Le baryum, élément atomique n°56 de symbole Ba : son histoire, ses isotopes, ses propriétés, ses applications et ses dangers.

Isotopes

Il existe 40 isotopes connus de baryum avec un nombre de masse allant de 114 à 153, ainsi que 10 isomères nucléaires. Parmi eux, six isotopes sont stables et ne se désintègrent pas spontanément en d’autres éléments. Il s’agit des isotopes ¹³²Ba, ¹³⁴Ba, ¹³⁵Ba, ¹³⁶Ba et ¹³⁷Ba. Le septième isotope, le ¹³⁰Ba, est théoriquement instable, mais faible en radioactivité. Depuis sa création lors d’explosions de supernovas, moins d’un noyau sur cent milliards a subi une décomposition radioactive. Il est par conséquent considéré comme stable. Il s’agit d’un radioisotope primordial qui existait déjà dans l’univers avant la formation de la Terre. Il se désintègre par une double capture électronique, qui implique l’absorption de deux électrons et l’émission de deux neutrinos. La demi-vie de cette désintégration est longue, comprise entre 0,5 et 2,7 × 10²¹ années, soit environ 100 milliards de fois l’âge de l’Univers. L’instabilité de cet isotope a été découverte en 2009 grâce à des méthodes géochimiques, en détectant la présence de son isotope-fils, le xénon 130, dans les roches.

Le baryum le plus abondant est l’isotope ¹³⁸Ba, qui représente 71,70 % de tout le baryum naturel. Ensuite, l’isotope ¹³⁷Ba représente 11,23 % du baryum naturel, suivi de l’isotope ¹³⁶Ba (7,85 %), l’isotope ¹³⁵Ba (6,59 %) et l’isotope ¹³⁴Ba (2,42 %). Les isotopes ¹³²Ba et ¹³⁰Ba sont beaucoup moins abondants, représentant chacun seulement 0,1 % du baryum naturel. La masse atomique standard attribuée au baryum est de 137,327(7) u.

Propriétés du baryum

Le baryum est un métal alcalino-terreux qui est mou et a une couleur argentée. Il a un point de fusion de 850 °C. Le baryum se trouve dans la nature sous différentes formes minérales, notamment la norséthite BaMg(CO₃)_2, la barytine BaSO₄,  la sanbornite BaSi₂O₅, la benstonite (Ba,Sr)₆(Ca,Mg,Mn)₇(CO₃)₁₃ et la withérite BaCO₃. Le baryum réagit immédiatement avec l’oxygène lorsqu’il est exposé à l’air, pour former des composés. Par conséquent, il n’existe pas sous forme pure. Le protoxyde de baryum, également appelé baryta ou baryte anhydre, est un composé chimique qui se forme lorsque le baryum réagit avec l’oxygène.

Le baryum est présent de manière naturelle dans la croûte terrestre. Il est relativement abondant, représentant environ 0,04 % de la composition totale de la croûte terrestre. Sa concentration moyenne varie de 10 à 425 mg/kg, le plaçant au 16e rang en termes d’abondance parmi les éléments non gazeux. Les concentrations de baryum dans la houille peuvent atteindre 3 000 mg/kg.

Le baryum forme des sels avec divers acides. Les sels de baryum solubles dans l’eau comprennent le silicate, le chlorure, l’acétate, l’hydroxyde, le thiocyanate, le cyanure le nitrate et l’oxyde. Les halogénures sont également compris dans la liste, à l’exception du fluorure. D’autre part, certains sels de baryum ont une faible hydrosolubilité. Ils comprennent le carbonate, l’oxalate, le citrate, le fluorure, l’arséniate et le tartrate, mais sont solubles dans les acides.

Lorsqu’il est chauffé, le baryum donne une couleur vert pomme à la flamme. Il sert de colorant dans les feux d’artifice en raison de cette particularité.

En radiologie, le baryum est utilisé pour rendre les structures internes du corps visibles sur les images radiographiques. Afin d’éviter les risques de toxicité, il est administré sous forme de sulfate insoluble.

Le sulfate de baryum (BaSO₄) est souvent ajouté comme additif dans les boues de forage en raison de sa haute densité (4,5 g/cm3) et de sa faible solubilité dans l’eau. Il est ainsi possible d’augmenter leur densité sans augmenter leur volume ou leur viscosité.

Le titanate de baryum, ou BaTiO₃, est un matériau céramique qui possède des propriétés piézoélectriques. Il peut convertir l’énergie électrique en énergie mécanique, et inversement. Cette propriété est utile pour la fabrication de dispositifs électroniques tels que les capteurs, les actionneurs et les condensateurs.

Le béta-borate de baryum ou BBO appartient à la classe des cristaux de tétraborate, qui possèdent une structure cristalline orthorhombique. Il est utilisé en optique non linéaire, en raison de sa structure qui lui permet de générer des faisceaux lumineux à des fréquences spécifiques.

Le sulfate de baryum et d’autres composés de baryum sont exploités dans l’industrie de la peinture pour améliorer la blancheur, l’opacité et la durabilité des peintures et des vernis. Le lithopone (mélange de sulfure de zinc et de sulfate de baryum) est un pigment blanc couramment trouvé dans les peintures et les encres. Les silicates de baryum et de cuivre servaient également de pigments pour la peinture en Chine depuis des siècles.

La barytine, ou sulfate naturel de baryum, est un élément essentiel dans la fabrication de béton capable d’intercepter les radiations ionisantes. Ce matériau de construction composite est utilisé dans les installations nucléaires et de radiologie pour protéger les travailleurs et l’environnement contre les radiations.

Danger

Le baryum métallique réagit violemment avec l’eau pour produire de l’hydrogène gazeux et de l’hydroxyde de baryum, comme indiqué dans l’équation :

Ba + 2 H₂O → H₂ + Ba(OH)₂

Lorsqu’il est exposé à l’eau, il forme de l’hydroxyde de baryum, également appelé baryta hydraté, qui est très toxique. Les solvants oxydants, tels que le peroxyde d’hydrogène, peuvent réagir avec le baryum pour former de l’oxygène et de l’eau et causer une explosion. Les solvants qui contiennent des liaisons oxygène-azote, telles que l’isoxazolidine, peuvent réagir avec le baryum pour former des composés instables et explosifs. Les solvants acides (alcools, phénols, ammoniaque, amines, acides carboxyliques, amides et thiols) et les halogénures d’hydrogène peuvent réagir avec le baryum pour former des sels de baryum toxiques ou explosifs. En général, le baryum doit être manipulé avec précaution en raison de sa grande réactivité avec de nombreux solvants et oxydants. Seuls les composés insolubles comme le sulfate et les silicates inoffensifs.

Toxicité pour l’écosystème

Le baryum, sous forme de sel, peut se dissoudre facilement dans l’eau. Une fois absorbé, il peut se dégrader, se dissoudre dans le sang, et être distribué dans tout le corps. Une grande partie de ce métal blanc argenté est accumulée dans les os, où il peut se fixer à la structure osseuse. Cette incorporation peut entraîner des effets toxiques sur la santé animale, une hypothèse confirmée par l’étude de l’Institut national de recherche et de sécurité. En effet, les souris, les rats et les lapins exposés régulièrement au baryum ont développé un foie plus grand et un plus grand nombre de décès.

La dose sans effet toxique observable (NOAEL) peut varier en fonction de la chronicité, le type de sel de baryum, la dose et la durée d’exposition.

Effets néfastes sur l’Homme

L’intoxication au baryum cause divers symptômes, notamment des douleurs abdominales, des nausées, des vomissements, la diarrhée, des difficultés respiratoires, une hypertension artérielle, des convulsions et des étourdissements. Les effets à long terme peuvent inclure des dommages permanents aux organes tels que le cœur, les reins et le foie, ainsi que des troubles neurologiques tels que la paralysie et la perte de mémoire. Sans traitement, l’intoxication au baryum peut entraîner la mort.

Aliments riches en baryum

Le baryum est principalement présent dans l’eau et dans certains minéraux. Cependant, les noix (noix du Brésil, noix de cajou, noix de pécan et noisettes) peuvent contenir une quantité significative de baryum.

Dosage

Pour isoler le baryum de la matrice de son environnement, une digestion est souvent nécessaire en utilisant de l’acide nitrique ou de l’acide chlorhydrique. Le centre d’expertise en analyse environnementale du Québec utilise des techniques d’analyse chimique avancées qui permettent la détection de traces d’éléments dans des échantillons complexes. L’ICP-MS (spectrométrie de masse avec plasma induit par couplage inductif) est utilisée pour les analyses dans la chair de poissons et les petits invertébrés. L’ICP-OES (spectrométrie d’émission optique avec plasma induit par couplage inductif) est choisie pour les analyses dans l’eau.

Tartre

Des tartres de sulfate de baryum peuvent se former dans les tuyaux et les vannes des forages pétroliers et gaziers profonds. Ils sont spécialement difficiles à dissoudre. Le tartre peut boucher les tuyaux et endommager les vannes de sécurité. Pour prévenir sa formation, des additifs appelés inhibiteurs de tartre peuvent être ajoutés, tels que les polyacrylates organiques ou inorganiques. La recherche en chimie verte actuelle vise à produire des inhibiteurs de tartre qui sont biodégradables et ne nuisent pas aux métaux des tuyaux et des vannes. En outre, ces inhibiteurs doivent être efficaces contre différents types de tartres, tels que ceux à base de sulfure de zinc, de plomb, de carbonate ou de sulfate de calcium, que l’on peut également trouver dans certains forages profonds.