Baryum Sülfat

Baryum sülfat (BaSO₄), baryum ve sülfat iyonundan oluşan inorganik bir bileşiktir; suda ve çoğu yaygın çözücüde neredeyse çözünmeyen, yoğun, beyaz, kokusuz kristal bir katı olarak görünür.^[1] 233,39 g/mol moleküler ağırlığa, yaklaşık 4,5 g/cm³ yoğunluğa ve 1580 °C erime noktasına (daha yüksek sıcaklıklarda bozunur) sahip olup, endüstriyel uygulamalar için dünya çapında çıkarılan barit minerali olarak doğada bulunur.^[1] Bu bileşiğin yüksek özgül ağırlığı ve X-ışınlarını güçlü bir şekilde absorbe etmesi gibi dikkate değer özellikleri, onu hem tıbbi hem de endüstriyel bağlamlarda paha biçilmez kılar.^[1]

Tıpta, baryum sülfat öncelikle X-ışını veya bilgisayarlı tomografi (BT) taramaları sırasında gastrointestinal sistemi görüntülemek için radyopak bir kontrast madde olarak kullanılır; burada anormalliklerin net bir şekilde görüntülenmesi için yemek borusunu, mideyi ve bağırsakları kaplamak üzere oral yoldan veya lavman olarak uygulanır.^[2] Yutulduğunda toksik olmaması, sistemik emilimi engelleyen çözünmezliğinden kaynaklanır, ancak kramplar veya aspirasyon gibi yan etkilerden kaçınmak için sağlık uzmanlarına alerjilerin veya kabızlık gibi durumların bildirilmesi gibi önlemler gerektirir.^[2] Endüstriyel olarak barit (baryum sülfat), sıvı yoğunluğunu artırma ve sondaj deliklerini stabilize etme yeteneği nedeniyle petrol ve gaz kuyuları için sondaj çamurlarında bir ağırlıklandırma maddesi olarak hizmet eder ve küresel tüketiminin çoğunluğunu oluşturur; 2025 yılında ABD Jeolojik Araştırmalar Kurumu’nun Kritik Mineraller Listesi’ne eklenmiştir.^[3]^[4] Ayrıca boyalar, plastikler, kauçuk, kağıt kaplamaları ve radyasyon koruyucu beton gibi ürünlerde dolgu maddesi veya genişletici olarak ince parçacıklar halinde öğütülerek kimyasal olarak reaksiyona girmeden dayanıklılığı, opaklığı ve ağırlığı artırır.^[3] Düşük çözünürlüğü nedeniyle, baryum sülfat minimal toksisite sergiler ve kanserojen olarak sınıflandırılmaz, ancak tozunun uzun süreli solunması, akciğerleri etkileyen iyi huylu bir pnömokonyoz formu olan baritozise neden olabilir.^[1]

Özellikler

Fiziksel özellikler

BaSO₄ moleküler formülüne sahip baryum sülfat, 233,39 g/mol molar kütleye sahiptir.^[1] Saf formda genellikle tatsız, beyaz veya sarımsı, kokusuz bir toz veya küçük kristaller olarak görünür.^[1]

Bileşik yaklaşık 4,5 g/cm³ yoğunluk, 1580 °C erime noktası sergiler ve belirgin bir kaynama noktası olmaksızın 1600 °C civarında bozunur.^[1] Bu termal özellikler, yüksek sıcaklık uygulamaları için uygunluğunu sağlayan yüksek kararlılığını vurgular.

Baryum sülfat, yaygın barit formunda ortorombik bir kristal yapı benimser; Pnma uzay grubuna aittir ve kafes parametreleri a = 8,884 Å, b = 5,457 Å ve c = 7,157 Å şeklindedir.^[5] Bu yapı, fiziksel bağlamlarda sertliğine ve düşük reaktivitesine katkıda bulunur.

Ticari formlarda, doğal barit tipik olarak öğütme işlemlerine bağlı olarak 1 ila 75 μm arasında değişen daha kaba, değişken parçacık boyutlarına sahipken, çöktürülmüş baryum sülfat, genellikle 0,1–0,5 μm gibi 1 μm’nin altında ultra ince, tutarlı parçacıklar sağlar.^[6]^[7] Bu farklılıklar, daha ince çöktürülmüş parçacıkların daha kaba doğal varyantlara kıyasla kaplamalarda ve plastiklerde dispersiyonu ve opaklığı artırdığı dolgu maddeleri gibi uygulamaları etkiler.^[6]

Baryum sülfat suda 20 °C’de 0,00024 g/100 mL gibi son derece düşük bir çözünürlük gösterir, ancak sıcak derişik sülfürik asitte artan çözünürlük gösterir.^[1] Suda ve seyreltik asitlerdeki bu çözünmezlik, tıbbi görüntülemede radyopak bir kontrast madde olarak güvenli kullanımının temelini oluşturur.^[1]

Kimyasal özellikler

Baryum sülfat, BaSO₄(k) ⇌ Ba²⁺(suda) + SO₄²⁻(suda) dengesini yöneten 25 °C’deki 1,1 × 10⁻¹⁰ çözünürlük çarpımı sabiti (Ksp) ile karakterize edilen, suda son derece düşük çözünürlük sergiler.^[8] Bu düşük Ksp değeri, bileşiğin sulu ortamlardaki termodinamik kararlılığını yansıtır ve doygunluk koşulları altında serbest baryum ve sülfat iyonlarının konsantrasyonunu her biri için yaklaşık 1,05 × 10⁻⁵ M ile sınırlar.^[8]

Bileşik yüksek termal kararlılık gösterir; 1580 °C’de erir ve 1600 °C’nin üzerinde, 588,3 kJ/mol denge entalpi değişimi ve 257,3 J/K·mol entropi değişimi ile BaSO₄(k) → BaO(k) + SO₂(g) + ½O₂(g) endotermik reaksiyonu yoluyla bozunur.^[9] Bu bozunma, güçlü Ba-O ve S-O bağları nedeniyle önemli enerji girişi gerektirir ve süreç, düşük basınç koşulları altında 575,3 kJ/mol aktivasyon entalpisi ile birinci dereceden kinetiği izler.^[9]

Reaktivite açısından, baryum sülfat nötr ve alkali koşullar altında kimyasal olarak eylemsizdir ve ortam sıcaklıklarında çoğu sulu reaktif ile önemli bir etkileşim göstermez.^[10] Ancak, sıcak derişik sülfürik asitte çözünerek çözünür baryum hidrojen sülfat, Ba(HSO₄)₂ oluşturur ve çözünür baryum klorür ve sülfürik asit oluşumu nedeniyle sıcak derişik hidroklorik asitte sınırlı çözünürlük sergiler.^[10]^[11]

Redoks davranışı ile ilgili olarak, baryum sülfat standart koşullar altında oksidasyona veya indirgenmeye karşı genellikle dirençlidir ve kolay elektron transferine uğramadan sadece yüksek sıcaklıklarda zayıf bir oksitleyici ajan olarak hareket eder.^[10] Karbon kullanılarak yüksek sıcaklıklarda (800 °C’nin üzerinde) baryum sülfüre indirgenebilir, ancak bu süreç kinetik olarak yavaştır ve indirgeyici atmosferler gerektirir.^[12]

Baryum sülfatın izotopik varyantları, özellikle kararlı izotop ¹³⁷Ba içerenler, barit çökeltilerindeki δ¹³⁷/¹³⁴Ba oranları gibi izotop fraksiyonlama analizi yoluyla deniz ve jeolojik sistemlerdeki baryum döngüsünü izlemek için çevresel izleme çalışmalarında kullanılır.^[13] Bu varyantlar, bileşiğin yığın kimyasal özelliklerini değiştirmeden çökelme ve çözünme süreçlerinin hassas bir şekilde izlenmesini sağlar.^[14]

Baryum sülfatın çözünürlüğü ve çökelme kinetiği hafif pH bağımlılığı gösterir; asidik ortamlarda (pH < 4) sülfat iyonlarının bisülfata (HSO₄⁻) protonlanması nedeniyle çözünürlük hafifçe artar ve bu durum dengeyi çözünmeye doğru kaydırır.^[15] Daha yüksek pH değerlerinde, çekirdeklenme ve büyüme oranları hızlanır ve barit kristal büyümesine ilişkin atomik kuvvet mikroskobu çalışmalarında gözlemlendiği gibi aşırı doymuş koşullar altında hızlı çökelmeyi destekler.^[15]

Bulunuşu ve üretimi

Doğal bulunuşu

Baryum sülfat doğada öncelikle, katmanlı tortul yataklar, hidrotermal sistemler ve damar veya boşluk dolgu yapıları dahil olmak üzere dünya çapında çeşitli jeolojik ortamlarda oluşan barit (BaSO₄) minerali olarak bulunur.^[16] Bu yataklar, deniz suyunun veya tuzlu suların buharlaştığı evaporit havzalarında veya sıcak, mineral yüklü suların daha soğuk sülfat içeren çözeltilerle etkileşime girdiği hidrotermal ortamlarda, sülfatça zengin sulu sıvılardan baryum iyonlarının çökelmesiyle ortaya çıkar.^[17] Tortul barit genellikle katmanlı kaya dizileriyle ilişkilendirilirken, hidrotermal çeşitler volkanik veya jeotermal aktivitenin yakınında oluşur ve damar yatakları Prekambriyen’den yakın çağlara kadar değişen eski ana kayalardaki çatlakları doldurur.^[18]

Baritin küresel kaynakları yaklaşık 2 milyar tondur; buna yaklaşık 740 milyon ton tanımlanmış kaynak ve kilit üretim bölgelerinde yoğunlaşmış yaklaşık 250 milyon ton rezerv dahildir.^[19] Başlıca üretici ülkeler arasında Çin, Hindistan, Fas ve Amerika Birleşik Devletleri yer almaktadır; ABD’de 2024 yılındaki üretim Nevada’daki dört işletmeden sağlanmış olup, üretim verileri önceki yıllara göre artış göstermesine rağmen ticari sırları ifşa etmemek amacıyla gizli tutulmuştur.^[19] Bu rezervler, baritin bolluğunu ve endüstriyel uygulamalar için önemli bir hammadde olarak rolünü vurgulamaktadır.

Biyolojik bağlamlarda, baryum sülfat, fizyolojik fonksiyonlara katkıda bulunan seçkin mikroorganizmalarda görülür. Karyoreliktid siliyer Loxodes, yoğun baryum sülfat kristallerini, gravitaksis (yerçekimine yönelim) için statolit görevi gören ve sucul ortamlarda yüzdürme düzenlemesine yardımcı olan özelleşmiş Müller organellerine dahil eder.^[20] Desulfobacterota filumundakiler gibi sülfat indirgeyen bakteriler, anoksik tortularda ve petrol sahası ortamlarında baryum sülfat ile etkileşime girer; burada onu çözerek baryum iyonlarını serbest bırakabilir ve kükürtçe zengin ekosistemlerdeki doğal döngüsünü etkileyebilirler.^[21]

Doğal barit yatakları tipik olarak saflığı etkileyen silika (kuvars veya çört olarak), demir oksitler, kalsit ve dolomit gibi karbonatlar ve küçük sülfitler dahil olmak üzere safsızlıklar içerir.^[16] Ticari kullanım için, bu kirleticiler, işleme için gereken yüksek dereceli malzemeyi elde etmek amacıyla yerçekimi ayırma, yüzdürme veya kimyasal liç gibi zenginleştirme yöntemleri ile uzaklaştırılır.^[22]

Endüstriyel üretim

Baryum sülfat endüstriyel ölçekte öncelikle, baryum klorürün (BaCl₂) sodyum sülfat (Na₂SO₄) ile çökelme reaksiyonu yoluyla üretilir ve çözünmez baryum sülfat çökeltisi ile yan ürün olarak sodyum klorür elde edilir. Bu çift yer değiştirme reaksiyonu için denkleştirilmiş kimyasal denklem şöyledir:

$$ \text{BaCl}_2 + \text{Na}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{BaSO}_4 \downarrow + 2\text{NaCl} $$

Bu yöntem, basitliği ve çeşitli uygulamalar için uygun olan yüksek saflıkta çöktürülmüş baryum sülfat (blanc fixe) üretme kabiliyeti nedeniyle tercih edilir.^[23]^[24]

Alternatif bir yol doğal barit cevheri ile başlar; bu cevher, baryum sülfür (BaS) oluşturmak için yüksek sıcaklıklarda (yaklaşık 900–1100°C) karbon ile termo-kimyasal indirgemeye tabi tutulur. BaS daha sonra sodyum sülfat ile reaksiyona sokularak baryum sülfatı yeniden üretir ve bir yan ürün olarak sodyum sülfür üretilir, bu da daha düşük tenörlü cevherlerin rafine ürüne işlenmesine olanak tanır. BaS’ın hava veya kükürt dioksit ile oksidasyonu da, özellikle üretimle entegre kükürt geri kazanım operasyonlarında baryum sülfat oluşturmak için döngüsel süreçlerde kullanılabilir.^[24]^[25]^[26]

Çökelme teknikleri, reaktif konsantrasyonunu, ekleme oranlarını, pH’ı ve sıcaklığı düzenleyerek, genellikle topaklanmayı önlemek ve mikrometreden nano ölçeğe kadar tekdüze dağılımlar elde etmek için sürekli karıştırıcılar veya katkı maddeleri kullanarak parçacık boyutu ve morfoloji kontrolü için optimize edilmiştir. 2025’teki son gelişmeler, %95’in üzerinde verimle yüksek saflıkta baryum sülfat nanopartiküllerinin (50–100 nm’ye kadar) yüzey aktif madde içermeyen üretimini sağlayan sıvı film reaksiyon sentezi gibi ölçeklenebilir laboratuvar yöntemlerini içermekte ve gelişmiş karıştırma verimliliği ve azaltılmış enerji girdisi yoluyla endüstriyel ölçek büyütme potansiyeli göstermektedir.^[27]^[28]^[29]

Çökelmeyi takiben, baryum sülfat, klorürler ve sülfatlar gibi çözünür safsızlıkları gidermek için suyla tekrarlanan yıkama, ardından katıyı izole etmek için filtrasyon veya santrifüjleme ve %95–99 saflıkta serbest akışlı bir toz elde etmek için 100–200°C’de kurutma yoluyla saflaştırmaya tabi tutulur.^[30]^[31]

Çökelme adımı enerji açısından verimlidir, tipik olarak minimum ısıtma gerektirir, ancak barit indirgeme işlemi önemli termal enerji (üretilen BaS tonu başına 10–15 GJ’ye kadar) gerektirir. Sodyum klorür (baryum sülfat tonu başına 1,5 tona kadar) gibi yan ürünler, kimya endüstrilerinde yeniden kullanım için buharlaştırma yoluyla geri kazanılır veya çevresel deşarjı en aza indirmek için atık su sistemlerinde arıtılır. Sürdürülebilir optimizasyonlar, yan ürün geri dönüşümüne, kömür yerine metan gibi daha düşük karbonlu indirgeyicilere ve genel ekolojik ayak izini azaltmak için kapalı döngü su sistemlerine odaklanmaktadır.^[23]^[25]^[32]

Baritin küresel üretimi 2024 yılında 8 milyon metrik tonu aşmıştır.^[19]

Kullanım Alanları

Tıbbi uygulamalar

Baryum sülfat öncelikle tıbbi görüntülemede bir radyokontrast madde olarak hizmet eder; X-ışını, floroskopi ve bilgisayarlı tomografi (BT) prosedürleri sırasında gastrointestinal sistemin görselleştirilmesini geliştirmek için oral veya rektal yoldan uygulanır.^[2]^[33]^[34] Örneğin, bir baryum yutma çalışmasında, hastalar yemek borusu, mide ve bağırsakları belirginleştirmek için bir süspansiyon yutarlar ve bu da ülserler, tümörler veya darlıklar gibi durumların teşhisine yardımcı olur. Yüksek atom numarası ve yoğunluğu, suda çözünmezliği nedeniyle sistemik emilim olmaksızın mükemmel radyodansite sağlar.^[35]

Spesifik formülasyonlar arasında, 1 Ağustos 2025’te FDA tarafından yetişkinlerde ve 12 yaş ve üzeri pediyatrik hastalarda özofagus açıklığının değerlendirilmesi için onaylanan 700 mg’lık bir baryum sülfat tableti olan E-Z-Disk yer alır; burada darlıkları tespit etmek için görüntüleme sırasında ağızdan bir tablet alınır.^[36]^[37]

Nanopartikül formunda baryum sülfat, BT’de kontrastı artırır, ortopedik implantlarda kemik çimentosu takviyesi için kullanılır ve hedeflenen tedavileri destekler.^[38]^[39] Örneğin, BaSO₄ nanopartikülleri, X-ışını kontrast ajanları olarak mikro ölçekli parçacıklardan daha iyi performans gösterir ve kanser tedavisinde kemoterapötiklerin yüklenmesi ile 2025 çalışmalarında meme kanseri modellerinde harici ışın radyasyon terapisi radyo-iyileştirmesi için araştırılmıştır.^[40]^[41]

Dozaj tipik olarak %40-60 a/h (ağırlık/hacim) konsantrasyondaki oral veya rektal süspansiyonları içerir; yetişkin dozları 150-750 mL (87-435 g baryum sülfat sağlar) arasında değişir ve pediyatrik hastalar için vücut ağırlığına ve prosedür ihtiyaçlarına göre ayarlanır; eylemsiz doğası, metabolik etkileşimi önleyen kimyasal çözünmezliğinden kaynaklanır.^[42]^[43]^[44]

FDA, Nisan-Haziran 2025’te Entero Vu %24 oral süspansiyon dahil olmak üzere baryum sülfat ürünleriyle ilişkili yan etkiler için potansiyel güvenlik sinyalleri tanımlamış ve E-Z-Disk gibi formülasyonlarla birlikte düzenleyici eylem için değerlendirme başlatmıştır.^[45]

Biyolojik olarak, baryum sülfat yüksek uyumluluk gösterir, gastrointestinal sistemde emilmeden kalır ve dışkıda değişmeden atılır; hayvan modellerinde 5 g/kg’ı aşan bir LD50 ile kanıtlanan düşük akut oral toksisiteye sahiptir.^[44]^[46]

Son gelişmeler, bağırsak opaklaşmasını iyileştirmek için abdominal BT protokollerinde pozitif kontrast astarı olarak oral baryum sülfatı vurgulayan 2024 kılavuzlarını, özellikle yüksek hacimlere olan bağımlılığı azaltan foton sayma ve çift enerjili BT ile gelişmiş görüntüleme hassasiyeti için devam eden nanopartikül sentez yöntemlerini içermektedir.^[47]^[29]^[48]

Endüstriyel uygulamalar

Mineral formunda yaygın olarak barit olarak bilinen baryum sülfat, petrol ve gaz kuyuları için sondaj sıvılarında birincil ağırlıklandırma maddesi olarak hizmet eder; burada çamurun yoğunluğunu ve hidrostatik basıncını artırmak, böylece patlamaları önlemek ve arama ve üretim sırasında kuyu stabilitesini korumak için eklenir.^[49] Bu uygulama, bileşiğin yaklaşık 4,2–4,5 g/cm³’lük özgül ağırlığından yararlanarak, formasyon basınçlarını etkili bir şekilde kontrol etmek için su veya yağ bazlı çamurlarda ağırlıkça %20’ye kadar konsantrasyonlara izin verir.^[50] Kimyasal eylemsizliği, formasyon sıvıları veya katkı maddeleri ile reaksiyona girmeden çeşitli sondaj ortamlarıyla uyumluluk sağlar.^[51]

Pigment endüstrisinde, blanc fixe olarak pazarlanan çöktürülmüş baryum sülfat, yüksek beyazlığı, opaklığı ve ışık saçma özellikleri nedeniyle değerlidir ve boyalar, kaplamalar ve kağıt üretiminde önemli bir genişletici yapar.^[52] Titanyum dioksit parçacıkları için bir ayırıcı görevi görerek mimari boyalarda ve endüstriyel kaplamalarda parlaklığı ve örtücülüğü artırır, optik performansı korurken daha pahalı pigmentin %5-15’inin yerini alma potansiyeli sunar.^[53] Kağıt üretiminde, kağıdın mukavemetini etkilemeden parlaklığı ve baskı kalitesini iyileştirmek için bir dolgu maddesi olarak işlev görür.^[54]

Plastik ve kauçukta dolgu maddesi olarak baryum sülfat, çekme mukavemeti, sertlik ve aşınma direnci gibi mekanik özellikleri iyileştirirken, X-ışını görünürlüğü gerektiren uygulamalar için radyopaklık kazandırır.^[55] Kauçuk bileşiklerinde, hava koşullarına dayanıklılığı ve yaşlanma direncini artırmak, çevresel maruziyetten kaynaklanan bozulmayı azaltmak için beyaz yanaklı lastiklere ve konveyör bantlarına dahil edilir.^[56] Polipropilen ve polivinil klorür gibi plastikler için kalıplanmış parçalarda sertliği ve boyutsal kararlılığı artırır ve kauçuk yalıtımlı kablolarda, güvenlik denetimleri için hem mekanik takviye hem de radyopak özellikler sağlar.^[57]^[58]

Baryum sülfat bazlı boyalar, pasif gündüz radyatif soğutma için bir malzeme olarak ortaya çıkmıştır; güneş ışığının %97,6’sına kadarını yansıtırken atmosferik şeffaflık penceresinden kızılötesi radyasyon yayar ve yüzeylerin enerji girişi olmadan ortam sıcaklıklarının altına soğumasını sağlar. 2021 yılında polimer matrislerde optimize edilmiş parçacık boyutu ve konsantrasyonu ile geliştirilen bu ultra beyaz kaplamalar, doğrudan güneş ışığı altında 5-6°C’lik ortam altı soğutma elde etmiş ve uygulamalar 2024 yılına kadar enerji verimli termal yönetim için bina dış cephelerine ve araçlara genişlemiştir.^[59]

Niş endüstriyel rollerde, baryum sülfat petrokimyasal süreçlerde katalizörler için eylemsiz bir taşıyıcı olarak hareket eder ve yüksek sıcaklıklar ve basınçlar altındaki kararlılığı nedeniyle müdahale etmeden hidrojenasyon reaksiyonlarını destekler.^[60] Ayrıca piroteknikte yeşil işaret fişeği bileşimlerinde yüksek sıcaklık oksitleyicisi olarak kullanılır ve baryum bileşikleriyle birleştiğinde kararlı, parlak yeşil emisyonlara katkıda bulunur.^[61] Bakır rafinasyonunda, baryum sülfat bazlı adsorbanlar elektrolitlerden antimon gibi safsızlıkları çökelterek uzaklaştırır ve elektrolitik geri kazanım sırasında metal saflığını artırır.^[62] Ek olarak, ateşli silahlar için 3D baskılı polimer bileşenlerde radyopak bir katkı maddesi olarak, X-ışını taraması altında tespit edilebilirliği sağlar ve uyumlu olmayan “hayalet silah” üretimini önlemek için Tespit Edilemeyen Ateşli Silahlar Yasası kapsamındaki ATF düzenlemelerine uyar.^[63]

Gelişmekte olan uygulamalar

Son araştırmalar, nükleer atık depolarının ana kayalarındaki radyonüklit tutulumunda baritin rolünü vurgulamış, radyonüklitleri uzun zaman dilimlerinde tutmak için düşük çözünürlüğünden ve tuzlu koşullar altındaki kararlılığından yararlanmıştır. 2024 yılındaki çalışmalar, baritin derin anoksik tuzlu sularda çökelmesini ve çözünmesini incelemiş, ikincil süreçlerin depo performansı için kritik olan eser element dağılımını nasıl etkilediğini ortaya koymuştur.^[64]^[65]

Kaya-sıvı etkileşimlerinde, barit çökelmesi jeotermal sistemlerde ve gelişmiş petrol geri kazanımında kilit bir rol oynar; burada geleneksel olmayan rezervuarlarda tortular oluşturur. Stanford’un jeotermal programından 2024 tarihli bir analiz, tuzlu sulardan mineral ekstraksiyonunu araştırmış, reaktif taşıma modellerinde selestin (SrSO4) ile birlikte baritin davranışına dikkat çekmiş, bu da enerji üretiminde tortulaşmayı azaltma ve sıvı akışını iyileştirme stratejilerini bilgilendirmektedir. Endüstriyel bir dolgu maddesi olarak yerleşik kullanımına dayanarak, bu bulgular sürdürülebilir kaynak geri kazanımında genişletilmiş uygulamalar önermektedir.^[66]^[67]

Gelişmiş sentez yöntemleri, özellikle aşağıdan yukarıya çökelme, yüksek performanslı uygulamalar için özel morfolojilere sahip baryum sülfat nanopartiküllerinin üretilmesini sağlamıştır. RSC Advances’teki 2025 tarihli bir inceleme, polimerler ve yüzey aktif maddeler gibi kaplama ajanlarının çökelme sırasında parçacık boyutunu ve şeklini nasıl kontrol ettiğini detaylandırarak, çevre dostu olmaktan ödün vermeden mekanik mukavemeti ve opaklığı artırmak için mürekkepler, kauçuk ve boyalarda gelişmiş dolgu maddeleri olarak uygun nanopartiküller elde edildiğini belirtmektedir.^[68]

Baritteki izotopları kullanan güncellenmiş radyometrik teknikler, özellikle geçmiş okyanus koşullarının yeniden yapılandırılması ve kirlenmenin izlenmesi için çevresel izlemeyi ilerletmiştir. 2025’teki araştırmalar, baritteki oksijen izotoplarının deniz suyu bileşiminin güvenilir bir arşivini sağladığını, madencilik alanlarındaki sülfatların kükürt ve oksijen izotop analizinin ise kirlilik kaynaklarını yüksek hassasiyetle tanımladığını göstermektedir. 2024 tarihli baryum izotop fraksiyonlama çalışmaları, bu yöntemleri sucul sistemlerdeki jeokimyasal süreçler için izleyiciler olarak daha da rafine etmektedir.^[69]^[70]^[71]

Sürdürülebilir teknolojilerde, baryum sülfat, pasif soğutma boyalarında ve 3D baskı malzemelerinde çevre dostu bir bileşen olarak ortaya çıkmaktadır. Nanyang Teknoloji Üniversitesi’nden 2024 tarihli bir gelişme, güneş ışığının %95’inden fazlasını yansıtan boyalar oluşturmak için sol-jel yöntemleriyle geri dönüştürülmüş plastiklerle baryum sülfatı birleştirerek, enerji verimli bina soğutması için yüzey sıcaklıklarını 5°C’ye kadar düşürmektedir. Benzer şekilde, stereolitografik 3D baskıdaki 2025 gelişmeleri, dayanıklı seramikler üretmek için baryum sülfat kompozitlerini kullanmakta ve niş kullanımların ötesinde yapısal bileşenler için daha geniş katmanlı üretime genişlemektedir.^[72]^[73]

Tarihçe

Keşif ve erken gelişmeler

Tarihsel olarak ağır spat veya barit olarak bilinen baryum sülfat, ilk olarak İsveçli kimyager Carl Wilhelm Scheele tarafından 1774 yılında Bologna taşı ve ilgili ağır minerallerden alınan örneklerin analizi sırasında yeni bir “toprak” içeren ayrı bir mineral olarak tanımlanmıştır. Scheele, onu kalsiyum sülfat gibi daha önce bilinen maddelerden ayırarak bilinmeyen bir toprak alkali metalin sülfatı olarak tanıdı, ancak yalnızca oksit formu olan baritayı (BaO) izole edebildi.^[74]

1770’lerin sonlarında ve 1780’lerde Alman kimyager Martin Heinrich Klaproth, baritin bileşimini baryum sülfat (BaSO₄) olarak doğrulayan ayrıntılı analizler yürüttü, gravimetrik yöntemlerle kimyasal kimliğini sağlamlaştırdı ve onu benzer sülfatlardan ayırdı. Klaproth’un witherit (baryum karbonat) gibi mineraller üzerindeki çalışması, 1782’de yüksek yoğunluğuna dayanarak bazı “baryta terra” adını vererek baryumu benzersiz bir element olarak daha da yerleştirdi. Baryumun elementel izolasyonu 1808’de, erimiş baryum oksidi elektroliz ederek saf metali üreten ve sülfat da dahil olmak üzere bileşiklerinin daha fazla incelenmesini sağlayan İngiliz kimyager Humphry Davy tarafından gerçekleştirildi.^[74]

Baryum sülfatın erken uygulamaları 19. yüzyılda, öncelikle kurşun beyazına kıyasla eylemsizliği, opaklığı ve toksik olmaması nedeniyle değer verilen, “kalıcı beyaz” veya “blanc fixe” olarak bilinen beyaz bir pigment olarak ortaya çıktı. 18. yüzyılın sonlarında tanıtılan ancak 1800’lerin ortalarında boyalarda ve kaplamalarda yaygın olarak benimsenen bu madde, baryum klorür ve sodyum sülfatın çökelmesiyle ölçeklenen üretimle sanatçılar ve endüstriyel kullanımlar için kararlı bir alternatif sağladı. Ek olarak, sülfat cevherlerinden türetilen baryum bileşikleri, 19. yüzyılda ısıtıldığında elementin spektral emisyonundan yararlanarak canlı yeşil renk efektleri üretmek için havai fişeklere dahil edildi, ancak baryum sülfatın kendisi piroteknik formülasyonlarda daha çok bir öncü veya stabilizatör olarak görev yaptı.^[75]

Önemli bir 20. yüzyıl dönüm noktası, 1910 yılında Alman radyolog Walter Bachem’in gastrointestinal görüntüleme için bir radyokontrast madde olarak baryum sülfatın kullanımına öncülük etmesiyle gerçekleşti; çözünmezliği ve yüksek yoğunluğu, sistemik emilim olmaksızın sindirim sistemini X-ışınları altında ana hatlarıyla belirtmek için onu ideal hale getirdi. Bu uygulama hızla tıbbi teşhiste standart haline geldi. Üretimle ilgili olarak, yüksek saflıkta çöktürülmüş baryum sülfat (blanc fixe olarak bilinir) için erken sentetik yöntemlerin patenti 1920’lerde alındı; örneğin, pigment ve dolgu maddesi uygulamaları için daha ince parçacıklar ve daha yüksek saflık elde etmek üzere barit cevherlerini rafine etme işlemleri, doğal mineral çıkarımını iyileştirdi.^[76]^[77]

Modern endüstriyel ve tıbbi gelişmeler

İkinci Dünya Savaşı’nı takiben, baryum sülfatın birincil cevheri olan barite olan talep, savaş sonrası ekonomik toparlanma ve 1950’lerde artan enerji ihtiyaçları nedeniyle petrol ve gaz aramaları için sondaj çamurlarında bir ağırlıklandırma maddesi olarak benimsenmesiyle arttı.^[78] Bu durum, Missouri ve Kentucky gibi bölgelerde barit madenciliğinde önemli bir genişlemeye yol açtı; sadece Missouri’deki üretim 1951’de önceki yıllara göre artarak 291.001 tona ulaştı ve daha derin kuyu sondajlarına yönelik daha geniş bir küresel eğilimi yansıttı.^[79] 1950’lerin ortalarına gelindiğinde, baritin sondaj sıvılarını stabilize etmedeki rolü baskın hale geldi, endüstriyel kullanımının %80-85’ini oluşturdu ve Amerika Birleşik Devletleri genelinde madenciliğin canlanmasını teşvik etti.^[80]

Tıbbi uygulamalarda, baryum sülfat 1960’larda erken kontrast maddelerden radyolojideki standart prosedürlere evrildi ve çift kontrastlı baryum yemeği tekniklerinin geliştirilmesi gastrointestinal görüntüleme doğruluğunu artırdı.^[81] Japon araştırmacılar tarafından öncülük edilen bu standardizasyon, tek kontrastlı yöntemlerin üzerine inşa edilerek mide ve ince bağırsaktaki mukozal detayların görselleştirilmesini iyileştirdi ve ülserler ve tümörler gibi durumlar için rutin bir tanı aracı haline geldi.^[82] 2010’lara gelindiğinde araştırma, epitelyal hücrelerde alımlarını ve toplu formlara kıyasla potansiyel olarak azaltılmış toksisiteyi gösteren çalışmalarla, gelişmiş görüntüleme için baryum sülfat nanopartiküllerine, geliştirilmiş biyouyumluluk ve X-ışını kontrast maddeleri olarak hedeflenen dağıtım sunmaya kaydı.^[83] Genellikle dekstran gibi biyouyumlu kaplamalarla kapsüllenen bu nanopartiküller, dokularda hassas lokalizasyon sağlayarak bilgisayarlı tomografi ve ilaç dağıtım sistemlerindeki uygulamaların yolunu açtı.^[29]

Endüstriyel olarak, baryum sülfat 1980’lerde boya ve kaplamalarda kurşun bazlı pigmentlere çevre dostu bir alternatif olarak ilgi gördü; toksik olmaması ve ağır metal içeriği olmadan opaklık sağlayan yüksek kırılma indisi nedeniyle değer kazandı.^[84] Bu değişim, tehlikeli maddeler üzerindeki artan düzenleyici baskılarla uyumlu hale geldi ve baryum sülfatı kağıt, kauçuk ve plastiklerdeki çevre bilincine sahip uygulamalar için litopon (çinko sülfür ile bir karışım) gibi formülasyonlarda konumlandırdı.^[84] 2020’lerde inovasyonlar, güneş ışığının %98,1’ine kadarını yansıtan ve 4,5°C’nin üzerinde ortam altı soğutma sağlayan, uzaya kızılötesi radyasyon yayarak geleneksel klimaya enerji verimli alternatifler sunan baryum sülfat nanopartikülleri içeren radyatif soğutma boyalarına kadar uzandı.^[85] Tropikal iklimlerde test edilen bu boyalar, sürdürülebilir yapı malzemeleri için potansiyellerini vurgulayarak 71 W/m²’ye kadar net soğutma gücü gösterdi.^[59]

1970’lerdeki düzenleyici gelişmeler, 1970 tarihli Mesleki Güvenlik ve Sağlık Yasası uyarınca madencilik ve işlemedeki işçileri solunum tehlikelerinden korumayı amaçlayan, toplam toz için 15 mg/m³’lük (8 saatlik zaman ağırlıklı ortalama) bir OSHA izin verilen maruziyet sınırının (PEL) oluşturulmasını içeriyordu.^[86] Daha yakın zamanda, 2025 yılında FDA, yetişkinlerde ve 12 yaş ve üzeri pediyatrik hastalarda özofagus açıklığını değerlendirmede oral kullanım için 700 mg’lık bir baryum sülfat tablet formülasyonu olan E-Z-DISK’i onayladı ve 48 aylık raf ömrüne sahip, düşük hacimli, hasta dostu bir kontrast seçeneği sağladı.^[87] Bu onay, radyografik prosedürler sırasında rahatsızlığı en aza indirmek için tıbbi dağıtım sistemlerinde devam eden iyileştirmelerin altını çizmektedir.^[36]

Küresel ticaret cephesinde, Çin 2000’li yılların başında önde gelen barit üreticisi olarak ortaya çıktı ve 2000 yılına kadar dünya üretiminin %50’sinden fazlasını, özellikle Guangxi Eyaleti’ndeki madenlerden karşılayarak uluslararası pazarlar için düşük maliyetli tedarikleri besledi.^[88] ABD Jeolojik Araştırmalar Kurumu, Çin ve Hindistan’ın 2011 yılına kadar küresel üretimin yaklaşık %65’ini sağladığını, sondaj ve pigment endüstrileri için fiyatlandırmayı ve ithalat bağımlılığını etkilediğini belirterek bu hakimiyeti izledi.^[16] Bu değişim, artan enerji ve üretim taleplerinin ortasında istikrarlı bulunabilirliği sağlayarak İkinci Dünya Savaşı sonrası endüstriyel patlamanın mirasını destekledi.^[89]

Güvenlik ve çevresel hususlar

Sağlık etkileri ve toksisite

Baryum sülfat, öncelikle suda ve biyolojik sıvılarda çözünmezliği nedeniyle düşük akut toksisite sergiler; bu durum maruziyeti takiben kan dolaşımına önemli ölçüde emilmesini önler.^[90] Bununla birlikte, çözünür baryum tuzları içeren safsızlıklar, emilmeleri halinde hipokalemi, gastrointestinal rahatsızlıklar ve kardiyak aritmiler gibi sistemik etkilere yol açabilir.^[91]

Baryum sülfat tozunun solunması, potansiyel olarak göğüs röntgenlerinde radyografik opasitelerle karakterize edilen, ancak önemli bir fibrozis veya fonksiyonel bozukluk olmaksızın, iyi huylu bir pnömokonyoz formu olan baritozise neden olarak birincil mesleki sağlık riskini oluşturur.^[92] Semptomlar gözlerde, burunda ve üst solunum yollarında tahrişi içerebilir, ancak durum tipik olarak semptomsuzdur ve maruziyetin kesilmesi üzerine geri dönüşlüdür.^[92]

Soluma risklerini azaltmak için mesleki maruziyet sınırları oluşturulmuştur: Ulusal Mesleki Güvenlik ve Sağlık Enstitüsü (NIOSH), toplam toz için 8 ila 10 saatlik zaman ağırlıklı ortalama olarak 10 mg/m³ ve solunabilir fraksiyon için 5 mg/m³’lük bir önerilen maruziyet sınırı (REL) tavsiye ederken, Mesleki Güvenlik ve Sağlık İdaresi (OSHA) toplam toz için 15 mg/m³ ve solunabilir fraksiyon için 5 mg/m³’lük bir izin verilen maruziyet sınırı (PEL) belirler.^[92]

Baryum sülfatın yutulması, gastrointestinal sistemde emilmemesi nedeniyle sistemik toksisiteye neden olmadan kontrast maddelerde yaklaşık 500 g’a kadar yüksek dozlarda uygulandığı tıbbi teşhis amaçları için güvenli kabul edilir.^[93] Mide bulantısı veya kabızlık gibi hafif gastrointestinal tahriş oluşabilir ancak genellikle geçicidir.^[2]

Kronik etkilerle ilgili olarak, baryum sülfat Uluslararası Kanser Araştırmaları Ajansı (IARC Grup 3: insanlar için kanserojenliği açısından sınıflandırılamaz) tarafından kanserojen olarak sınıflandırılmamıştır, ancak uzun süreli maruziyet potansiyel gastrointestinal tahriş açısından izlenmeyi gerektirir.^[94]

Maruziyet sonrası ilk yardım için, Hastalık Kontrol ve Önleme Merkezleri (CDC) ve NIOSH kılavuzları, temas durumlarında gözlerin veya cildin en az 15 dakika boyunca derhal suyla yıkanmasını, solunum sıkıntısına neden olan soluma maruziyeti için tıbbi yardım aranmasını ve çözünür baryum emiliminden şüpheleniliyorsa potasyum takviyesi gibi destekleyici bakım uygulanmasını önermektedir.^[95]

Çevresel etki

Baryum sülfatın ana kaynağı olan barit madenciliği, tipik olarak kireç taşı ve şeyl gibi tortul oluşumlarda açık ocak yöntemlerini kullanır; bu da bitki örtüsünün kaldırılması, toprak erozyonu ve yerel ekosistemlerin parçalanması yoluyla önemli habitat bozulmasına yol açar.^[16] Sülfit mineralleri içeren yataklarda, asit maden drenajı, diğer ağır metallerle birlikte eser baryum iyonlarını serbest bırakan, potansiyel olarak yakındaki akarsuları asitleştiren ve sucul biyoçeşitliliğe zarar veren asidik atık sular üretebilir.^[16]

Üretim süreçlerinden kaynaklanan baryum sülfatın bertarafı, suda aşırı çözünmezliği nedeniyle büyük ölçüde eylemsiz atık verir ve doğrudan liç (sızma) risklerini en aza indirir; ancak, üretim sırasında oluşan baryum klorür gibi çözünür yan ürünler, depolama alanlarından veya üretim sahalarından sızan suların yetersiz bir şekilde tutulması durumunda yeraltı suyunu kirletebilir.^[84]

Kinetik Monte Carlo simülasyonlarını kullanan 2025 tarihli bir çalışma, nükleer atık deposu koşullarında barit çözünme mekanizmalarını incelemiş, sıcaklık (örneğin 22°C’de 3,5×10⁻¹² mol·cm⁻²·s⁻¹) ve kristal kusurlarından etkilenen yarı periyodik malzeme akışlarını ortaya koymuştur; bu durum, değişen jeokimyasal koşullar altında potansiyel uzun vadeli mobilizasyona rağmen radyonüklitleri 10⁴–10⁵ yıl boyunca tutmak için kararlı bir dolgu malzemesi olarak baritin uygulanabilirliğini vurgulamaktadır.^[96]

Sucul organizmalarda baryum sülfattan baryumun biyoakümülasyonu, zayıf çözünürlüğü nedeniyle düşük kalmaktadır; biyokonsantrasyon faktörleri balıklarda tipik olarak 100 L/kg ıslak ağırlığın altındadır ve yalnızca belirli koşullar altında bitkilerde ve planktonlarda daha yüksektir (4.000 L/kg’a kadar); yine de, madencilik atıklarından veya sondaj çamurlarından kaynaklanan asılı barit parçacıkları, bentik habitatları boğarak ve süngerler gibi türlerde oksijen alımını azaltarak sucul yaşamı olumsuz etkileyebilir.^[97]^[98]

Düzenleyici çerçeveler, ABD Çevre Koruma Ajansı’nın içme suyundaki toplam baryum için 2 mg/L’lik maksimum kirletici seviyesi aracılığıyla baryum sülfatın çevresel varlığını ele almakta, doğal veya endüstriyel kaynaklardan sızan çözünür formlara karşı korumayı amaçlamaktadır; barit ise eylemsiz doğası nedeniyle Kaynak Koruma ve Geri Kazanım Yasası yönergeleri uyarınca tehlikesiz katı atık olarak sınıflandırılmaktadır.^[99]^[84]

Baryum sülfat için sürdürülebilirlik girişimleri, kullanılmış sondaj çamurlarından santrifüjleme ve rezerv çukurlarında çökeltme yoluyla geri kazanılan baritin geri dönüştürülmesini vurgulamakta, malzemenin %99’una kadarını devam eden operasyonlarda yeniden kullanmakta ve madenciliğe olan bağımlılığı azaltmak ve habitat etkilerini hafifletmek için sentetik baryum sülfat üretim yöntemlerinin geliştirilmesini desteklemektedir.^[16]^[31]