Барий. Свойства бария. Применение бария
Тяжеловес в легком весе. Так можно представить барий. Его имя переводится с греческого, как «тяжелый». В сравнении с другими щелочноземельными элементами, вещество, действительно увесисто. В «сражении» же с металлами из иных групп, как правило, проигрывает.
Имя бария связано с историей его открытия. В 17-ом веке была актуальна идея выделения золота из бросовых материалов. Сапожник из Болони Касциароло нашел исключительно тяжелый камень. Золото, как известно, металл не из легких. Вот мужчина и заподозрил его присутствие в булыжнике.
Выделить драгоценность не удалось. Зато, после прокаливания камень начал светиться красным. Явление привлекло внимание химика Карла Шееле. Он установил присутствие в породе нового элемента – «тяжелой земли». Когда же в 1808-ом году Гэмфри Дэви из Англии выделил эту «землю», она оказалась легкой. Но, менять название не стали.
Химические и физические свойства бария
Цвет элемента серебристо-серый. Но, визитной карточкой бария считается зеленый. Он проявляется в характерной для 56-го вещества реакции. В ней участвуют соли элемента, к примеру, сульфат бария.
Если погрузить в него стеклянную палочку и поднести к горелке, вспыхнет зеленое пламя. Так можно определить присутствие даже ничтожно малых примесей тяжелого металла.
Барий – вещество с кубической решеткой. Ее можно лицезреть не только в лабораторных условиях. Металл встречается в чистом виде и в природе. Известно 2-е модификации элемента. Одна из них устойчива до 365-ти градусов Цельсия, другая – от 375-ти до 710-ти. Закипает барий при температуре в 1696 градусов Цельсия.
Синтезировано несколько радиоактивных изотопов металла. Формула бария с атомной массой 140 – результат распада тория, плутония и урана. Изотоп извлекают хроматографическим способом, то есть абсорбируют, ориентируясь на цвет вещества.
133-ий барий образуется в процессе облучении цезия. На него воздействуют ядрами одного из изотопов водорода – дейтронами. Выделенная при этом радиоактивная форма щелочноземельного металла распадается чуть больше, чем за 3-е суток. Цикл 140-го бария длиннее, только на полураспад уходит 13,5 дней.
Взаимодействие бария с кислородом приводит к потере блеска. После, материал желтеет, коричневеет и, в итоге, становится серым. Так выглядит оксид бария – итог его разрушения на воздухе. Если атмосферу нагреть, 56-ой металл в ней взорвется.
Взаимодействие элемента с водой обратно реакции с кислородом. Здесь разлагается уже жидкость. Процесс возможен лишь при контакте с чистым металлом. После реакции он переходит в гидроксид бария.
Если же изначально поместить в воду не самородный элемент, а его соли, ничего не произойдет. Хлорид бария, и не только, не растворимы в H2O, активно взаимодействуют лишь с кислотами.
Барий легко реагирует с водородом. Единственное условие – нагрев. Образуется гидрид металла. При нагреве реакция протекает и с аммиаком. Получается нитрид. Он может перейти в цианид, если продолжить повышать температуру.
Раствор бария синего цвета – итог взаимодействия все с тем же аммиаком, но в жидком виде. Из смеси выделяют аммиакат. У него золотистый цвет, вещество легко разлагается.
Стоит добавить платиновый катализатор, и получишь амид бария. Правда, применяется он лишь как реактив. А каково использование других соединений металла и его самого?
Применение бария
Поскольку чистый металл требует особой техники хранения, применяют его нечасто. Закрыть глаза на неудобство элемента готовы специалисты вакуумных технологий. Уж очень хорошо барий поглощает остаточные газы, то есть служит геттером.
Как компонент сплавов 56-ой элемент применяют в дуэте со свинцом. Смесь идет на производство подшипников. Сплавы с барием, так же, вытесняют используемые ранее полиграфические составы из свинца и сурьмы. Щелочноземельный металл лучше упрочняет сплав.
Сплав с никелем – сырье для изготовления электродов запальных свечей. Они нужны в двигателях внутреннего сгорания и радиолампах. На этом применение чистого бария заканчивается. В игру вступают соединения металла.
На фото лампа, для производства которой используется барий
Интересно, что изначально болонский камень в красящей промышленности использовали нелегально. Дешевым компонентом разбавляли свинцовые белила. Качество продукта снижалось, зато предприниматели обогащались. В современных красителях бариевый шпат – добавка улучшающая, а не ухудшающая их параметры.
Осадки бария, в том числе сернокислую форму, применяют и в медицине. Шпат задерживает рентгеновские лучи. Сульфат бария добавляют в кашу и дают пациенту с подозрением на заболевания желудочно-кишечного тракта. После этого результаты рентгенографии проще расшифровывать.
Уравнения бария свидетельствуют о способности поглощать не только рентгеновские, но и гамма-лучи. Так что, соединения 56-го элемента защищают многие атомные реакторы.
На фото салют — ещё одна отрасль, применяющая элемент барий
Из 56-го металла, так же, получают родизонат натрия. Барий используют даже для инъекций статуе Сфинкса. Песчаное изваяние разрушается. Тяжелый металл помогает укрепить конструкцию.
Добыча бария
Металлический барий получают несколькими путями. Их объединяет атмосфера. Реакции проводят в вакууме из-за бурного взаимодействия 56-го элемента с кислородом.
Метод металлотермического восстановления применяют к окиси и хлориду бария. Из последнего соединения элемент выделяют с помощью карбида кальция. С окисью работает порошок алюминия. Требуется нагрев до 1200-от градусов Цельсия.
Из гидрида и нитрида 56-го элемента тоже можно выделить чистый барий. Калий получают подобным образом, то есть не путем восстановления, а по средствам термического разложения.
Процесс проходит в герметичных капсулах и кварца или фарфора. Применяют и электролиз. Он подходит для работы с расплавленным хлоридом бария. Катод берут ртутный.
Цена бария
На металлический барий цены на рынке договорные. Товар специфический, редко запрашиваемый. Реализуют элемент, как правило, химические лаборатории и металлургические предприятия. Стоимость соединений металла – не секрет.
Хлористый барий, к примеру, обходится в 50-70 рублей за килограмм. Баритовый песок можно приобрести и по 10 рублей за 1000 граммов. Килограмм гидроокиси оценивают примерно в 80-90 рублей. За сернокислый барий просят минимум 50 рублей, обычно, около ста. При оптовых поставках ценник, зачастую, немного скидывают.
Барий
(молярная масса)
(первый электрон)
объёмноцентрированная
Барий — элемент главной подгруппы второй группы, шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 56. Обозначается символом Ba (лат. Barium ). Простое вещество барий — мягкий, ковкий щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета. Обладает высокой химической активностью.
Содержание
История
Барий был открыт в виде оксида BaO в 1774 году Карлом Шееле и Юханом Ганом. В 1808 году английский химик Гемфри Дэви электролизом влажного гидроксида бария с ртутным катодом получил амальгаму бария; после испарения ртути при нагревании он выделил металлический барий.
Происхождение названия
Своё название получил от др.-греч. βαρύς — «тяжёлый».
Нахождение в природе
Содержание бария в земной коре составляет 0,05 % по массе; в морской воде среднее содержание бария составляет 0,02 мг/л. Барий активен, он входит в подгруппу щелочноземельных металлов и в минералах связан достаточно прочно. Основные минералы: барит (BaSO4) и витерит (BaCO3).
Редкие минералы бария: цельзиан или бариевый полевой шпат (алюмосиликат бария), гиалофан (смешанный алюмосиликат бария и калия), нитробарит (нитрат бария) и пр.
Типы месторождений
По минеральным ассоциациям баритовые руды делятся на мономинеральные и комплексные. Комплексные подразделяются на барито-сульфидные (содержат сульфиды свинца, цинка, иногда меди и железного колчедана, реже Sn, Ni, Au, Ag), барито-кальцитовые (содержат до 75 % кальцита), железо-баритовые (содержат магнетит, гематит, а в верхних зонах гетит и гидрогетит) и барито-флюоритовые (кроме барита и флюорита, обычно содержат кварц и кальцит, а в виде небольших примесей иногда присутствуют сульфиды цинка, свинца, меди и ртути).
С практической точки зрения наибольший интерес представляют гидротермальные жильные мономинеральные, барито-сульфидные и барито-флюоритовые месторождения. Промышленное значение имеют также некоторые метасоматические пластовые месторождения и элювиальные россыпи. Осадочные месторождения, представляющие собой типичные химические осадки водных бассейнов, встречаются редко и существенной роли не играют.
Как правило, баритовые руды содержат другие полезные компоненты (флюорит, галенит, сфалерит, медь, золото в промышленных концентрациях), поэтому они используются комплексно.
Изотопы
Известны изотопы бария с массовыми числами от 114 до 153, и 10 ядерных изомеров. Природный барий состоит из смеси шести стабильных изотопов ( 132 Ba, 134 Ba, 135 Ba, 136 Ba, 137 Ba, 138 Ba) и одного изотопа с огромным периодом полураспада, много больше возраста Вселенной ( 130 Ba).
Получение
Основное сырьё для получения бария — баритовый концентрат (80—95 % BaSO4), который, в свою очередь, получают флотацией барита. Сульфат бария в дальнейшем восстанавливают коксом или природным газом:
BaSO4 + 4C → BaS + 4CO BaSO4 + 2CH4 → BaS + 2C + 4H2O
Далее сульфид при нагревании гидролизуют до гидроксида бария Ba(OH)2 или под действием CO2 превращают в нерастворимый карбонат бария BaCO3, который затем переводят в оксид бария BaO (прокаливание при 800 °C для Ba(OH)2 и свыше 1000 °C для BaCO3):
Получают металлический барий электролизом безводного расплава хлорида бария:
Физические свойства
Барий — серебристо-белый ковкий металл. При резком ударе раскалывается. Существуют две аллотропные модификации бария: до 375 °C устойчив α-Ba с кубической объёмно-центрированной решёткой (а = 0,501 нм), выше устойчив β-Ba.
Твёрдость по шкале Мооса 1,25.
Хранят металлический барий в керосине или под слоем парафина.
Химические свойства
Барий — щёлочноземельный металл. На воздухе барий быстро окисляется, образуя смесь оксида бария BaO и нитрида бария Ba3N2, а при незначительном нагревании воспламеняется. Энергично реагирует с водой, образуя гидроксид бария Ba(ОН)2:
Активно взаимодействует с разбавленными кислотами. Многие соли бария нерастворимы или малорастворимы в воде: сульфат бария BaSO4, сульфит бария BaSO3, карбонат бария BaCO3, фосфат бария Ba3(PO4)2. Сульфид бария BaS, в отличие от сульфида кальция CaS, хорошо растворим в воде. Растворимые соли бария позволяют определить наличие в растворе серной кислоты и её растворимых солей по выпадению белого осадка сульфата бария, нерастворимого в воде и кислотах.
Легко вступает в реакцию с галогенами, образуя галогениды.
При нагревании с водородом образует гидрид бария BaH2, который, в свою очередь, с гидридом лития LiH даёт комплекс Li[BaH3].
Реагирует при нагревании с аммиаком:
Нитрид бария Ba3N2 при нагревании взаимодействует с CO, образуя цианид:
С жидким аммиаком даёт тёмно-синий раствор, из которого можно выделить аммиакат [Ba(NH3)6], имеющий золотистый блеск и легко разлагающийся с отщеплением NH3. В присутствии платинового катализатора аммиакат разлагается с образованием амида бария:
Карбид бария BaC2 может быть получен при нагревании в дуговой печи BaO с углём.
С фосфором образует фосфид Ba3P2.
Барий восстанавливает оксиды, галогениды и сульфиды многих металлов до соответствующего металла.
Качественный и количественный анализ
Качественно в растворах барий обнаруживается по выпадению осадка сульфата бария BaSO4, отличимого от соответствующих сульфатов кальция и сульфатов стронция крайне низкой растворимостью в неорганических кислотах.
Родизонат натрия выделяет из нейтральных солей бария характерный красно-бурый осадок родизоната бария. Реакция является очень чувствительной, специфичной, позволяя определить 1 часть ионов бария на 210000 массовых частей раствора.
Соединения бария окрашивают пламя в желто-зелёный цвет (длина волн 455 и 493 нм).
Количественно барий определяют гравиметрическим методом в виде BaSO4 или BaCrO4.
Применение
Металлический барий, часто в сплаве с алюминием используется в качестве газопоглотителя (геттера) в высоковакуумных электронных приборах.
Оксид бария, в составе твёрдого раствора оксидов других щёлочноземельных металлов — кальция и стронция (CaO, SrO), используется в качестве активного слоя катодов косвенного накала.
Барий добавляется совместно с цирконием в жидкометаллические теплоносители (сплавы натрия, калия, рубидия, лития, цезия) для уменьшения агрессивности последних к трубопроводам, и в металлургии.
Сегнето- и пьезоэлектрик
Титанат бария используется в качестве диэлектрика при изготовлении керамических конденсаторов, а также в качестве материала для пьезоэлектрических микрофонов и пьезокерамических излучателей.
Фторид бария применяется в виде монокристаллов в оптике (линзы, призмы).
Пероксид бария используется для пиротехники и как окислитель. Нитрат бария и хлорат бария используется в пиротехнике для окрашивания пламени (зелёный огонь).
Хромат бария применяется при получении водорода и кислорода термохимическим способом (цикл Ок-Ридж, США).
Пероксид бария совместно с оксидами меди и редкоземельных металлов, а также купрат бария, применяются для синтеза сверхпроводящей керамики, работающей при температуре жидкого азота и выше.
Оксид бария применяется для варки специального сорта стекла — применяемого для покрытия урановых стержней. Один из широкораспространённых типов таких стекол имеет следующий состав — (оксид фосфора — 61 %, BaO — 32 %, оксид алюминия — 1,5 %, оксид натрия — 5,5 %). В стекловарении для атомной промышленности применяется также и фосфат бария.
Химические источники тока
Фторид бария используется в твердотельных фторионных аккумуляторных батареях в качестве компонента фторидного электролита.
Оксид бария используется в мощных медноокисных аккумуляторах в качестве компонента активной массы (окись бария-окись меди).
Сульфат бария применяется в качестве расширителя активной массы отрицательного электрода при производстве свинцово-кислотных аккумуляторов.
Применение в медицине
Сульфат бария, нерастворимый и нетоксичный, применяется в качестве рентгеноконтрастного вещества при медицинском обследовании желудочно-кишечного тракта.
Цены на металлический барий в слитках чистотой 99,9 % колеблются около 30 долларов за 1 кг.
Биологическая роль и токсичность
Биологическая роль бария изучена недостаточно. В число жизненно важных микроэлементов он не входит.
Симптомы острого отравления солями бария: слюнотечение, жжение во рту и пищеводе. Боли в желудке, колики, тошнота, рвота, понос, повышенное кровяное давление, твёрдый неправильный пульс, судороги, позже возможны и параличи, синюшность лица и конечностей (конечности холодные), обильный холодный пот, мышечная слабость, в особенности конечностей, доходящая до того, что отравленный не может кивнуть головой. Расстройство походки, а также речи вследствие паралича мышц глотки и языка. Одышка, головокружение, шум в ушах, расстройство зрения.
Для оказании первой помощи необходимо промыть желудок 1 % раствором сульфата натрия или магния. Клизмы из 10 % растворов тех же солей. Приём внутрь раствора тех же солей (20,0 частей соли на 150,0 частей воды) по столовой ложке каждые 5 мин. Рвотные средства для удаления из желудка образовавшегося нерастворимого сульфата бария. Внутривенно 10—20 мл 3 % раствора сульфата натрия. Подкожно — камфора, кофеин, лобелин — по показаниям. Тепло на ноги. Внутрь слизистые супы и молоко.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | |||||||||||||||
| 1 | H | He | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 2 | Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | ||||||||||||||||||||||||
| 3 | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | ||||||||||||||||||||||||
| 4 | K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | ||||||||||||||
| 5 | Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | ||||||||||||||
| 6 | Cs | Ba | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn |
| 7 | Fr | Ra | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og |
| 8 | Uue | Ubn | Ubu | Ubb | Ubt | Ubq | Ubp | Ubh | Ubs |
Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu,
Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H2,
W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au