Bariumsulfat (13462-86-7) Physikalische und chemische Eigenschaften
Bariumsulfat
Hochdichtes, praktisch wasserunlösliches Metallsulfat, verwendet als röntgendichtes Mittel und industrieller Füllstoff für Gewichtung, Pigmentierung und Abschirmungsanwendungen in Herstellungs- und Formulierungskontexten.
| CAS-Nummer | 13462-86-7 |
| Familie | Metallsulfate (anorganisches Salz) |
| Typische Form | Pulver oder kristalliner Feststoff |
| Gängige Qualitäten | BP, EP, JP, Reagent Grade, USP |
Bariumsulfat ist ein anorganisches Erdalkalimetallsulfat, das zur orthorhombischen Barit-Mineralklasse (Schwerspat) gehört. Strukturell handelt es sich um ein ionisches Kristallgitter aus Bariums-Ionen und Sulfat-Anionen; die übliche stöchiometrische Formel lautet \(\ce{BaSO4}\) (Mineralformel), während die molekulare Formel in berechneten Deskriptordatensätzen als \(\ce{BaO4S}\) erscheint. Der Feststoff ist ein dichtes, weiß bis gelblich gefärbtes, geruchloses Pulver oder kristallines Material mit einem Kation hoher Ordnungszahl (Ba, \(Z=56\)), was der Verbindung eine starke Röntgenabsorption verleiht und eine umfangreiche Verwendung als undurchsichtiges Medium in der Radiographie ermöglicht.
Elektronisch verhält sich das Material als im Wesentlichen unpolar, stark ionisch gebundenes Keramikmaterial: Das Sulfat-Anion (\(\ce{SO4^2-}\)) ist ein tetraedrisches, stark gebundenes Oxyanion mit vier Sauerstoff-Akzeptorstellen, und das Barium-Ion existiert als hartes, zweiwertiges Kation (\(\ce{Ba^2+}\)). Das Zusammenspiel erzeugt ein fest gebundenes Gitter mit sehr geringer Wasserlöslichkeit unter Umgebungsbedingungen; diese geringe Löslichkeit ist der Hauptgrund für die Biopersistenz in der Lunge nach Inhalation und für die Eignung als oral oder rektal verabreichte röntgendichte Kontrastsuspension, die nur minimal aus dem gastrointestinale Trakt resorbiert wird.
Chemisch ist das Salz das Produkt einer starken Base und einer starken Säure und daher in ungelöster Form neutral; es zeigt vernachlässigbare Säure-Base-Reaktivität in verdünnten Medien, zersetzt sich jedoch bei sehr hohen Temperaturen. Typische Verhaltensmerkmale der Stoffklasse sind die sehr geringe Wasserlöslichkeit (praktisch unlöslich bei Raumtemperatur), die thermische Zersetzung bei Temperaturen über etwa \(1600\ ^\circ\mathrm{C}\) unter Bildung von Schwefeloxiden sowie die relative chemische Inertheit gegenüber verdünnten Säuren und üblichen organischen Lösungsmitteln. Industrielle und pharmazeutische Anwendungen nutzen die Undurchsichtigkeit, hohe Dichte und chemische Inertheit aus; bemerkenswerte Verwendungen sind Gewichtstoffe für Bohrflüssigkeiten, Pigmentverlängerer/Füllstoffe in Farben und Kunststoffen, Strahlenabschirmung in schweren Betonen sowie als orales/rektales röntgendichtes Kontrastmittel für gastrointestinale Bildgebung.
Übliche kommerzielle Qualitäten für diesen Stoff umfassen: BP, EP, JP, Reagent Grade, USP.
Grundlegende physikalische Eigenschaften
Dichte
Gemeldete Dichten des Feststoffes liegen im typischen kommerziellen Bereich von \(4{,}25\) bis \(4{,}5\) g/cm³ mit spezifischen Werten wie \(4{,}49\ \mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}\). In verfügbaren experimentellen Aufzeichnungen wird der Bereich sowohl als "4.25-4.5" als auch als "4.25 bis 4.5 (NIOSH, 2024)" angegeben; diese Werte spiegeln natürliche und verarbeitete Materialvariabilität (Mineral vs. präzipitierte/pulverisierte Qualitäten) sowie Unterschiede in der Partikelpackung für Schüttproben wider.
Schmelz- oder Zersetzungspunkt
Schmelz- bzw. Zersetzungstemperaturen werden mit \(1580\ ^\circ\mathrm{C}\) (mit Zersetzung angegeben) bzw. \(2876\ ^\circ\mathrm{F}\) gemeldet. Das Material zersetzt sich oberhalb von etwa \(1600\ ^\circ\mathrm{C}\); die Zersetzung führt zur Bildung von Schwefeloxiden und anderen Hochtemperatur-Zersetzungsprodukten statt zu einem kongruenten Schmelzvorgang unter Normaldruck.
Löslichkeit in Wasser
Die Löslichkeit ist bei Raumtemperatur extrem gering. Experimentell gemeldete Werte umfassen \(0{,}00031\ \mathrm{g}/100\ \mathrm{g}\) Wasser bei \(20\ ^\circ\mathrm{C}\) und \(0{,}0002\,\%\) bei \(64\ ^\circ\mathrm{F}\). Textuelle Beschreibungen geben an: "unlöslich in Wasser, verdünnten Säuren, Alkohol" und "sehr gering löslich in kaltem Wasser". Die Löslichkeit kann durch das Vorhandensein bestimmter Anionen (Chlorid und andere Anionen) oder unter stark sauren heißen Bedingungen (löslich in heißer konzentrierter Schwefelsäure) erhöht werden; lösliche Bariumverunreinigungen oder der Übergang zu besser löslichen Bariumsalzen verändern das toxikologische und umweltrelevante Verhalten erheblich.
pH-Wert der Lösung (qualitatives Verhalten)
Eine 5%ige Suspension in Wasser wird als neutral auf Lackmuspapier beschrieben. Aufgrund der Herkunft als neutrales Salz aus einer starken Säure und einer starken Base zeigen dispergierte Suspensionen unter typischen Bedingungen keine intrinsische Säure- oder Basencharakteristik; etwaige pH-Abweichungen in formulierten Suspensionen spiegeln zugesetzte Hilfsstoffe oder lösliche Verunreinigungen wider.
Chemische Eigenschaften
Säure-Base-Verhalten
Bariumsulfat ist das Sulfatsalz einer starken Säure (Schwefelsäure) und einer starken Base (Bariumhydroxid). In seiner ungelösten, kristallinen Form verhält es sich als neutrales, nicht puffendes, schlecht lösliches ionisches Feststoff. Da die wässrige Dissoziation unter Umgebungsbedingungen vernachlässigbar ist, sind klassische Säure-Base-Reaktionen für den Feststoff nicht relevant; eine signifikante Bioverfügbarkeit von Barium oder Säure-Base-Aktivität tritt erst auf, wenn eine Umwandlung in besser lösliche Bariumverbindungen (z.B. Chlorid, Carbonat) oder eine Auflösung unter extremen chemischen Bedingungen erfolgt.
Reaktivität und Stabilität
Die Verbindung ist chemisch stabil bei normalen Temperaturen und atmosphärischer Exposition; es zeigt "keine schnelle Reaktion mit Luft" und "keine schnelle Reaktion mit Wasser". Thermische Zersetzung erfolgt bei sehr hohen Temperaturen (über ca. \(1600\ ^\circ\mathrm{C}\)) unter Freisetzung von Schwefeloxiden. Der Feststoff ist in der Regel nicht brennbar; allerdings kann er bei Erhitzung mit starken reduzierenden Metallen (z.B. Kalium, Aluminium) reagieren – das Erhitzen mit Aluminium kann eine Explosion verursachen – und einige Formulierungen oder Verunreinigungen (lösliche Bariumsalze) können die Gefährlichkeit erhöhen. Lösliche Verunreinigungen und Umwandlung in besser lösliche Bariumsalze erhöhen das toxische Potenzial systemisch; daher werden Produkte für den inneren medizinischen Gebrauch hergestellt und kontrolliert, um eine Kontamination mit löslichem Barium zu begrenzen.
Molekulare und ionische Parameter
Formel und Molekulargewicht
- Molekulare Formel (berechneter Deskriptor): \(\ce{BaO4S}\)
- Übliche chemische Formel (Mineralnotation): \(\ce{BaSO4}\)
- Molekulargewicht (berechnet): 233,39
Diese Werte basieren auf einer stöchiometrischen Zusammensetzung von einem Bariumatom, einem Schwefelatom und vier Sauerstoffatomen pro Formeleinheit; das Molekulargewicht wird exakt mit 233,39 angegeben.
Bestandteile Ionen
Bariumsulfat dissoziiert in Wasser nur vernachlässigbar, die formalen ionischen Bestandteile sind jedoch das Bariumkation und das Sulfatanion: \(\ce{Ba^2+}\) und \(\ce{SO4^2-}\). In der Praxis werden Mobilität und Bioverfügbarkeit von \(\ce{Ba^2+}\) durch die sehr geringe Löslichkeit des \(\ce{BaSO4}\)-Gitters kontrolliert; für eine signifikante \(\ce{Ba^2+}\)-Lösung ist die Umwandlung in lösliche Bariumsalze oder das Vorhandensein von komplexbildenden Agenzien erforderlich.
Bezeichner und Synonyme
Registry-Nummern und Codes
- CAS: 13462-86-7
- InChI:
InChI=1S/Ba.H2O4S/c;1-5(2,3)4/h;(H2,1,2,3,4)/q+2;/p-2 - InChIKey:
TZCXTZWJZNENPQ-UHFFFAOYSA-L - SMILES:
[O-]S(=O)(=O)[O-].[Ba+2]
(Die oben angegebene CAS-Nummer ist die für diese Substanz im verfügbaren Identifikatorensatz vorgesehene CAS-Bezeichnung. SMILES, InChI und InChIKey sind als Inline-Code dargestellt.)
Synonyme und gebräuchliche Bezeichnungen
Gebräuchliche Namen und Synonyme, die im Ausgangsmaterial erscheinen, umfassen: Baryt; Barit; Bariumsulfat; Barium sulfate; BaSO4; Sulfat, Barium. Diese Bezeichnungen spiegeln sowohl mineralische als auch kommerzielle Nomenklaturen wider, die in Industrie und pharmazeutischem Kontext verwendet werden.
Industrielle und kommerzielle Anwendungen
Funktionale Rollen und Einsatzbereiche
Bariumsulfat fungiert hauptsächlich als Hochdichte-Füllstoff/Verlängerungsmittel, Pigmentverlängerer und röntgendichtes Mittel. Wichtige Anwendungssektoren umfassen die Öl- und Gasbohrung (Beschwerungsmittel in Bohrschlämmen), Farben und Beschichtungen (Verlängerungspigment), Kunststoffe und Gummi (Füllstoff und Entschäumer), Papierbeschichtungen und Druckfarben (Opazifizierer/Weißgradmodifikator), Keramik- und Schwerbetonzusätze zur Strahlungsabschirmung sowie als radiografisches Kontrastmittel (orale und rektale Suspensionen) in der medizinischen Bildgebung. Es wird auch in der Pyrotechnik zur Erzeugung charakteristischer grüner Farben eingesetzt.
Typische Anwendungsbeispiele
- Beschwerungsmittel in Bohrflüssigkeiten für die Erdölindustrie.
- Verlängerer/Füllstoff in öl- und wasserbasierten Farben und Beschichtungen; Bestandteil von Lithopon-Formulierungen.
- Hochdichtes Zuschlagmaterial in Schwerbetonen für Röntgen- oder Strahlenschutz.
- Pharmazeutische Suspensionen (USP/Ph. Eur. Qualitäten) als orale oder rektale Kontrastmittel zur Opazifizierung des Gastrointestinaltrakts bei radiografischer und CT-Bildgebung.
- Füllstoff und Entschäumer in Kunststoffen (Polyolefine, PVC, PET etc.) sowie als Bestandteil von Batterieteller-Expanderstoffen.
Für eine kurze produktbezogene Anwendungsübersicht für Beschaffungs- oder Formulierungsarbeiten erfolgt die Auswahl in der Regel basierend auf der Qualität (z. B. gefällte vs. gewonnene Baryt), Partikelgrößenverteilung, spezifischer Oberfläche und zulässigem Verunreinigungsprofil.
Sicherheits- und Handhabungsübersicht
Gesundheits- und Umweltgefahren
- Einatmen von Staub kann eine gutartige Pneumokoniose (Baritose) verursachen, gekennzeichnet durch radiografische Lungentrübungen mit minimaler funktioneller Beeinträchtigung; wiederholte oder langanhaltende Exposition sollte kontrolliert werden.
- Der Stoff ist im Wesentlichen wasserunlöslich und wird bei oraler oder rektaler Gabe als Diagnostikum bei intaktem Gastrointestinaltrakt nicht in nennenswertem Umfang systemisch resorbiert; medizinische Formulierungen werden zur Kontrolle der löslichen Bariumsalz-Kontamination hergestellt.
- Lösliche Bariumsalze (Verunreinigungen oder Umsetzungsprodukte) sind systemisch toxisch und können Hypokaliämie, Herzrhythmusstörungen, Muskelparalyse und andere akute systemische Effekte verursachen; daher ist die Qualitätskontrolle zur Begrenzung löslicher Bariumgehalte eine kritische Sicherheitsanforderung für medizinische und Lebensmittelkontaktanwendungen.
- Akute Inhalations- oder Einnahmeexpositionen gegenüber Staub oder löslichen Formen können Reizungen von Augen, Nase und oberen Atemwegen verursachen; Aspiration großer Mengen Bariumsulfat-Suspension kann zu Aspirationspneumonitis führen.
- Gemeldete toxikologische Werte umfassen eine sehr niedrige orale Toxizität für unlösliche \(\ce{BaSO4}\)-Formulierungen (LD50 Ratte oral etwa 307.000 mg/kg KG für unlösliche Formen), während lösliche Bariumsalze deutlich toxischer sind.
Berufliche Expositionsgrenzwerte und empfohlene Werte im verfügbaren Material umfassen: zulässiger Expositionsgrenzwert (PEL) TWA \(15,0\ \mathrm{mg}\,\mathrm{m}^{-3}\) (Gesamtstaub) und \(5\ \mathrm{mg}\,\mathrm{m}^{-3}\) (einatembare Fraktion); empfohlener Expositionsgrenzwert (REL-TWA) \(10\ \mathrm{mg}\,\mathrm{m}^{-3}\) (Gesamtkörperbelastung) und \(5\ \mathrm{mg}\,\mathrm{m}^{-3}\) (einatembare Fraktion); Schwellenwertgrenze (TLV-TWA) \(5,0\ \mathrm{mg}\,\mathrm{m}^{-3}\) (inhalierbare Fraktion). Diese Werte dienen als Richtlinie für die Kontrolle luftgetragener Partikel und beziehen sich auf das inert vorliegende feste Material (nicht auf lösliche Bariumverbindungen).
Umweltaspekte: Aufgrund der sehr geringen Löslichkeit und Persistenz von partikulärem Baryt können großflächige Freisetzungen in benthische Lebensräume die Substratzusammensetzung verändern und die Kolonisierung durch benthische Organismen beeinträchtigen; aquatische Toxizitätsdaten zeigen Effekte auf kleine Krebstiere bei hohen Konzentrationen.
Für detaillierte Angaben zu Gefahren, Transport und regulatorischen Anforderungen sollten Benutzer das produktspezifische Sicherheitsdatenblatt (SDS) und die lokale Gesetzgebung konsultieren.
Lagerung und Handhabung
- In dicht verschlossenen Behältern an einem kühlen, gut belüfteten Ort fern von inkompatiblen Stoffen lagern; eine Lagerungsempfehlung aus den Daten lautet: „Lagern bei \(25\ ^\circ\mathrm{C}\) (77 \(^\circ\mathrm{F}\)); Schwankungen zwischen \(15\) und \(30\ ^\circ\mathrm{C}\) (59 bis 86 \(^\circ\mathrm{F}\)) sind zulässig.“
- Staubverbreitung vermeiden: Technische Schutzmaßnahmen (örtliche Absaugung, Staubabscheidung) und Arbeitspraktiken zur Minimierung luftgetragener Partikel sind die primären Kontrollmaßnahmen. Geeignete PSA verwenden: staubdichte Schutzbrillen, Schutzhandschuhe und Schutzkleidung zur Vermeidung wiederholten Hautkontakts sowie Atemschutz bei Überschreitung der Arbeitsplatzgrenzwerte. Augenspül- und Notduscheinrichtungen sollten in Bereichen mit möglicher Exposition vorhanden sein.
- Kontamination mit reduzierenden Metallen (z. B. Kalium, Aluminium) und starken Reduktionsmitteln vermeiden; Erhitzung in Gegenwart solcher Metalle vermeiden. Material von starken Säuren fernhalten, die das Sulfat unter nicht kontrollierten Prozessbedingungen in löslichere oder reaktive Spezies umwandeln könnten.
- Bei Verschütten: Staubwolken vermeiden, durch Kehren oder Absaugen in gekennzeichnete Behälter aufnehmen und gegebenenfalls vor der Reinigung leicht anfeuchten, um Staubbildung zu reduzieren. Entsorgung gemäß lokalen Abfallvorschriften; bei vorhandener löslicher Bariumkontamination sollte der Abfall als potenziell gefährlich behandelt und verwaltet werden.
Für produktspezifische sichere Handhabung, Notfallmaßnahmen und Transporthinweise konsultieren Sie das Sicherheitsdatenblatt des Herstellers sowie geltende Transportvorschriften.
