Применение бария. Барий - свойства, история открытия

БАРИЙ (латинский Barium), Ва, химический элемент II группы короткой формы (2-й группы длинной формы) периодической системы; относится к щелочноземельным металлам; атомный номер 56, атомная масса 137,327. В природе 7 стабильных нуклидов, среди которых преобладает 138 Ва (71,7%); около 30 нуклидов получены искусственно.

Историческая справка . Барий в виде оксида открыл в 1774 К. Шееле, который обнаружил неизвестную ранее «землю», позже названную «тяжёлой землёй» - баритом (от греческого βαρ?ς - тяжёлый). В 1808 году Г. Дэви получил металлический барий в виде амальгамы электролизом расплавленных солей.

Распространённость в природе . Содержание бария в земной коре составляет 5·10 -2 % по массе. Вследствие высокой химической активности в свободном виде не встречается. Основные минералы: барит BaSO 4 и витерит ВаСО 3 . Мировое производство BaSO 4 около 6 миллион т/год.

Свойства . Конфигурация внешней электронной оболочки атома бария 6s 2 ; в соединениях проявляет степень окисления +2, редко +1; электроотрицательность по Полингу 0,89; атомный радиус 217,3 им, радиус иона Ва 2+ 149 пм (координационное число 6). Энергия ионизации Ва 0 → Ва + → Ва 2+ 502,8 и 965,1 кДж/моль. Стандартный электродный потенциал пары Ва 2+ /Ва в водном растворе -2,906 В.

Барий - серебристо-белый ковкий металл; t пл 729 °С, t ΚИΠ 1637 °С. При нормальном давлении кристаллическая решётка бария кубическая объёмноцентрированная; при 19 °С и 5530 МПа образуется гексагональная модификация. При 293 К плотность бария 3594 кг/м 3 , теплопроводность 18,4 Вт/(м·К), электрическое сопротивление 5·10 -7 Ом·м. Барий парамагнитен; удельная магнитная восприимчивость 1,9·10 -9 м 3 /кг.

Металлический барий быстро окисляется на воздухе; его хранят в керосине или под слоем парафина. Барий взаимодействует при обычной температуре с кислородом, образуя оксид бария ВаО, и с галогенами, образуя галогениды. Прокаливанием ВаО в токе кислорода или воздуха при 500 °С получают пероксид ВаО 2 (разлагается до ВаО при 800 °С). Для реакций с азотом и водородом необходимо нагревание, продуктами реакций являются нитрид Ba 3 N 2 и гидрид ВаН 2 . Барий реагирует с парами воды даже на холоду; в воде энергично растворяется, давая гидроксид Ва(ОН) 2 , обладающий свойствами щелочей. С разбавленными кислотами барий образует соли. Из наиболее широко используемых солей бария растворимы в воде: хлорид ВаСl 2 и другие галогениды, нитрат Ba(NO 3) 2 , хлорат Ва(ClO 3) 2 , ацетат Ва(ООССН 3) 2 , сульфид BaS; плохо растворимы - сульфат BaS0 4 , карбонат ВаСО 3 , хромат BaCrO 4 . Барий восстанавливает оксиды, галогениды и сульфиды многих металлов до соответствующего металла. С большинством металлов барий образует сплавы, иногда сплавы содержат интерметаллиды. Так, в системе Ва - Al обнаружены ВаAl, ВаAl 2 , ВаAl 4 .

Растворимые соли бария токсичны; практически нетоксичен BaSО 4 .

Получение . Основное сырьё для производства бария - баритовый концентрат (80-95%) BaSO 4 , который восстанавливают каменным углем, коксом или природным горючим газом; образующийся сульфид бария перерабатывают в другие соли этого элемента. Прокаливанием соединений бария получают ВаО. Технически чистый металлический барий (96-98% по массе) получают термическим восстановлением оксида ВаО порошком Al. Перегонкой в вакууме барий очищают до содержания примесей менее 10-4%, зонной плавкой - до 10-6%. Другой способ получения бария из ВаО - электролиз расплава оксида. Небольшие количества бария получают восстановлением бериллата ВаВеО 2 при 1300 °С титаном.

Применение . Барий используют как раскислитель меди и свинца, в качестве присадки к антифрикционным сплавам, чёрным и цветным металлам, а также к сплавам, применяемым для изготовления типографских шрифтов с целью увеличения их твёрдости. Из сплавов бария с никелем изготовляют электроды запальных свечей в двигателях внутреннего сгорания и в радиолампах. Сплав бария с алюминием - альба, содержащий 56% Ва, основа геттеров. Металлический барий - материал для анодов в химических источников тока. Активной частью большинства термоэмиссионных катодов является оксид бария. Пероксид бария используют в качестве окислителя, отбеливателя, в пиротехнике; ранее его применяли для регенерации кислорода из СО 2 . Гексаферрит барий ВаFе 12 О 19 - перспективный материал для использования в устройствах хранения информации; BaFe 12 О 19 применяют для изготовления постоянных магнитов. BaSO 4 вводят в буровые растворы при добыче нефти и газа. Титанат бария BaTiO 3 - один из важнейших сегнетоэлектриков. Нуклид 140 Ва (β-излучатель, Т 1/2 12,8 суток) - изотопный индикатор, используемый для исследования соединений бария. Поскольку соединения бария хорошо поглощают рентгеновское и γ-излучение, их вводят в состав защитных материалов рентгеновских установок и ядерных реакторов. BaSO 4 применяют как контрастное вещество для рентгенологических исследований желудочно-кишечного тракта.

Лит. : Ахметов Т. Г. Химия и технология соединений бария. М., 1974; Третьяков Ю.Д. и др. Неорганическая химия. М., 2001.

Д. Д. Зайцев, Ю. Д. Третьяков.

В 1808 году Дэви Гемфри получил барий в виде амальгамы электролизом его соединений.

Получение:

В природе образует минералы барит BaSO 4 и витерит BaCO 3 . Получают алюмотермией или разложением азида:
3BaO+2Al=Al 2 O 3 +3Ba
Ba(N 3) 2 =Ba+3N 2

Физические свойства:

Серебристо-белый металл с более высокой температурой плавления и кипения и большей плотностью, чем у щелочных металлов. Очень мягкий. Тпл.= 727°С.

Химические свойства:

Барий является сильнейшим восстановителем. На воздухе быстро покрывается пленкой оксида, пероксида и нитрида бария, загорается при нагревании или при простом раздавливании. Энергично взаимодействует с галогенами, при нагревании с водородом и серой.
Барий энергично взаимодействует с водой и кислотами. Хранят, как и щелочные металлы, в керосине.
В соединениях проявляет степень окисления +2.

Важнейшие соединения:

Оксид бария. Твердое вещество, энергично взаимодействует с водой, образуя гидроксид. Поглощает углекислый газ, переходя в карбонат. При нагревании до 500°С реагирует с кислородом с образованием пероксида
Пероксид бария BaO 2 , белое вещество, плохо растворим, окислитель. Применяется в пиротехнике, для получения пероксида водорода, отбеливатель.
Гидроксид бария Ba(OH) 2 , октагидрат Ba(OH) 2 *8H 2 O, бесцв. крист., щелочь. Применяют для обнаружения сульфат и карбонат ионов, для очистки растительных и животных жиров.
Соли бария бесцветные крист. вещества. Растворимые соли сильно ядовиты.
Хлорид бария получают взаимодействием сульфата бария с углем и хлоридом кальция при 800°С - 1100°С. Реактив на сульфат-ион. применяется в кожевенной промышленности.
Нитрат бария, бариевая селитра, компонент пиротехнических составов зеленого цвета. При нагревании разлагается с образованием оксида бария.
Сульфат бария практически нерастворим в воде и в кислотах, поэтому малоядовит. применяется для отбеливания бумаги, при рентгеноскопии, наполнитель баритобетона (защита от радиоактивного излучения).

Применение:

Металлический барий используется как компонент ряда сплавов, раскислитель при производстве меди и свинца. Растворимые соли бария ядовиты, ПДК 0,5 мг/м 3 . См. также:
С.И. Венецкий О редких и рассеянных. Рассказы о металлах.

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. История открытия бария

1 элемент таблицы МенделееваБарий 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 BaSO4. 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 BaSO4 с деревом или древесным углем и получали фосфоресцирующие «болонские самоцветы». Но химически эти самоцветы не BaO, а сернистый барий BaS.
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 BaSO4 (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.

56 ← Барий → Лантан
Свойства атома
Название, символ, номер	Барий / Barium (Ba), 56
Атомная масса (молярная масса)	137,327(7)(г/моль)
Электронная конфигурация
Радиус атома
Химические свойства
Ковалентный радиус
Радиус иона
Электроотрицательность	0,89 (шкала Полинга)
Электродный потенциал
Степени окисления
Энергия ионизации (первый электрон)	502,5 (5,21) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)
Температура плавления
Температура кипения
Уд. теплота плавления	7,66 кДж/моль
Уд. теплота испарения	142,0 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	28,1 Дж/(K·моль)
Молярный объём	39,0 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированая
Параметры решётки
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) (18.4) Вт/(м·К)

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 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 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

Атомная масса бария равна 137-ми граммам на моль. Металл не только легкий, но и мягкий. Твердость по не превышает 3-х баллов. Материал ковкий и слегка вязкий. Плотность элемента около 3,7 граммов на кубический сантиметр. Если присутствуют загрязнения , барий становится хрупким.

Цвет элемента серебристо-серый. Но, визитной карточкой бария считается зеленый. Он проявляется в характерной для 56-го вещества реакции. В ней участвуют 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.

Как и все щелочноземельные металлы, барий химически активен. В группе числится в середнячках, опережая, к примеру, и . Последние хранят на воздухе. С барием такое не пройдет. 56-ой элемент помещают под парафиновое масло, или же петролевый эфир.

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 H 2 O, 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 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.

В качестве очистителя металл применяют и при производстве некоторых и . Здесь элемент впитывает не только газы, но и примеси , а так же, раскисляет смеси.

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 – 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.

Тяжелый камень, найденный когда-то в Болони, — известный краситель. По химическому составу порода является сернокислым барием, относится к классу . Сырье измельчают и добавляют в литопоний. Это белая краска известна кроющей способностью.

На фото лампа, для производства которой используется барий

Бариевая порода присутствует и в дорогих сортах , к примеру, предназначенных для печати денег. Сульфат бария утяжеляет банкноты, делает их более плотными и белыми.

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.

Карбонат бария нужен для приготовления стекломассы. Нитрат бария – составная . Раствор гидроксида бария эффективно очищает животные жиры и растительные масла. В качестве яда используют раствор хлорида бария .

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 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.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Барий - пятьдесят шестой элемент Периодической таблицы. Обозначение - Ba от латинского «barium». Расположен в шестом периоде, IIA группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 56.

Барий встречается в природе главным образом в виде сульфатов и карбонатов, образуя минералы барит BaSO 4 и витерит BaCO 3 . Содержание бария в земной коре равно 0,05% (масс.), что значительно меньше, чем содержание кальция.

В виде простого вещества барий представляет собой серебристо-белый металл (рис. 1), который на воздухе покрывается желтоватой пленкой продуктов взаимодействия с составными частями воздуха. Барий по твердости напоминает свинец. Плотность 3,76 г/см 3 . Температура плавления 727 o С, кипения 1640 o С. Имеет объемно центрированную кристаллическую решетку.

Рис. 1. Барий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса бария

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии барий существует в виде одноатомных молекул Ba, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 137,327.

Изотопы бария

Известно, что в природе барий может находиться в виде семи стабильных изотопов 130 Ba, 132 Ba, 134 Ba, 135 Ba, 136 Ba, 137 Ba и 138 Ba, из которых 137 Ba является наиболее распространенным (71,66%). Их массовые числа равны 130, 132, 134, 135, 136, 137 и 138 соответственно. Ядро атома изотопа бария 130 Ba содержит пятьдесят шесть протонов и семьдесят четыре нейтрона, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные изотопы бария с массовыми числами от 114-ти до 153-х, а также десять изомерных состояния ядер, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 133 Ba с периодом полураспада равным 10,51 лет.

Ионы бария

На внешнем энергетическом уровне атома бария имеется два электрона, которые являются валентными:

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

В результате химического взаимодействия барий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Ba 0 -2e → Ba 2+ .

Молекула и атом бария

В свободном состоянии барий существует в виде одноатомных молекул Ba. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу бария:

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1