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バリウムは化学元素であり、元素記号はBa、原子番号は56です。第2族に属する5番目の元素で、柔らかく銀白色のアルカリ土類金属です。化学反応性が非常に高いため、バリウムは自然界に単体として存在することはありません。
バリウムの最も一般的な鉱物は、重晶石（硫酸バリウム、BaSO₄ ）と炭酸バリウム（炭酸バリウム、BaCO₃ ）です。バリウムという名前は、ギリシャ語のβαρὺς（barys ）に由来する錬金術の派生語「baryta」に由来し、「重い」という意味です。baricはバリウムの形容詞形です。バリウムは1772年に新元素として発見されましたが、電気分解の登場により1808年まで金属に還元されませんでした。
バリウムの工業用途は限られています。歴史的には、真空管のゲッターとして、また酸化物の形で間接加熱式陰極の発光コーティングとして使用されてきました。高温超伝導体であるYBCOや電気セラミックスの成分であり、鋼鉄や鋳鉄に添加することで微細構造内の炭素粒子のサイズを小さくします。バリウム化合物は花火に添加され、緑色を発色させます。硫酸バリウムは、油井掘削液の不溶性添加剤として使用されます。より純粋な形では、ヒトの消化管を画像化するためのX線造影剤として使用されます。水溶性のバリウム化合物は有毒であり、殺鼠剤として使用されてきました。
バリウムは柔らかい銀白色の金属で、超高純度ではわずかに金色を帯びる。[ 9 ]： 2バリウム金属の銀白色は空気中で酸化されると急速に消失し、酸化物を含む暗灰色の層が現れる。バリウムは中程度の比重と高い電気伝導率を持つ。バリウムは精製が難しいため、その多くの性質は正確には解明されていない。[ 9 ]： 2
室温・常圧下では、金属バリウムは体心立方構造をとり、バリウム原子間の距離は503ピコメートルで、加熱により約1.8 × 10⁻⁶の割合で膨張する。−5 /°C。[9]:2モース硬度1.25の軟らかい金属です。 [ 9 ] : 2融点は1,000 K (730 °C; 1,340 °F) [ 10 ] : 4–43で、軽いストロンチウム ( 1,050 Kまたは780 °Cまたは1,430 °F ) [ 10 ] : 4–86と重いラジウム ( 973 Kまたは700 °Cまたは1,292 °F )の中間です。[ 10 ] : 4–78しかし、その沸点2,170 K（1,900 °C、3,450 °F）はストロンチウム（ 1,655 K、1,382 °C、2,519 °F）を上回る。 [ 10 ] : 4–86密度（3.62g/cm³） [ 10 ] : 4–43は、ストロンチウム（2.36g/cm³） [ 10 ] : 4–86とラジウム（約5g/cm³） [ 10 ] : 4–78の中間値である。
バリウムはマグネシウム、カルシウム、ストロンチウムと化学的に類似していますが、反応性はより高いです。その化合物はほぼ例外なく+2の酸化状態にあります。電気陽性度の高い金属であるため、バリウムとカルコゲンとの反応は非常に発熱的です（エネルギーを放出します）。バリウムは室温で空気中の酸素と反応します。このため、金属バリウムはしばしば油中または不活性雰囲気下で保管されます。[ 9 ]： 2炭素、窒素、リン、ケイ素、水素などの他の非金属との反応は加熱によって進行します。[ 9 ]： 2-3水やアルコールとの反応も発熱的で、水素ガスを放出します。[ 9 ]： 3
バリウムはアンモニアと反応してエレクトライド[ Ba(NH3 ) 6 ] (e− ) 2を生成し、室温付近でアミドBa(NH2 ) 2を生成する。[ 11 ]
この金属は酸によって容易に侵される。硫酸は例外で、不動態化により表面に不溶性の硫酸バリウムが形成されて反応が停止する。 [ 12 ]バリウムはアルミニウム、亜鉛、鉛、スズなど他のいくつかの金属と結合して金属間化合物や合金を形成する。[ 13 ]
バリウム塩は通常、固体では白色で、溶解すると無色になります。[ 14 ]バリウム塩はストロンチウムやカルシウムの類似体よりも密度が高いです（表を参照。比較のために亜鉛も示しています）。
水酸化バリウム（「バリウム」）は錬金術師に知られており、炭酸バリウムを加熱することで製造されていた。水酸化カルシウムとは異なり、水溶液中で二酸化炭素をほとんど吸収しないため、大気変動の影響を受けにくい。この性質はpH測定器の校正に利用されている。
バリウム化合物は緑色から淡緑色の炎で燃焼し、これはバリウム化合物を検出するのに有効な試験法である。この色は、455.4、493.4、553.6、および611.1 nmのスペクトル線に起因する。 [ 9 ]： 3
有機バリウム化合物は、知識が拡大しつつある分野であり、最近ではジアルキルバリウムやアルキルハロバリウムが発見されている。[ 9 ]： 3
地殻中に存在するバリウムは、バリウム130、132、134～138の7つの原始核種の混合物です。バリウム130は、二重ベータプラス崩壊によってキセノン130に非常にゆっくりとした放射性崩壊を起こし、半減期は(0.5～2.7)× 10²¹年（宇宙の年齢の約10¹¹倍）です。その存在量は、天然バリウムの約0.11%です。バリウム132も理論的には同じ崩壊を起こしてキセノン132を生成する可能性がありますが、実験的証拠ではこれを検出していません。
安定同位体のうち、バリウム138は全バリウムの71.7%を占めています。他の同位体は質量数が減少するにつれて存在量が減少します（ただし、p核である130Baと132Baについては逆転現象が起こる可能性があります）。
バリウムには、質量が114から154の範囲にある既知の同位体が合計41種類あります。最も安定な人工放射性同位体はバリウム133で、半減期は10.538 年です。他の5つの同位体は半減期が1日以上です。最も寿命の長い異性体は、半減期が38.90時間の133mBaと28.11時間の135m1Baです。類似の137m1Ba （半減期2.552分）は、一般的な核分裂生成物であるセシウム137の崩壊で発生します。
中世初期の錬金術師たちは、いくつかのバリウム鉱物について知っていました。イタリアのボローニャ近郊の火山岩から、滑らかな小石状の重晶石が発見され、「ボローニャ石」と呼ばれていました。錬金術師たちは、光に当てると何年も光り続けることから、これらの石に魅了されました。[ 16 ]重晶石を有機物とともに加熱した際の燐光性は、1602年にV. Casciorolusによって記述されました。[ 9 ] : 5
カール・シェーレは1772年に重晶石に新元素が含まれていることを突き止めたが、バリウムを単離することはできず、酸化バリウムしか単離できなかった。ヨハン・ゴットリープ・ガーンも2年後に同様の研究で酸化バリウムを単離した。酸化バリウムは当初、ギトン・ド・モルヴォーによって「バロット」と呼ばれ、アントワーヌ・ラヴォアジエによってフランス語で「バライト」、ラテン語で「バリタ」に改名された。また18世紀には、イギリスの鉱物学者ウィリアム・ウィザリングがカンバーランドの鉛鉱山で重鉱物を発見し、現在ではウィザライトとして知られている。バリウムは1808年にイギリスのハンフリー・デービー卿によって溶融バリウム塩の電気分解によって初めて単離された。[ 17 ]デービーはカルシウムとの類推から、金属元素を意味する語尾「-ium」を付けて「バリウム」をバリタにちなんで命名した。[ 16 ]ロベルト・ブンゼンとアウグストゥス・マティッセンは、塩化バリウムと塩化アンモニウムの溶融混合物を電気分解して純粋なバリウムを得た。[ 18 ] [ 19 ]
ブリン法による純酸素の製造は、1880年代に過酸化バリウムを大規模に利用したもので、1900年代初頭に液化空気の電気分解と分留に取って代わられました。このプロセスでは、酸化バリウムが500～600 ℃（932～1,112 °F）で空気と反応して過酸化バリウムを生成し、これが700 ℃（1,292 °F）以上で酸素を放出して分解します。[ 20 ] [ 21 ]
硫酸バリウムは、1908年に消化器系のX線画像診断における放射線造影剤として初めて使用された。[ 22 ]
地殻中のバリウムの含有量は0.0425%、 海水中のバリウムの含有量は13μg/Lです。バリウムの主要な商業的供給源は、硫酸バリウム鉱物である重晶石（バリウム鉱石または重輝石とも呼ばれる）です。 [ 9 ]： 5世界各地に鉱床があります。重晶石ほど重要ではありませんが、もう一つの商業的供給源として、炭酸バリウムであるウィザライトがあります。主な鉱床は、イギリス、ルーマニア、旧ソ連にあります。[ 9 ]： 5
重晶石の埋蔵量は 0.7 億～ 2 億トンと推定されている。生産量の最高値は 1981 年に 830 万トンであったが、そのうち金属バリウムまたは化合物に使用されたのは 7～8% に過ぎない。[ 9 ] : 5重晶石の生産量は 1990 年代後半から増加しており、1996 年の 560 万トンから 2005 年の 760 万トン、2011 年の 780 万トンとなっている。この生産量の 50% 以上は中国が占めており、次いでインド (2011 年の 14%)、モロッコ (8.3%)、米国 (8.2%)、イランとカザフスタン (それぞれ 2.6%)、トルコ (2.5%) となっている。[ 23 ]
採掘された鉱石は洗浄、粉砕、分類され、石英から分離されます。石英が鉱石に深く浸透しすぎている場合、または鉄、亜鉛、鉛の含有量が異常に高い場合は、浮選法が用いられます。得られるのは純度98%の重晶石（質量比）です。純度は95%以上でなければならず、鉄と二酸化ケイ素の含有量は最小限に抑える必要があります。[ 9 ]： 7 その後、炭素によって硫化バリウムに還元されます。[ 9 ]： 6
水溶性の硫化バリウムは、他の化合物の出発点となる。BaSを酸素で処理すると硫酸塩が、硝酸で処理すると硝酸塩が、二酸化炭素水溶液で処理すると炭酸塩が生成される。[ 9 ] : 6硝酸塩は熱分解して酸化物を得ることができる。[ 9 ] : 6金属バリウムは、1,100 ℃（2,010 °F）でアルミニウムを用いて還元することにより製造される。最初に金属間化合物BaAl4が生成される。 [ 9 ] : 3
残った酸化バリウムは生成した酸化アルミニウムと反応する… [ 9 ]： 3
…そして全体的な反応は：[ 9 ]： 3
すべてのバリウムが還元されるわけではないことに注意してください。[ 9 ]： 3
バリウム蒸気はアルゴン雰囲気下で凝縮され、型に充填される。[ 9 ]： 3この方法は商業的に用いられ、超高純度バリウムが得られる。[ 9 ]： 3一般的に販売されているバリウムは純度約99%で、主な不純物はストロンチウムとカルシウム（それぞれ最大0.8%と0.25%）であり、その他の不純物は0.1%未満である。[ 9 ]： 4
1,200 °C (2,190 °F)でのシリコンとの同様の反応では、バリウムとメタケイ酸バリウムが生成する。[ 9 ]： 3電解は、バリウムが溶融ハロゲン化物に容易に溶解し、生成物がかなり不純であるため使用されない。[ 9 ]： 3
バリウム鉱物であるベニトアイト（チタン酸バリウムケイ酸塩）は、非常に珍しい青色の蛍光宝石として産出し、カリフォルニア州の公式州宝石となっている。
バリウムは海水中に Ba 2+イオンとして存在し、海洋中の平均濃度は 109 nmol/kg である。[ 24 ]バリウムは海洋中に BaSO 4または重晶石としても存在する。[ 25 ] バリウムは栄養素のようなプロファイルを持ち、滞留時間は 10,000 年である。[ 24 ]
バリウムは、河川流入量の多い地域や湧昇が強い地域を除いて、海洋上層部の海水中で比較的安定した濃度を示します。[ 27 ]栄養塩のようなプロファイルを持つイオンであるバリウムの海洋上層部での濃度低下はほとんど見られないため、水平混合が重要です。[ 27 ]バリウム同位体値は、局所的または短期的なプロセスではなく、海盆規模のバランスを示しています。 [ 27 ]
バリウムは、金属として、あるいはアルミニウムとの合金として、テレビのブラウン管などの真空管から不要なガスを除去する（ゲッタリング）ために使用されます。 [ 9 ]： 4バリウムは、蒸気圧が低く、酸素、窒素、二酸化炭素、水に対して反応性が高いため、この目的に適しています。結晶格子に溶解させることで、希ガスを部分的に除去することもできます。この用途は、ブラウン管のない液晶テレビ、LEDテレビ、プラズマテレビの普及により、徐々に姿を消しました。[ 9 ]： 4
元素バリウムのその他の用途は少なく、シルミン（アルミニウム-シリコン合金）の添加剤として構造を微細化することなどが含まれる[ 9 ]： 4
硫酸バリウム（鉱物バライト、BaSO₄ ）は、石油・ガス井の掘削流体として石油産業において重要である。[ 10 ]： 4-5この化合物の沈殿物（フランス語で「永久白」を意味する「ブランフィックス」と呼ばれる）は、塗料やワニス、リングインク、プラスチック、ゴムの充填剤、紙コーティング顔料、そしてエポキシ樹脂などの一部のポリマーの物性を向上させるためのナノ粒子として使用される。 [ 9 ]： 9
硫酸バリウムは毒性が低く、密度が約 4.5 g/cm 3と比較的高い（そのため X 線に対して不透明である）。このため、消化器系のX 線画像診断における造影剤として使用される（「バリウム食」および「バリウム浣腸」）。[ 10 ] : 4–5硫酸バリウムと硫化亜鉛を含む顔料であるリトポンは、硫化物に曝されても暗くならない、優れた隠蔽力を持つ永久白色顔料である。[ 28 ]
バリウムの他の化合物は、 Ba 2+イオンの毒性によって制限され、ニッチな用途しか見出されませんが、不溶性のBaSO 4では問題ありません。
バリウムの横方向の混合は、水塊の混合と海洋循環によって引き起こされます。[ 34 ]地球規模の海洋循環は、溶存バリウムとケイ酸の間に強い相関関係があることを示しています。[ 34 ]大規模な海洋循環とバリウムの再鉱化作用が組み合わさると、溶存バリウムと海洋アルカリ度の間に同様の相関関係が見られます。[ 34 ]
溶解バリウムとケイ酸の相関関係は、垂直方向にも空間的にも見られる。[ 35 ]粒子状バリウムは、粒子状有機炭素（POC）と強い相関関係を示す。[ 35 ]バリウムは、古海洋学的指標のベースとしてますます人気が高まっている。[ 35 ]溶解バリウムと粒子状バリウムの両方がケイ酸とPOCに関連しているため、生物ポンプ、炭素循環、地球規模の気候の過去の変動を決定するために使用できる。[ 35 ]
バリウム粒子である重晶石（BaSO₄ ）は、多くの指標の一つとして、さまざまな海洋環境（水柱、堆積物、熱水噴出域）におけるプロセスに関する多くの歴史的情報を提供するために使用できます。 [ 25 ]各環境では、重晶石粒子の同位体組成と元素組成に違いがあります。[ 25 ]水柱中の重晶石は、海洋性重晶石または遠洋性重晶石として知られており、時間の経過に伴う海水化学の変化に関する情報を示します。[ 25 ]堆積物中の重晶石は、続成作用性重晶石または冷湧水重晶石として知られており、堆積物の酸化還元プロセスに関する情報を提供します。[ 25 ]熱水噴出孔での熱水活動によって形成された重晶石は、熱水性重晶石として知られており、それらの噴出孔周辺の地殻の状態の変化を示します。[ 25 ]
可溶性バリウム化合物のLD50は10 mg/kg（経口、ラット）付近である。症状には「痙攣…末梢神経系の麻痺…消化管の重度の炎症」が含まれる。[ 9 ]： 18不溶性硫酸塩は無毒であり、輸送規制において危険物として分類されていない。 [ 9 ]： 9
バリウム曝露の長期的な影響についてはほとんど知られていない。[ 37 ]米国環境保護庁は、バリウムを経口摂取した場合、発がん性がある可能性は低いと考えている。不溶性のバリウム化合物を含む吸入粉塵は肺に蓄積し、バリウム症と呼ばれる良性の状態を引き起こす可能性がある。[ 38 ]
炭酸バリウムは殺鼠剤として使用されてきた。[ 39 ] 時代遅れと考えられているが、一部の国ではまだ使用されている可能性がある。[ 40 ]