Барий

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

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.

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.

Нахождение бария в природе

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.

Типы месторождений бария

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 водных бассейнов, 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.

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.

Металл можно получить разными способами, в частности при электролизе расплавленной смеси хлористого бария и хлористого кальция. Можно получать барий и восстанавливая его из окиси алюмотермическим способом. Для этого витерит обжигают с углем и получают окись бария:

BaCO₃ + C → BaO + 2CO.

Затем смесь BaO с алюминиевым порошком нагревают в вакууме до 1250°C. Пары восстановленного бария конденсируются в холодных частях трубы, в которой идет реакция:

Интересно, что в состав запальных смесей для алюмотермии часто входит перекись бария BaO₂.

Получить окись бария простым прокаливанием витерита трудно: витерит разлагается лишь при температуре выше 1800°C. Легче получать BaO, прокаливая нитрат бария Ba(NO₃)₂:

И при электролизе и при восстановлении алюминием получается мягкий (тверже свинца, но мягче цинка) блестящий белый металл. Он плавится при 710°C, кипит при 1638°C, его плотность 3,76 г/см 3 . Все это полностью соответствует положению бария в подгруппе щелочноземельных металлов.

Известны семь природных изотопов бария. Самый распространенный из них барий-138; его больше 70%.

Барий весьма активен. Он самовоспламеняется от удара, легко разлагает воду, образуя растворимый гидрат окиси бария:

Водный раствор гидрата окиси бария называют баритовой водой. Эту «воду» применяют в аналитической химии для определения CO₂ в газовых смесях. Но это уже из рассказа о применении соединений бария. Металлический же барий практического применения почти не находит. В крайне незначительных количествах его вводят в подшипниковые и типографские сплавы. Сплав бария с никелем используют в радиолампах, чистый барий – только в вакуумной технике как геттер (газопоглотитель).

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

Очищают барий перегонкой в вакууме или зонной плавкой.

Получение титана бария. Получить его сравнительно просто. Витерит BaCO₃ при 700. 800°C реагирует с двуокисью титана ТЮ₂, получается как раз то, что нужно:

Осн. пром. метод получения металлического бария из ВаО — восстановление его порошком А1: 4ВаО + 2А1 -> ЗВа + ВаО*А1₂О₃. Процесс проводят в реакторе при 1100-1200 °С в атмосфере Аг или в вакууме (последний способ предпочтителен). Молярное соотношение ВаО:А1 составляет (1,5-2):1. Реактор помещают в печь так, чтобы температура его «холодной части» (в ней конденсируются образующиеся пары бария) была около 520°С Перегонкой в вакууме барий очищают до содержания примесей менее 10

4 % по массе, а при использовании зонной плавки — до 10

Небольшие кол-ва бария получают также восстановлением ВаВеО₂ [синтезируемого сплавлением Ва(ОН)₂ и Ве(ОН)₂] при 1300°С титаном, а также разложением при 120°С Ba(N₃)₂, образующегося при обменных р-циях солей бария с NaN₃.

Ацетат Ва(ООССН₃), — бесцв. кристаллы; т. пл. 490°С (с разл.); плотн. 2,47 г/см 3 ; раств. в воде (58,8 г в 100 г при 0°С). Ниже 25 °С из водных р-ров кристаллизуется тригидрат, при 25-41 °С — моногидрат, выше 41 °С- безводная соль. Получают взаимод. Ва(ОН)₂, ВаСО₃ или BaS с СН₃СО₂Н. Применяют как протраву при крашении шерсти и ситца.

Манганат(VI) ВаМnО₄ — зеленые кристаллы; не разлагается до 1000°С. Получают прокаливанием смеси Ba(NO₃)₂ с МnО₂. Пигмент (касселева, или марганцовая, зелень), обычно используемый для фресковой живописи.

Хромат(VI) ВаСrO₄ — желтые кристаллы; т. пл. 1380°С; — 1366,8 кДж/моль; раств. в неорг. к-тах, не раств. в воде. Получают взаимод. водных р-ров Ва(ОН)₂ или BaS с хроматами(VI) щелочных металлов. Пигмент (баритовый желтый) для керамики. ПДК 0,01 мг/м 3 (в пересчете на Сг0₃). Пирконат ВаZrО₃-бесцв. кристаллы; т. пл.

269°С; — 1762 кДж/моль; раств. в воде и водных р-рах щелочей и NH₄HCO₃, разлагается сильными неорг. к-тами. Получают взаимод. ZrO₂ с ВаО, Ва(ОН)₂ или ВаСО₃ при нагревании. Цирконат Ва в смеси с ВаТiO₃-пьезоэлект-рик.

Бромид ВаВr₂ — белые кристаллы; т. пл. 847°С; плотн. 4,79 г/см 3 ; -757 кДж/моль; хорошо раств. в воде, метаноле, хуже — в этаноле. Из водных р-ров кристаллизуется дигидрат, превращающийся в моногидрат при 75°С, в безводную соль — выше 100°С В водных р-рах взаимод. с СО₂ и О₂ воздуха, образуя ВаСО₃ и Вr₂. Получают ВаВr₂ взаимод. водных р-ров Ва(ОН)₂ или ВаСО₃ с бромистоводородной к-той.

Иодид ВаI₂ — бесцв. кристаллы; т. пл. 740°С (с разл.); плотн. 5,15 г/см 3 ; . -607 кДж/моль; хорошо раств. в воде и этаноле. Из горячих водных р-ров кристаллизуется дигидрат (обезвоживается при 150°С), ниже 30 °С — гексагидрат. Получают ВаI₂ взаимод. водных р-ров Ва(ОН)₂ или ВаСО₃ с иодистоводородной к-той.

Физические свойства бария

Барий — серебристо-белый ковкий металл. При резком ударе раскалывается. Существуют две аллотропные модификации бария: до 375 °C устойчив α-Ba с кубической объемно-центрированной решеткой (параметр а = 0,501 нм), выше устойчив β-Ba.

Твердость по минералогической шкале 1,25; по шкале Мооса 2.

Хранят металлический барий в керосине или под слоем парафина.

Химические свойства бария

Барий — щёлочноземельный металл. Интенсивно окисляется на воздухе, образуя оксид бария BaO и нитрид бария Ba₃N₂, а при незначительном нагревании воспламеняется. Энергично реагирует с водой, образуя гидроксид бария Ba(ОН)₂:

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.

Прир. барий состоит из семи стабильных изотопов с мае. ч. 130, 132, 134-137 и 138 (71,66%). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 1,17-10 28 м 2 . Конфигурация внеш. электронной оболочки 6s 2 ; степень окисления + 2, редко + 1; энергия ионизации Ва°->Ва + ->Ва 2+ соотв. 5,21140 и 10,0040 эВ; электроотрицательность по Полингу 0,9; атомный радиус 0,221 нм, ионный радиус Ва 2+ 0,149 нм (координационное число 6).

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:

Нитрид бария Ba₃N₂ при нагревании взаимодействует с CO, образуя цианид:

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:

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.

Сплав бария с А1 (сплав альба, 56% Ва) — основа геттеров (газопоглотителей). Для получения собственно геттера барий испаряют из сплава высокочастотным нагревом в вакуумированной колбе прибора, в результате на холодных частях колбы образуется т. наз. бариевое зеркало (или диффузное покрытие при испарении в среде азота). Активной частью подавляющего большинства термоэмиссионных катодов является ВаО. Барий используют также как раскислитель Си и Рb, в кач-ве присадки к антифрикц. сплавам, черным и цветным металлам, а также к сплавам, из к-рых изготавливают типографские шрифты для увеличения их твердости. Сплавы бария с Ni служат для изготовления электродов запальных свечей в двигателях внутр. сгорания и в радиолампах. 140 Ва (T_1/2 12,8 дней) — изотопный индикатор, используемый при исследовании соединений бария.

Металлический барий, часто в сплаве с алюминием используется в качестве газопоглотителя (геттера) в высоковакуумных электронных приборах.

Барий добавляется совместно с цирконием в жидкометаллические теплоносители (сплавы натрия, калия, рубидия, лития, цезия) для уменьшения агрессивности последних к трубопроводам, и в металлургии.

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 (зеленый огонь).

Хромат бария применяется при получении водорода и кислорода термохимическим способом (цикл Ок-Ридж, США).

Оксид 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 широкораспространенных 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 так же 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.

Карбонат бария BaCO₃ добавляют в стекольную массу, чтобы повысить коэффициент преломления стекла. Сернокислый барий применяют в бумажной промышленности как наполнитель; качество бумаги во многом определяется ее весом, барит BaSO₄ утяжеляет бумагу. Эта соль обязательно входит во все дорогие сорта бумаги. Кроме того, сульфат бария широко используется в производстве белой краски литопона – продукта реакции растворов сернистого бария с сернокислым цинком:

Обе соли, имеющие белый цвет, выпадают в осадок, в растворе остается чистая вода.

При бурении глубинных нефтяных и газовых скважин используется в качестве буровой жидкости взвесь сернокислого бария в воде.

Еще одна бариевая соль находит важное применение. Это титанат бария BaTiO₃ – один из самых главных сегнетоэлектриков (сегнетоэлектрики же поляризуются сами по себе, без воздействия внешнею поля. Среди диэлектриков они выделяются так же, как ферромагнитные материалы среди проводников. Способность к такой поляризация сохраняется только при определенной температуре. Поляризованные сегнетоэлектрики отличаются большей диэлектрической проницаемостью), считающихся очень ценными электротехническими материалами.

В 1944 г. этот класс пополнился титанатом бария, сегнетоэлектрические свойства которого были открыты советским физиком Б.М. Вулом. Особенность титаната бария состоит в том, что он сохраняет сегнетоэлектрические свойства в очень большом интервале температуры – от близкой к абсолютному нулю до +125°C.

Барий нашёл применение и в медицине. Его сернокислую соль применяют при диагностике желудочных заболеваний. BaSO₄ смешивают с водой и дают проглотить пациенту. Сульфат бария непрозрачен для рентгеновских лучей, и поэтому те участки пищеварительного тракта, по которым идет «бариевая каша», остаются на экране темными. Так врач получает представление о форме желудка и кишок, определяет место, где может возникнуть язва.

Влияние бария на организм человека

Пути поступления в организм.
Основным путем поступления бария в организм человека является пища. Так, некоторые морские обитатели способны накапливать барий из окружающей воды, причем в концентрациях в 7-100 (а для некоторых морских растений до 1000) раз, превышающих его содержание в морской воде. Некоторые растения (соевые бобы и помидоры, например) также способны накапливать барий из почвы в 2-20 раз. Однако в районах, где концентрация бария в воде высока, питьевая вода также может внести вклад в суммарное потребление бария. Поступление бария из воздуха незначительно.

Опасность для здоровья.
В ходе научных эпидемиологических исследований, проведенных под эгидой ВОЗ, не нашли подтверждения данные о связи между смертностью от сердечно-сосудистых заболеваний и содержанием бария в питьевой воде. В краткосрочных исследованиях на добровольцах не было выявлено вредного эффекта на сердечно-сосудистую систему при концентрациях бария до 10 мг/л. Правда, при опытах на крысах, при употреблении последними воды даже с невысоким содержанием бария, наблюдалось повышение систолического кровяного давления. Это свидетельствует о потенциальной опасности повышения кровяного давления и у людей при длительном употреблении воды, содержащий барий (такие данные есть у USEPA).
Данные USEPA также свидетельствуют о том, что даже разовое употребление воды, содержание бария в которой значительно превосходит максимально допустимые значения, может привести к мышечной слабости и болям в брюшной области. Необходимо, правда, учесть, что норматив по барию, установленный стандартом качества USEPA (2.0 мг/л) значительно превосходит величину, рекомендованную ВОЗ (0.7 мг/л). Российскими санитарными нормами установлено еще более жесткое значение ПДК по барию в воде — 0.1 мг/л. Технологии удаления из воды: ионный обмен, обратный осмос, электродиализ.

Источник