Применение бария. Что такое бария сульфат? Как получают сульфат бария? Барий описание

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.

Радиус атома 222 пм Энергия ионизации
(первый электрон) 502,5 (5,21) кДж /моль (эВ) Электронная конфигурация 6s 2 Химические свойства Ковалентный радиус 198 пм Радиус иона (+2e) 134 пм Электроотрицательность
(по Полингу) 0,89 Электродный потенциал 0 Степени окисления 2 Термодинамические свойства простого вещества Плотность 3,5 /см ³ Молярная теплоёмкость 28,1 Дж /( ·моль) Теплопроводность (18.4) Вт /( ·) Температура плавления 1 002 Теплота плавления 7,66 кДж /моль Температура кипения 1 910 Теплота испарения 142,0 кДж /моль Молярный объём 39,0 см ³/моль Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки кубическая
объёмноцентрированая Параметры решётки 5,020 Отношение c/a n/a Температура Дебая n/a

Ba	56
137,327
6s 2
Барий

Барий — элемент главной подгруппы второй группы, шестого периода периодической системы химических элементов, с атомным номером 56. Обозначается символом Ba (лат. Barium). Простое вещество барий (CAS-номер: 7440-39-3) — 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.

Своё название получил от греческого barys — «тяжёлый», так как его оксид (BaO) был впервые охарактеризован, как имеющий большую массу.

Нахождение в природе

Редкие минералы бария: цельзиан или бариевый полевой шпат (алюмосиликат бария), гиалофан (смешанный алюмосиликат бария и калия), нитробарит (нитрат бария) и пр.

Изотопы

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.

Получение

Основное сырье для получения бария — баритовый концентрат (80-95 % BaSO 4), который в свою очередь получают флотацией барита. Сульфат бария в дальнейшем восстанавливают коксом или природным газом :

BaSO 4 + 4С = BaS + 4CO

BaSO 4 + 2CH 4 = BaS + 2С + 4H 2 O.

Далее сульфид при нагревании гидролизуют до гидроксида бария Ba(OH) 2 или под действием CO 2 превращают в нерастворимый карбонат бария BaCO 3 , который затем переводят в оксид бария BaO (прокаливание при 800 °C для Ba(OH) 2 и свыше 1000 °C для BaCO 3):

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

BaS + H 2 O + CO 2 = BaCO 3 + H 2 S

Ba(OH) 2 = BaO + H 2 O

BaCO 3 = BaO + CO 2

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

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

Химические свойства

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

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

Качественный и количественный анализ

Качественно в растворах барий обнаруживается по выпадению осадка сульфата бария BaSO 4 , отличимого от соответствующих сульфатов кальция и сульфатов стронция крайне низкой растворимостью в неорганических кислотах.

Родизонат натрия выделяет из нейтральных солей бария характерный красно-бурый осадок родизоната бария. Реакция является очень чувствительной, специфичной, позволяя определить 1 часть ионов бария на 210000 массовых частей раствора .

Соединения бария окрашивают пламя в желто-зеленый цвет (длина волн 455 и 493 нм).

Количественно барий определяют гравиметрическим методом в виде BaSO 4 или BaCrO 4 .

Применение

Применение в качестве геттерного материала

Металлический барий, часто в сплаве с алюминием используется в качестве газопоглотителя (геттера) в высоковакуумных электронных приборах, а так же добавляется совместно с цирконием в жидкометаллические теплоносители (сплавы натрия, калия, рубидия, лития, цезия) для уменьшения агрессивности к трубопроводам, и в металлургии.

Химические источники тока

Фторид бария используется в твердотельных фторионных аккумуляторных батареях в качестве компонента фторидного электролита.

Оксид бария используется в мощных медноокисных аккумуляторах в качестве компонента активной массы (окись бария-окись меди).

Сульфат бария применяется в качестве расширителя активной массы отрицательного электрода при производстве свинцово-кислотных аккумуляторов.

Цены

Цены на металлический барий в слитках чистотой 99,9 % колеблются около 30 долларов за 1 кг.

Биологическая роль

Биологическая роль бария изучена недостаточно. В число жизненно важных микроэлементов он не входит. Все растворимые соли бария сильно ядовиты.

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 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):

Подуровень

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

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.