A bárium-fluorid egy szervetlen vegyület, a bárium fluorral alkotott sója, melynek képlete BaF2. Színtelen vagy fehér, kristályos anyag, amely a természetben egy ritka ásvány, a frankdicksonit formájában fordul elő. Standard körülmények között a fluorithoz hasonló köbös kristályrácsban kristályosodik, amely nagy nyomáson az ón(II)-kloridhoz hasonló ortorombos szerkezetté alakul. Mivel a bárium-fluorid rendkívül széles hullámhossztartományban átlátszó, emiatt optikai célokra, például infravörös spektroszkópiában ablakok készítésére használják.
Tulajdonságai Fizikai tulajdonságok A bárium-fluorid viszonylag nagy felületi keménységgel rendelkezik (Knoop-keménység: 78 kg/mm2, Mohs-keménység: 3), viszont rideg és könnyen törik, hajlítási szilárdsága mindössze 27 MPa, ezért óvatos kezelést igényel.
Más alkáliföldfém-fluoridokhoz hasonlóan, magasabb hőmérsékleten a bárium-fluorid is szilárdelektrolitként, más néven szuperionos vezetőként viselkedik. Ez azt jelenti, hogy melegítés során, még mielőtt az anyag elérné az olvadáspontját, a fluoridionok szabályos szerkezete felbomlik, és szabadon tudnak mozogni a báriumionok által alkotott rácsban, miközben az anyag makroszkopikusan megőrzi szilárd halmazállapotát. A bárium-fluorid esetén a kritikus hőmérséklet, ahol ez az átalakulás megtörténik 970 °C, vagyis 375 °C-kal az anyag olvadáspontja alatt.
Szerkezet A bárium-fluorid a kalcium-fluoridhoz és a stroncium-fluoridhoz hasonlóan köbös fluorit-szerkezetben kristályosodik. Ebben a szerkezetben a báriumionok nyolcas koordinációs számmal egy kocka középpontjában helyezkednek el, melyek minden csúcsában egy fluoridion található. A fluoridionok pedig négyes koordinációs számmal egy-egy báriumionok által alkotott tetraéder központjában helyezkednek el. A szerkezet a báriumra nézve lapon centrált köbös rácsnak tekinthető, amelyben a tetraéderes térközöket fluoridionok foglalják el.
A fluorit szerkezet mellett két nagynyomású szerkezete is ismert a bárium-fluoridnak: 3 GPa nyomás fölött ortorombos ón(II)-kloridhoz hasonló szerkezetté alakul, amelyben a báriumionok kilences koordinációs számmal vesznek részt. Ilyen kristályszerkezetet alkot a bárium többi halogenidje is. Egy további fázisátalakulás figyelhető meg 12 GPa nyomás fölött, ahol a bárium-fluorid hexagonális szerkezetűvé alakul. Ebben a szerkezetben a báriumionok 11-es koordinációs számmal vesznek részt.J. M. Leger, J. Haines, A. Atouf, O. Schulte: High-pressure x-ray- and neutron-diffraction studies of BaF2: An example of a coordination number of 11 in AX2 compounds. In: Phys. Rev. 1995, B 52, S. 13247–13256, .
Gázfázisban a bárium-fluorid monomer molekulák szerkezete a várakozásokkal ellentétben nem lineáris, hanem 108°-os szögben hajlított, amely látszólag ellentmond a vegyértékelektronpár-taszítási elméletnek. Ab initio számítások szerint a vegyértékhéj alatti d-elektronpályák hatása felelős a hajlított szerkezet kialakulásáért.
Optikai tulajdonságok A bárium-fluorid a fény széles spektruma számára átlátszó, az infravörös tartománytól kezdve az ultraibolya tartományig, körülbelül 150–200 nm-es hullámhossztól kezdve egészen 11–11.5 μm-es hullámhosszig. E tulajdonsága miatt széles körben alkalmazzák infravörös spektroszkóméterek optikai ablakainak alapanyagaként. A bárium-fluorid transzmittanciája 200 nm-en viszonylag alacsony (0,60), de ez 500 nm-en már 0,96–0,97-es értékre emelkedik, amelyet 9 μm-ig tart, majd ennél nagyobb hullámhosszakan drasztikusan csökkenni kezd (0,85 10 μm-en és 0,42 for 12 μm-en). A törésmutató értéke 1,46 700 nm és 5 μm között.
A bárium-fluorid emellett az egyik leggyorsabb szcintillátor a röntgen-, gamma- vagy más nagy energiájú sugárzások detektálására. Egyik felhasználási területe az 511 keV energiájú gamma-fotonok detektálása a pozitronemissziós tomográfiában. Alfa- és béta-részecskékre is reagál, de más szcintillátorokkal ellentétben ebben az esetben UV-fényt bocsát ki. A bárium-fluorid nagy energiájú (10–150 MeV) neutronok detektálására is alkalmas, ebben az esetben jelalakdiszkrimináció segítségével különböztethetők meg a szimultán fellépő gamma-fotonoktól.
Előállítása Optikai célra történő felhasználás esetén nagy tisztaságú bárium-fluorid egykristályra van szükség, ugyanis már mindössze 10 ppm mennyiségű kalcium vagy stroncium szennyezés jelentősen rontja az anyag formázhatóságát. Erre egy megfelelő módszer bárium-nitrátot alkalmaz kiindulási anyagként, melyet salétromsav jelenlétében kristályosítanak, hogy ezzel eltávolítsák a kalcium- és stronciumionokat, amelyek oldatban maradnak. A bárium-nitrátot ezután ammónium-karbonáttal reagáltatva bárium-karbonát kristályokat kapnak, amelyek mivel nem oldódnak, kicsapódnak az oldatból:
Ba(NO3)2 + (NH4)2CO3 → BaCO3 + 2 NH4NO3
Az így nyert bárium-karbonáthoz ezután hidrogén-fluoridot adnak, az így keletkező bárium-fluorid kristályokat pedig ammónium-fluorid jelenlétében 750–900 °C hőmérsékleten inert atmoszférában kalcinálják:
BaCO3 + 2 HF → BaF2 + H2O + CO2
Az így előállított nagytisztaságú BaF2-ból olvadék-kristályosítással növesztenek optikai célra használható egykristályt.
Fordítás
Jegyzetek
Források
Kategória:Szervetlen báriumvegyületek Kategória:Fluoridok