元素

56 钡 X射线造影剂的元素

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/cm 
熔点 725°C
沸点 1600°C
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

 

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