Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
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Wissensreise durch die Länder der Erde?
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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
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.
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.
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.
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,
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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
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.
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.
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
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.
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
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Wissensreisen für dich zu produzieren bis zur nächsten
Folge. Bleib neugierig.