Барій

Барій - елемент головної підгрупи другої групи, шостого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, з атомним номером 56. Позначається символом Ba ( лат. Barium ). Проста речовина барій ( CAS-номер : 7440-39-3) - м'який, ковкий лужноземельний метал сріблясто-білого кольору. Має високу хімічну активність.

1. Історія

Барій був відкритий у вигляді оксиду BaO в 1774 р. Карлом Шеєле і Юханом Ганом ^[2]. В 1808 англійський хімік Гемфрі Деві електролізом вологого гідроксиду барію з ртутним катодом отримав амальгаму барію; після випаровування ртуті при нагріванні він виділив металевий барій.

2. Походження назви

Свою назву отримав від др.-греч. βαρύς - "Важкий", так як його оксид (BaO) був охарактеризований, як має незвично високу для таких речовин щільність.

3. Знаходження в природі

Зміст барію в земній корі становить 0,05% за масою; в морській воді середній вміст барію становить 0,02 мг / літр. Барій активний, він входить у підгрупу лужноземельних металів і в мінералах пов'язаний досить міцно. Основні мінерали: барит (BaSO ₄₎ і вітерит (BaCO _3).

Рідкісні мінерали барію: цельзіан або барієвий польовий шпат (алюмосилікат барію), гіалофан (змішаний алюмосилікат барію і калію), нітробаріт (нітрат барію) і пр.

3.1. Типи родовищ

За мінеральним асоціаціям баритові руди поділяються на мономінеральних і комплексні. Комплексні поділяються на барито-сульфідні (містять сульфіди свинцю, цинку, іноді міді і залізного колчедану, рідше Sn, Ni, Au, Ag), барито-кальцитові (містять до 75% кальциту), залізо-баритові (містять магнетит, гематит, а у верхніх зонах гетит і гідрогетіт) і барито-флюоритові (крім бариту і флюориту, зазвичай містять кварц і кальцит, а у вигляді невеликих домішок іноді присутні сульфіди цинку, свинцю, міді і ртуті).

З практичної точки зору найбільший інтерес представляють гідротермальні жильні мономінеральних, барито-сульфідні і барито-флюоритові родовища. Промислове значення мають також деякі метасоматичні пластові родовища і елювіальні розсипи. Осадові родовища, що представляють собою типові хімічні опади водних басейнів, зустрічаються рідко і суттєвої ролі не грають.

Як правило, баритові руди містять інші корисні компоненти (флюорит, галеніт, сфалерит, мідь, золото в промислових концентраціях), тому вони використовуються комплексно.

4. Ізотопи

Природний барій складається з суміші семи стабільних ізотопів : ¹³⁰ Ba, ¹³² Ba, ¹³⁴ Ba, ¹³⁵ Ba, ¹³⁶ Ba, ¹³⁷ Ba, ¹³⁸ Ba. Останній є найпоширенішим (71,66%). Відомі й радіоактивні ізотопи барію, найбільш важливим з яких є ¹⁴⁰ Ba. Він утворюється при розпаді урану, торію і плутонію.

5. Отримання

Основна сировина для отримання барію - баритовий концентрат (80-95% BaSO _4), який в свою чергу отримують флотацією бариту. Сульфат барію надалі відновлюють коксом або природним газом :

Далі сульфід при нагріванні гідролізують до гідроксиду барію Ba (OH) ₂ або під дією CO ₂ перетворюють на нерозчинний карбонат барію BaCO _3, який потім переводять у оксид барію BaO (прожарювання при 800 C для Ba (OH) ₂ і понад 1000 C для BaCO _3):

Металевий барій отримують з оксиду відновленням алюмінієм у вакуумі при 1200-1250 C:

4 B a O + 2 A l = 3 B a + B a A l ₂ O ₄ .

Очищають барій перегонкою в вакуумі або зонної плавкою.

6. Фізичні властивості

Барій - сріблясто-білий ковкий метал. При різкому ударі розколюється. Існують дві алотропні модифікації барію: до 375 C стійкий α-Ba з кубічної об'ємно-центрованої гратами (параметр а = 0,501 нм), вище стійкий β-Ba.

Твердість за мінералогічною шкалою 1,25; за шкалою Мооса 2.

Зберігають металевий барій в гасі або під шаром парафіну.

7. Хімічні властивості

Барій - лужноземельний метал. На повітрі барій швидко окислюється, утворюючи суміш оксид барію BaO і нітрид барію Ba ₃ N _2, а при незначному нагріванні загоряється. Енергійно реагує з водою, утворюючи гідроксид барію Ba (ОН) _2:

Активно взаємодіє з розведеними кислотами. Багато солі барію нерозчинні або малорозчинні у воді: сульфат барію BaSO _4, сульфіт барію BaSO _3, карбонат барію BaCO _3, фосфат барію Ba ₃ (PO _{4) 2.} Сульфід барію BaS, на відміну від сульфіду кальцію CaS, добре розчинний у воді.

Легко вступає в реакцію з галогенами, утворюючи галогеніди.

При нагріванні з воднем утворює гідрид барію BaH _2, який у свою чергу з гидридом літію LiH дає комплекс Li [BaH _3].

Реагує при нагріванні з аміаком :

6 B a + 2 N H ₃ = ₃ B a H ₂ + B a ₃ N ₂

Нітрид барію Ba ₃ N ₂ при нагріванні взаємодіє з CO, утворюючи ціанід :

B a ₃ N ₂ + ₂ C O = B a (C N) ₂ + 2 B a O

З рідким аміаком дає темно-синій розчин, з якого можна виділити аміакати [Ba (NH _{3) 6],} що має золотистий блиск і легко розкладається з відщепленням NH _3. У присутності платинового каталізатора аміакати розкладається з утворенням аміду барію:

[B a (N H _{3) 6]} = B a (N H _{2) 2} + 4 N H ₃ + H ₂

Карбід барію BaC ₂ може бути отриманий при нагріванні в дугового печі BaO з вугіллям.

З фосфором утворює фосфід Ba ₃ P _2.

Барій відновлює оксиди, галогеніди і сульфіди багатьох металів до відповідного металу.

8. Якісний і кількісний аналіз

Якісно в розчинах барій виявляється по випаданню осаду сульфату барію BaSO _4, відрізна від відповідних сульфатів кальцію і сульфатів стронцію вкрай низькою розчинністю в неорганічних кислотах.

Родізонат натрію виділяє з нейтральних солей барію характерний червоно-бурий осад родізоната барію. Реакція є дуже чутливою, специфічною, дозволяючи визначити 1 частина іонів барію на 210000 масових частин розчину ^[3].

З'єднання барію забарвлюють полум'я в жовто-зелений колір (довжина хвиль 455 і 493 нм).

Кількісно барій визначають гравіметричним методом у вигляді BaSO ₄ або BaCrO _4.

9. Застосування

9.1. Застосування як геттерного матеріалу

Металевий барій, часто в сплаві з алюмінієм використовується як газопоглиначі (геттера) в високовакуумних електронних приладах.

9.2. Антикорозійний матеріал

Барій додається спільно з цирконієм в жідкометалліческім теплоносії (сплави натрію, калію, рубідію, літію, цезію) для зменшення агресивності останніх до трубопроводів, і в металургії.

9.3. Сегнето- і п'єзоелектрик

Титанат барію використовується в якості діелектрика при виготовленні керамічних конденсаторів, а також в якості матеріалу для п'єзоелектричних мікрофонів і п'єзокерамічних випромінювачів.

9.4. Оптика

Фторид барію застосовується у вигляді монокристалів в оптиці (лінзи, призми).

9.5. Піротехніка

Пероксид барію використовується для піротехніки і як окислювач. Нітрат барію і хлорат барію використовується в піротехніці для фарбування полум'я (зелений вогонь).

9.6. Атомно-воднева енергетика

Хромат барію застосовується при отриманні водню і кисню термохимическим способом (цикл Ок-Рідж, США).

9.7. Високотемпературна надпровідність

Пероксид барію спільно з оксидами міді і рідкоземельних металів застосовується для синтезу надпровідної кераміки, що працює при температурі рідкого азоту і вище.

9.8. Ядерна енергетика

Оксид барію застосовується для варіння спеціального сорту скла - застосовується для покриття уранових стрижнів. Один з широкораспространенная типів таких стекол має такий склад - (оксид фосфору - 61%, ВаО - 32%, оксид алюмінію - 1,5%, оксид натрію - 5,5%). У стекловарении для атомної промисловості застосовується також і фосфат барію.

9.9. Хімічні джерела струму

Фторид барію використовується в твердотільних фторіонних акумуляторних батареях як компонент фторидної електроліту.

Оксид барію використовується в потужних медноокісних акумуляторах як компонент активної маси (окис барію-окис міді).

Сульфат барію застосовується як розширювача активної маси негативного електрода при виробництві свинцево-кислотних акумуляторів.

9.10. Застосування сполук барію в медицині

Сульфат барію, нерозчинний і нетоксичний, застосовується як рентгеноконтрастної речовини при медичному обстеженні шлунково-кишкового тракту.

10. Ціни

Ціни на металевий барій в злитках чистотою 99,9% коливаються близько 30 доларів за 1 кг.

11. Біологічна роль

Біологічна роль барію вивчена недостатньо. У число життєво важливих мікроелементів він не входить. Всі розчинні солі барію дуже отруйні.

Примітки

1. Редкол.: Кнунянц І. Л. (гл. ред.) Хімічна енциклопедія: у 5 т - Москва: Радянська енциклопедія, 1988. - Т. 1. - С. 241. - 623 с. - 100000 прим .
2. Барій - nt.ru/ri/ps/pb056.htm. / / Популярна бібліотека хімічних елементів. - М.: Видавництво "Наука", 1977.
3. Н.С. Фруміна, М.М. Горюнова, С.М. Єременко. Аналітична хімія барію - Москва: Наука, 1977.