История и происхождение названия
Название свое барий получил от минерала барита («барис», по гречески — тяжелый). В действительности сам барий названия «тяжелый» не заслуживает, плотность этого серебристо-белого, сравнительно мягкого металла 3,76 г/см3. Минерал же барит, или тяжелый шпат, обладает высокой для солей плотностью (4,4 г/см3). Тяжелым барит является и из-за типа кристаллической решетки и из-за того, что он не содержит кристаллизационной воды, как многие другие соли. Барит — тяжелый шпат — фигурирует в истории, связанной с открытием бария. В средние века алхимией занимались не только профессионалы, но и любители. И вот в 1602 г. один из таких любителей, болонский сапожник, заметил, что вещество, полученное после нагрева тяжелого шпата (BaSО4) с углем и с маслом, светится в темноте. «Болонские светящиеся камни», или «солнечный камень», не получил в те годы какого-либо применения, да и явление осталось таинственным , но оно привлекло внимание шведских химиков К. Шееле и И. Гана. к тяжелому шпату. В результате исследований они пришли к заключению, что минерал этот содержит ранее неизвестную «тяжелую землю», оксид нового элемента.
Год обнаружения этой новой «земли», 1774 и считается годом открытия бария как элемента. Сам же барий в виде амальгамы был получен английским химиком Г. Дэви в 1808 г., сообщившим об открытии сразу четырех новых простых веществ: магния, кальция, стронция и бария. Все они были получены электролизом расплавленных солей. Годом раньше им тем же методом были получены натрий и калий. Успех Г. Дэви — пример научного прогресса при появлении и использовании в химии нового метода синтеза или анализа. Совершенствование методов выделения позволило в дальнейшем получить чистый барий и изучить его физические и химические свойства.
Нахождение в природе
Запасы бария в земной коре примерно такие же, как и стронция: 0,008% для стронция и 0,005% для бария. И хотя это в 300 раз меньше, чем кальция, характеризовать барий следует как распространенный элемент. Основным минералом является тяжелый шпат, или барит BaSО4. Реже встречается витерит ВаСО3. Очень редок драгоценный камень бенитоит, цвет его отсветло-
до темно-синего, а основной состав — титаносиликат бария. Во всех случаях, когда анион не окрашен, соли бария бесцветны.
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)
Получение
Основное сырье 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
BaSO4 + 2CH4 = BaS + C + 4H2O
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↑
BaS + H2O + CO2 = BaCO3 + H2S↑
Ba(OH)2 = BaO + H2O
BaCO3 = BaO + CO2↑
Металлический барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200—1250 °C:
3BaO + 2Al = 3Ba + Al2O3
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
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↑
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.
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
Нитрид бария Ba3N2 при нагревании взаимодействует с CO, образуя цианид:
Ba3N2 + 2CO = 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↑
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.
Изотопы
Основной природный изотоп бария имеет массовое число 138 (71,7%). В смеси с ним находятся стабильные изотопы Ва 137 (11,3%), 136 (7,8%), 135 (6,6%), 134, 132 и 130.
Применение
Использование металлического бария в технике ограничено. Наряду с рассмотренными областями применения его используют как составную часть типографского сплава со свинцом, в котором он заменяет более дорогую сурьму. Типографский сплав должен быть достаточно мягок, чтобы не разрушать бумагу, но и достаточно тверд, чтобы не изнашиваться слишком быстро. Добавка бария в свинец и придает сплаву необходимую твердость. Энергичное взаимодействие бария с кислородом и азотом привело к использованию его в качестве добавки, освобождающей расплавы некоторых металлов от растворенных в них газов. Образующийся оксид и нитрид бария всплывают на поверхность расплава и удаляются.
Зрелищно красивый эффект дает применение бария в метеорологии, для изучения магнитосферы Земли. Метеорологическая ракета несет заряд — смесь пероксида бария с порошком металла. На высоте 150—160 км поджигается запал, вызывающий реакцию:
2ВаO2+Ме = 2Ва+МеO2
Теплоты этой реакции достаточно для нагревания и испарения образовавшегося бария. Под действием света атомы бария в бариевом облаке переходят в возбужденное состояние. При возвращении атома бария в невозбужденное состояние происходит испускание света с длиной волны 459,5 нм. С земли невооруженным главой наблюдается зеленовато-голубоватое облако, «вытягивающееся» в направлении линий магнитного поля Земли на десятки километров. Порой на этом бариевом облаке удается наблюдать поперечные полосы, так нарываемые страты. Форма этого облака и его структура позволяют установить состояние магнитосферы в данном месте. На основе полученной информации возможно и предсказание изменения погоды и грядущих магнитных бурь, вызывающих разнообразные последствия, в том числе нарушения работы системы радиосвязи.
Соединения бария используют в производстве керамических изделий, красок, кож, бумаги, резины, сигнальных ракет, некоторых электротехнических устройств, ,в медицине и в атомной промышленности. Высокая плотность барита обеспечила ему применение в тех случаях, когда необходимо интенсивное поглощение проникающей радиации. Ведь чем плотнее материал, тем лучше он поглощает такое излучение. Бетоном, в котором кальциевые соли заменены бариевыми, ограждают ядерные реакторы для поглощения у-лучей.
Вот еще одно применение барита. В красном полумраке кабинета врач-рентгенолог предлагает пациенту выпить стакан белой жидкости. В стакане баритовая кашица — смесь барита с водой. Заполняя пищевод, а затем желудок и кишечник, баритовая каша, непрозрачная для рентгеновских лучей, «проявляет» на экране рентгеновского аппарата контуры органов пищеварения. Сужения пищевода, опухоли и другие отклонения от нормы будут видны на экране или на снимке.
Самая низкая стоимость у сульфата бария ВаSО4. В этой химической форме, в основном, извлекаются из земных недр бариевые соединения. Дешевый сульфат бария наиболее широко применяется сравнительно с другими бариевыми соединениями.
Дешевый и химически инертный сульфат бария используют как наполнитель в производстве керамических материалов, бумаги и резины. Эти столь разные материалы объединяет одно общее качество — они белые.
|