Barium - Chemische Feitelijkheden

Inhoud
Startpagina
Barium
085–1
Barium
door dr. J. H. O. J. Wijenberg
KNCV-Bureau
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Inleiding
Enkele gegevens
Vóórkomen
Bereiding
Toepassingen
Milieu
Mens en dier
Effecten op proefdieren
Effecten op mensen
Ecotoxicologie
Conclusies
Literatuur
1 Chemische feitelijkheden
december 1991
085– 3
085– 3
085– 3
085– 4
085– 4
085– 5
085– 6
085– 7
085– 8
085– 9
085– 9
085–10
tekst/085
Inhoud
Startpagina
Barium
1.
085–3
Inleiding
In 1774 onderscheidde Scheele bariumoxide van kalk en noemde het
vanwege zijn grote dichtheid „terra ponderosa”, hetgeen zware
aarde betekent. Het element barium werd voor het eerst ontdekt
door Sir Humphrey Davy in 1808. De naam voor het element komt
van het Griekse woord voor zwaar.
2.
Enkele gegevens
Barium (Ba) behoort tot de aardalkalimetalen, zoals de elementen
in Groep IIA van het periodiek systeem worden genoemd. Het
atoomnummer van barium is 56. Er zijn zeven stabiele isotopen bekend, waarvan 138Ba het meeste voorkomt (71,7 %). Barium is een
zacht, zilverkleurig metaal. Het heeft een atoomgewicht van 137,34.
Het smeltpunt is 725 °C en het kookpunt 1640 °C. De dichtheid bij
20 °C bedraagt 3,5 103 kg/m3.
Het metaal is sterk elektropositief. Veel metalen worden door barium gereduceerd waarbij legeringen worden gevormd. Aan de lucht
wordt barium onmiddellijk met een oxide-huidje bedekt, met water
reageert het heftig onder vorming van waterstof en bariumhydroxide. In gepoederde vorm kan barium in aanwezigheid van lucht
of andere oxiderende gassen spontaan ontbranden (pyrofoor).
De meest gebruikte analysemethode voor barium is emissiespectrometrie.
3.
Vóórkomen
In de natuur komt barium alleen in gebonden toestand voor, hoofdzakelijk in mineraalvorm. Bariet (bariumsulfaat, BaSO4) komt veruit het meest voor en witheriet (bariumcarbonaat, BaCO3) in veel
mindere mate. Bariet wordt ook het meest gedolven. Daarnaast
komt het in kleine hoeveelheden voor in vuursteen, veldspaat en
mica. Het wordt ook wel als natuurlijke component aangetroffen in
fossiele brandstoffen.
1 Chemische feitelijkheden
december 1991
tekst/085
Inhoud
Startpagina
085–4
4.
Barium
Bereiding
De technische bereiding van het metaal vindt tegenwoordig plaats
door reductie van het oxide (BaO) met aluminium in een oven bij
temperaturen tussen 1100 °C en 1200 °C. Het bariumoxide wordt
meestal gevormd door calcinering van bariumcarbonaat. Het voor
dit proces benodigde carbonaat wordt veelal bereid door omzetting
van bariet (dat immers het meest voorkomt). Het produktieproces
vergt veel energie. Naast de hoge temperatuur, die vereist is bij het
bereidingsproces, moet er ook veel energie worden gestopt in de uitgangsstoffen, namelijk door calcinering bereid bariumoxide en elektrolytisch geproduceerd aluminium.
5.
Toepassingen
Een belangrijke toepassing van metallisch barium is als vangstof „getter” om de laatste sporen van gassen uit vacuüm- en beeldbuizen weg
te nemen. Het is daarvoor uitermate geschikt gezien de combinatie
van hoge chemische reactiviteit en lage dampdruk. Metallisch barium
wordt ook als legeringsbestanddeel gebruikt in vonkelektrodes van
bougies (Ni-Ba legeringen) en in elektrodes van loodaccu’s.
Barium vindt echter vooral toepassing in de vorm van zijn zouten.
Barium wordt veruit het meest toegepast in de vorm van het gedolven bariet als verzwaringsmiddel in dikspoelingen bij olie- en gasboringen („drilling mud”). Dit om te voorkomen dat de olie of het
gas onder hoge druk naar buiten spuit. Meer dan 80 % van het gedolven bariet wordt (na enige mate van raffinage) hiervoor gebruikt.
De hierna belangrijkste toepassing, weer in de vorm van bariumsulfaat, is als pigment en vulstof (voor polymeren, lakken, etc.) en in
de papierindustrie.
Verdere toepassingen van bariumverbindingen vinden we bij de
glasbereiding (met name glas voor TV-buizen), vuurwerk (groene
kleur), keramiek voor elektronische toepassingen (bariumtitanaat in
condensatoren en bariumferriet als magnetisch materiaal), in fluorescentielampen, en recent als bestanddeel van de nieuwe supergeleidende materialen (bijvoorbeeld het zogenaamde 123 materiaal
YBa2Cu3-oxide).
1 Chemische feitelijkheden
december 1991
tekst/085
Inhoud
Startpagina
Barium
085–5
Barium wordt als contrastmiddel gebruikt bij röntgenonderzoek van
het spijsverteringskanaal, vooral slokdarm, maag, twaalfvingerige
darm, dikke darm en endeldarm. De patiënt moet een bariumsulfaatoplossing (de zgn. bariumpap) doorslikken. De vloeistof is
wit en smaakloos. Vaak wordt een kunstmatige smaakstof toegevoegd. Deze toepassing berust op de eigenschap van barium en zijn
zouten dat ze geen röntgenstraling door laten. De darmkanalen
worden daardoor zichtbaar op röntgenfoto’s. Voor het röntgenonderzoek van de dikke darm en de endeldarm wordt de pap per
klysma ingebracht. Bariumsulfaat is bij deze toepassing praktisch
onschadelijk; het wordt niet uit de darm in het bloed opgenomen.
6.
Milieu
Barium komt voornamelijk in het leefmilieu terecht als gevolg van
industriële activiteit. Emissies komen voort uit de ontginning, de
zuivering en de verwerking van bariummineralen en de fabricage
van produkten. Blootstelling aan barium vindt plaats via de lucht,
het drinkwater en de voeding.
Het bariumgehalte in de lucht is niet goed gedocumenteerd. In de
Verenigde Staten wordt de gebruikelijke concentratie geschat op
0,05 µg/m3.
Barium is vrijwel altijd aanwezig in oppervlaktewater in concentraties oplopend tot 15 mg/l en draagt bij aan de hardheid van het water (hoog gehalte aan opgeloste kalkzouten). In de Verenigde Staten
wordt de opname via drinkwater geschat op 2 tot 40 µg barium per
dag uitgaande van een drinkwaterconsumptie van 2 liter. In Nederland behoort de bepaling van het bariumgehalte in drinkwater niet
tot het gebruikelijke jaarlijkse analyse-pakket. In 1983 werd voor
het laatst het bariumgehalte in drinkwater bepaald bij 262 pompstations. In geen enkel geval werd de grenswaarde (500 µg/l) overschreden.
Diverse studies schatten de dagelijkse opname via voedsel op 300 tot
1770 µg met grote variaties. In het algemeen accumuleert barium
niet in voldoende hoeveelheden in planten om toxisch te zijn voor
dieren.
1 Chemische feitelijkheden
december 1991
tekst/085
Inhoud
Startpagina
085–6
7.
Barium
Mens en dier
De gemiddelde mens (70 kg) bevat ongeveer 22 mg barium, waarvan
het merendeel (91 %) is opgeslagen in de botten. Sporen worden
aangetroffen in diverse weefsels, waaronder de aorta, de hersenen,
de nieren, de maag en de longen. De totale hoeveelheid barium in de
mens neemt toe met de leeftijd en hangt af van de geografische omstandigheden van de persoon in kwestie. De aanwezigheid van barium is ook aangetoond in doodgeboren babies, hetgeen erop wijst
dat barium de placenta kan passeren.
Het is moeilijk de orale opname van barium te taxeren, aangezien
veel factoren de absorptie beïnvloeden. Zo zal de aanwezigheid van
sulfaat in voedsel leiden tot het neerslaan van bariumsulfaat, dat
bijzonder slecht oplosbaar is in water. De oplosbaarheid van bariumsulfaat in water is gelijk aan 2,46 mg per liter bij 25 °C. Studies
met proefdieren en in beperkte mate met de mens tonen aan dat
oplosbaar barium in het darmkanaal wordt geabsorbeerd tot ongeveer 10 % bij volwassenen, echter in meerdere mate bij de jongeren.
Uiteindelijk wordt barium in de botten opgeslagen bij voorkeur in
de meest actieve gedeelten van botgroei.
Via de ademhaling kan barium worden geabsorbeerd vanuit de longen of direct via het neusslijmvlies en zo in het bloed terecht komen.
Onoplosbare verbindingen, zoals bariumsulfaat, hopen zich op in
de longen en worden via trilhaarbewegingen naar buiten uitgescheiden. Deze kunnen aanleiding geven tot het ontstaan van een zogenaamde stoflong (baritose).
Uitscheiding van via de voeding opgenomen barium vindt, zowel bij
de mens als bij dieren, in hoofdzaak plaats via de faeces en in mindere mate via de urine. Binnen 24 uur wordt ongeveer 20 % van een
dosis barium geïnjecteerd in mensen uitgescheiden via de faeces en
ongeveer 5 % via de urine. Barium in het bloedplasma wordt bijna
geheel uit de bloedstroom verwijderd binnen 24 uur.
1 Chemische feitelijkheden
december 1991
tekst/085
Inhoud
Startpagina
Barium
8.
085–7
Effecten op proefdieren
Voor de rat zijn orale LD50-waarden1 van 118, 250 en 355 mg per kg
lichaamsgewicht vastgesteld voor bariumchloride, bariumfluoride
en bariumnitraat respectievelijk. Acute effecten zijn onder meer
speekselafscheiding, misselijkheid, diarree, braken, spiertrekkingen
en spierverlamming.
Barium veroorzaakt irritatie van de huid en de ogen bij konijnen.
Ratten, die gedurende 13 weken water dronken met een bariumgehalte van 250 mg/l, vertoonden geen tekenen van vergiftiging, behalve dat bij sommige groepen een afname in het gewicht van de
bijnieren optrad.
Ratten, waaraan gedurende 16 maanden drinkwater met een bariumgehalte van 10 of 100 mg/l werd gegeven, kregen last van hypertensie, maar een gehalte van 1 mg/l bracht geen verandering in
bloeddruk teweeg. Analyse van de hartspierfunctie na 16 maanden
in het geval van 100 mg/l onthulde een significante verandering in
samentrekbaarheid en prikkelbaarheid, metabole storingen in de
hartspier, en overgevoeligheid van het hartvaatweefsel voor natriumpentobarbital.
Orale of inhalatoire toediening van bariumcarbonaat aan ratten resulteerde in nadelige effecten op de voortplanting. Bovendien was
het sterftecijfer van de nakomelingen groter. Er zijn aanwijzingen
dat barium teratogeen zou zijn, maar een sluitend bewijs voor teratogeniteit is er niet. Barium bezit zodanige chemische en fysiologische eigenschappen dat het kan wedijveren met calcium en het calcium kan vervangen in bepaalde processen, in het bijzonder bij de
aanmaak van catecholamines in de bijnieren en van neurotransmitters (stoffen die een belangrijke rol spelen bij de werking van het
zenuwstelsel).
1
De LD50 (letale dosis) is de hoeveelheid stof die na eenmalige dosering via de mond (oraal), huis (dermaal)
of longen (inhalatoir) binnen korte tijd sterfte van 50 % van de proefdieren veroorzaakt.
1 Chemische feitelijkheden
december 1991
tekst/085
Inhoud
Startpagina
085–8
9.
Barium
Effecten op mensen
Er zijn diverse gevallen van vergiftiging door inname van bariumverbindingen via de voeding bekend. Bariumdoses van 0,2-0,5 mg per
kg lichaamsgewicht, die in het algemeen het gevolg zijn van inname
van bariumchloride of bariumcarbonaat, leiden tot vergiftigingsverschijnselen bij volwassenen. Klinische kenmerken van bariumvergiftiging omvatten acute maag-darm-ontstekingen, vermindering van
de reflexen, spiertrekkingen, geleidelijke spierverlamming, ademhalingsstoornissen, hartritmestoornissen, nierstoornissen en verlaging
van de bloeddruk. De spierverlamming lijkt gekoppeld te zijn aan
een ernstig tekort aan kalium in het bloed. In de meeste beschreven
gevallen trad een snel herstel op zonder blijvende gevolgen na een
infusie van een kaliumzoutoplossing (carbonaat of lactaat) en/of
door orale toediening van natriumsulfaat.
Er zijn in beperkte mate epidemiologische studies uitgevoerd om het
mogelijke verband te onderzoeken tussen de bariumconcentratie in
drinkwater en sterfte aan hart- en vaatziekten, maar de resultaten
zijn inconsistent en niet afdoende. Er is geen toename waargenomen
in het aantal gevallen van verhoogde bloeddruk, beroerte, of hart-en
nierziekte bij een bevolkingsgroep die was blootgesteld aan hoge
concentraties in het drinkwater, in vergelijking tot eenzelfde groep,
maar dan blootgesteld aan lagere concentraties. Bij een korte studie
op vrijwillige basis, werd geen effect op de bloeddruk teweeggebracht bij de consumptie van bariumhoudend drinkwater. Er is geen
vast verband gevonden tussen het bariumgehalte in drinkwater en
het aantal aangeboren afwijkingen.
Een groter aantal gevallen van hypertensie dan het gemiddelde is
gerapporteerd bij personen die beroepshalve zijn blootgesteld aan
bariumverbindingen. Baritose is waargenomen bij personen die inhalatoir aan bariumverbindingen zijn blootgesteld. Bij een vergelijkende studie onder aan barium blootgestelde werknemers en omwonenden van een vuilstortplaats in de Verenigde Staten, die barium bevatte, kwam een groter aantal aandoeningen aan spieren en
botten, maagdarm-operaties, huidproblemen, en ademhalings-
1 Chemische feitelijkheden
december 1991
tekst/085
Inhoud
Startpagina
Barium
085–9
symptomen voor. De huidige Nederlandse MAC-waarde1 is vastgesteld op 0,5 mg/m3.
Er is geen bewijs dat barium carcinogeen zou zijn.
10. Ecotoxicologie
Barium heeft een directe invloed op zowel de fysisch-chemische
eigenschappen als op de besmettelijkheid van verscheidene virussen
en hun vermogen zich te vermenigvuldigen. Ook is barium van invloed op de ontwikkeling van ontkiemende bacteriesporen en heeft
het uiteenlopende effecten op verschillende micro-organismen, waaronder de remming van celprocessen.
Beperkte informatie is beschikbaar over de effecten van barium op
waterorganismen. Er zijn geen effecten op de vissterfte waargenomen na blootstelling gedurende 30 dagen. Er is echter in een studie
van 21 dagen een verzwakking van het vermogen tot voortplanting
en een afname in groei waargenomen bij watervlooien bij een dosis
van 5,8 mg/l. Er is geen bewijs gevonden dat bariet toxisch zou zijn
voor zeedieren. Blootstelling aan grote hoeveelheden bariet kan
evenwel het koloniseergedrag van benthische (zeebodem) flora en
fauna nadelig beïnvloeden.
Zeeplanten, zowel als ongewervelde dieren, kunnen actief barium
vanuit het zeewater in zich ophopen.
11. Conclusies
Barium levert bij de gangbare concentraties in het milieu geen risico
op voor de volksgezondheid. Voor specifieke subpopulaties en bij
een hoge blootstelling aan barium, bijvoorbeeld bij beroepsmatige
blootstelling, moet echter rekening worden gehouden met de mogelijkheid van schadelijke effecten op de gezondheid.
Vooralsnog zijn er te weinig gegevens beschikbaar om het ecotoxicologische risico te bepalen. Uitgaande van de gegevens over ver1
Onder de MAC-waarde (maximaal aanvaarde concentratie) wordt verstaan de over de tijd gemiddelde
maximale concentratie van een gas, damp, nevel of stof in de lucht op de werkplek bij een blootstellingsduur tot 8 uur per dag en niet meer dan 40 uur per week, waarbij in het algemeen de gezondheid van de
werkne(e)m(st)er alsook van hun nageslacht niet wordt benadeeld.
1 Chemische feitelijkheden
december 1991
tekst/085
Inhoud
Startpagina
085–10
Barium
giftingsverschijnselen bij watervlooien, lijkt het erop dat sommige
waterorganismen een risico lopen bij blootstelling aan barium.
Er is een behoefte aan epidemiologische studies, aan onderzoek
naar de relatie tussen blootstelling aan barium en de hartvaat- en
immunologische toxiciteit, en aan aanvullende informatie over chronische toxiciteit via het water. Meer gegevens over de blootstelling
onder werkomstandigheden en het gebruik van biologische indicatoren zijn noodzakelijk voor het treffen van de juiste maatregelen
ter bescherming tegen mogelijke schadelijke effecten.
12. Literatuur
–
–
–
Barium, Environmental Health Criteria 107. WHO Genève
(1990). ISBN 92-4-157107-1.
Encyclopedia of Chemical Technology, eds. Kirk-Othmer.
Wiley-Intersience, Third Edition, Volume 3.
M. J. Ellenhorn and D. G. Barceloux, Medical Toxicology. Elsevier, New York (1988).
1 Chemische feitelijkheden
december 1991
tekst/085