Приложение на барий. Барий

Съдържанието на статията

БАРИЙ– химичен елемент от 2-ра група на периодичната система, атомен номер 56, относителна атомна маса 137,33. Намира се в шести период между цезий и лантан. Естественият барий се състои от седем стабилни изотопа с масови числа 130 (0,101%), 132 (0,097%), 134 (2,42%), 135 (6,59%), 136 (7,81%), 137 (11,32%) и 138 ( 71,66%). Барият в повечето химични съединения проявява максимална степен на окисление +2, но може да има и нулева степен на окисление. В природата барият се среща само в двувалентно състояние.

История на откритието.

През 1602 г. Кашароло (болонски обущар и алхимик) вдигнал камък в околните планини, който бил толкова тежък, че Кашароло подозирал, че е златен. Опитвайки се да изолира злато от камък, алхимикът го калцинира с въглища. Въпреки че не беше възможно да се изолира злато, експериментът донесе ясно обнадеждаващи резултати: охладеният продукт от калциниране светеше в червеникаво на тъмно. Новината за подобна необичайна находка предизвика истинска сензация в алхимичната общност и необичайният минерал, който получи редица имена - слънчев камък (Lapis solaris), болонски камък (Lapis Boloniensis), болонски фосфор (Phosphorum Boloniensis) стана участник в различни експерименти. Но времето минаваше и златото дори не мислеше да се откроява, така че интересът към новия минерал постепенно изчезна и дълго време се смяташе за модифицирана форма на гипс или вар. Само век и половина по-късно, през 1774 г., известните шведски химици Карл Шееле и Йохан Хан внимателно изучават „Болонския камък“ и откриват, че той съдържа някаква „тежка пръст“. По-късно, през 1779 г., Guiton de Morveau нарече тази „земя“ барот (barote) от гръцката дума „barue“ - тежък, а по-късно промени името на барит (baryte). Под това име бариевата пръст се появява в учебниците по химия от края на 18-ти и началото на 19-ти век. Например в учебника на A.L. Lavoisier (1789) баритът е включен в списъка на солеобразуващите земни прости тела и е дадено друго име за барит - „тежка земя“ (terre pesante, лат. terra ponderosa). Все още непознатият метал, съдържащ се в минерала, започва да се нарича барий (на латински - Barium). В руската литература от 19 век. използвани са и наименованията барит и барий. Следващият известен бариев минерал е естественият бариев карбонат, открит през 1782 г. от Withering и по-късно наречен widerite в негова чест. Металният барий е получен за първи път от англичанина Хъмфри Дейви през 1808 г. чрез електролиза на мокър бариев хидроксид с живачен катод и последващо изпаряване на живак от бариева амалгама. Трябва да се отбележи, че през същата 1808 г., малко по-рано от Дейви, бариевата амалгама е получена от шведския химик Йенс Берцелиус. Въпреки името си, барият се оказа сравнително лек метал с плътност 3,78 g/cm 3, така че през 1816 г. английският химик Кларк предложи да се отхвърли името „барий“ на основание, че ако бариевата пръст (бариев оксид) наистина е по-тежки от другите земи (оксиди), тогава металът, напротив, е по-лек от другите метали. Кларк искаше да нарече този елемент плутоний в чест на древноримския бог, владетел на подземното царство на Плутон, но това предложение не срещна подкрепа от други учени и лекият метал продължи да се нарича "тежък".

Барий в природата.

Земната кора съдържа 0,065% барий, среща се под формата на сулфат, карбонат, силикати и алумосиликати. Основните бариеви минерали са гореспоменатия барит (бариев сулфат), наричан още тежък или персийски шпат, и уитерит (бариев карбонат). Световните минерални ресурси от барит се оценяват през 1999 г. на 2 милиарда тона, значителна част от тях са концентрирани в Китай (около 1 милиард тона) и Казахстан (0,5 милиарда тона). Големи запаси от барит има в САЩ, Индия, Турция, Мароко и Мексико. Руските ресурси на барит се оценяват на 10 милиона тона, производството му се извършва в три основни находища, разположени в Хакасия, Кемеровска и Челябинска области. Общото годишно производство на барит в света е около 7 милиона тона, Русия произвежда 5 хиляди тона и внася 25 хиляди тона барит годишно.

Касова бележка.

Основните суровини за производството на барий и неговите съединения са баритът и по-рядко уитеритът. Чрез редуциране на тези минерали с въглища, кокс или природен газ се получават съответно бариев сулфид и бариев оксид:

BaSO 4 + 4C = BaS + 4CO

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

BaCO 3 + C = BaO + 2CO

Металният барий се получава чрез редуцирането му с алуминиев оксид.

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

Този процес е извършен за първи път от руския физикохимик Н.Н. Ето как той описва експериментите си: „Взех безводен бариев оксид и, като добавих към него определено количество бариев хлорид, като флюс, поставих тази смес заедно с парчета глина (алуминий) във въглероден тигел и го загрях няколко пъти. часа. След като охладих тигела, открих в него метална сплав от съвсем различен тип и физични свойства от глината. Тази сплав има грубокристална структура, много крехка, прясна фрактура има слаб жълтеникав блясък; анализът показа, че на 100 часа се състои от 33,3 барий и 66,7 глина, или в противен случай една част барий съдържа две части глина..." В момента процесът на редукция с алуминий се извършва във вакуум при температури от 1100 до 1250 ° C, докато полученият барий се изпарява и кондензира върху по-хладните части на реактора.

В допълнение, барият може да бъде получен чрез електролиза на разтопена смес от бариеви и калциеви хлориди.

Просто вещество.

Барият е сребристо-бял ковък метал, който се разбива при остър удар. Точка на топене 727° С, точка на кипене 1637° С, плътност 3,780 g/cm 3 . При нормално налягане съществува в две алотропни модификации: a -Ba с решетка с кубичен център е стабилен до 375 ° C; b -Ba е стабилен над 375 ° C. При повишено налягане се образува шестоъгълна модификация. Металният барий има висока химическа активност, той се окислява интензивно във въздуха, образувайки филм, съдържащ BaO, BaO 2 и Ba 3 N 2, и се запалва при леко нагряване или удар.

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

Следователно барият се съхранява под слой керосин или парафин. Барият реагира енергично с вода и киселинни разтвори, образувайки бариев хидроксид или съответните соли:

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

Ba + 2HCl = BaCl 2 + H 2

С халогени барият образува халогениди, с водород и азот, при нагряване, съответно хидрид и нитрид.

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

Металният барий се разтваря в течен амоняк, за да образува тъмносин разтвор, от който може да се изолира амоняк Ba(NH 3) 6 - кристали със златист блясък, които лесно се разлагат с отделянето на амоняк. В това съединение барият има нулево състояние на окисление.

Приложение в индустрията и науката.

Използването на метален барий е много ограничено поради високата му химическа реактивност; съединенията на бария се използват много по-широко. Сплав от барий с алуминий - сплав Alba, съдържаща 56% Ba - е основата на гетерите (абсорбери на остатъчни газове във вакуумната технология). За да се получи самият геттер, барият се изпарява от сплавта чрез нагряване в вакуумирана колба на устройството, в резултат на което върху студените части на колбата се образува "бариево огледало". В малки количества барият се използва в металургията за пречистване на разтопена мед и олово от примеси на сяра, кислород и азот. Барий се добавя към печатни и антифрикционни сплави; сплав от барий и никел се използва за направата на части за радиотръби и електроди за запалителни свещи в карбураторни двигатели. Освен това има нестандартни приложения на бария. Една от тях е създаването на изкуствени комети: бариевата пара, изпускана от космически кораб, лесно се йонизира от слънчевите лъчи и се превръща в ярък плазмен облак. Първата изкуствена комета е създадена през 1959 г. по време на полета на съветската автоматична междупланетна станция Луна-1. В началото на 70-те години на миналия век германски и американски физици, провеждащи изследвания на електромагнитното поле на Земята, изпускат 15 килограма малък бариев прах над Колумбия. Полученият плазмен облак се простира по линиите на магнитното поле, което прави възможно изясняването на тяхната позиция. През 1979 г. струи бариеви частици са използвани за изследване на полярното сияние.

Бариеви съединения.

Най-голям практически интерес представляват двувалентните бариеви съединения.

Бариев оксид(BaO): междинен продукт при производството на барий - огнеупорен (точка на топене около 2020 ° C) бял прах, реагира с вода, образувайки бариев хидроксид, абсорбира въглероден диоксид от въздуха, превръщайки се в карбонат:

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

Когато се калцинира на въздух при температура 500–600 ° C, бариевият оксид реагира с кислорода, образувайки пероксид, който при допълнително нагряване до 700 ° C отново се превръща в оксид, елиминирайки кислорода:

2BaO + O 2 = 2BaO 2 ; 2BaO2 = 2BaO + O2

Кислородът се е получавал по този начин до края на 19 век, докато не е разработен метод за освобождаване на кислород чрез дестилация на течен въздух.

В лабораторията бариевият оксид може да се получи чрез калциниране на бариев нитрат:

2Ba(NO3)2 = 2BaO + 4NO2 + O2

Сега бариевият оксид се използва като средство за отстраняване на водата, за получаване на бариев пероксид и за производство на керамични магнити от бариев ферат (за тази цел смес от прахове от бариев и железен оксид се синтероват под преса в силно магнитно поле), но основната употреба на бариевия оксид е производството на термоелектронни катоди. През 1903 г. младият немски учен Венелт тества закона за излъчването на електрони от твърди тела, открит малко преди това от английския физик Ричардсън. Първият от експериментите с платинена тел напълно потвърди закона, но контролният експеримент се провали: потокът от електрони рязко надвиши очаквания. Тъй като свойствата на метала не могат да се променят, Wehnelt приема, че има някакъв вид примес на повърхността на платината. След като тества възможни повърхностни замърсители, той се убеди, че допълнителните електрони са излъчени от бариев оксид, който е част от смазката на вакуумната помпа, използвана в експеримента. Научният свят обаче не разпозна веднага това откритие, тъй като наблюдението му не можеше да бъде възпроизведено. Само почти четвърт век по-късно англичанинът Колер показа, че за да прояви висока термоелектронна емисия, бариевият оксид трябва да се нагрява при много ниско налягане на кислорода. Това явление може да бъде обяснено едва през 1935 г. Германският учен Пол предполага, че електроните се излъчват от малък примес барий в оксида: при ниско налягане част от кислорода се изпарява от оксида, а останалият барий лесно се йонизира, за да образува свободни електрони, които напускат кристала при нагряване:

2BaO = 2Ba + O 2 ; Ba = Ba 2+ + 2е

Правилността на тази хипотеза е окончателно установена в края на 50-те години на миналия век от съветските химици А. Бундел и П. Ковтун, които измерват концентрацията на бариев примес в оксида и го сравняват с потока на термоелектронна емисия. Сега бариевият оксид е активната част на повечето термични катоди. Например, лъч от електрони, който образува изображение на телевизионен екран или компютърен монитор, се излъчва от бариев оксид.

Бариев хидроксид, октахидрат(Ba(OH)2· 8H2O). Бял прах, силно разтворим в гореща вода (повече от 50% при 80°C), по-лошо в студена вода (3,7% при 20°C). Точката на топене на октахидрата е 78 ° C; при нагряване до 130 ° C се превръща в безводен Ba (OH) 2. Бариевият хидроксид се получава чрез разтваряне на оксида в гореща вода или чрез нагряване на бариев сулфид в поток от прегрята пара. Бариевият хидроксид лесно реагира с въглероден диоксид, така че неговият воден разтвор, наречен "баритна вода", се използва в аналитичната химия като реагент за CO 2. В допълнение, "баритната вода" служи като реагент за сулфатни и карбонатни йони. Бариевият хидроксид се използва за отстраняване на сулфатни йони от растителни и животински масла и индустриални разтвори, за получаване на рубидиеви и цезиеви хидроксиди, като компонент на смазочни материали.

Бариев карбонат(BaCO3). В природата минералът е уитерит. Бял прах, неразтворим във вода, разтворим в силни киселини (с изключение на сярна киселина). При нагряване до 1000° C се разлага, освобождавайки CO2:

BaCO 3 = BaO + CO 2

Бариевият карбонат се добавя към стъклото, за да се увеличи индексът му на пречупване и се добавя към емайли и глазури.

Бариев сулфат(BaSO4). В природата - барит (тежък или персийски шпат) - основният минерал на бария - е бял прах (точка на топене около 1680 ° C), практически неразтворим във вода (2,2 mg / l при 18 ° C), бавно се разтваря в концентрирана сярна киселина.

Производството на бои отдавна се свързва с бариев сулфат. Вярно е, че първоначално използването му беше от престъпен характер: натрошен барит беше смесен с оловно бяло, което значително намали цената на крайния продукт и в същото време влоши качеството на боята. Въпреки това, такива модифицирани бели се продават на същата цена като обикновените бели, което генерира значителни печалби за собствениците на заводи за багрила. През 1859 г. Министерството на производството и вътрешната търговия получава информация за измамните машинации на собствениците на фабрики в Ярославъл, които добавят тежък шпат към оловно бяло, което „заблуждава потребителите относно истинското качество на продукта, а също така е получено искане за забрана на каза, че производителите не използват шпат в производството на оловни белти.“ Но тези оплаквания не доведоха до нищо. Достатъчно е да се каже, че през 1882 г. в Ярославъл е основан завод за шпати, който през 1885 г. произвежда 50 хиляди фунта натрошен тежък шпат. В началото на 1890 г. Д. И. Менделеев пише: „...Баритът се смесва в сместа от бяло в много фабрики, тъй като бялото, донесено от чужбина, съдържа тази смес, за да намали цената.“

Бариевият сулфат е част от литопона, нетоксична бяла боя с висока покривност, широко търсена на пазара. За да се получи литопон, водните разтвори на бариев сулфид и цинков сулфат се смесват, при което протича обменна реакция и се утаява смес от финокристален бариев сулфат и цинков сулфид - литопон, а в разтвора остава чиста вода.

BaS + ZnSO 4 = BaSO 4 Ї + ZnSЇ

При производството на скъпи видове хартия бариевият сулфат играе ролята на пълнител и утежнител, което прави хартията по-бяла и по-плътна; използва се и като пълнител за каучук и керамика.

Повече от 95% от добивания барит в света се използва за приготвяне на работни разтвори за пробиване на дълбоки кладенци.

Бариевият сулфат силно абсорбира рентгеновите и гама лъчите. Това свойство се използва широко в медицината за диагностициране на стомашно-чревни заболявания. За да направите това, на пациента се позволява да поглъща суспензия от бариев сулфат във вода или сместа му с каша от грис - „бариева каша“ и след това се излага на рентгенови лъчи. Тези части от храносмилателния тракт, през които преминава „бариевата каша“, се виждат като тъмни петна на снимката. По този начин лекарят може да получи представа за формата на стомаха и червата и да определи местоположението на заболяването. Бариевият сулфат се използва и за направата на баритен бетон, използван при изграждането на атомни електроцентрали и атомни централи за защита от проникваща радиация.

Бариев сулфид(BaS). Междинен продукт при производството на барий и неговите съединения. Търговският продукт е сив ронлив прах, слабо разтворим във вода. Бариевият сулфид се използва за производство на литопон, в кожарската промишленост за отстраняване на косми от кожи и за производство на чист сероводород. BaS е компонент на много луминофори - вещества, които светят след поглъщане на светлинна енергия. Това е, което Casciarolo получава чрез калциниране на барит с въглища. Сам по себе си бариевият сулфид не свети: изисква добавяне на активиращи вещества - соли на бисмут, олово и други метали.

Бариев титанат(BaTiO3). Едно от най-важните промишлени съединения на бария е бяло, огнеупорно (точка на топене 1616 ° C) кристално вещество, неразтворимо във вода. Бариевият титанат се получава чрез сливане на титанов диоксид с бариев карбонат при температура около 1300° C:

BaCO 3 + TiO 2 = BaTiO 3 + CO 2

Бариевият титанат е един от най-добрите фероелектрици (), много ценни електрически материали. През 1944 г. съветският физик Б. М. Вул открива изключителни сегнетоелектрични способности (много висока диелектрична константа) на бариевия титанат, които ги запазват в широк температурен диапазон - почти от абсолютната нула до +125 ° C. Това обстоятелство, както и голямата механична якост и Влагоустойчивостта на бариевия титанат е допринесла за превръщането му в един от най-важните сегнетоелектрици, използвани например в производството на електрически кондензатори. Бариевият титанат, както всички сегнетоелектрици, също има пиезоелектрични свойства: той променя своите електрически характеристики под налягане. Когато са изложени на променливо електрическо поле, в неговите кристали възникват трептения и затова се използват в пиезоелементи, радио вериги и автоматични системи. Бариевият титанат е използван при опити за откриване на гравитационни вълни.

Други бариеви съединения.

Бариевият нитрат и хлорат (Ba(ClO 3) 2) са неразделна част от фойерверките; добавянето на тези съединения придава на пламъка яркозелен цвят. Бариевият пероксид е компонент на запалителни смеси за алуминотермия. Бариевият (Ba) тетрацианоплатинат (II) свети, когато е изложен на рентгенови и гама лъчи. През 1895 г. немският физик Вилхелм Рентген, наблюдавайки светенето на това вещество, предполага съществуването на ново лъчение, по-късно наречено рентгенови лъчи. Сега бариевият тетрацианоплатинат (II) се използва за покриване на светещи екрани на инструменти. Бариевият тиосулфат (BaS 2 O 3) придава на безцветния лак перлен оттенък и чрез смесване с лепило можете да постигнете пълна имитация на седеф.

Токсикология на бариеви съединения.

Всички разтворими бариеви соли са отровни. Бариевият сулфат, използван при флуороскопия, е практически нетоксичен. Смъртоносната доза бариев хлорид е 0,8–0,9 g, бариев карбонат е 2–4 g. При поглъщане на отровни бариеви съединения се появява усещане за парене в устата, болка в стомаха, слюноотделяне, гадене, повръщане, замаяност, мускулна слабост. и се появява задух, забавен сърдечен ритъм и спад на кръвното налягане. Основното лечение на отравяне с барий е стомашна промивка и употреба на лаксативи.

Основните източници на барий в човешкото тяло са храната (особено морски дарове) и питейната вода. Според препоръките на Световната здравна организация съдържанието на барий в питейната вода не трябва да надвишава 0,7 mg/l, в Русия се прилагат много по-строги норми - 0,1 mg/l.

Юрий Крутяков

Барий(лат. Baryum), Ba, химичен елемент от група II на периодичната система на Менделеев, атомен номер 56, атомна маса 137,34; сребристо-бял метал. Състои се от смес от 7 стабилни изотопа, сред които преобладава 138 Ba (71,66%). Ядреното делене на уран и плутоний произвежда радиоактивния изотоп 140 Va, който се използва като радиоактивен индикатор. Барият е открит от шведския химик К. Шееле (1774) под формата на BaO оксид, наречен "тежка земя" или барит (от гръцки barys - тежък). Металният барий (под формата на амалгама) е получен от английския химик G. Davy (1808) чрез електролиза на мокър Ba (OH) 2 хидроксид с живачен катод. Съдържанието на барий в земната кора е 0,05% от теглото, в природата не се среща в свободно състояние. От бариевите минерали баритът (тежък шпат) BaSO 4 и по-рядко срещаният уитерит BaCO 3 са от промишлено значение.

Физични свойства на бария.Кристалната решетка на бария е кубична, обемно центрирана с период a = 5,019 Å; плътност 3,76 g/cm3, tnl 710°C, точка на кипене 1637-1640°C. Барият е мек метал (по-твърд от оловото, но по-мек от цинка), неговата твърдост по минералогичната скала е 2.

Химични свойства на бария.Барият принадлежи към алкалоземните метали и е подобен по химични свойства на калция и стронция, превъзхождайки ги по активност. Барият реагира с повечето други елементи, образувайки съединения, в които обикновено е 2-валентен (има 2 електрона във външната електронна обвивка на атома на бария, неговата конфигурация е 6s 2). Във въздуха барият бързо се окислява, образувайки филм от оксид (както и пероксид и нитрид Ba 3 N 2) на повърхността. При нагряване лесно се запалва и гори с жълто-зелен пламък. Енергично разлага водата, образувайки бариев хидроксид: Ba + 2H 2 O = Ba(OH) 2 + H 2. Поради химическата си активност барият се съхранява под слой керосин. BaO оксид - безцветни кристали; във въздуха лесно се превръща в карбонат BaCO 3 и реагира енергично с вода, образувайки Ba(OH) 2. При нагряване на BaO на въздух при 500 °C се получава BaO2 пероксид, който при 700 °C се разлага на BaO и O2. При нагряване на пероксида с кислород под високо налягане се получава висш пероксид BaO 4 - жълто вещество, което се разлага при 50-60°C. Барият се свързва с халогени и сяра, образувайки халиди (например BaCl 2) и BaS сулфид, с водород - BaH 2 хидрид, който бързо се разлага с вода и киселини. От често използваните бариеви соли, бариев хлорид BaCl 2 и други халиди, нитрат Ba(NO 3) 2, сулфид BaS, хлорат Ba(ClO 3) 2 са силно разтворими, бариев сулфат BaSO 4, бариев карбонат BaCO 3 и хромат BaCrO 4 са трудно разтворими.

Получаване на барий.Основната суровина за производството на барий и неговите съединения е баритът, който се редуцира с въглища в огнени пещи: BaSO 4 + 4C = BaS + 4CO. Полученият разтворим BaS се преработва в други бариеви соли. Основният промишлен метод за производство на метален барий е термичната редукция на неговия оксид с алуминиев прах: 4BaO + 2Al = 3Ba + BaO·Al 2 O 3 .

Сместа се нагрява при 1100-1200°С във вакуум (100 mn/m 2, 10-3 mm Hg). Барият се изпарява, отлагайки се върху студените части на оборудването. Процесът се извършва в периодични електрически вакуумни апарати, които позволяват последователно извършване на редукция, дестилация, кондензация и леене на метала, получаване на бариев слитък в един технологичен цикъл. Чрез двойна дестилация във вакуум при 900°C металът се пречиства до съдържание на примеси по-малко от 1·10 -4%.

Приложение на барий.Практическата употреба на металния барий е малка. Също така е ограничено от факта, че манипулирането с чист барий е трудно. Обикновено барият се поставя в защитна обвивка от друг метал или се легира с някакъв метал, който придава устойчивост на барий. Понякога металният барий се получава директно в устройства чрез поставяне на таблетки от смес от бариев и алуминиев оксид в тях и след това извършване на термична редукция във вакуум. Барият, както и неговите сплави с магнезий и алуминий, се използват във високовакуумната технология като абсорбер на остатъчни газове (гетер). Барият се използва в малки количества в металургията на медта и оловото за тяхното дезоксидиране и пречистване от сяра и газове. Малко количество барий се добавя към някои антифрикционни материали. По този начин добавянето на барий към оловото значително увеличава твърдостта на сплавта, използвана за отпечатване на шрифтове. Бариево-никелови сплави се използват при производството на електроди за запалителни свещи на двигатели и в радиолампи.

Бариевите съединения са широко използвани. BaO 2 пероксидът се използва за получаване на водороден прекис, за избелване на коприна и растителни влакна, като дезинфектант и като един от компонентите на запалителни смеси в алуминотермията. BaS сулфид се използва за отстраняване на косми от кожи. Перхлорат Ba(ClO 4) 2 е един от най-добрите десиканти. Нитратът Ba(NO 3) 2 се използва в пиротехниката. Цветните бариеви соли - BaCrO 4 хромат (жълт) и BaMnO 4 манганат (зелен) - са добри пигменти за направата на бои. Бариевият платиноцианат Ba се използва за покриване на екрани при работа с рентгеново и радиоактивно лъчение (в кристалите на тази сол се възбужда ярка жълто-зелена флуоресценция под въздействието на радиация). Бариевият титанат BaTiO 3 е един от най-важните сегнетоелектрици. Тъй като барият абсорбира добре рентгеновите лъчи и гама-лъчението, той се включва в защитните материали в рентгенови съоръжения и ядрени реактори. Бариевите съединения са инертни носители за извличане на радий от уранови руди. Неразтворимият бариев сулфат е нетоксичен и се използва като контрастно вещество при рентгеново изследване на стомашно-чревния тракт. Бариевият карбонат се използва за унищожаване на гризачи.

Барий в тялото.Барият присъства във всички растителни органи; съдържанието му в растителната пепел зависи от количеството барий в почвата и варира от 0,06-0,2 до 3% (в баритни находища). Коефициентът на натрупване на барий (барий в пепел / барий в почва) за тревисти растения е 0,2-6, за дървесни растения 1-30. Концентрацията на барий е по-голяма в корените и клоните, по-малко в листата; увеличава се със стареенето на издънките. Барият (неговите разтворими соли) е отровен за животните, така че билките, съдържащи много барий (до 2-30% в пепелта), причиняват отравяне при тревопасните животни. Барият се отлага в костите и в малки количества в други животински органи. Доза от 0,2-0,5 g бариев хлорид причинява остро отравяне при хора, 0,8-0,9 g причинява смърт.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Барийразположени в шестия период от група II на главната (А) подгрупа на периодичната система.

Принадлежи към семейството с- елементи. Метал. Обозначение - Ba. Сериен номер - 56. Относителна атомна маса - 137,34 amu.

Електронна структура на бариевия атом

Бариевият атом се състои от положително заредено ядро ​​(+56), вътре в което има 56 протона и 81 неутрона, а 56 електрона се движат в шест орбити.

Фиг. 1. Схематична структура на атома на бария.

Разпределението на електроните между орбиталите е както следва:

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

1с 2 2с 2 2стр 6 3с 2 3стр 6 3д 10 4с 2 4стр 6 4д 10 5с 2 5стр 6 6с 2 .

Външното енергийно ниво на бариевия атом съдържа 2 електрона, които са валентни. Енергийната диаграма на основното състояние има следната форма:

Бариевият атом се характеризира с наличието на възбудено състояние. Електрони 6 с-поднива изпаряват и едно от тях заема свободна орбитала 6 стр-подниво:

Наличието на два несдвоени електрона показва, че барият има степен на окисление +2.

Валентните електрони на бариев атом могат да се характеризират с набор от четири квантови числа: н(основен квант), л(орбитален), m l(магнитни) и с(завъртане):

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

БАРИЙ, Ba (латински Baryum, от гръцки barys - тежък * a. барий; n. Barium; f. barium; i. bario), - химичен елемент от главната подгрупа на група 11 от периодичната система от елементи на Менделеев, атомен номер 56, атомна маса 137,33. Естественият барий се състои от смес от седем стабилни изотопа; Преобладава 138 Va (71,66%). Барият е открит през 1774 г. от шведския химик К. Шееле под формата на BaO. Металният барий е получен за първи път от английския химик Х. Дейви през 1808 г.

Получаване на барий

Металният барий се получава чрез термична редукция във вакуум при 1100-1200°C на прах от бариев оксид. Барият се използва в сплави - с олово (печатни и антифрикционни сплави), алуминий и (газови абсорбери във вакуумни инсталации). Неговите изкуствени радиоактивни изотопи са широко използвани.

Приложения на барий

Барият и неговите съединения се добавят към материали, предназначени да предпазват от радиоактивно и рентгеново лъчение. Бариевите съединения се използват широко: оксид, пероксид и хидроксид (за получаване на водороден прекис), нитрид (в пиротехниката), сулфат (като контрастен агент в радиологията, изследвания), хромат и манганат (в производството на бои), титанат (един от най-важните сегнетоелектрици), сулфидни (в кожената промишленост) и др.

Барият е елемент от главната подгрупа на втората група, шестия период от периодичната система на химичните елементи на Д.И.Менделеев, с атомен номер 56. Означава се със символа Ba (лат. Барий). Простото вещество е мек, ковък алкалоземен метал със сребристо-бял цвят. Има висока химична активност.

Барият е открит като оксид BaO през 1774 г. от Карл Шееле. През 1808 г. английският химик Хъмфри Дейви получава бариева амалгама чрез електролиза на мокър бариев хидроксид с живачен катод; След като живакът се изпари при нагряване, той освободи металния барий.

През 1774 г. шведският химик Карл Вилхелм Шееле и неговият приятел Йохан Готлиб Хан изследват един от най-тежките минерали - тежкия шпат BaSO 4. Те успяха да изолират неизвестната преди това „тежка земя“, която по-късно беше наречена барит (от гръцки βαρυς - тежък). И 34 години по-късно Хъмфри Дейви, подлагайки влажна баритна пръст на електролиза, получава нов елемент от нея - барий. Трябва да се отбележи, че през същата 1808 г., малко по-рано от Дейви, Джене Якоб Берцелиус и неговите колеги са получили амалгами от калций, стронций и барий. Така се появи елементът барий.

Древните алхимици са калцинирали BaSO 4 с дърво или въглен и са получили фосфоресциращи „болонски скъпоценни камъни“. Но химически тези скъпоценни камъни не са BaO, а бариев сулфид BaS.

произход на името

Получава името си от гръцкото barys - „тежък“, тъй като неговият оксид (BaO) се характеризира с необичайно висока плътност за такива вещества.

Земната кора съдържа 0,05% барий. Това е доста - значително повече от, да речем, олово, калай, мед или живак. Не се среща в земята в чист вид: барият е активен, принадлежи към подгрупата на алкалоземните метали и естествено е свързан доста здраво в минералите.

Основните минерали на бария са вече споменатият тежък шпат BaSO 4 (по-често наричан барит) и видеритът BaCO3, кръстен на англичанина Уилям Уидъринг (1741...1799), който открива този минерал през 1782 г. Малка концентрация на бариеви соли се съдържа в много минерални води и морска вода. Ниското съдържание в този случай е плюс, а не минус, тъй като всички бариеви соли, с изключение на сулфата, са отровни.

Въз основа на минералните асоциации баритните руди се разделят на мономинерални и комплексни. Сложните комплекси се разделят на барит-сулфидни (съдържат сулфиди на олово, цинк, понякога меден и железен пирит, по-рядко Sn, Ni, Au, Ag), барит-калцит (съдържат до 75% калцит), желязо-барит (съдържат магнетит, хематит, а в горните зони гьотит и хидрогьотит) и барит-флуорит (в допълнение към барит и флуорит обикновено съдържат кварц и калцит, а понякога присъстват под формата на малки примеси цинкови, оловни, медни и живачни сулфиди ).

От практическа гледна точка най-голям интерес представляват хидротермалните жилищни мономинерални, барит-сулфидни и барит-флуоритни находища. Някои отлагания на метасоматични пластове и елувиални разсипи също са от промишлено значение. Седиментните отлагания, които са типични химически седименти на водни басейни, са редки и не играят съществена роля.

По правило баритните руди съдържат други полезни компоненти (флуорит, галенит, сфалерит, мед, злато в промишлени концентрации), така че те се използват в комбинация.

Естественият барий се състои от смес от седем стабилни изотопа: 130 Ba, 132 Ba, 134 Ba, 135 Ba, 136 Ba, 137 Ba, 138 Ba. Последното е най-разпространено (71,66%). Известни са и радиоактивни изотопи на бария, най-важният от които е 140 Ba. Образува се при разпадането на уран, торий и плутоний.

Металът може да бъде получен по различни начини, по-специално чрез електролиза на разтопена смес от бариев хлорид и калциев хлорид. Възможно е да се получи барий чрез редуцирането му от неговия оксид с помощта на алуминотермичен метод. За да направите това, уитеритът се изпича с въглища и се получава бариев оксид:

BaCO 3 + C → BaO + 2CO.

След това сместа от BaO с алуминиев прах се нагрява във вакуум до 1250°C. Редуцираните бариеви пари кондензират в студените части на тръбата, в която протича реакцията:

3BaO + 2Al → Al 2 O 3 + 3Ba.

Интересно е, че съставът на запалителните смеси за алуминотермия често включва бариев пероксид BaO 2.

Трудно е да се получи бариев оксид чрез просто калциниране на видерит: видеритът се разлага само при температури над 1800°C. По-лесно е да се получи BaO чрез калциниране на бариев нитрат Ba(NO 3) 2:

2Ba (NO 3) 2 → 2BaO + 4NO 2 + O 2.

Както електролизата, така и редукция с алуминий произвеждат мек (по-твърд от олово, но по-мек от цинк) лъскав бял метал. Топи се при 710°C, кипи при 1638°C, а плътността му е 3,76 g/cm 3 . Всичко това напълно отговаря на позицията на бария в подгрупата на алкалоземните метали.

Има седем известни естествени изотопа на бария. Най-често срещаният от тях е барий-138; е повече от 70%.

Барият е много активен. Той се самозапалва при удар и лесно разгражда водата до образуване на разтворим бариев оксид хидрат:

Ba + 2H 2 O → Ba (OH) 2 + H 2.

Воден разтвор на бариев оксид хидрат се нарича баритна вода. Тази „вода“ се използва в аналитичната химия за определяне на CO 2 в газови смеси. Но това вече е от историята за използването на бариеви съединения. Металният барий почти не намира практическо приложение. Той се въвежда в изключително малки количества в лагерни и печатни сплави. Сплав от барий и никел се използва в радиотръбите, чистият барий се използва само във вакуумната технология като геттер (газов абсорбер).

Металният барий се получава от оксида чрез редукция с алуминий във вакуум при 1200-1250°C:

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

Барият се пречиства чрез вакуумна дестилация или зоново топене.

Получаване на титанов барий. Получава се сравнително лесно. Уитерит BaCO 3 при 700...800°C реагира с титанов диоксид TiO 2, резултатът е точно това, което е необходимо:

BaCO 3 + TiO 2 → BaTiO 3 + CO 2.

Основен бал. Методът за получаване на метален барий от BaO е неговата редукция с прах А1: 4BaO + 2A1 -> 3Ba + BaO*A1 2 O 3. Процесът се провежда в реактор при 1100-1200 °C в атмосфера на Ar или във вакуум (последният метод е за предпочитане). Моларното съотношение на BaO:A1 е (1,5-2):1. Реакторът се поставя в пещ, така че температурата на неговата "студена част" (получените бариеви пари се кондензират в нея) е около 520 ° C. Чрез дестилация във вакуум барият се пречиства до съдържание на примеси по-малко от 10 ~ 4% от теглото, а при използване на зоново топене - до 10 ~ 6%.

Малки количества барий се получават също чрез редукция на BaBeO 2 [синтезиран чрез сливане на Ba(OH) 2 и Be(OH) 2 ] при 1300°C с титан, както и чрез разлагане при 120°C на Ba( N 3) 2 се образува по време на обмен на бариеви соли с NaN 3.

Ba ацетат (OOСSN 3), - безцветен. кристали; т.т. 490°С (с разлагане); плътен 2,47 g/cm3; сол. във вода (58,8 g на 100 g при 0°C). Под 25 °C от водни разтвори кристализира трихидрат, при 25-41 °C - монохидрат, над 41 °C - безводна сол. Получаване на взаимодействие. Ba(OH)2, BaCO3 или BaS с CH3CO2H Използва се като цвях при боядисване на вълна и калико.

Манганат(VI) ​​BaMnO 4 - зелени кристали; не се разлага до 1000°C. Получава се чрез калциниране на смес от Ba(NO 3) 2 с MnO 2. Пигмент (Cassel или манганово зелено), който обикновено се използва за фрескова живопис.

Chromate(VI) BaCrO 4 - жълти кристали; т.т. 1380°С; - 1366,8 kJ/mol; сол. в не-орг. к-тах, не сол. във вода. Получаване на взаимодействие. водни разтвори на Ba(OH) 2 или BaS с хромати на алкални метали (VI). Пигмент (баритено жълт) за керамика. MPC 0,01 mg/m 3 (по отношение на Cr0 3). Пирконат BaZrO 3 - безцветен. кристали; т.т. ~269°C; - 1762 kJ/mol; сол. във вода и водни разтвори на основи и NH 4 HCO 3, разлага се от силен неорг. до-тами. Получаване на взаимодействие. ZrO 2 с BaO, Ba(OH) 2 или BaCO 3 при нагряване. Ba цирконат, смесен с BaTiO 3, е пиезоелектрик.

Бромид BaBr 2 - бели кристали; т.т. 847°С; плътен 4,79 g/cm3; -757 kJ/mol; добре сол. във вода, метанол, по-лошо - в етанол. Дихидратът кристализира от водни разтвори, превръщайки се в монохидрат при 75°C, в безводна сол - над 100°C, във водни разтвори взаимодействие. с CO 2 и O 2 от въздуха, образувайки BaCO 3 и Br 2. Вземете BaBr 2 взаимодействие. водни разтвори на Ba(OH) 2 или BaCO 3 с бромоводородна киселина.

Йодид BaI 2 - безцветен. кристали; т.т. 740°С (с разлагане); плътен 5,15 g/cm3; . -607 kJ/mol; добре сол. във вода и етанол. От горещи водни разтвори дихидратът кристализира (дехидратира при 150°C), под 30°C - хексахидратът. Вземете BaI 2 взаимодействие. водни разтвори на Ba(OH) 2 или BaCO 3 с йодоводородна киселина.

Барият е сребристо-бял ковък метал. При остър удар се чупи. Има две алотропни модификации на барий: α-Ba с кубична обемно-центрирана решетка (параметър a = 0,501 nm) е стабилен до 375 °C; β-Ba е стабилен над нея.

Твърдост по минералогическа скала 1,25; Скала на Моос 2.

Съхранявайте металния барий в керосин или под слой парафин.

Барият е алкалоземен метал. Той се окислява интензивно във въздуха, образувайки бариев оксид BaO и бариев нитрид Ba 3 N 2 и се запалва при леко нагряване. Реагира енергично с вода, образувайки бариев хидроксид Ba(OH) 2:

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

Активно взаимодейства с разредени киселини. Много бариеви соли са неразтворими или слабо разтворими във вода: бариев сулфат BaSO 4, бариев сулфит BaSO 3, бариев карбонат BaCO 3, бариев фосфат Ba 3 (PO 4) 2. Бариевият сулфид BaS, за разлика от калциевия сулфид CaS, е силно разтворим във вода.

Природата барият се състои от седем стабилни изотопа от май. части 130, 132, 134-137 и 138 (71,66%). Напречното сечение на улавяне на топлинни неутрони е 1,17-10 28 m 2. Външна конфигурация електронна обвивка 6s 2 ; степен на окисление + 2, рядко + 1; йонизационна енергия Ba°->Ba + ->Ba 2+ респ. 5.21140 и 10.0040 eV; електроотрицателност на Полинг 0,9; атомен радиус 0,221 nm, йонен радиус Ba 2+ 0,149 nm (координационно число 6).

Реагира лесно с халогени за образуване на халогениди.

При нагряване с водород той образува бариев хидрид BaH 2, който от своя страна образува Li комплекс с литиев хидрид LiH.

Реагира при нагряване с амоняк:

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

При нагряване бариевият нитрид Ba 3 N 2 реагира с CO, образувайки цианид:

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

С течен амоняк дава тъмносин разтвор, от който може да се изолира амоняк, който има златист блясък и лесно се разлага с елиминирането на NH3. В присъствието на платинов катализатор амонякът се разлага до образуване на бариев амид:

Ba(NH2)2 + 4NH3 + H2

Бариев карбид BaC 2 може да се получи чрез нагряване на BaO с въглища в дъгова пещ.

С фосфора образува фосфид Ba 3 P 2 .

Барият редуцира оксидите, халидите и сулфидите на много метали до съответния метал.

Сплав от барий с А1 (сплав Alba, 56% Ba) е в основата на газопоглъщателите (газови абсорбери). За да се получи самият геттер, барият се изпарява от сплавта чрез високочестотно нагряване във вакуумирана колба на устройството, в резултат на което се образува така нареченият барий върху студените части на колбата. бариево огледало (или дифузно покритие по време на изпаряване в азотна среда). Активната част на по-голямата част от термоелектронните катоди е BaO. Барият се използва също като деоксидиращ агент за Cu и Pb и като добавка към антифрикционни агенти. сплави, черни и цветни метали, както и сплави, от които се правят типографски шрифтове за повишаване на тяхната твърдост. Сплави на барий с Ni се използват за производството на електроди на свещи във вътрешни двигатели. горене и в радиолампи. 140 Va (T 1/2 12,8 дни) е изотопен индикатор, използван при изследване на бариеви съединения.

Металният барий, често легиран с алуминий, се използва като геттер в електронни устройства с висок вакуум.

Барий се добавя заедно с цирконий към течни метални охладители (сплави на натрий, калий, рубидий, литий, цезий), за да се намали агресивността на последния към тръбопроводите и в металургията.

Бариевият флуорид се използва под формата на монокристали в оптиката (лещи, призми).

Бариевият пероксид се използва за пиротехника и като окислител. Бариевият нитрат и бариевият хлорат се използват в пиротехниката за оцветяване на пламъци (зелен огън).

Бариевият хромат се използва при производството на водород и кислород чрез термохимичен метод (цикъл на Оук Ридж, САЩ).

Бариевият оксид, заедно с оксиди на мед и редкоземни метали, се използва за синтезиране на свръхпроводяща керамика, работеща при температури на течен азот и по-високи.

Бариевият оксид се използва за топене на специален вид стъкло - използва се за покриване на уранови пръти. Един от широко разпространените видове такива стъкла има следния състав - (фосфорен оксид - 61%, BaO - 32%, алуминиев оксид - 1,5%, натриев оксид - 5,5%). Бариевият фосфат се използва и при топене на стъкло за ядрената промишленост.

Бариевият флуорид се използва в твърдотелни флуорни батерии като компонент на флуоридния електролит.

Бариевият оксид се използва в мощни медни оксидни батерии като компонент на активната маса (бариев оксид-меден оксид).

Бариевият сулфат се използва като разширител на активната маса на отрицателния електрод при производството на оловно-киселинни батерии.

Към стъклената маса се добавя бариев карбонат BaCO 3 за увеличаване на коефициента на пречупване на стъклото. Бариевият сулфат се използва в хартиената промишленост като пълнител; Качеството на хартията до голяма степен се определя от нейното тегло; баритът BaSO 4 прави хартията по-тежка. Тази сол е задължително включена във всички скъпи видове хартия. В допълнение, бариевият сулфат се използва широко в производството на бяла боя литопон - продукт от реакцията на разтвори на бариев сулфид с цинков сулфат:

BaS + ZnSO 4 → BaSO 4 + ZnS.

И двете соли, които са бели, се утаяват, оставяйки чиста вода в разтвора.

При пробиване на дълбоки нефтени и газови кладенци като сондажна течност се използва суспензия от бариев сулфат във вода.

Друга бариева сол има важни приложения. Това е бариев титанат BaTiO 3 - един от най-важните сегнетоелектрици (сегнетоелектриците са поляризирани сами, без влиянието на външно поле. Те се открояват сред диелектриците по същия начин, както феромагнитните материали сред проводниците. Способността за такава поляризация е се запазват само при определена температура, поляризираните сегнетоелектрици се различават по-висока диелектрична константа), които се считат за много ценни електрически материали.

През 1944 г. този клас е попълнен с бариев титанат, чиито фероелектрични свойства са открити от съветския физик B.M. Вълом. Особеността на бариевия титанат е, че той запазва фероелектрични свойства в много широк температурен диапазон - от близка до абсолютната нула до +125°C.

Барият е намерил приложение и в медицината. Неговата сулфатна сол се използва при диагностицирането на стомашни заболявания. BaSO 4 се смесва с вода и се дава на пациента да погълне. Бариевият сулфат е непрозрачен за рентгеновите лъчи и затова онези части от храносмилателния тракт, през които преминава „бариевата каша“, остават тъмни на екрана. По този начин лекарят получава представа за формата на стомаха и червата и определя мястото, където може да се появи язва.

Ефектът на бария върху човешкото тяло

Пътища на влизане в тялото.
Основният път на навлизане на барий в човешкото тяло е храната. Така някои морски обитатели са способни да натрупват барий от заобикалящата ги вода и то в концентрации 7-100 (а за някои морски растения до 1000) пъти по-високи от съдържанието му в морската вода. Някои растения (например соя и домати) също са способни да натрупват барий от почвата 2-20 пъти. Въпреки това, в райони, където концентрациите на барий във водата са високи, питейната вода също може да допринесе за общата консумация на барий. Поемането на барий от въздуха е незначително.

Опасно за здравето.
Научните епидемиологични изследвания, проведени под егидата на СЗО, не потвърждават връзката между смъртността от сърдечно-съдови заболявания и нивата на барий в питейната вода. При краткосрочни проучвания при доброволци не са открити вредни ефекти върху сърдечно-съдовата система при концентрации на барий до 10 mg/l. Вярно е, че при експерименти с плъхове, когато последните консумират вода дори с ниско съдържание на барий, се наблюдава повишаване на систоличното кръвно налягане. Това показва потенциален риск от повишено кръвно налягане при хора с продължителна консумация на вода, съдържаща барий (USEPA разполага с такива данни).
Данните на USEPA също предполагат, че дори едно питие вода, съдържаща нива на барий доста над максимално допустимите нива, може да доведе до мускулна слабост и коремна болка. Необходимо е обаче да се има предвид, че стандартът за барий, установен от стандарта за качество на USEPA (2,0 mg/l), значително надвишава стойността, препоръчана от СЗО (0,7 mg/l). Руските санитарни стандарти определят още по-строга стойност на ПДК за барий във вода - 0,1 mg/l. Технологии за отстраняване на водата: йонообмен, обратна осмоза, електродиализа.