Барий | ||||
---|---|---|---|---|
← Цезий | Лантан → | ||||
|
||||
Внешний вид простого вещества | ||||
Мягкий, вязкий серебристо-белый металл |
||||
Свойства атома | ||||
Название, символ, номер | Барий / Barium (Ba), 56 | |||
Атомная масса (молярная масса) |
137,327(7)[1] а. е. м. (г/моль) | |||
Электронная конфигурация | [Xe] 6s2 | |||
Радиус атома | 222 пм | |||
Химические свойства | ||||
Ковалентный радиус | 198 пм | |||
Радиус иона | (+2e) 134 пм | |||
Электроотрицательность | 0,89 (шкала Полинга) | |||
Электродный потенциал | -2,906 | |||
Степени окисления | 2 | |||
Энергия ионизации (первый электрон) |
502,5 (5,21) кДж/моль (эВ) | |||
Термодинамические свойства простого вещества | ||||
Плотность (при н. у.) | 3,5 г/см³ | |||
Температура плавления | 1 002 K | |||
Температура кипения | 1 910 K | |||
Уд. теплота плавления | 7,66 кДж/моль | |||
Уд. теплота испарения | 142,0 кДж/моль | |||
Молярная теплоёмкость | 28,1[2] Дж/(K·моль) | |||
Молярный объём | 39,0 см³/моль | |||
Кристаллическая решётка простого вещества | ||||
Структура решётки | кубическая объёмноцентрированая |
|||
Параметры решётки | 5,020 Å | |||
Прочие характеристики | ||||
Теплопроводность | (300 K) (18.4) Вт/(м·К) | |||
Номер CAS | 7440-39-3 |
56 | Барий |
Ba137,327 | |
6s2 |
Ба́рий — 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 барий (CAS-номер: 7440-39-3) — мягкий, ковкий щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета. Обладает высокой химической активностью.
История
Барий был открыт в виде оксида BaO в 1774 г. Карлом Шееле и Юханом Ганом[3].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.
Происхождение названия
Своё название получил от др.-греч. βαρύς — «тяжёлый», от названия минерала барит — тяжёлый шпат.
Нахождение в природе
Содержание бария в земной коре составляет 0,05 % по массе; в морской воде среднее содержание бария составляет 0,02 мг/литр. Барий активен, он входит в подгруппу щелочноземельных металлов и в минералах связан достаточно прочно. Основные минералы: барит (BaSO4) и витерит (BaCO3).
Редкие минералы бария: цельзиан или бариевый полевой шпат (алюмосиликат бария), гиалофан (смешанный алюмосиликат бария и калия), нитробарит (нитрат бария) и пр.
Типы месторождений
По минеральным ассоциациям баритовые руды делятся на мономинеральные и комплексные. Комплексные подразделяются на барито-сульфидные (содержат сульфиды свинца, цинка, иногда меди и железного колчедана, реже Sn, Ni, Au, Ag), барито-кальцитовые (содержат до 75 % кальцита), железо-баритовые (содержат магнетит, гематит, а в верхних зонах гетит и гидрогетит) и барито-флюоритовые (кроме барита и флюорита, обычно содержат кварц и кальцит, а в виде небольших примесей иногда присутствуют сульфиды цинка, свинца, меди и ртути).
С практической точки зрения наибольший интерес представляют гидротермальные жильные мономинеральные, барито-сульфидные и барито-флюоритовые месторождения. Промышленное значение имеют также некоторые метасоматические пластовые месторождения и элювиальные россыпи. Осадочные месторождения, представляющие собой типичные химические осадки сейнов, встречаются редко и существенной роли не играют.
Как правило, баритовые руды содержат другие полезные компоненты (флюорит, галенит, сфалерит, медь, золото в промышленных концентрациях), поэтому они используются комплексно.
Изотопы
Основная статья: Изотопы бария
Природный барий состоит из смеси семи стабильных изотопов: 130Ba, 132Ba, 134Ba, 135Ba, 136Ba, 137Ba, 138Ba. Последний является самым распространённым (71,66 %). Известны и радиоактивные изотопы бария, наиболее важным из которых является 140Ba. Он образуется при распаде урана, тория и плутония.
Получение
Основное сырьё для получения бария — баритовый концентрат (80-95 % BaSO4), который, в свою очередь, получают флотацией барита. Сульфат бария в дальнейшем восстанавливают коксом или природным газом:
-
- BaSO4+4C→BaS+4CO{displaystyle {mathsf {BaSO_{4}+4Crightarrow BaS+4CO}}}
- BaSO4+2CH4→BaS+2C+4H2O{displaystyle {mathsf {BaSO_{4}+2CH_{4}rightarrow BaS+2C+4H_{2}O}}}
Далее сульфид при нагревании гидролизуют до гидроксида бария Ba(OH)2 или под действием CO2 превращают в нерастворимый карбонат бария BaCO3, который затем переводят в оксид бария BaO (прокаливание при 800 °C для Ba(OH)2 и свыше 1000 °C для BaCO3):
-
- BaS+2H2O→Ba(OH)2+H2S↑{displaystyle {mathsf {BaS+2H_{2}Orightarrow Ba(OH)_{2}+H_{2}Suparrow }}}
- BaS+H2O+CO2→BaCO3+H2S↑{displaystyle {mathsf {BaS+H_{2}O+CO_{2}rightarrow BaCO_{3}+H_{2}Suparrow }}}
- Ba(OH)2→BaO+H2O{displaystyle {mathsf {Ba(OH)_{2}rightarrow BaO+H_{2}O}}}
- BaCO3→BaO+CO2{displaystyle {mathsf {BaCO_{3}rightarrow BaO+CO_{2}}}}
Металлический барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200—1250 °C:
-
- 3BaO+2Al→3Ba+Al2O3{displaystyle {mathsf {3BaO+2Alrightarrow 3Ba+Al_{2}O_{3}}}}
Очищают барий перегонкой в вакууме или зонной плавкой.
Физические свойства
Барий — серебристо-белый ковкий металл. При резком ударе раскалывается. Существуют две аллотропные модификации бария: до 375 °C устойчив α-Ba с кубической объёмно-центрированной решёткой (а = 0,501 нм), выше устойчив β-Ba[источник не указан 2350 дней].
Твёрдость по шкале Мооса 1,25[4].
Хранят металлический барий в керосине или под слоем парафина.
Химические свойства
Барий — щёлочноземельный металл. На воздухе барий быстро окисляется, образуя смесь оксида бария BaO и нитрида бария Ba3N2, а при незначительном нагревании воспламеняется.Энергично реагирует с водой, образуя гидроксид бария Ba(ОН)2:
-
- Ba+2H2O→Ba(OH)2+H2↑{displaystyle {mathsf {Ba+2H_{2}Orightarrow Ba(OH)_{2}+H_{2}uparrow }}}
Активно взаимодействует с разбавленными кислотами. Многие соли бария нерастворимы или малорастворимы в воде: сульфат бария BaSO4, сульфит бария BaSO3, карбонат бария BaCO3, фосфат бария Ba3(PO4)2. Сульфид бария BaS, в отличие от сульфида кальция CaS, хорошо растворим в воде. Растворимые соли бария позволяют определить наличие в растворе серной кислоты и её растворимых солей по выпадению белого осадка сульфата бария, нерастворимого в воде и кислотах[5].
Легко вступает в реакцию с галогенами, образуя галогениды.
При нагревании с водородом образует гидрид бария BaH2, который, в свою очередь, с гидридом лития LiH дает комплекс Li[BaH3].
Реагирует при нагревании с аммиаком:
-
- 6Ba+2NH3→3BaH2+Ba3N2{displaystyle {mathsf {6Ba+2NH_{3}rightarrow 3BaH_{2}+Ba_{3}N_{2}}}}
Нитрид бария Ba3N2 при нагревании взаимодействует с CO, образуя цианид:
-
- Ba3N2+2CO→Ba(CN)2+2BaO{displaystyle {mathsf {Ba_{3}N_{2}+2COrightarrow Ba(CN)_{2}+2BaO}}}
С жидким аммиаком дает темно-синий раствор, из которого можно выделить аммиакат [Ba(NH3)6], имеющий золотистый блеск и легко разлагающийся с отщеплением NH3. В присутствии платинового катализатора аммиакат разлагается с образованием амида бария:
-
- [Ba(NH3)6]→Ba(NH2)2+4NH3+H2{displaystyle {mathsf {[Ba(NH_{3})_{6}]rightarrow Ba(NH_{2})_{2}+4NH_{3}+H_{2}}}}
Карбид бария BaC2 может быть получен при нагревании в дуговой печи BaO с углем.
С фосфором образует фосфид Ba3P2.
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 BaSO4, 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[6].
Соединения бария окрашивают пламя в желто-зелёный цвет (длина волн 455 и 493 нм).
Количественно барий определяют гравиметрическим методом в виде BaSO4 или BaCrO4.
Применение
Металлический барий, часто в сплаве с алюминием используется в качестве газопоглотителя (геттера) в высоковакуумных электронных приборах.
Оксид бария, в составе твёрдого раствора оксидов других щёлочноземельных металлов — кальция и стронция (CaO, SrO), используется в качестве активного слоя катодов косвенного накала.
- Антикоррозионный материал
Барий добавляется совместно с цирконием в жидкометаллические теплоносители (сплавы натрия, калия, рубидия, лития, цезия) для уменьшения агрессивности последних к трубопроводам, и в металлургии.
Титанат бария используется в качестве диэлектрика при изготовлении керамических конденсаторов, а также в качестве материала для пьезоэлектрических микрофонов и пьезокерамических излучателей.
Фторид бария применяется в виде монокристаллов в оптике (линзы, призмы).
Пероксид бария используется для пиротехники и как окислитель.Нитрат бария и хлорат бария используется в пиротехнике для окрашивания пламени (зелёный огонь).
Хромат бария применяется при получении водорода и кислорода термохимическим способом (цикл Ок-Ридж, США).
Пероксид бария совместно с оксидами меди и редкоземельных металлов применяется для синтеза сверхпроводящей керамики, работающей при температуре жидкого азота и выше.
Оксид бария применяется для варки специального сорта стекла — применяемого для покрытия урановых стержней. Один из широкораспространённых типов таких стекол имеет следующий состав — (оксид фосфора — 61 %, ВаО — 32 %, оксид алюминия — 1,5 %, оксид натрия — 5,5 %).В стекловарении для атомной промышленности применяется также и фосфат бария.
Фторид бария используется в твердотельных фторионных аккумуляторных батареях в качестве компонента фторидного электролита.
Оксид бария используется в мощных медноокисных аккумуляторах в качестве компонента активной массы (окись бария-окись меди).
Сульфат бария применяется в качестве расширителя активной массы отрицательного электрода при производстве свинцово-кислотных аккумуляторов.
- Применение в медицине
Сульфат бария, нерастворимый и нетоксичный, применяется в качестве рентгеноконтрастного вещества при медицинском обследовании желудочно-кишечного тракта.
Цены
Цены на металлический барий в слитках чистотой 99,9 % колеблются около 30 долларов за 1 кг.
Биологическая роль и токсичность
Биологическая роль бария изучена недостаточно. В число жизненно важных микроэлементов он не входит.
Все растворимые в воде соединения бария высокотоксичны. Вследствие хорошей растворимости в воде из солей бария опасен хлорид, а также нитрат, нитрит, хлорат и перхлорат. Хорошо растворимые в воде соли бария быстро резорбируются в кишечнике. Смерть может наступить уже через несколько часов от паралича сердца.
Симптомы острого отравления солями бария: слюнотечение, жжение во рту и пищеводе. Боли в желудке, колики, тошнота, рвота, понос, повышенное кровяное давление, твёрдый неправильный пульс, судороги, позже возможны и параличи, синюха лица и конечностей (конечности холодные), обильный холодный пот, мышечная слабость, в особенности конечностей, доходящая до того, что отравленный не может кивнуть головой. Расстройство походки, а также речи вследствие паралича мышц глотки и языка. Одышка, головокружение, шум в ушах, расстройство зрения.
В случае тяжелого отравления смерть наступает внезапно или в течение одних суток. Тяжёлые отравления наступают при приёме внутрь 0,2 — 0,5 г солей бария, смертельная доза 0,8 — 0,9 г.
Для оказании первой помощи необходимо промыть желудок 1%-ным раствором сульфата натрия или магния. Клизмы из 10%-ных растворов тех же солей. Приём внутрь раствора тех же солей (20,0 ч. соли на 150,0 ч. воды) по столовой ложке каждые 5 мин. Рвотные средства для удаления из желудка образовавшегося нерастворимого сульфата бария. Внутривенно 10—20 мл 3%-ного раствора сульфата натрия. Подкожно — камфора, кофеин, лобелин — по показаниям. Тепло на ноги. Внутрь слизистые супы и молоко.
См. также
Примечания
- ↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047-1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
- ↑ Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 241. — 623 с. — 100 000 экз.
- ↑ Барий. // Популярная библиотека химических элементов. — М.: Издательство «Наука», 1977.
- ↑ Поваренных А. С. Твёрдость минералов. — АН УССР, 1963. — С. 197-208. — 304 с.
- ↑ Ходаков Ю.В., Эпштейн Д.А., Глориозов П.А. § 92. Качественная реакция на серную кислоту и её соли // Неорганическая химия: Учебник для 7—8 классов средней школы. — 18-е изд. — М.: Просвещение, 1987. — С. 212. — 240 с. — 1 630 000 экз.
- ↑ Аналитическая химия бария. — Москва : Наука, 1977.
Литература
- Барий // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
Ссылки
В родственных проектах