wissenschaftlicher Erkenntnisse erst ermöglichen zu bewahren, bleibt eine der wichtigsten Aufgaben unserer Zeit.

19:18 Damit sind wir am Ende unserer heutigen Reise durch die Welt von Barium angekommen, wir hoffen, dir hat der Ausflug vom Feuerwerkshimmel bis zur Entdeckung der Kernspaltung gefallen wenn dir diese Folge gefallen hat, lass uns gerne eine Bewertung da, das hilft uns dabei weiterhin spannende Wissensreisen für dich zu produzieren bis zur nächsten Folge. Bleib neugierig.