56 钡 X射线造影剂的元素

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2019/4/23
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Author:Peng Li

本文作者漂泊

钡是一种重金属元素，由于它能与X射线作用辐射出特征X射线，因此硫酸钡悬浊液被用作医用X射线造影剂，对消化道疾病的检查判断起到了重要作用。而由于钡焰色反应的特征绿色，因此硝酸被被用于制造绿色焰火；钛酸钡则是一种重要的压电陶瓷材料。

钡的基本物理性质

分类	第ⅡA族▪金属
原子序号・原子量	56(137.327)
电子配置	6s²
密度	3.51g/cm³
熔点	725°C
沸点	1600°C
色・形状	银白色金属
丰度	22ppm（地壳）
发现者	H.Davy
主要的同位素	¹³⁰Ba,¹³²Ba,¹³⁴Ba,¹³⁵Ba,¹³⁶Ba,¹³⁷Ba,¹³⁸Ba
用途例	钡餐，绿色焰火，钛酸钡压电陶瓷，颜料
前后的元素	铯-钡-镧

钡的发现

1602年，意大博洛尼亚的一位制鞋工人V. Casciorolus将一种重晶石（含有硫酸钡）与可燃物质一起焙烧后发现它在黑暗中发光，这一现象引起了欧洲化学家的兴趣。

1774年，瑞典化学家舍勒发现重晶石中含有一种新元素，但是他无法分离出该元素，只是分离出了该元素的氧化物。1776年，Johan Gottlieb Gahn在类似的研究中也分离出了这种氧化物。氧化钡最开始被Guyton de Morveau称之为barote，后来被Antoine Lavoisier改名为baryta（重土）。1808年，英国化学家戴维用汞作阴极，铂作阳极，电解重晶石(BaSO4)制得钡汞齐，经蒸馏去汞后，得到一种纯度不高的金属，并定名为barium（钡）。这个名字来源于希腊文βαρύς （barys），原意是“重的”。^[1-3]

金属钡

钡餐

我们肠胃不舒服，在医院检查时，有时医生会建议我们做一个消化道造影，这个时候就需要口服钡餐。钡餐是是什么呢？它是以硫酸钡悬浊液为主的造影剂（其中不含有氯化钡、硫化钡和碳酸钡等可溶性钡化合物），在X射线照射下能显示消化道有无病变。由于硫酸钡不溶于水和脂质，因此它不会被胃肠道黏膜吸收，因此对人基本无毒性，也不会有过敏反应。口服钡餐可对整个消化道，尤其是上消化道进行更清晰的放射性检查。

为什么需要口服钡餐再进行X射线造影检查呢？这是由于人体各种器官、组织的密度和厚度不同，所以显示出黑白的自然层次对比。但在人体的某些部位，尤其是腹部，因为内部好几种器官、组织的密度大体相似，难以区分，因此必须导入一些对人体无害的造影剂。口服钡餐后，消化道的轮廓可以清晰的显示出来，对于钡这类重元素而言，它在与X射线作用时会发生光电效应，辐射出的特征X射线可以穿过人体组织到达胶片形成灰雾，人为地提高显示对比度，因此口服钡餐造影剂才能使检查达到更加理想的检查效果。^[3-5]

钡餐造影

重晶石

重晶石是钡元素的最常见矿物，它的成分为硫酸钡。产于低温热液矿脉中，如石英-重晶石脉，萤石-重晶石脉等，常与方铅矿、闪锌矿、黄铜矿、辰砂等共生。重晶石亦可产于沉积岩中，呈结核状出现，多存在于沉积锰矿床和浅海的泥质、砂质沉积岩中。纯重晶石显白色、有光泽，由于杂质及混入物的影响也常呈灰色、浅红色、浅黄色等，结晶情况相当好的重晶石还可呈透明晶体出现。重晶石化学性质稳定，不溶于水和盐酸，无磁性和毒性。它属正交晶系，常呈厚板状或柱状晶体，多为致密块状或板状、粒状集合体。

重晶石作为一种重要的矿物也具有很多用途。用它加工而成的锌钡白颜料是一种常用的优质白色颜料，可作为油漆、绘画颜料的原料，俗称“立德粉”。锌钡白颜料在室内使用与铅白、镁白相比具备更多的优点。将BaSO₄加热，使用还原剂就可还原得到BaS，然后与ZnSO₄反应得到的BaSO₄和ZnS的混合物（BaSO₄占70%，ZnS占30%）即为锌钡白颜料。制取锌钡白的重晶石要求BaSO₄含量大于95%，同时应不含有可见的有色杂物。在制造白色油漆时，所用重晶石则要求有足够的细度和较高的白度。

重晶石的另一个重要用途是作为钻井泥浆加重剂，在一些油井、气井钻探时，一般使用的钻井泥浆、粘土比重为2.5左右，由于比重较低，故有时泥浆重量不能与地下油、气压力平衡，则造成井喷事故。在地下压力较高的情况下，就需要增加泥浆比重，往泥浆中加入重晶石粉是增加泥浆比重的有效措施。做钻井泥浆用的重晶石一般细度要达到325目以上，如重晶石细度不够则易发生沉淀。钻井泥浆用重晶石要求比重大于4.2，BaSO₄含量不低于95%，可溶性盐类小于1%。

此外，重晶石也用作水泥矿化剂，在水泥生产中采用重晶石、萤石复合矿化剂掺入可以使水泥的早期强度提高大约20～25%，后期强度提高大约10%。在白水泥生产中，采用重晶石、萤石复合矿化剂后，可以使烧成温度从1500℃降至1400℃，大大降低游离CaO含量，提高强度和白度。在以煤矸石为原料的水泥生料中加入适量的重晶石，可使熟料饱和比低的水泥强度，特别是早期强度得到大幅度的提高，这就为煤矸石的综合利用，为生产低钙、节能、早强和高强水泥提供了一条有益途径。由于重晶石具有吸收X射线的性能，因此可以利用重晶石制做钡水泥、重晶石砂浆和重晶石混凝土，用以代替金属铅板屏蔽核反应堆和建造科研、医院防X射线的建筑物。钡水泥是以重晶石和粘土为主要原料，经烧结得到以硅酸二钡为主要矿物组成的熟料，再加适量石膏，共同磨细而成。比重较一般硅酸盐水泥高。由于钡水泥比重大，可与重质集料（如重晶石）配制成均匀、密实的防X射线混凝土。做防射线砂浆及混凝土的重晶石，BaSO4含量应不低于80%，其中含有的石膏、黄铁矿、硫化物和硫酸盐等杂质不得超过7%。

除此之外，重晶石还可用作油漆、橡胶、塑料的填料。在油漆工业中，重晶石粉填料可以增加漆膜厚度、强度及耐久性。而在橡胶和塑料工业中，则可以提高橡胶和塑料的硬度、耐磨性及耐老化性。

金属钡主要也是从重晶石中提取的。^[5-6]

重晶石

钡的其他应用

除了用途最为广泛的硫酸钡，钡的其他化合物也具备非常重要的用途：

碳酸钡可以用作陶器釉料。当釉中含有碳酸钡时，它会形成粉红色、紫红色。此外，它也是光学玻璃的重要原料，碳酸钡会向玻璃中引入BaO，从而增大玻璃的折光率，并改善其光学性能。

钛酸钡则是钛酸盐系列电子陶瓷的基础母体原料，被称为电子陶瓷业的支柱。钛酸钡具有高介电常数、低介电损耗，优良的铁电、压电、耐压和绝缘性等性能，被广泛应用到陶瓷敏感元件，尤其是正温度系数热敏电阻(PTC)、多层陶瓷电容器(MLCCS)、热电元件、压电陶瓷、声纳、红外辐射探测元件、晶体陶瓷电容器、电光显示板等一些列电子元件当中。

钇钡铜氧则是一种重要的高温超导材料。

由于钡的焰色反应为绿色，因此钡的一些化合物如硝酸钡常用于制造烟火和信号弹。高锰酸钡则是一种绿色颜料。

此外，由于钡是一种重金属元素，因此钡离子会使得蛋白质凝聚，故可溶性钡盐也被用作杀虫剂，如氯化钡就是一种用途广泛的农用杀虫剂。^[7-9]

钛酸钡压电陶瓷钡元素造成的绿色烟花

参考文献

[1]Kresse, Robert; Baudis, Ulrich; Jäger, Paul; Riechers, H. Hermann; Wagner, Heinz; Winkler, Jocher; Wolf, Hans Uwe (2007). “Barium and Barium Compounds”. In Ullman, Franz.Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH.doi:10.1002/14356007.a03_325.pub2.
[2]The history and use of our earth’s chemical elements: a reference guide. Greenwood Publishing Group. p. 80.ISBN 0-313-33438-2.
[3] Davy, H. (1808) “Electro-chemical researches on the decomposition of the earths; with observations on the metals obtained from the alkaline earths, and on the amalgam procured from ammonia,”Philosophical Transactions of the Royal Society of London, vol. 98, pp. 333–370.
[4]袁维堂，刘金波，杨会锋等.少量钡餐胃肠传输功能检查及其临床意义．《中国医师进修杂志》， 2006
[5]Lide, D. R. (2004).CRC Handbook of Chemistry and Physics(84th ed.). Boca Raton (FL): CRC Press.ISBN 978-0-8493-0484-2.
[6]Jones, Chris J. & Thornback, John (2007).Medicinal applications of coordination chemistry. Royal Society of Chemistry. p. 102.ISBN 0-85404-596-1.
[7]Russell, Michael S. & Svrcula, Kurt (2008).Chemistry of Fireworks. Royal Society of Chemistry. p. 110.ISBN 0-85404-127-3.
[8] Wadhawan, Vinod K. (2000). Introduction to ferroic materials. CRC Press. p. 740.ISBN 978-90-5699-286-6.
[9]Wu, M.; Ashburn, J.; Torng, C.; Hor, P.; Meng, R.; Gao, L.; Huang, Z.; Wang, Y.; Chu, C. (1987). “Superconductivity at 93 K in a New Mixed-Phase Y-Ba-Cu-O Compound System at Ambient Pressure”.Physical Review Letters.58(9): 908–910.Bibcode:1987PhRvL..58..908W.doi:10.1103/PhysRevLett.58.908.PMID 10035069.