Применение бария. Барий

Содержание статьи

БАРИЙ – химический элемент 2-й группы периодической системы, атомный номер 56, относительная атомная масса 137,33. Расположен в шестом периоде между цезием и лантаном. Природный барий состоит из семи стабильных изотопов с массовыми числами 130(0,101%), 132(0,097%), 134(2,42%), 135(6,59%), 136(7,81%), 137(11,32%) и 138 (71,66%). Барий в большинстве химических соединений проявляет максимальную степень окисления +2, но может иметь и нулевую. В природе барий встречается только в двухвалентном состоянии.

История открытия.

В 1602 Касциароло (болонский сапожник и алхимик) подобрал в окрестных горах камень, который настолько тяжелый, что Касциароло заподозрил в нем золото. Пытаясь выделить золото из камня, алхимик прокалил его с углем. Хотя выделить золото при этом не удалось, опыт принес явно обнадеживающие результаты: охлажденный продукт прокаливания светился в темноте красноватым цветом. Известие о столь необычной находке произвело настоящую сенсацию в алхимической среде и необычный минерал, получивший целый ряд названий – солнечный камень (Lapis solaris), болонский камень (Lapis Boloniensis), болонский фосфор (Phosphorum Boloniensis) стал участником разнообразных экспериментов. Но время шло, а золото и не думало выделяться, поэтому интерес к новому минералу постепенно пропал, и долгое время его считали видоизмененной формой гипса или извести. Лишь через полтора столетия, в 1774 известные шведские химики Карл Шееле и Юхан Ган пристально изучили «болонский камень» и установили, что в нем содержится некая «тяжелая земля». Позднее, в 1779, Гитон де Морво назвал эту «землю» барот (barote) от греческого слова «barue » – тяжелый, а в дальнейшем изменил название на барит (baryte). Под этим названием бариевая земля фигурировала в учебниках химии конца 18 – начала 19 вв. Так, например, в учебнике А.Л.Лавуазье (1789) барит входит в список солеобразующих землистых простых тел, причем приводится и другое название барита – «тяжелая земля» (terre pesante, лат. terra ponderosa). Содержащийся в минерале неизвестный пока металл стали называть барием (лат. – Barium). В русской литературе 19 в. также употреблялись названия барит и барий. Следующим известным минералом бария стал природный карбонат бария, открытый в 1782 Витерингом и названный впоследствии в его честь витеритом. Металлический барий был впервые получен англичанином Гэмфри Дэви в 1808 путем электролиза влажного гидроксида бария с ртутным катодом и последующим испарением ртути из амальгамы бария. Следует отметить, что в том же 1808 несколько раньше Дэви амальгаму бария получил шведский химик Йенс Берцелиус . Несмотря на свое название, барий оказался сравнительно легким металлом с плотностью 3,78 г/см 3 , поэтому в 1816 английский химик Кларк выступил с предложением отклонить название «барий» на том основании, что если бариевая земля (оксид бария) действительно тяжелее других земель (оксидов), то металл, наоборот, легче других металлов. Кларк хотел назвать этот элемент плутонием в честь древнеримского бога, властителя подземного царства Плутона, однако это предложение не встретило поддержки у других ученых и легкий металл продолжал именоваться «тяжелым».

Барий в природе.

В земной коре содержится 0,065% бария, он встречается в виде сульфата, карбоната, силикатов и алюмосиликатов. Основные минералы бария – уже упоминавшиеся выше барит (сульфат бария), называемый также тяжелым или персидским шпатом, и витерит (карбонат бария). Мировые минерально-сырьевые ресурсы барита оценивались в 1999 в 2 млрд. тонн, значительная часть их сосредоточена в Китае (около 1 млрд. тонн) и в Казахстане (0,5 млрд. тонн). Большие запасы барита есть и в США, Индии, Турции, Марокко и Мексике. Российские ресурсы барита оцениваются в 10 миллионов тонн, его добыча ведется на трех основных месторождениях, расположенных в Хакасии, Кемеровской и Челябинской областях. Общая годовая добыча барита в мире составляет около 7 миллионов тонн, Россия производит 5 тыс. тонн и импортирует 25 тыс. тонн барита в год.

Получение.

Основным сырьем для получения бария и его соединений служат барит и, реже, витерит. Восстанавливая эти минералы каменным углем, коксом или природным газом, получают соответственно сульфид и оксид бария:

BaSO 4 + 4C = BaS + 4CO

BaSO 4 + 2CH 4 = BaS + 2C + 4H 2 O

BaCO 3 + C = BaO + 2CO

Металлический барий получают, восстанавливая его оксидом алюминия.

3BaO + 2Al = 3Ba + Al 2 O 3

Впервые этот процеcc осуществил русский физико-химик Н.Н.Бекетов . Вот как он описывал свои опыты: «Я взял безводную окись бария и, прибавив к ней некоторое количество хлористого бария, как плавня, положил эту смесь вместе с кусками глиния (алюминия) в угленой тигель и накаливал его несколько часов. По охлаждении тигля я нашел в нем металлический сплав уже совсем другого вида и физических свойств, нежели глиний. Этот сплав имеет крупнокристаллическое строение, очень хрупок, свежий излом имеет слабый желтоватый отблеск; анализ показал, что он состоит на 100 ч из 33,3 бария и 66,7 глиния или, иначе, на одну часть бария содержал две части глиния...». Сейчас процесс восстановления алюминием проводят в вакууме при температурах от 1100 до 1250° C, при этом образующийся барий испаряется и конденсируется на более холодных частях реактора.

Кроме того, барий можно получить электролизом расплавленной смеси хлоридов бария и кальция.

Простое вещество.

Барий – серебристо-белый ковкий металл, при резком ударе раскалывается. Температура плавления 727° С, температура кипения 1637° С, плотность 3,780 г/см 3 . При обычном давлении существует в двух аллотропных модификациях: до 375° C устойчив a -Ba с кубической объемно-центрированной решеткой, выше 375° С устойчив b -Ba. При повышенном давлении образуется гексагональная модификация. Металлический барий обладает высокой химической активностью, он интенсивно окисляется на воздухе, образуя пленку, содержащую BaO, BaO 2 и Ba 3 N 2 , при незначительном нагревании или при ударе воспламеняется.

2Ba + O 2 = 2BaO; Ba + O 2 = BaO 2 ; 3Ba + N 2 = Ba 3 N 2 ,

поэтому барий хранят под слоем керосина или парафина. Барий энергично реагирует с водой и растворами кислот, образуя гидроксид бария или соответствующие соли:

Ba + 2H 2 O = Ba(OH) 2 + H 2

Ba + 2HCl = BaCl 2 + H 2

С галогенами барий образует галогениды, с водородом и азотом при нагревании – соответственно гидрид и нитрид.

Ba + Cl 2 = BaCl 2 ; Ba + H 2 = BaH 2

Металлический барий растворяется в жидком аммиаке с образованием темно-синего раствора, из которого можно выделить аммиакат Ba(NH 3) 6 – кристаллы с золотистым блеском, легко разлагающиеся с выделением аммиака. В этом соединении барий имеет нулевую степень окисления.

Применение в промышленности и науке.

Применение металлического бария весьма ограничено из-за его высокой химической активности, соединения бария используются гораздо шире. Сплав бария с алюминием – сплав альба, содержащий 56% Ba – основа геттеров (поглотителей остаточных газов в вакуумной технике). Для получения собственно геттера барий испаряют из сплава, нагревая его в вакуумированной колбе прибора, в результате на холодных частях колбы образуется «бариевое зеркало». В небольших количествах барий используется в металлургии для очистки расплавленных меди и свинца от примесей серы, кислорода и азота. Барий добавляют в типографские и антифрикционные сплавы, сплав бария с никелем используется для изготовления деталей радиоламп и электродов свечей зажигания в карбюраторных двигателях. Кроме того, есть нестандартные применения бария. Одно из них – создание искусственных комет: выпущенные с борта космического аппарата пары бария легко ионизируются солнечными лучами и превращаются в яркое плазменное облако. Первая искусственная комета была создана в 1959 во время полета советской автоматической межпланетной станции «Луна-1». В начале 1970-х германские и американские физики, проводя исследования электромагнитного поля Земли, выбросили над территорией Колумбии 15 килограмм мельчайшего порошка бария. Образовавшееся плазменное облако вытянулось вдоль линий магнитного поля, позволив уточнить их положение. В 1979 струи бариевых частиц использовали для изучения полярного сияния.

Соединения бария.

Наибольший практический интерес представляют соединения двухвалентного бария.

Оксид бария (BaO ): промежуточный продукт в производстве бария – тугоплавкий (температура плавления около 2020° C) белый порошок, реагирует с водой, образуя гидроксид бария, поглощает углекислый газ из воздуха, переходя в карбонат:

BaO + H 2 O = Ba(OH) 2 ; BaO + CO 2 = BaCO 3

Прокаливаемый на воздухе при температуре 500–600° C, оксид бария реагирует с кислородом, образуя пероксид, который при дальнейшем нагревании до 700° C вновь переходит в оксид, отщепляя кислород:

2BaO + O 2 = 2BaO 2 ; 2BaO 2 = 2BaO + O 2

Так получали кислород вплоть до конца 19 в., пока не был разработан метод выделения кислорода перегонкой жидкого воздуха.

В лаборатории оксид бария можно получить прокаливанием нитрата бария:

2Ba(NO 3) 2 = 2BaO + 4NO 2 + O 2

Сейчас оксид бария используется как водоотнимающее средство, для получения пероксида бария и изготовления керамических магнитов из феррата бария (для этого смесь порошков оксидов бария и железа спекают под прессом в сильном магнитном поле), но основное применение оксида бария – изготовление термоэмиссионных катодов. В 1903 молодой немецкий ученый Венельт проверял закон испускания электронов твердыми телами, открытый незадолго до этого английским физиком Ричардсоном . Первый из опытов с платиновой проволокой полностью подтвердил закон, но контрольный эксперимент не удался: поток электронов резко превышал ожидаемый. Поскольку свойства металла не могли измениться, Венельт предположил, что на поверхности платины есть какая-то примесь. Перепробовав возможные загрязнители поверхности, он убедился в том, что дополнительные электроны испускал оксид бария, входивший в состав смазки вакуумного насоса, используемого в эксперименте. Однако научный мир не сразу признал это открытие, так как его наблюдение не удавалось воспроизвести. Лишь почти через четверть века англичанин Колер показал, что для проявления высокой термоэлектронной эмиссии оксид бария нужно прогревать при очень низких давлениях кислорода. Объяснить это явление смогли только в 1935. Немецкий ученый Поль предположил, что электроны испускаются небольшой примесью бария в оксиде: при низких давлениях часть кислорода улетучивается из оксида, а оставшийся барий легко ионизируется с образованием свободных электронов, которые покидают кристалл при нагревании:

2BaO = 2Ba + O 2 ; Ba = Ba 2+ + 2е

Правильность этой гипотезы была окончательно установлена в конце 1950-х советскими химиками А.Бунделем и П.Ковтуном, которые измерили концентрацию примеси бария в оксиде и сопоставили ее с потоком термоэмиссии электронов. Сейчас оксид бария является активной действующей частью большинства термоэмиссионных катодов. Так например, пучок электронов, формирующий изображение на экране телевизора или компьютерного монитора, испускается оксидом бария.

Гидроксид бария, октагидрат (Ba(OH) 2 ·8H 2 O ). Белый порошок, хорошо растворимый в горячей воде (больше 50% при 80° C), хуже в холодной (3,7% при 20° C). Температура плавления октагидрата 78° C, при нагревании до 130° C он переходит в безводный Ba(OH) 2 . Гидроксид бария получают растворяя оксид в горячей воде или нагревая сульфид бария в потоке перегретого пара. Гидроксид бария легко реагирует с углекислым газом, поэтому его водный раствор, называемый «баритовой водой» используют в аналитической химии в качестве реактива на CO 2 . Кроме того, «баритовая вода» служит реактивом на сульфат- и карбонат-ионы. Гидроксид бария применяется для удаления сульфат-ионов из растительных и животных масел и промышленных растворов, для получения гидроксидов рубидия и цезия, в качестве компонента смазок.

Карбонат бария (BaCO 3 ). В природе – минерал витерит. Белый порошок, нерастворимый в воде, растворимый в сильных кислотах (кроме серной). При нагревании до 1000° С разлагается с выделением CO 2:

BaCO 3 = BaO + CO 2

Карбонат бария добавляют в стекло для увеличения его коэффициента преломления, вводят в состав эмалей и глазурей.

Сульфат бария (BaSO 4 ). В природе – барит (тяжелый или персидский шпат) – основной минерал бария – белый порошок (температура плавления около 1680° C), практически нерастворимый в воде (2,2 мг/л при 18° C), медленно растворяется в концентрированной серной кислоте.

С сульфатом бария издавна связано производство красок. Правда, вначале его использование носило криминальный характер: в измельченном виде барит подмешивали к свинцовым белилам, что значительно удешевляло конечный продукт и, одновременно, ухудшало качество краски. Тем не менее, такие модифицированные белила продавались по той же цене, что и обычные, принося значительную прибыль владельцам красильных заводов. Еще в 1859 в департамент мануфактур и внутренней торговли поступили сведения о жульнических махинациях ярославских заводчиков, добавлявших к свинцовым белилам тяжелый шпат, что «вводит потребителей в обман на счет истинного качества товара, причем поступила и просьба о воспрещении означенным заводчикам употребления шпата при выделке свинцовых белил». Но эти жалобы ни к чему не привели. Достаточно сказать, что в 1882 в Ярославле был основан шпатовый завод, который, в 1885 выпустил 50 тысяч пудов измельченного тяжелого шпата. В начале 1890-х Д.И.Менделеев писал: «...В подмесь к белилам на многих заводах примешивается барит, так как и привозимые из-за границы белила, для уменьшения цены, содержат эту подмесь».

Сульфат бария входит в состав литопона – неядовитой белой краски с высокой кроющей способностью, широко востребованной на рынке. Для изготовления литопона смешивают водные растворы сульфида бария и сульфата цинка, при этом происходит обменная реакция и в осадок выпадает смесь мелкокристаллических сульфата бария и сульфида цинка – литопон, а в растворе остается чистая вода.

BaS + ZnSO 4 = BaSO 4 Ї + ZnSЇ

В производстве дорогих сортов бумаги сульфат бария играет роль наполнителя и утяжелителя, делая бумагу белее и плотнее, его используют и в качестве наполнителя резин и керамики.

Более 95% добываемого в мире барита используется для приготовления рабочих растворов для бурения глубоких скважин.

Сульфат бария сильно поглощает рентгеновские и гамма-лучи. Это свойство широко используется в медицине для диагностики желудочно-кишечных заболеваний. Для этого пациенту дают проглотить суспензию сульфата бария в воде или его смесь с манной кашей – «бариевую кашу» и затем просвечивают рентгеновскими лучами. Те участки пищеварительного тракта, по которым проходит «бариевая каша», на снимке выглядят темными пятнами. Так врач может получить представление о форме желудка и кишок, определить место возникновения заболевания. Сульфат бария используется также для изготовления баритобетона, используемого при строительстве атомных электростанций и атомных заводов для защиты от проникающей радиации.

Сульфид бария (BaS ). Промежуточный продукт в производстве бария и его соединений. Торговый продукт представляет собой серый рыхлый порошок, плохо растворимый в воде. Сульфид бария применяется для получения литопона, в кожевенной промышленности для удаления волосяного покрова со шкур, для получения чистого сероводорода. BaS – компонент многих люминофоров – веществ, светящихся после поглощения световой энергии. Именно его получил Касциароло, прокаливая барит с углем. Сам по себе сульфид бария не светится: необходимы добавки веществ-активаторов – солей висмута, свинца и других металлов.

Титанат бария (BaTiO 3 ). Одно из самых промышленно важных соединений бария – белое тугоплавкое (температура плавления 1616° C) кристаллическое вещество, нерастворимое в воде. Получают титанат бария сплавлением диоксида титана с карбонатом бария при температуре около 1300° C:

BaCO 3 + TiO 2 = BaTiO 3 + CO 2

Титанат бария – один из лучших сегнетоэлектриков (), очень ценных электротехнических материалов. В 1944 советский физик Б.М.Вул обнаружил незаурядные сегнетоэлектрические способности (очень высокую диэлектрическую проницаемость) у титаната бария, который сохранял их в широком температурном диапазоне – почти от абсолютного нуля до +125° C. Это обстоятельство, а также большая механическая прочность и влагостойкость титаната бария способствовали тому, что он стал одним из самых важных сегнетоэлектриков, используемых, например, для изготовления электрических конденсаторов. Титанат бария, как и все сегнетоэлектрики, обладает и пьезоэлектрическими свойствами: изменяет свои электрические характеристики под действием давления. При действии переменного электрического поля в его кристаллах возникают колебания, в связи с чем их используют в пьезоэлементах, радиосхемах и автоматических системах. Титанат бария применяли при попытках обнаружить гравитационные волны.

Другие соединения бария.

Нитрат и хлорат (Ba(ClO 3) 2) бария – составная часть фейерверков, добавки этих соединений придают пламени ярко-зеленую окраску. Пероксид бария входит в состав запальных смесей для алюминотермии. Тетрацианоплатинат(II) бария (Ba) светится под воздействием рентгеновских и гамма-лучей. В 1895 немецкий физик Вильгельм Рентген , наблюдая свечение этого вещества предположил существование нового излучения, названного впоследствии рентгеновским. Сейчас тетрацианоплатинатом(II) бария покрывают светящиеся экраны приборов. Тиосульфат бария (BaS 2 O 3) придает бесцветному лаку жемчужный оттенок, а, смешав его с клеем, можно добиться полной имитации перламутра.

Токсикология соединений бария.

Все растворимые соли бария ядовиты. Сульфат бария, применяемый при рентгеноскопии, практически нетоксичен. Смертельная доза хлорида бария составляет 0,8–0,9 г, карбоната бария – 2–4 г. При приеме внутрь ядовитых соединений бария возникают жжение во рту, боли в области желудка, слюнотечение, тошнота, рвота, головокружение, мышечная слабость, одышка, замедление пульса и падение артериального давления. Основной метод лечения отравлений барием – промывание желудка и употребление слабительных средств.

Основными источниками поступления бария в организм человека являются пища (особенно морепродукты) и питьевая вода. По рекомендации Всемирной организацией здравоохранения содержание бария в питьевой воде не должно превышать 0,7 мг/л, в России действуют гораздо более жесткие нормы – 0,1 мг/л.

Юрий Крутяков

Барий (лат. Baryum), Ba, химический элемент II группы периодической системы Менделеева, атомный номер 56, атомная масса 137,34; серебристо-белый металл. Состоит из смеси 7 стабильных изотопов, среди которых преобладает 138 Ва (71,66%). При ядерном делении урана и плутония образуется радиоактивный изотоп 140 Ва, используемый как радиоактивный индикатор. Барий был открыт шведским химиком К. Шееле (1774) в виде оксида ВаО, названной "тяжелой землей", или баритом (от греч. barys -тяжелый). Металлический Барий (в виде амальгамы) получил английский химик Г. Дэви (1808) электролизом влажного гидрооксида Ва(ОН) 2 с ртутным катодом. Содержание Бария в земной коре 0,05% по массе, в свободном состоянии в природе не встречается. Из минералов Бария промышленное значение имеют барит (тяжелый шпат) BaSO 4 и реже встречающийся витерит ВаСО 3 .

Физические свойства Бария. Кристаллическая решетка Бария кубическая объемноцентрированная с периодом а = 5,019Å; плотность 3,76 г/см 3 , t nл 710°С, t кип 1637-1640°С. Барий - мягкий металл (тверже свинца, но мягче цинка), его твердость по минералогической шкале 2.

Химические свойства Бария. Барий относится к щелочноземельным металлам и по химические свойствам сходен с кальцием и стронцием, превосходя их по активности. Барий реагирует с большинством других элементов, образуя соединения, в которых он, как правило, 2-валентен (на внешней электронной оболочке атома Бария 2 электрона, ее конфигурация 6s 2). На воздухе Барий быстро окисляется, образуя на поверхности пленку из оксида (а также пероксида и нитрида Ba 3 N 2). При нагревании легко воспламеняется и горит желто-зеленым пламенем. Энергично разлагает воду, образуя гидрооксид бария: Ва + 2Н 2 О = Ва(ОН) 2 + Н 2 . Из-за химические активности Барий хранят под слоем керосина. Оксид ВаО - бесцветные кристаллы; на воздухе легко переходит в карбонат ВаСО 3 , с водой энергично взаимодействует, образуя Ва(ОН) 2 . Нагреванием ВаО на воздухе при 500 °С получают пероксид ВаО 2 , разлагающуюся при 700°С на ВаО и О 2 . Нагреванием пероксида с кислородом под высоким давлением получен высший пероксид ВаО 4 - вещество желтого цвета, разлагающееся при 50-60°С. С галогенами и серой Барий соединяется, образуя галогениды (например, ВаCl 2) и сульфид BaS, с водородом - гидрид ВаН 2 , бурно разлагающийся водой и кислотами. Из обычно применяемых солей Бария хорошо растворимы хлорид бария ВаCl 2 и другие галогениды, нитрат Ba(NO 3) 2 , сульфид BaS, хлорат Ва(ClО 3) 2 , трудно растворимы - сульфат бария BaSO 4 , карбонат бария ВаСО 3 и хромат ВаСrО 4 .

Получение Бария. Основным сырьем для получения Бария и его соединений служит барит, который восстанавливают углем в пламенных печах: BaSO 4 + 4C = BaS + 4CO. Образующийся растворимый BaS перерабатывается на других соли Бария. Основной промышленный метод получения металлического Бария - термическое восстановление его оксида порошком алюминия: 4ВаО + 2Al = 3Ва + ВаО·Аl 2 О 3 .

Смесь нагревают при 1100-1200°С в вакууме (100 мн/м 2 , 10 -3 мм рт. ст.). Барий улетучивается, осаждаясь на холодных частях аппаратуры. Процесс ведут в электровакуумных аппаратах периодического действия, позволяющих последовательно проводить восстановление, дистилляцию, конденсацию и отливку металла, получая за один технологический цикл слиток Бария. Двойной перегонкой в вакууме при 900°С металл очищают до содержания в нем примесей менее 1·10 -4 %.

Применение Бария. Практическое применение металлического Бария невелико. Оно ограничено также и тем, что манипуляции с чистым Барий затруднительны. Обычно Барий или помещают в защитную оболочку из другого металла, или сплавляют с каким-либо металлом, придающим Барию стойкость. Иногда металлический Барий получают непосредственно в приборах, помещая в них таблетки из смеси оксидов Бария и алюминия и проводя затем термическое восстановление в вакууме. Барий, а также его сплавы с магнием и алюминием применяют в технике высокого вакуума в качестве поглотителя остаточных газов (геттера). В небольших количествах Барий применяют в металлургии меди и свинца для их раскисления, очистки от серы и газов. В некоторые антифрикционные материалы добавляют незначительное количество Бария. Так, добавка Бария к свинцу заметно увеличивает твердость сплава, применяемого для типографских шрифтов. Сплавы Барий с никелем применяют при изготовлении электродов запальных свечей двигателей и в радиолампах.

Широко применяются соединения Бария. Пероксид ВаО 2 служит для получения пероксида водорода, для отбеливания шелка и растительных волокон, как дезинфицирующее средство и как один из компонентов запальных смесей в алюминотермии. Сульфидом BaS удаляют волосяной покров со шкур. Перхлорат Ва(ClО 4) 2 - один из лучших осушителей. Нитрат Ba(NO 3) 2 используют в пиротехнике. Окрашенные соли Бария - хромат BaCrO 4 (желтый) и манганат ВаМnO 4 (зеленый) - хорошие пигменты при изготовлении красок. Платиноцианатом Бария Ba покрывают экраны при работе с рентгеновским и радиоактивным излучением (в кристаллах этой соли под действием излучений возбуждается яркая желто-зеленая флуоресценция). Титанат Бария ВаТiO 3 - один из наиболее важных сегнетоэлектриков. Поскольку Барий хорошо поглощает рентгеновские лучи и гамма-излучение, его вводят в состав защитных материалов в рентгеновских установках и ядерных реакторах. Соединения Бария являются инертными носителями при извлечении радия из урановых руд. Нерастворимый сульфат Бария нетоксичен и применяется как контрастная масса при рентгенологическом исследовании желудочно-кишечного тракта. Карбонат Бария используется для уничтожения грызунов.

Барий в организме. Барий присутствует во всех органах растений; его содержание в золе растения зависит от количества Бария в почве и колеблется от 0,06-0,2 до 3% (на месторождениях барита). Коэффициент накопления Бария (Барий в золе / Барий в почве) у травянистых растений равен 0,2-6, у древесных 1-30. Концентрация Бария больше в корнях и ветвях, меньше - в листьях; она увеличивается по мере старения побегов. Для животных Барий (его растворимые соли) ядовит, поэтому травы, содержащие много Бария (до 2-30% в золе), вызывают у травоядных отравление. Барий отлагается в костях и в небольших количествах в других органах животных. Доза 0,2-0,5 г хлористого Бария вызывает у человека острое отравление, 0,8-0,9 г - смерть.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Барий расположен в шестом периоде II группе главной (A) подгруппе Периодической таблицы.

Относится к семейству s -элементов. Металл. Обозначение - Ba. Порядковый номер - 56. Относительная атомная масса - 137,34 а.е.м.

Электронное строение атома бария

Атом бария состоит из положительно заряженного ядра (+56), внутри которого есть 56 протонов и 81 нейтрон, а вокруг, по шести орбитам движутся 56 электронов.

Рис.1. Схематическое строение атома бария.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

56Ba) 2) 8) 18) 18) 8) 2 ;

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 6 6s 2 .

Внешний энергетический уровень атома бария содержит 2 электрона, которые являются валентными. Энергетическая диаграмма основного состояния принимает следующий вид:

Для атома бария характерно наличие возбужденного состояния. Электроны 6s -подуровня распариваются и один из них занимает вакантную орбиталь 6p -подуровня:

Наличие двух неспаренных электронов свидетельствует о том, что для бария характерна степень окисления +2.

Валентные электроны атома бария можно охарактеризовать набором из четырех квантовых чисел: n (главное квантовое), l (орбитальное), m l (магнитное) и s (спиновое):

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

БАРИЙ, Ва (лат. Baryum, от греч. barys — тяжёлый * а. barium; н. Barium; ф. barium; и. bario), — химический элемент главной подгруппы 11 группы периодической системы элементов Менделеева, атомный номер 56, атомная масса 137,33. Природный барий состоит из смеси семи стабильных изотопов; преобладает 138 Ва (71,66%). Барий открыт в 1774 шведским химиком К. Шееле в виде ВаО. Металлический барий впервые получил английский химик Х. Дэви в 1808.

Получение бария

Металлический барий получают термическим восстановлением в вакууме при 1100-1200°С окиси бария порошком . Барий применяют в сплавах — со свинцом (типографские и антифрикционные сплавы), алюминием и (газопоглотители в вакуумных установках). Широко используют его искусственные радиоактивные изотопы.

Применение бария

Барий и его соединения добавляют в материалы, предназначенные для защиты от радиоактивного и рентгеновского излучения. Широко применяются соединения бария: оксид, пероксид и гидроксид (для получения перекиси водорода), нитрид (в пиротехнике), сульфат (как контрастное вещество при рентгенологии, исследованиях), хромат и манганат (при изготовлении красок), титанат (один из важнейших сегнетоэлектриков), сульфид (в кожевенной промышленности) и т.д.

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 - мягкий, ковкий щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета. Обладает высокой химической активностью.

Барий был открыт в виде оксида BaO в 1774 г. Карлом Шееле. 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.

В 1774 г. шведский химик Карл Вильгельм Шееле и его друг Юхан Готлиб Ган исследовали один из самых тяжелых минералов – тяжелый шпат BaSO 4 . Им удалось выделить неизвестную раньше «тяжелую землю», которую потом назвали баритом (от греческого βαρυς – тяжелый). А через 34 года Хэмфри Дэви, подвергнув электролизу мокрую баритовую землю, получил из нее новый элемент – барий. Следует отметить, что в том же 1808 г., несколько раньше Дэви, Йене Якоб Берцелиус с сотрудниками получил амальгамы кальция, стронция и бария. Так появился элемент барий.

Древние алхимики прокаливали BaSO 4 с деревом или древесным углем и получали фосфоресцирующие «болонские самоцветы». Но химически эти самоцветы не BaO, а сернистый барий BaS.

Происхождение названия

Своё название получил от греческого barys - «тяжёлый», так как его оксид (BaO) был охарактеризован, как имеющий необычно высокую для таких веществ плотность.

В земной коре содержится 0,05% бария. Это довольно много – значительно больше, чем, скажем, свинца, олова, меди или ртути. В чистом виде в земле его нет: барий активен, он входит в подгруппу щелочноземельных металлов и, естественно, в минералах связан достаточно прочно.

Основные минералы бария – уже упоминавшийся тяжелый шпат BaSO 4 (чаще его называют баритом) и витерит BaCOз, названный так по имени англичанина Уильяма Витеринга (1741...1799), который открыл этот минерал в 1782 г. В небольшой концентрации соли бария содержатся во многих минеральных водах и морской воде. Малое содержание в этом случае плюс, а не минус, ибо все соли бария, кроме сульфата, ядовиты.

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.

Природный барий состоит из смеси семи стабильных изотопов: 130 Ba, 132 Ba, 134 Ba, 135 Ba, 136 Ba, 137 Ba, 138 Ba. Последний является самым распространенным (71,66 %). Известны и радиоактивные изотопы бария, наиболее важным из которых является 140 Ba. Он образуется при распаде урана, тория и плутония.

Металл можно получить разными способами, в частности при электролизе расплавленной смеси хлористого бария и хлористого кальция. Можно получать барий и восстанавливая его из окиси алюмотермическим способом. Для этого витерит обжигают с углем и получают окись бария:

BaCO 3 + C → BaO + 2CO.

Затем смесь BaO с алюминиевым порошком нагревают в вакууме до 1250°C. Пары восстановленного бария конденсируются в холодных частях трубы, в которой идет реакция:

3BaO + 2Al → Al 2 O 3 + 3Ba.

Интересно, что в состав запальных смесей для алюмотермии часто входит перекись бария BaO 2 .

Получить окись бария простым прокаливанием витерита трудно: витерит разлагается лишь при температуре выше 1800°C. Легче получать BaO, прокаливая нитрат бария Ba(NO 3) 2:

2Ba (NO 3) 2 → 2BaO + 4NO 2 + O 2 .

И при электролизе и при восстановлении алюминием получается мягкий (тверже свинца, но мягче цинка) блестящий белый металл. Он плавится при 710°C, кипит при 1638°C, его плотность 3,76 г/см 3 . Все это полностью соответствует положению бария в подгруппе щелочноземельных металлов.

Известны семь природных изотопов бария. Самый распространенный из них барий-138; его больше 70%.

Барий весьма активен. Он самовоспламеняется от удара, легко разлагает воду, образуя растворимый гидрат окиси бария:

Ba + 2H 2 O → Ba (OH) 2 + H 2 .

Водный раствор гидрата окиси бария называют баритовой водой. Эту «воду» применяют в аналитической химии для определения CO 2 в газовых смесях. Но это уже из рассказа о применении соединений бария. Металлический же барий практического применения почти не находит. В крайне незначительных количествах его вводят в подшипниковые и типографские сплавы. Сплав бария с никелем используют в радиолампах, чистый барий – только в вакуумной технике как геттер (газопоглотитель).

Металлический барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200-1250°С:

4BaO + 2Al = 3Ba + BaAl 2 O 4 .

Очищают барий перегонкой в вакууме или зонной плавкой.

Получение титана бария. Получить его сравнительно просто. Витерит BaCO 3 при 700...800°C реагирует с двуокисью титана ТЮ 2 , получается как раз то, что нужно:

BaCO 3 + TiO 2 → BaTiO 3 + CO 2 .

Осн. пром. метод получения металлического бария из ВаО - восстановление его порошком А1: 4ВаО + 2А1 -> ЗВа + ВаО*А1 2 О 3 . Процесс проводят в реакторе при 1100-1200 °С в атмосфере Аг или в вакууме (последний способ предпочтителен). Молярное соотношение ВаО:А1 составляет (1,5-2):1. Реактор помещают в печь так, чтобы температура его "холодной части" (в ней конденсируются образующиеся пары бария) была около 520°С Перегонкой в вакууме барий очищают до содержания примесей менее 10~ 4 % по массе, а при использовании зонной плавки - до 10~ 6 %.

Небольшие кол-ва бария получают также восстановлением ВаВеО 2 [синтезируемого сплавлением Ва(ОН) 2 и Ве(ОН) 2 ] при 1300°С титаном, а также разложением при 120°С Ba(N 3) 2 , образующегося при обменных р-циях солей бария с NaN 3 .

Ацетат Ва(ООССН 3), - бесцв. кристаллы; т. пл. 490°С (с разл.); плотн. 2,47 г/см 3 ; раств. в воде (58,8 г в 100 г при 0°С). Ниже 25 °С из водных р-ров кристаллизуется тригидрат, при 25-41 °С - моногидрат, выше 41 °С- безводная соль. Получают взаимод. Ва(ОН) 2 , ВаСО 3 или BaS с СН 3 СО 2 Н. Применяют как протраву при крашении шерсти и ситца.

Манганат(VI) ВаМnО 4 - зеленые кристаллы; не разлагается до 1000°С. Получают прокаливанием смеси Ba(NO 3) 2 с МnО 2 . Пигмент (касселева, или марганцовая, зелень), обычно используемый для фресковой живописи.

Хромат(VI) ВаСrO 4 - желтые кристаллы; т. пл. 1380°С; - 1366,8 кДж/моль; раств. в неорг. к-тах, не раств. в воде. Получают взаимод. водных р-ров Ва(ОН) 2 или BaS с хроматами(VI) щелочных металлов. Пигмент (баритовый желтый) для керамики. ПДК 0,01 мг/м 3 (в пересчете на Сг0 3). Пирконат ВаZrО 3 -бесцв. кристаллы; т. пл. ~269°С; - 1762 кДж/моль; раств. в воде и водных р-рах щелочей и NH 4 HCO 3 , разлагается сильными неорг. к-тами. Получают взаимод. ZrO 2 с ВаО, Ва(ОН) 2 или ВаСО 3 при нагревании. Цирконат Ва в смеси с ВаТiO 3 -пьезоэлект-рик.

Бромид ВаВr 2 - белые кристаллы; т. пл. 847°С; плотн. 4,79 г/см 3 ; -757 кДж/моль; хорошо раств. в воде, метаноле, хуже - в этаноле. Из водных р-ров кристаллизуется дигидрат, превращающийся в моногидрат при 75°С, в безводную соль - выше 100°С В водных р-рах взаимод. с СО 2 и О 2 воздуха, образуя ВаСО 3 и Вr 2 . Получают ВаВr 2 взаимод. водных р-ров Ва(ОН) 2 или ВаСО 3 с бромистоводородной к-той.

Иодид ВаI 2 - бесцв. кристаллы; т. пл. 740°С (с разл.); плотн. 5,15 г/см 3 ; . -607 кДж/моль; хорошо раств. в воде и этаноле. Из горячих водных р-ров кристаллизуется дигидрат (обезвоживается при 150°С), ниже 30 °С - гексагидрат. Получают ВаI 2 взаимод. водных р-ров Ва(ОН) 2 или ВаСО 3 с иодистоводородной к-той.

Барий - серебристо-белый ковкий металл. При резком ударе раскалывается. Существуют две аллотропные модификации бария: до 375 °C устойчив α-Ba с кубической объемно-центрированной решеткой (параметр а = 0,501 нм), выше устойчив β-Ba.

Твердость по минералогической шкале 1,25; по шкале Мооса 2.

Хранят металлический барий в керосине или под слоем парафина.

Барий - щёлочноземельный металл. Интенсивно окисляется на воздухе, образуя оксид бария BaO и нитрид бария Ba 3 N 2 , а при незначительном нагревании воспламеняется. Энергично реагирует с водой, образуя гидроксид бария Ba(ОН) 2:

Ba + 2Н 2 О = Ba(ОН) 2 + Н 2

Активно взаимодействует с разбавленными кислотами. Многие соли бария нерастворимы или малорастворимы в воде: сульфат бария BaSO 4 , сульфит бария BaSO 3 , карбонат бария BaCO 3 , фосфат бария Ba 3 (PO 4) 2 . Сульфид бария BaS, в отличие от сульфида кальция CaS, хорошо растворим в воде.

Прир. барий состоит из семи стабильных изотопов с мае. ч. 130, 132, 134-137 и 138 (71,66%). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 1,17-10 28 м 2 . Конфигурация внеш. электронной оболочки 6s 2 ; степень окисления + 2, редко + 1; энергия ионизации Ва°->Ва + ->Ва 2+ соотв. 5,21140 и 10,0040 эВ; электроотрицательность по Полингу 0,9; атомный радиус 0,221 нм, ионный радиус Ва 2+ 0,149 нм (координационное число 6).

Легко вступает в реакцию с галогенами, образуя галогениды.

При нагревании с водородом образует гидрид бария BaH 2 , который в свою очередь с гидридом лития LiH дает комплекс Li.

Реагирует при нагревании с аммиаком:

6Ba + 2NH 3 = 3BaH 2 + Ba 3 N 2

Нитрид бария Ba 3 N 2 при нагревании взаимодействует с CO, образуя цианид:

Ba 3 N 2 + 2CO = Ba(CN) 2 + 2BaO

С жидким аммиаком дает темно-синий раствор, из которого можно выделить аммиакат , имеющий золотистый блеск и легко разлагающийся с отщеплением NH 3 . В присутствии платинового катализатора аммиакат разлагается с образованием амида бария:

Ba(NH 2) 2 + 4NH 3 + Н 2

Карбид бария BaC 2 может быть получен при нагревании в дуговой печи BaO с углем.

С фосфором образует фосфид Ba 3 P 2 .

Барий восстанавливает оксиды, галогениды и сульфиды многих металлов до соответствующего металла.

Сплав бария с А1 (сплав альба, 56% Ва) - основа геттеров (газопоглотителей). Для получения собственно геттера барий испаряют из сплава высокочастотным нагревом в вакуумированной колбе прибора, в результате на холодных частях колбы образуется т. наз. бариевое зеркало (или диффузное покрытие при испарении в среде азота). Активной частью подавляющего большинства термоэмиссионных катодов является ВаО. Барий используют также как раскислитель Си и Рb, в кач-ве присадки к антифрикц. сплавам, черным и цветным металлам, а также к сплавам, из к-рых изготавливают типографские шрифты для увеличения их твердости. Сплавы бария с Ni служат для изготовления электродов запальных свечей в двигателях внутр. сгорания и в радиолампах. 140 Ва (T 1/2 12,8 дней) - изотопный индикатор, используемый при исследовании соединений бария.

Металлический барий, часто в сплаве с алюминием используется в качестве газопоглотителя (геттера) в высоковакуумных электронных приборах.

Барий добавляется совместно с цирконием в жидкометаллические теплоносители (сплавы натрия, калия, рубидия, лития, цезия) для уменьшения агрессивности последних к трубопроводам, и в металлургии.

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 (зеленый огонь).

Хромат бария применяется при получении водорода и кислорода термохимическим способом (цикл Ок-Ридж, США).

Оксид бария совместно с оксидами меди и редкоземельных металлов применяется 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 широкораспространенных типов таких стекол имеет следующий состав - (оксид фосфора - 61 %, ВаО - 32 %, оксид алюминия - 1,5 %, оксид натрия - 5,5 %). В стекловарении для атомной промышленности применяется так же и фосфат бария.

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.

Карбонат бария BaCO 3 добавляют в стекольную массу, чтобы повысить коэффициент преломления стекла. Сернокислый барий применяют в бумажной промышленности как наполнитель; качество бумаги во многом определяется ее весом, барит BaSO 4 утяжеляет бумагу. Эта соль обязательно входит во все дорогие сорта бумаги. Кроме того, сульфат бария широко используется в производстве белой краски литопона – продукта реакции растворов сернистого бария с сернокислым цинком:

BaS + ZnSO 4 → BaSO 4 + ZnS.

Обе соли, имеющие белый цвет, выпадают в осадок, в растворе остается чистая вода.

При бурении глубинных нефтяных и газовых скважин используется в качестве буровой жидкости взвесь сернокислого бария в воде.

Еще одна бариевая соль находит важное применение. Это титанат бария BaTiO 3 – один из самых главных сегнетоэлектриков (сегнетоэлектрики же поляризуются сами по себе, без воздействия внешнею поля. Среди диэлектриков они выделяются так же, как ферромагнитные материалы среди проводников. Способность к такой поляризация сохраняется только при определенной температуре. Поляризованные сегнетоэлектрики отличаются большей диэлектрической проницаемостью), считающихся очень ценными электротехническими материалами.

В 1944 г. этот класс пополнился титанатом бария, сегнетоэлектрические свойства которого были открыты советским физиком Б.М. Вулом. Особенность титаната бария состоит в том, что он сохраняет сегнетоэлектрические свойства в очень большом интервале температуры – от близкой к абсолютному нулю до +125°C.

Барий нашёл применение и в медицине. Его сернокислую соль применяют при диагностике желудочных заболеваний. BaSO 4 смешивают с водой и дают проглотить пациенту. Сульфат бария непрозрачен для рентгеновских лучей, и поэтому те участки пищеварительного тракта, по которым идет «бариевая каша», остаются на экране темными. Так врач получает представление о форме желудка и кишок, определяет место, где может возникнуть язва.

Влияние бария на организм человека

Пути поступления в организм.
Основным путем поступления бария в организм человека является пища. Так, некоторые морские обитатели способны накапливать барий из окружающей воды, причем в концентрациях в 7-100 (а для некоторых морских растений до 1000) раз, превышающих его содержание в морской воде. Некоторые растения (соевые бобы и помидоры, например) также способны накапливать барий из почвы в 2-20 раз. Однако в районах, где концентрация бария в воде высока, питьевая вода также может внести вклад в суммарное потребление бария. Поступление бария из воздуха незначительно.

Опасность для здоровья.
В ходе научных эпидемиологических исследований, проведенных под эгидой ВОЗ, не нашли подтверждения данные о связи между смертностью от сердечно-сосудистых заболеваний и содержанием бария в питьевой воде. В краткосрочных исследованиях на добровольцах не было выявлено вредного эффекта на сердечно-сосудистую систему при концентрациях бария до 10 мг/л. Правда, при опытах на крысах, при употреблении последними воды даже с невысоким содержанием бария, наблюдалось повышение систолического кровяного давления. Это свидетельствует о потенциальной опасности повышения кровяного давления и у людей при длительном употреблении воды, содержащий барий (такие данные есть у USEPA).
Данные USEPA также свидетельствуют о том, что даже разовое употребление воды, содержание бария в которой значительно превосходит максимально допустимые значения, может привести к мышечной слабости и болям в брюшной области. Необходимо, правда, учесть, что норматив по барию, установленный стандартом качества USEPA (2.0 мг/л) значительно превосходит величину, рекомендованную ВОЗ (0.7 мг/л). Российскими санитарными нормами установлено еще более жесткое значение ПДК по барию в воде - 0.1 мг/л. Технологии удаления из воды: ионный обмен, обратный осмос, электродиализ.