작성일 : 13-11-05 23:02
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글쓴이 :
김희진 (211.♡.133.107)
 조회 : 2,959  추천 : 0
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바륨
병원에서 위장 검사를 할 때, 보통은 내시경 검사와 조영 촬영 검사 중 어느 것을 택할 것인지를 묻는다. 조영 촬영을 하겠다고 하면 흰색 죽 같은 것을 검사 전에 마시라고 주는데, 이것이 위장의 X-선 촬영 조영제로 쓰이는 바륨의 대표적 화합물인 황산바륨 분산액이다. 대장 조영 검사를 할 때도 쓰인다. 바륨은 매우 반응성이 큰 알칼리 토금속 원소의 하나로, 천연에서 주로 중정석(重晶石)이라 불리는 황산바륨 광석으로 존재한다. 바륨 화합물과 그 광석이 보통 무겁기 때문에 원소 이름은 그리스어로 ‘무거운’을 뜻하는 ‘barys’에서 나왔다. 금속 바륨은 반응성이 크고 용도가 많지 않으며, 주로 황산바륨 형태로 생산되어 소비된다. 황산바륨은 같은 족의 스트론튬 화합물에 비해 10배 이상의 양이 생산되는데, 석유나 천연가스를 시추할 때 석유와 가스가 분출되는 것을 막는데 주로 사용된다. 이들 외에도 일부 바륨 화합물들이 페인트 안료, 유리 등의 요업 제품 제조, 불꽃 놀이 등에 사용되고 있으며, 첨단 전자세라믹 제품과 고온 초전도체로도 각광 받고 있다. 한편, 바륨 이온(Ba2+)은 화학 분석에서 탄산이온이나 황산이온의 검출에 사용되는데, 이는 이들과 Ba2+가 물에 녹지 않는 침전을 만들기 때문이다. 바륨과 바륨 화합물들에 대해 보다 자세하게 알아보기로 하자.
원자번호 56번, 바륨
바륨(Barium)1)은 원자번호 56번의 원소로, 원소기호는 Ba이다. 주기율표에서 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 라듐(Ra)과 함께 2족(2A족)인 알칼리 토금속 족에 속한다. 화학적으로 칼슘이나 스트론튬과 비슷하나, 반응성은 이들보다 크다. 은백색의 무른 금속으로, 공기에 노출되면 산소와 쉽게 반응하여 산화되며, 물과 알코올과도 반응하여 수소(H2) 기체를 발생한다. 따라서 금속 바륨은 공기가 차단된 상태에서 석유와 같은 광물성 기름이나 비활성 기체 하에 보관하여야 한다. 공기나 산소 중에서 태우면 연한 황록색 불꽃을 내면서 타서 산화바륨(BaO)과 과산화바륨(BaO2)이 된다. 대부분의 비금속 원소와 반응하며, 황산을 제외한 대부분의 산에 잘 녹는다. 화합물에서의 산화 상태는 주로 +2이다.
원자번호 56번, 바륨 <출처 (cc) Glitzy queen00 at wikipedia.org>
원자번호 56번, 바륨 <출처 (cc) Glitzy queen00 at wikipedia.org>
바륨의 원소 정보.
바륨의 원소 정보.
바륨은 반응성이 크기 때문에 천연 상태에서 화합물로만 발견된다. 지각에서의 존재 비는 약 390ppm(0.039%)로, 14번째로 풍부한 원소인데, 황(S)이나 스트론튬(Sr)보다 약간 많고 플루오린(F)보다 약간 작은 양이다. 바닷물에는 13μg/L으로 녹아있는데, 이는 스트론튬의 약 1/600이다. 중정석(barite, BaSO4)이 가장 흔하고 중요한 광석이며, 위더라이트(witherite, BaCO3)로도 소량 산출된다. 금속 바륨은 산화바륨(BaO)을 알루미늄(Al)이나 규소(Si)로 환원시키거나, 염화 바륨(BaCl2)을 전기분해시켜 얻는데, 금속 바륨으로 생산되는 양은 많지 않다.
금속 바륨은 용도가 많지 않은데, 주로 진공관에서 미량의 산소를 비롯한 잔류 기체를 제거하는 게터(getter)로 사용되고 일부 합금에도 들어간다. 바륨의 대표적 화합물인 황산바륨은 2011년 기준 연간 생산량이 약 780만 톤인데, 이의 80% 이상이 석유 및 천연가스 시추이수(試錐泥水, drilling fluid: 시추 공에 압력을 가해 석유나 가스가 분출되는 것을 막아 시추 공을 보호하기 위해 가해지는 액체)에 사용되며, 나머지는 페인트의 흰색 안료, 위장 X-선 촬영 조영제, 고무나 플라스틱의 충전제(filler) 등으로 사용된다. 또 금속 바륨과 기타 바륨 화합물들을 제조하는 출발물질로 사용된다. 탄산바륨은 유리 및 요업 제품 제조에 사용되며, 질산바륨 등은 불꽃 놀이에서 녹색 불꽃을 얻는데 사용된다.
황산바륨은 물에 녹지 않으므로 체내로 흡수되지 않아 조영제로 사용하여도 거의 독성을 나타내지 않으나, 금속 바륨과 수용성 바륨 염들은 살서제(쥐약)로 사용될 만큼 독성이 크다. 바륨은 적은 양은 근육 자극제로 작용하나, 과다한 양은 신경계에 영향을 미친다. 금속 바륨 먼지가 들어있는 공기를 장기간 들이 마시면 바륨이 폐에 축적된 바륨폐진증(baritosis)에 걸릴 수 있으나, 이것이 폐 기능을 크게 손상시키지는 않는다.
질산바륨은 불꽃 놀이에서 녹색 불꽃을 얻는데 사용된다.
질산바륨은 불꽃 놀이에서 녹색 불꽃을 얻는데 사용된다.
바륨의 발견과 역사
바륨 광물인 중정석은 16세기 초에 이탈리아의 볼로나(Bologna) 지역에서 처음 발견되어 ‘볼로나의 돌’이라 불렸는데, 무겁고 투명한 이 광석이 빛에 노출된 후에 어두운 곳에서 인광을 냈다는 1604년의 기록이 있다. 이 때문에 연금술사들은 이 광석이 마력을 갖고 있는 것으로 여겨 크게 관심을 가졌다. 중정석에서 당시까지는 발견되지 않은 새로운 원소가 들어있음이 1774년에 스웨덴의 셀레(Carl Scheele, 1742~1786), 그리고 2년 후에 같은 스웨덴의 간(Johan Gottlieb Gahn, 1745~1818)에 의해 각각 독립적으로 확인되었다. 그러나, 그들은 원소 자체를 분리하지는 못하고 산화물(BaO)만 분리할 수 있었다. 셀레는 이 광석을 그리스어로 ‘무거운’을 뜻하는 ‘barys’를 따서 바라이트(barite 또는 barytes)라고 이름 지었는데, 5년 후에는 무거운 섬광석(閃光石, spar)에서도 이 광물을 발견하였다. 바륨 산화물(산화바륨)은 프랑스의 기통 드 모르보(Louis-Bernard Guyton de Morveau, 1737~1818)가 바로트(barote)라 명명하였고 뒤에 라부아지에(Antoine Laurent Lavoisier, 1743~1794)가 바리타(baryta)로 고쳐 불렀다. 산화바륨을 우리말로는 무거운 흙이란 뜻의 중토(重土)라고도 부르는데, 이와 중정석에 ‘무거운(重)’이란 뜻이 들어간 것은 영어 이름의 어원과 같다. 영국의 위더링(William Withering, 1741~1799)은 컴벌랜드(Cumberland)의 납 광산에서 또 다른 무거운 광석을 발견하였는데, 이는 1789년에 탄산바륨(BaCO3) 광석으로 밝혀졌고 이를 발견한 위더링의 이름을 따서 위더라이트(witherite)로 명명되었다.
바륨을 원소 상태로 처음으로 분리한 사람은 영국의 데이비(Humphry Davy, 1778~1829) 경이다. 그는 볼타전지를 사용하여 1808년에 용융 바륨 염을 전기분해시켜 원소 상태의 금속 바륨을 분리하였는데, 원소 이름을 바리타(baryta)에서 따오고 칼슘(calcium)에서와 같은 접미어 ‘ium’을 붙여 바륨(barium)으로 명명하였다. 데이비는 소듐(Na), 포타슘(K), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca)도 전기분해 방법으로 분리·발견하였다.
중정석에 새로운 원소가 들어있다는 것을 알아낸 셀레 (Carl Scheele, 1742 ~ 1786)의 동상.
중정석에 새로운 원소가 들어있다는 것을 알아낸 셀레 (Carl Scheele, 1742 ~ 1786)의 동상.
바륨을 원소 상태로 처음 분리한 영국의 데이비(Humphry Davy, 1778~1829) 초상화.
바륨을 원소 상태로 처음 분리한 영국의 데이비(Humphry Davy, 1778~1829) 초상화.
물리적 성질
바륨은 무른(모스 경도 1.25) 연한 백색 금속으로, 아주 순수한 경우에는 약간 노란색을 띤다. 공기에 노출되면 표면에 산화물(BaO) 피막이 만들어져 진한 갈색을 띤다. 결정은 체심 입방구조(bcc)를 가지며, 상자기성이다. 녹는점은 727oC이고, 끓는점은 1897oC이며, 20oC에서의 밀도는 3.59g/cm3이다. 바륨 화합물의 불꽃 반응은 황록색을 내는데, 이는 455.4, 493.4, 553.6 및 611.1nm의 스펙트럼 선에 의한 것으로 바륨 화합물을 검출하는데 쓰인다.
동위원소
천연상태에서 바륨은 130Ba(0.106%), 132Ba(0.101%), 134Ba(2.417%), 135Ba(6.592%), 136Ba(7.854%), 137Ba(11.23%), 138Ba(71.7%)의 7가지 동위원소를 갖는다. 이중 130Ba과 132Ba는 반감기는 각각 (0.5~2.7)x1021년과 3x1020년 이상인 방사성 동위원소로, 둘 다 두 번의 β+ 붕괴(전자포획)를 하고 제논(Xe)의 동위원소가 되는 것으로 파악되나 반감기가 매우 길어 안정한 것으로 간주하여도 무방하다. 질량수가 114에서 153에 이르는 35가지의 방사성 동위원소들이 알려져 있는데, 이들은 모두 반감기가 짧아 자연 상태에서는 발견되지 않는다. 그나마 반감기가 긴 것들은 133Ba(반감기 10.51년), 140Ba(반감기 12.75일), 131Ba(반감기 11.5일), 128Ba(반감기 2.43일)이다. 10가지의 준안정한 핵 이성체들도 알려져 있는데, 반감기가 긴 것들은 133mBa(반감기 38.9시간), 135mBa(반감기 28.7시간), 129mBa(반감기 2.16시간)이다. 137mBa(반감기 2.55분)은 반감기가 30.17년인 세슘-137(137Cs)의 핵 붕괴로 생성되며, 661.66keV의 높은 에너지 감마(γ)선을 방출한다. 따라서 핵폭발이나 원자력 발전소 사고 시에 방출되는 주요 생성물 중의 하나인 137Cs가 위험한 주된 요인은 사실상 이에서 생성되는 137mBa 때문이다.
137Cs → 137mBa + e-(β- 입자)
137mBa → 137Ba + γ-선 (661.66 keV)
질량수가 133보다 작은 방사성 동위원소들은 주로 β+ 붕괴를 하고 Cs동위원소가 되며, 질량수가 139보다 큰 것들은 주로 β- 붕괴를 하고 란타넘(La) 동위원소가 된다. 바륨의 방사성 동위원소들이 실용적으로나 상업적으로 이용된 경우는 아직 없다.
바륨 덩어리. 바륨은 겉면이 산화되면 짙은 갈색을 띤다.
바륨 덩어리. 바륨은 겉면이 산화되면 짙은 갈색을 띤다.
화학적 성질
금속 바륨의 화학적 성질은 Ca이나 Sr과 비슷하며, 반응성은 알칼리 토금속 원소 중에서는 라듐(Ra) 다음으로 크다. 다른 알칼리 토금속들과 마찬가지로, 맨 바깥 전자 껍질에 2개의 전자를 갖고 있어, 쉽게 2개의 전자를 잃고 비활성 기체인 제논(Xe)과 같은 전자배치를 갖는 Ba2+가 된다. 따라서 화합물에서는 항상 +2의 산화 상태를 갖는다. 산소, 할로겐, 칼코겐(16족, 산소족) 원소들과 잘 반응하며, 반응할 때 많은 열을 내어놓는다. 실온에서도 공기 중의 산소나 습기와 반응하므로, 보관할 때 석유와 같은 액체 탄화수소에 담그거나 비활성 기체 속에 보관하여야 한다. 알칼리 금속처럼, 과산화물인 BaO2를 생성하는 경향이 크다. 탄소(C), 규소(Si), 질소(N2), 인(P), 수소(H2) 등의 비금속 원소들과도 가열하면 반응한다. 물이나 알코올과도 반응하여 많은 열과 H2기체를 내어 놓는다.
Ba + 2 ROH → Ba(OR)2 + H2 (R = 알킬 또는 H)
바륨은 대부분의 산과도 잘 반응한다. 다만 황산(H2SO4)과는 잘 반응하지 않는데, 이는 반응시 표면에 생성된 황산바륨(BaSO4)이 물에 녹지 않는 보호피막으로 작용하여 더 이상의 반응을 막기 때문이다. 스트론튬과 마찬가지로, 액체 암모니아(NH3)에 녹아 검푸른 용액이 되며, NH3를 증발시키면 구리 빛이 나는 Ba(NH3)6 고체가 얻어지는데, 이는 점차적으로 아마이드(amide) 화합물 Ba(NH2)2로 분해한다.
바륨의 바닥 상태 전자 배치 <출처 : (cc)Pumbaa at Wikipedia.org>
바륨의 바닥 상태 전자 배치 <출처 : (cc)Pumbaa at Wikipedia.org>
수용액에서 Ba2+의 표준 환원전위는 -2.92V로, 알칼리 토금속 중에서는 가장 절대 값이 큰 음의 값이다. 즉, 알칼리 토금속 중에서 Ba가 가장 산화되기 쉽고, Ba2+ 는 가장 환원되기 어렵다.
바륨 염들은 대체로 고체 상태에서는 흰색이고, 용액은 색을 띠지 않는다. 바륨 화합물들은 할로겐화물을 제외하면, 같은 음이온을 갖는 칼슘 또는 스트론튬 화합물에 비해 밀도가 높다. 예로, 황산염의 경우 밀도가 BaSO4 4.49g/cm3, CaSO4 2.96g/cm3, SrSO4 3.96g/cm3이며, 탄산염의 경우는 BaCO3 4.29g/cm3, CaCO3 2.83g/cm3, SrCO3 3.5g/cm3이다. 반면에 염화물의 경우는 BaCl2 1.9 g/cm3, CaCl2 2.15g/cm3, SrCl2 3.05g/cm3이다.
바륨과 바륨 화합물의 생산
가장 흔하고 중요한 바륨 광석은 중정석(barite, BaSO4)인데, 이는 전세계에 널리 분포되어있다. 또 다른 바륨 광석으로 위더라이트(witherite, BaCO3)가 있는데, 이는 상업적으로 중정석보다는 훨씬 덜 중요하며, 영국, 루마니아, 구소련에 주로 매장되어 있다. 바륨은 주로 황산바륨 형태로 생산·사용된다. 금속 바륨이나 기타 바륨 화합물들은 황산바륨을 출발물질로 하여 만드는데, 이에 소요되는 황산바륨의 양은 전체 생산량의 10% 미만이다.
중정석의 결정. <출처 (cc) Carlesmillan at Wikipedia.org>
중정석의 결정. <출처 (cc) Carlesmillan at Wikipedia.org>
황산바륨과 바륨 화합물
중정석에는 황산바륨 이외에 석영, 철, 아연, 납 등의 불순물이 많이 들어있으므로 이를 정제한 후 사용한다. 중정석을 분쇄한 후 세척하고 석영을 분리시키면, BaSO4 함량이 95%이상(보통 98%)인 정제된 광석이 얻어진다. 광석에 따라서는 거품 부유 선별(froth floatation) 과정을 거치기도 한다. 황산바륨을 이의 주된 용도인 시추이수의 성분으로 사용하는 경우에는 더 이상의 정제가 필요하지 않으나, 위장 X-선 촬영 조영제 등 다른 용도로 사용하는 경우에는 보다 순수한 황산 바륨으로 재합성되어 사용된다.
황산바륨에서 바륨이나 바륨 화합물을 생산하는 과정의 주된 중간체는 황화바륨(BaS)이다. BaS는 정제된 중정석을 코크스(탄소)와 함께 600~800oC로 가열하여 얻는다.
BaSO4 + 2 C → BaS + 2 CO2
BaS는 물에 잘 녹으며(20oC에서의 용해도, 7.68g/100 mL), 이에서 다른 바륨 화합물들이 만들어진다. 예로, BaS를 물에 녹인 용액을 탄산소듐(Na2CO3) 또는 CO2와 반응시키면 탄산바륨(BaCO3)이 얻어지고, 염산으로 처리하면 염화바륨((BaCl2)이 만들어지며, 질산으로 처리하면 질산바륨(Ba(NO3)2)이 얻어진다. 또한, 고순도의 BaSO4는 BaS 또는 BaCl2 를 황산 또는 황산염으로 처리해서 얻는다.
BaS + Na2CO3 → BaCO3 + Na2S 또는 BaS + CO2 + H2O → BaCO3 + H2S
BaS + 2 HCl → BaCl2 + H2S
BaS + 2 HNO3 → Ba(NO3)2 + H2S
BaS + H2SO4 → BaSO4 + H2S 또는 BaCl2 + SO42- → BaSO4 + 2 Cl-
산화바륨(BaO)은 Ba(NO3)2를 열 분해시키거나 BaCO3를 코크스와 가열하여 얻는다.
2 Ba(NO3)2 → 2 BaO + 4 NO2 + O2 또는 BaCO3 + C → BaO + 2 CO
금속 바륨
금속 바륨은 여러 방법으로 생산되는데, 한 가지 방법은 산화바륨(BaO)을 고온에서 알루미늄(Al) 또는 규소(Si)로 환원시킨 후, 여기서 얻은 바륨 증기를 보통 아르곤 기체 속에서 냉각·밀폐시켜 얻는 것인데, 이 경우 아주 높은 순도의 바륨이 얻어진다.
4 BaO + 2 Al → 3 Ba + BaAl2O4
3 BaO + Si → 2 Ba + BaSiO3
또 다른 방법은 용융 BaCl2를 전기분해시켜 얻는 것인데, 이 경우에는 환원된 Ba가 용융된 할로겐화물과 함께 섞여 녹아 있어 덜 순수한 바륨이 얻어지는 단점이 있다. 한편, BaCl2 수용액을 수은을 음극으로 사용하여 전기분해시켜 바륨아말감을 얻고, 이를 수소 기류 하에서 증류하여 수소화바륨(BaH2)을 얻은 후 진공에서 열 분해시켜 금속 바륨을 얻는 방법이 사용되기도 한다.
미국 지질조사국(USGS) 자료에 따르면, 2011년도 전세계 바륨 생산량은 황산바륨(Ba함량, 58.8%)으로 약 780만 톤이며, 중국(400만 톤, 51%), 인도(110만 톤, 14%), 모로코(65만 톤, 8.3%), 미국(64만 톤, 8.2%) 등이 주 생산국이었다. 금속 바륨 자체의 생산량은 수십 톤에 불과한 것으로 여겨진다. 전세계 중정석 매장량은 7억~20억 톤으로 추정된다. 2012년 8월의 금속 바륨(순도 99.9%) 가격은 kg당 미화 100~150$이고, 황산바륨(순도 98% 이상)의 가격은 톤당 334~340$이었다.
바륨과 바륨 화합물의 용도
바륨은 대부분 황산바륨으로 사용되며, 다른 화합물이나 금속 형태로 사용되는 양은 많지 않다.
금속 바륨 및 합금
금속 바륨이나 바륨-알루미늄 합금은 진공관에 남아있는 기체(산소, 질소, 이산화탄소, 수증기 등)와 반응하여 이들을 제거하는 게터(getter)로 사용된다. TV 브라운관 제작에 많이 사용되었으나, 지금은 브라운관 TV가 액정 디스플레이(LCD) TV로 많이 전환됨으로써 이 용도로의 바륨 사용이 크게 줄어들었다. 이외에, 바륨과 니켈과의 합금은 점화 플러그에 사용된다. 또한 철강 공업에서 강철이나 주철에 들어있는 탄소 알갱이의 크기를 줄이는 접종제(inoculant)로 사용되며, 고급 강철 탈산제(deoxidizer)로 칼슘, 규소, 알루미늄과 함께 바륨이 사용되기도 한다. 그리고 베어링 합급, 납-주석 땜납 합금 등에 바륨을 넣기도 한다.
금속 바륨 혹은 바륨-알루미늄 합금은 진공관의 게터(getter)로 쓰였다.
금속 바륨 혹은 바륨-알루미늄 합금은 진공관의 게터(getter)로 쓰였다.
황산바륨의 대부분은 석유시추 과정에 쓰인다.
황산바륨의 대부분은 석유시추 과정에 쓰인다.
황산바륨(BaSO4)
황산바륨의 약 80%(미국의 경우는 약 95%)가 석유와 천연가스의 시추이수(drilling fluid) 성분으로 사용되는데, 이는 황산바륨의 밀도가 높기 때문에 석유나 천연 가스를 시추할 때 이를 시추 공에 넣으면 바닥에 있는 석유에 무게를 주어 석유 등이 분출되는 것을 막는 역할을 하기 때문이다.
또한 황산바륨은 페인트의 흰색 안료로도 널리 사용되는데, 예로 화가들이 사용하는 ‘불변 백색(permanent white)’의 유성 물감은 이산화타이타늄(TiO2)과 황산바륨을 포함하고 있으며, 백색 안료의 일종인 리토폰(lithopone)은 황산바륨과 황화아연(ZnS)의 혼합물이다. 이외에 황산바륨은 플라스틱, 고무, 잉크의 충전제로도 사용되며, 종이의 코팅에도 사용된다. 그리고 수소첨가 반응에서 불포화기가 과다 환원되는 것을 막는 촉매 지지제로도 사용된다. 또 중성자나 γ-선 차폐용 콘크리트에 첨가되기도 한다.
황산바륨은 소화관(식도에서 대장까지)의 X-선 촬영 조영제로도 사용된다. 이는 바륨이 많은 전자를 갖고 있어 X-선을 잘 흡수하는 한편, 복용 또는 관장을 통해 소화관에 주입된 황산바륨은 순수한 물은 물론 위 내부에서도 잘 녹지 않아(20oC 물 100mL에 0.245mg 용해) 인체에 흡수되지 않고 변으로 배출됨으로써 독성을 나타내지 않기 때문이다. 바륨 조영 X-선 사진은 소화관의 모든 굴곡과 이상 여부를 선명하게 보여주므로, 오래전부터 위장 혹은 대장 X-선 촬영에 이용되어 왔다.
기타 바륨 화합물
Ba2+의 독성 때문에, 황산바륨 이외의 바륨 화합물의 용도는 비교적 제한적이지만 일부는 유용하게 사용된다. 산화바륨(BaO)은 형광등과 음극선관 전극을 코팅하는데 사용된다. 과산화바륨(BaO2)은 한 때 산소 생산에 사용되었으며, 철도 레일을 용접할 때 테르밋 반응(aluminothermic reaction: Al 분말을 사용하여 철 산화물을 환원시키는 반응으로 아주 많은 열이 발생함)을 개시하는 촉매나 표백제 등으로 사용될 수 있다. 탄산바륨(BaCO3)은 유리 제조에 사용되는데, 바륨이 첨가된 유리는 굴절율이 크고 X-선을 잘 흡수한다. 탄산바륨은 또한 도자기 유약의 성분으로도 널리 사용된다. 염화바륨(BaCl2)은 염소 생산에서 소금물을 정제하는데 사용되며, 살서제로도 사용되었다. 수산화바륨(Ba(OH)2)은 산을 중화시켜 제거하거나 약산의 중화적정에 사용되며, 다른 바륨 화합물을 만드는데도 사용된다. 또한, 여러 바륨염(질산바륨, 염화바륨, 염소산바륨 등)들이 불꽃 놀이에서 녹색을 내는데 사용된다.
한편, 몇 가지 바륨 화합물들이 첨단 전자 및 광 산업에서 중요하게 사용되거나 앞으로 사용될 것이 기대된다. 예로, 플루오르화바륨(BaF2)은 파장이 0.15~12μm 영역의 전자파를 잘 통과시키므로, 적외선 광학에 사용되며, 타이타늄산바륨(BaTiO3)은 자발적 전기 분극을 갖는 강유전성(ferroelectric) 세라믹 물질로, 축전기(캐패시터, capacitor), 압전소자(압력을 전기로, 또는 전기를 압력으로 변환시키는 소자), 비선형(non-linear) 광학소자 등으로 널리 사용된다. 그리고 이트륨 바륨 구리 산화물(Yttrium barium copper oxide, YBCO)은 처음 발견된 고온 초전도체로, 임계온도(90~93K)가 비교적 높아 액체 질소(끓는점 77K)에서도 초전도 성질을 유지하는데, 이러한 고온 초전도 물질은 송전 및 전기 저장, 자기 부상 열차, 고효율 전자기기 등에 유용하게 사용되리라 기대되고 있다.
황산바륨은 소화관(식도에서 대장까지)의 X-선 촬영 조영제로 사용된다.
황산바륨은 소화관(식도에서 대장까지)의 X-선 촬영 조영제로 사용된다.
고온초전도체가 마이스너 효과로 떠 있는 모습. 이트륨 바륨 구리 산화물(Yttrium barium copper oxide, YBCO)은 처음 발견된 고온 초전도체다.
고온초전도체가 마이스너 효과로 떠 있는 모습. 이트륨 바륨 구리 산화물(Yttrium barium copper oxide, YBCO)은 처음 발견된 고온 초전도체다.
바륨 독성과 주의사항
금속 바륨과 수용성 바륨 화합물은 독성이 있다. 탄산바륨(BaCO3)도 물에는 거의 녹지 않으나, 위장에서는 녹으므로 독성을 나타낸다. 바륨의 독성은 같은 족의 마그네슘과 칼슘이 생명체의 필수원소이고, 스트론튬이 거의 독성을 나타내지 않는 것과 크게 대조적이다. 바륨 이온(Ba2+)은 작은 양은 근육 자극제로 작용하나, 중독이 되면 혈청의 포타슘 농도가 낮은 저포타슘혈증(hypokalemia)의 원인이 되고 신경계에 영향을 미쳐 불규칙한 심장박동, 경련, 무기력증, 호흡장애, 마비, 고혈압 등의 증상을 가져올 수 있다. 또한 Ba2+ 중독은 구토, 복통, 설사 등의 위장 장애를 보일 수 있고, 눈, 면역계, 피부에도 작용하여 이들 기관의 기능 이상을 초래할 수도 있다. 이는 Ba2+ 이온이 신경계의 정상적 기능에 매우 중요한 포타슘 이온 통로(potassium ion channel)의 경쟁적 차단제로 작용할 수 있기 때문이다.
바륨 먼지가 들어있는 공기를 장기간 들이 마시면 바륨이 폐에 축적된 바륨폐진증(baritosis)에 걸릴 수 있다. 바륨 폐진증은 흉부 X-선 사진에서 작은 반점으로 나타나는데, 폐 기능을 저해하지는 않고 약한 기침 이외의 다른 증상은 나타나지 않으며, 바륨 먼지에 더 이상 노출되지 않으면 점차 정상으로 되돌아 간다.
수치로 보는 바륨
바륨의 표준원자량은 137.33/mol이고, 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p66s2([Xe]6s2)이며, 화합물에서 주된 산화 수는 +2이다. 지각에서의 존재 비는 약 390ppm (0.039%)로, 14번째로 풍부한 원소이다. 바닷물에는 13μg/L (비교 Sr, 7.8mg/L) 들어있다. 1기압에서 녹는점은 727oC이고 끓는점은 1897oC이며, 20oC에서의 밀도는 3.59g/cm3이다. 녹음열은 7.12kJ/mol이고 증발열은 140.3kJ/mol이다. 20oC에서 전기비저항은 332nΩ∙m이고 열전도도는 18.4 W∙m-1∙K-1이다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 502.9, 965.2, 3600kJ/mol 이며, 폴링의 전기 음성도는 0.89이다. 원자 반경은 222pm (비교: Ca, 197pm; Sr, 215pm)이며, 6 배위체의 이온 반경은 135pm (비교: Ca2+, 100pm; Sr2+, 118pm)이다. 천연상태에서 안정한 7가지 동위원소가 있는데, 존재비가 큰 것은 138Ba(71.7%)와 137Ba(11.23%)이다. 주로 BaSO4 (Ba 함량 58.8%) 형태로 생산되는데, 2011년의 전세계 BaSO4 생산량은 약 780만 톤이고, 이의 50% 이상이 중국에서 생산된 것으로 추정된다.
글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학) 서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.
발행일 2012.09.26
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