Химический элемент барий в периодической системе. Применение бария

Барий

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.

Свойства бария

Барий — тягучий ковкий металл серебристо-белого цвета. Барий кристаллизуется по типу кубической. объёмноцентрированной решётки с параметром а=5,019 Е. Плотность 3630 кг/м 3 (20°С). t плавления 727°С, t кипения около 1860°С. Теплота плавления 8673,3±335,2 кДж/кг, удельная теплоёмкость 2,84•10 2 Дж/кг•К (0-100°С). Удельное электрическое сопротивление 6 • 10 -7 ом • м, термический коэффициент линейного расширения 1,9 • 10 -5 град -1 (0-100°С).

Соединения бария

По химическим свойствам барий сходен с кальцием и стронцием, превосходя их по химической активности. Быстро окисляется на воздухе, образуя плёнку, содержащую оксид, переоксид и нитрид бария. При нагревании на воздухе легко воспламеняется и сгорает. Энергичнее кальция разлагает воду с выделением водорода. Наиболее характерная для бария степень окисления +2, однако известны соединения, в которых степень окисления бария + 1 (напр., BaCl). При нагревании барий взаимодействует с водородом и азотом, образуя гидриды и нитриды (ВаН₂ и Ba₃N₂). В дуговой печи получают карбид ВаС₂ и фосфид Ва₃Р₂. Сульфид бария, BaS, образуется при нагревании сульфата бария до 1200°С в восстановительным атмосфере. Барий непосредственно реагирует с галогенами, образуя соли соответствующих галогеноводородных кислот. Со свинцом, никелем, оловом, железом барий даёт сплавы. При взаимодействии бария с разбавленными кислотами получаются соли BaSO₄, Ba(NO₃)₂. Галогениды, нитрат, хлорид и некоторые другие соединения бария токсичны.

Реклама

Барий — довольно распространённый элемент; содержание его в земной коре составляет 5•10 -2 %. Основная масса бария находится в рассеянном состоянии в изверженных и осадочных породах. Из осадочных пород наиболее обогащены барием глины и глинистые сланцы, из изверженных — кислые и щелочные. Главные концентраты бария в изверженных породах — калиевые полевые шпаты и слюды, в которых накопления барий обусловлено К + — Ва + -изоморфизмом. Важная геохимическая особенность бария — тенденция концентрироваться в постмагматические фазу. Переносится барий в виде растворимых соединений. Известно 10 собственных минералов бария. Главный минерал бария — барит. Менее распространены витерит, цельзиан — BaAl₂Si₂О₃, гиалофан — К₂BaAl₂Si₄О₁₂ и др.

Об основных генетических типах месторождений природного сырья бария и его обогащении см. в ст. Баритовые руды.

Получение бария

Металлический барий получают термическим восстановлением в вакууме при 1100-1200°С окиси бария порошком алюминия. Барий применяют в сплавах — со свинцом (типографские и антифрикционные сплавы), алюминием и магнием (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.

Справочник
химика

Свойства
драгоценных
минералов

Барий

Барий

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)₂с 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) BaSO₄ и реже встречающийся витерит ВаСО₃.

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 Ba₃N₂). При нагревании легко воспламеняется и горит желто-зеленым пламенем. Энергично разлагает воду, образуя гидрооксид бария: Ва + 2Н₂О = Ва(ОН)₂ + Н₂. Из-за химические активности Барий хранят под слоем керосина. Оксид ВаО – бесцветные кристаллы; на воздухе легко переходит в карбонат ВаСО₃, с водой энергично взаимодействует, образуя Ва(ОН)₂. Нагреванием ВаО на воздухе при 500 °С получают пероксид ВаО₂, разлагающуюся при 700°С на ВаО и О₂. Нагреванием пероксида с кислородом под высоким давлением получен высший пероксид ВаО₄ – вещество желтого цвета, разлагающееся при 50-60°С. С галогенами и серой Барий соединяется, образуя галогениды (например, ВаCl₂) и сульфид BaS, с водородом – гидрид ВаН₂, бурно разлагающийся водой и кислотами. Из обычно применяемых солей Бария хорошо растворимы хлорид бария ВаCl₂ и другие галогениды, нитрат Ba(NO₃)₂, сульфид BaS, хлорат Ва(ClО₃)₂, трудно растворимы – сульфат бария BaSO₄, карбонат бария ВаСО₃ и хромат ВаСrО₄.

Получение Бария. Основным сырьем для получения Бария и его соединений служит барит, который восстанавливают углем в пламенных печах: BaSO₄ + 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·Аl₂О₃.

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 ВаО₂ 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(ClО₄)₂ – один из лучших осушителей. Нитрат Ba(NO₃)₂ используют в пиротехнике. Окрашенные соли Бария – хромат BaCrO₄ (желтый) и манганат ВаМnO₄ (зеленый) – хорошие пигменты при изготовлении красок. Платиноцианатом Бария Ba[Pt(CN)₄] покрывают экраны при работе с рентгеновским и радиоактивным излучением (в кристаллах этой соли под действием излучений возбуждается яркая желто-зеленая флуоресценция). Титанат Бария ВаТiO₃ – 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.

Применение бария

Барием называется щелочноземельный металл, занимающий 56 позицию в периодической системе химических элементов. Название вещества в переводе с древнегреческого означает «тяжелый».

Характеристики бария

Металл имеет атомную массу 137 г/ммоль и плотность порядка 3,7 г/см 3 . Является очень легким и мягким – максимальная его твердость по шкале Мооса составляет 3 балла. В случае ртутных примесей хрупкость бария существенно повышается.

Металл имеет светлый серебристо-серый окрас. Однако, металл славится и зеленым цветом, который приобретается в результате химической реакции с участием солей элемента (напрамер, сульфата бария). Если в барий опустить стеклянную палочку и поднести открытый огонь, то мы увидим зеленое пламя. Данный способ позволяет сделать четкое определение даже минимального содержания примесей тяжелого металла.

Кристаллическая решетка бария, которую можно наблюдать даже за пределами лабораторных условий, имеет кубическую форму. Стоит отметить, что нахождение чистого бария в природе также уместно. Сегодня существует две известные модификации металла, одна из которых проявляет устойчивость к повышению температурного режима до 365 0 С, а другая способна выдержать температуру в диапазоне 375-710 0 С. Температура кипения бария составляет 1696 0 С.

Барий наряду с другими щелочноземельными металлами проявляет химическую активность. В группе занимает средние позиции, оставив позади себя стронций и кальций, которые допустимо хранить на открытом воздухе, чего нельзя сказать о барии. Отличной средой для хранения металла является парафиновое масло, в которое, непосредственно, и погружается барий, или же петролевый эфир.

Барий взаимодействует с кислородом, однако, в результате реакции утрачивается его блеск, после чего металл приобретает сначала желтоватый оттенок, потом становится коричневым и в итоге приобретает серый окрас. Именно такой внешний вид присущ оксиду бария. При нагревании атмосферы, барий становится взрывоопасным.

56-й элемент периодической системы Менделеева также взаимодействует с водой, в результате чего происходит реакция, обратная реакции с кислородом. В данном случае разложению подлежит жидкость. Такую реакцию дает исключительно чистый металл, после чего он становится гидроксидом бария. Если с водной средой будет контактировать соли металла, то никакой реакции не увидим, так как ничего не произойдет. Например, его хлорид является не растворимым в воде и активную реакцию можно наблюдать только при взаимодействии с кислой средой.

Металл легко вступает в реакцию с водородом, однако для этого необходимо создать определенные условия, а именно – повышение температуры. При этом на выходе получается гидрид бария. В условиях повышения температурного режима 56-й элемент также реагирует и с аммиаком, в результате чего образуется нитрид. В случае дальнейшего повышения температуры можно получить цианид.

Раствор бария имеет характерный синий окрас, который получается в результате реакции с аммиаком в жидком агрегатном состоянии. Если при этом добавить платиновый катализатор, то образуется амид бария. Однако область применения данного вещества далеко не широка – используется исключительно в качестве реактива.

Получение бария

Впервые металл был получен во второй половине 18 века (в 1774 году) химиками Карлом Шееле и Юханом Ганом. Тогда был получен оксид металла. Спустя несколько лет Гемфри Дэви удалось путем электролиза влажного гидроксида бария с ртутным катодом получить амальгаму металла, которую он подверг нагреванию и выпарил ртуть, таким образом, получив металлический барий.

Получение металлического бария в современных лабораторных условиях осуществляется несколькими способами, связанными с атмосферой. Выделение бария проводится в вакууме по причине чрезмерно активной реакции, которая выделяется при взаимодействии бария с кислородом.

Оксид и хлорид бария получаются путем металлотермического восстановления в условиях повышения температуры до 1200 0 С.

Также чистый металл можно выделить из его гидрида и нитрида при помощи термического разложения. Таким же образом происходит и получение калия. Для проведения данного процесса необходимы специальные капсулы с полной герметизацией, а также присутствие кварца или фарфора. Возможно получение бария и путем электролиза, которым элемент можно выделить из расплавленного хлорида бария с ртутным катодом.

Применение бария

Учитывая все свойства, которым обладает 56-й элемент периодической системы, барий является достаточно популярным металлом. Так, его применяют:

1. При изготовлении вакуумных электронных приборов. В данном случае металлический барий, или его сплав с алюминием, применяется как газопоглотитель. А его оксид в составе твердого раствора оксидов других щелочноземельных металлов применяется как активный слой катодов косвенного канала.
2. В качестве материала, способного противостоять коррозии. Для этого металл наряду с цирконием добавляют к жидкометаллическим теплоносителям, что позволяет существенно снизить агрессивное воздействие на трубопроводы. Такое применение бария нашло место в металлургической промышленности.
3. Барий может выступать сегнето- и пьезоэлектриком. Тут уместно применение титаната бария, который выступает диэлектриком во время изготовления керамических конденсаторов, а также материалом, используемым в пьезоэлектрических микрофонах и пьезокерамических излучателях.
4. В оптических приборах. Применяется фторид бария, имеющий вид монокристаллов.
5. Как неотъемлемый элемент пиротехники. Пероксид металла используется в качестве окислителя. Нитрат и хлорат бария выступают как вещества, придающие пламени определенный цвет (зеленый).
6. В атомно-водородной энергетике. Тут активно применяется хромат бария во время получения водорода и кислорода с помощью термохимического метода.
7. В ядерной энергетике. Оксид металла является неотъемлемым компонентом процесса изготовления стекла определенного сорта, которым покрываются урановые стержни.
8. В качестве химического источника тока. В данном случае могут быть использованы несколько соединений бария: фторид, оксид и сульфат. Первое соединение применяется в твердотельных фторионных аккумуляторах как компонент фторидного электролита. Оксид нашел свое место в медноокисных аккумуляторах большой мощности как компонент активной массы. А последнее вещество используется как расширитель активной массы отрицательного электрода во время получения свинцово-кислотных аккумуляторов.
9. В медицине. Сульфат бария является нерастворимым веществом, которое абсолютно нетоксично. В связи с этим, оно используется как рентгеноконтрастный материал во время исследований желудочно-кишечного тракта.

Источники:

http://www.mining-enc.ru/b/barij

http://www.chem100.ru/elem.php?n=56

http://mining-prom.ru/gorn/barit/primenenie-bariya-/