鋇

鋇（Barium；源於βαρύς，轉寫為barys，直譯為重的），是一種化學元素，其化學符號為鋇，原子序數為56，原子量為137.327u。鋇是元素週期表中2A族的第五個元素，是一種柔軟的有銀白色金屬光澤的鹼土金屬。由於它的化學性質十分活潑，從來沒有在自然界中發現鋇單質。

鋇在自然界中最常見的礦物是重晶石（硫酸鋇，BaSO4）和毒重石（碳酸鋇，BaCO3），二者皆不溶於水。它在1774年被確認為一個新元素，但直到1808年電解法發明不久後才被歸納為金屬元素。

鋇金屬在工業上只有少量應用，過去曾用它作為真空管中的吸氣劑。鋇是YBCO（一種高溫超導體）和電瓷的成分之一，也可以被添加進鋼中來減少金屬構成中碳顆粒的數量。鋇的化合物用於製造煙火中的綠色。硫酸鋇作為一種不溶的重添加劑被加進鑽井液中，而在醫學上則作為一種X光造影劑。可溶性鋇鹽因為會電離出鋇離子所以有毒，因此也被用做老鼠藥。

## 特徵

### 物理性質

鋇是一種軟的銀白色金屬，在極純時稍帶有金色。鋇金屬的銀白色會因在空氣中氧化而快速消失，產生一層暗灰色的氧化層。

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鋇有中等的單位重和良好的導電性。極純的鋇非常難以製備，所以鋇的很多特性還未能準確的測量。

在室溫與常壓下，鋇呈立方晶系，鋇原子間的距離為503皮米，並在每秒1.8-5 °C的加熱速度下膨脹。它是一種非常軟的金屬，其摩氏硬度為1.25。它的熔點為1000K，介於鍶的1050K與鐳的973K之間。但是它的沸點2170K超過了鍶的沸點1655K。它的密度（3.594 g·cm−3）仍然在鍶的（2.582 g·cm−3）和鐳的（5.5 g·cm−3）之間。

### 化學性質

鋇的化學性質與鎂、鈣和鍶相似。在大多數情況下，鋇的氧化態為+2。氧化態為+1的鋇（例如BaF）很罕見且不穩定，僅在氣相中得到表徵。不過，一些含有鋇(I)的石墨層間化合物是已知的。由於鋇單質可與氧族元素發生反應放出大量熱量，為了防止與空氣中的氧氣發生反應，鋇單質一般儲存於油或惰性氣體中。

鋇單質在加熱時亦可與其它非金屬單質發生放熱反應。鋇也可以與水或醇發生反應放出氫氣：

Ba + 2 ROH → Ba(OR)2 + H2↑ （R代表烷基或氫原子）

鋇可以與氨發生反應形成配合物，如Ba(NH3)6。

鋇易與酸發生反應生成鹽。鋇遇硫酸時會反應生成不溶於水的硫酸鋇並以顆粒的形式從金屬表面剝落，因此這並不能長久的保護金屬免受腐蝕。鋇可以與鋁、鋅、鉛、錫等金屬形成金屬互化物及合金。

### 化合物

鋇離子沒有特別的顏色，因此鋇鹽通常顯白色，其溶液為無色。鋇鹽的密度通常比同類的鈣鹽和鍶鹽更大，參見下表。（表中鋅鹽供對比參考）

O2-｜S2-｜F-｜Cl-｜SO42-｜CO32-｜O22-｜H-

Ca2+ ｜3.34｜2.59｜3.18｜2.15｜2.96｜2.83｜2.9｜1.7

Sr2+ ｜5.1｜3.7｜4.24｜3.05｜3.96｜3.5｜4.78｜3.26

Ba2+ ｜5.72｜4.3｜4.89｜3.89｜4.49｜4.29｜4.96｜4.16

Zn2+ ｜5.6｜4.09｜4.95｜2.09｜3.54｜4.4｜1.57

鍊金術士最早通過加熱碳酸鋇得到氫氧化鋇。與氫氧化鈉不同，氫氧化鋇溶液吸收二氧化碳後,碳酸鋇會以沉澱形式析出，因此常用於校準pH檢測設備。

### 同位素

鋇有40種已知的同位素，質量數介於114和153之間，其中有6種是穩定的（鋇-132、134至138），其他都具有放射性。

在地殼中可以找到7種鋇的同位素，分別是穩定的鋇-132、134至138和具微弱放射性的鋇-130。其同位素質量越小，豐度越低。在所有穩定同位素中，豐度最高的是鋇-138，占自然界中鋇的71.7%。鋇-130會發生雙正β衰變緩慢衰變成氙-130，半衰期長達(0.5–2.7)×1021年（約為宇宙年齡的1011倍），其豐度約占天然鋇的0.1%。理論上，鋇-132亦可藉由雙β衰變轉變成氙-132，但尚未觀測到其發生。這兩種同位素的放射性都微乎其微，不會對生命構成任何威脅。

最穩定的人造放射性同位素是鋇-133，半衰期約為10.51年。其他人造同位素中有五種的半衰期超過一天。鋇有10個亞穩態同核異構體，其中以鋇-133m1最為穩定，半衰期約39小時。

## 歷史

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中世紀初，鍊金術士即對一些鋇礦石有所了解。在義大利博洛尼亞發現的一些被稱為「博洛尼亞石」的平滑卵石狀重晶石塊曾得到鍊金術士的注意，因為這些礦石在受到光照後會發光數年。1602年，卡西奧勞羅（V. Casciorolus）描述了這種用有機物加熱重晶石發出磷光的性質。

1774年，卡爾·威廉·舍勒發現重晶石中含有一種未發現的新元素，但無法分離提純這種元素，只能得到它的氧化物，即氧化鋇。兩年後，約翰·戈特利布·甘恩也在相同的研究中得到了氧化鋇。氧化鋇最早被Louis-Bernard Guyton de Morveau稱作「barote」，後來被拉瓦錫改作「baryta」。同在18世紀，英國礦物學家威廉·威靈寧在坎伯蘭的鉛礦中注意到一種沉重的礦物，現在稱為毒重石，其主要成分為碳酸鋇。1808年，漢弗里·戴維首次通過電解熔融的鋇鹽分離鋇單質。戴維通過與鈣類似的命名方法，用重晶石（baryta）的名稱加上表示元素的後綴-ium來命名鋇（barium）。羅伯特·本生與奧古斯都·馬修森通過電解氯化鋇和氯化銨的熔融混合物來獲得純鋇。

在20世紀初的液化空氣電解分餾技術出現之前，從1880年代開始，純氧一般通過過氧化鋇的分解來生產。此方法的原理是，將氧化鋇在空氣中加熱到500-生成過氧化鋇，然後將過氧化鋇加熱到700C以上分解釋放氧氣：

2 BaO + O2 ⇌ 2 BaO2

從1908年開始，硫酸鋇被用作X光檢測消化系統時使用的造影劑。

## 生產

鋇在地殼中的含量為0.0425％，海水中為13μg/ L。鋇的生產主要依靠世界各地的硫酸鋇礦物重晶石。鋇也可以通過碳酸鋇礦物毒重石來生產，此類礦物主要儲藏於英國、羅馬尼亞和前蘇聯。

重晶石的估計儲量在0.7至20億噸之間。重晶石的年產量最大為1981年的830萬噸。自1990年代下半葉開始，重晶石生產從1996年的560萬噸增加到2005年的7.6％，在2011年達到7.8％。中國占重晶石產量的50％以上，其次是印度（2011年為14％）、摩洛哥（8.3％）、美國（8.2％）、土耳其（2.5％）、伊朗和哈薩克斯坦（各占2.6％）。

開採出的礦石需要經過洗滌、粉碎、分類，並與石英分離。如果石英滲入礦石過深，或者礦石中鐵、鋅、鉛含量過高，則須使用泡沫浮選法處理。最終得到的產物是質量分數98%的重晶石，純度不低於95%，且鐵和二氧化矽含量極少。隨後使用碳還原硫酸鋇：

BaSO4 + 2 C → BaS + 2 CO2↑

生成了水溶性的硫化鋇之後，便可以作為其它產品的原料：與氧反應得到硫酸鋇，與硝酸生成硝酸鋇，與二氧化碳生成碳酸鋇等。硝酸鋇加熱分解可以產生鋇的氧化物。金屬鋇可以用氧化鋇在1100C下與鋁反應得到。其中首先生成金屬互化物BaAl4：

3 BaO + 14 Al → 3 BaAl4 + Al2O3

BaAl4是與氧化鋇反應生成金屬的中間產物。注意並非全部鋇元素都被還原。

8 BaO + BaAl4 → Ba↑ + 7 BaAl2O4

剩餘的氧化鋇與生成的氧化鋁反應：

BaO + Al2O3 → BaAl2O4

總反應為：

4 BaO + 2 Al → 3 Ba↑ + BaAl2O4

鋇蒸氣在氬氣氣氛中冷凝並裝入模具中。這種方法在商業上用於生產超純鋇。通常市面上出售的鋇純度約99％，主要雜質為鍶和鈣（含量達到0.8％和0.25％），而其他雜質成分小於0.1％。

硫酸鋇與矽在1200C下亦可發生類似的反應得到鋇和偏矽酸鋇。但工業上一般不會使用電解法，因為鋇易溶於熔融的鹵化物，並且產物純度較低。

### 寶石

藍錐礦為鋇礦物，是一種非常罕見的藍色螢光寶石，被其發現地加利福尼亞州定為州石。

## 應用

### 金屬單質及其合金

鋇單質或鋇鋁合金可用於吸收真空管（如電視顯像管）中的多餘氣體。鋇因其氧氣，氮氣，二氧化碳和水的蒸氣壓和反應度較低而適用於此目的。它甚至可以通過溶解於在晶格中來部分去除惰性氣體。隨著液晶顯示器和等離子顯示器的日益普及，這種應用現在已較少見。

鋇單質的其他用途較少見。其中包括：

- 添加於矽鋁合金中以優化其結構。
- 用作軸承合金。
- 添加到鉛錫焊料合金中增加抗蠕變性。
- 添加於用於火花塞的鎳合金。
- 添加到鋼和鑄鐵中作為孕育劑;
- 與鈣、錳、矽和鋁組成合金，用作高級鋼脫氧劑。

### 硫酸鋇和重晶石

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在石油工業中，硫酸鋇有十分重要的用途，常用於石油和天然氣井中的鑽井液。其沉澱（稱為「blanc fixe」，源於法語「永久的白色」）可用於油漆、墨水、塑料或橡膠中，或作為紙張塗料。也可用於納米顆粒中以改善某些聚合物（如環氧樹脂）的物理性質。

硫酸鋇的毒性較低而密度較大，約為4.5 g/cm3，因此對X光不透明。因此，硫酸鋇被用作消化道X光成像中的放射性造影劑（稱作「鋇餐」）。立德粉，也稱作鋅鋇白，是一種含有硫酸鋇和硫化鋅的具有良好遮蓋力的永久性白色色素，即使暴露於硫化物中時也不會變暗。

### 其它鋇化合物

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與不溶於水的硫酸鋇不同，由於溶液中的鋇離子Ba2+具有毒性（例如碳酸鋇是一種老鼠藥），許多鋇化合物的應用受到了一定限制。

- 螢光燈電極上的氧化鋇塗層有利於電子的釋放。
- 由於原子密度較大，碳酸鋇提高了玻璃的折射率和光澤，並可減少陰極射線管（CRT）電視機的X射線洩漏。
- 加入硝酸鋇可使煙花變為黃色或蘋果綠；使用一氯化鋇則變為亮綠色。
- 過氧化鋇可用於焊接軌道的鋁熱劑中作為催化劑。它也用於曳光彈中以產生綠色光暈。
- 鈦酸鋇是一種很有前景的電子陶瓷。
- 氟化鋇因其0.15-12微米的寬透明度範圍，常用於紅外應用中的光學器件。
- 釔鋇銅氧（YBCO）是第一個用液氮冷卻的高溫超導體，因為其轉變溫度為93K，超過了氮的沸點（77K）。
- 鐵氧體是一種由氧化鐵（Fe2O3）和氧化鋇（BaO）組成的燒結陶瓷材料，絕緣同時又具有亞鐵磁性，可以被暫時或永久性磁化。

## 毒性

由於金屬鋇的高反應性，其毒理性數據僅適用於其化合物。

水溶性的鋇化合物有毒。低劑量下的鋇離子可以作為肌肉興奮劑，而較高劑量下鋇離子則會影響神經系統，導致心率不整、發抖、虛弱、焦慮、呼吸困難甚至癱瘓。這種毒性可能來源於鋇離子阻斷了對神經系統至關重要的鉀離子通道。水溶性的鋇化合物（鋇離子）還可以導致其他器官即眼睛、免疫系統、心臟、呼吸系統和皮膚受到損害，如失明或致敏。

鋇元素不會致癌，也不會生物累積。含有不溶性鋇化合物的吸入粉塵在肺部積聚，會導致稱為鋇塵肺的良性病症。硫酸鋇不溶於水，因此是無毒的，在交通運輸中不屬於危險品。

為避免可能發生劇烈的化學反應，金屬鋇通常保存於氬氣氛中或礦物油下。與空氣直接接觸可能導致自燃。儲存時應避免受潮、摩擦、受熱、火花、火焰、衝擊、靜電以及與氧化劑或酸接觸。任何可能與鋇直接接觸的物體都應該先接地處理。使用金屬鋇的人員應該穿著預先清潔過的無火花鞋、防火橡膠衣服、橡膠手套、圍裙、護目鏡和防毒面具。禁止在工作場所吸菸。操作後需要進行徹底清洗。

## 參見

- 矽酸銅鋇：古代中國使用的合成鋇銅矽酸鹽顏料。
- 張培善石（BaFCl）：近年新發現的鹵化鋇礦物。