Барий

Ба́рий (химический символ — Ba, от ) — химический элемент 2-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы второй группы, IIA) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 56. щёлочноземельный металл.

Простое вещество барий — мягкий, вязкий, ковкий металл серебристо-белого цвета (ультрачистый барий имеет лёгкий золотистый оттенок). Обладает высокой химической активностью, тускнеет на воздухе, реагирует с водой.

История Барий был открыт в виде оксида BaO в 1774 году Карлом Шееле и Юханом Ганом. 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  — «тяжёлый».

Физические свойства Полная электронная конфигурация атома бария: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s2

Барий — серебристо-белый (с лёгким золотистым оттенком) ковкий металл с плотностью 3,78 г/см3. При резком ударе раскалывается. Примесь ртути (например, при получении амальгамным методом) делает его хрупким. При нормальном давлении существуют две аллотропные модификации бария: до 375 °C устойчив α-Ba, , при более высоких температурах устойчив β-Ba. Теплота перехода составляет . При давлении 5530 МПа и 19 °C обнаружена гексагональная модификация.

Температура плавления 727 °C (1000 К), кипения 1637 °C (1910 К). Теплота плавления 7,12 кДж/моль. Теплота испарения 150,9 кДж/моль (при температуре кипения). Тройная точка: 710 °C, 1,185 Па. Критическая температура 2497 °C. Давление пара около 50 мм рт.ст. при 1200 °C. Теплоёмкость при постоянном давлении 28,1 Дж/(моль·К). Энтропия 62,5 Дж/(моль·К). Температурный коэффициент линейного расширения (17…21)·10−6 К−1.

Твёрдость по шкале Мооса, по разным данным, 1,25, 1,5, 2 или 3. Твёрдость по Бриннелю . Коэффициент сжимаемости 1,04·1012 Па−1.

Барий является парамагнетиком, его магнитная восприимчивость 1,5·108. Удельное электрическое сопротивление бария 6·10−8 Ом·м (при 0 °С). Температурный коэффициент сопротивления 3,6·10−3 К−1.

Энергия ионизации Ba → Ba+ 5,19 эВ, Ba+ → Ba2+ 9,95 эВ.

Соли бария окрашивают пламя газовой горелки в жёлто-зелёный цвет.

Химические свойства Барий — щёлочноземельный химически активный металл, в соединениях проявляет степень окисления +2. На воздухе барий быстро окисляется, образуя на поверхности смесь оксида бария (BaO) и нитрида бария (Ba3N2), теряя при этом блеск и становясь сперва коричневато-жёлтым, а затем серым. При незначительном нагревании на воздухе воспламеняется. Энергично реагирует с водой, образуя гидроксид бария Ba(OH)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. 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.

Кроме сульфида бария, растворимы в воде также цианид Ba(CN)2, тиоцианат Ba(SCN)2 и ацетат Ba(CH3COO)2.

Легко вступает в реакцию с галогенами, образуя галогениды.

При нагревании с водородом образует гидрид бария (BaH2), который, в свою очередь, с гидридом лития LiH даёт комплекс Li[BaH3].

Реагирует при нагревании с аммиаком:

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

С жидким аммиаком даёт тёмно-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 углём.

С фосфором образует фосфид (Ba3P2):

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

Реагирует при комнатной температуре с углекислым газом, образуя карбид бария BaC2.

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:

Далее сульфид бария 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):

Получают металлический барий электролизом безводного расплава хлорида бария:

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. Реакция является очень чувствительной, специфичной, позволяя определить 1 часть ионов бария на 210000 массовых частей раствора.

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

Количественно барий определяют гравиметрическим методом в виде BaSO4 или BaCrO4.

Применение Вакуумные электронные приборы Металлический барий, часто в сплаве с алюминием или магнием используется в качестве газопоглотителя (геттера) в высоковакуумных электронных приборах, так как активно реагирует со многими газами, частично, в том числе, инертными, за счёт растворения их в кристаллической решетке.

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.

Сегнето- и пьезоэлектрик Титанат бария используется в качестве диэлектрика при изготовлении керамических конденсаторов, а также в качестве материала для пьезоэлектрических микрофонов и пьезокерамических излучателей.

Оптика Фторид бария применяется в виде монокристаллов в оптике (линзы, призмы).

Пиротехника

Пероксид бария используется для пиротехники и как окислитель. Нитрат бария и хлорат бария используется в пиротехнике для окрашивания пламени (зелёный огонь).

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

Высокотемпературная сверхпроводимость Пероксид бария совместно с оксидами меди и редкоземельных металлов, а также купрат бария, применяются для синтеза сверхпроводящей керамики, работающей при температуре жидкого азота и выше.

Легирование сплавов Применение бария для легирования сплавов невелико, ограничивается, главным образом, экспериментальными работами; например, предлагается легирование барием свинцово-кальциевых аккумуляторных электродов для снижения их коррозионного повреждения.

Вместе с тем, барий применяется в виде лигатур для раскисления, дефосфоризации и десульфуризации специальных сплавов, сталей и чугунов; примером такой лигатуры является алюмобариевая АБа45.

Сплав бария с никелем ранее использовался в радиолампах. Ядерная энергетика Оксид бария применяется для варки специального сорта стекла — применяемого для покрытия урановых стержней. Один из широкораспространённых типов таких стёкол 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.

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.

Применение в медицине Сульфат бария, нерастворимый и нетоксичный, применяется в качестве рентгеноконтрастного вещества при медицинском обследовании желудочно-кишечного тракта.

Нахождение в природе Содержание бария в земной коре составляет 0,05 % по массе; в морской воде среднее содержание бария составляет 0,02 мг/л. Барий активен, он входит в подгруппу щёлочноземельных 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 гётит и гидрогётит) 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.

Изотопы

Известны изотопы бария с массовыми числами от 114 до 153, и 10 ядерных изомеров. Природный барий состоит из смеси шести стабильных изотопов (132Ba, 134Ba, 135Ba, 136Ba, 137Ba, 138Ba) и одного изотопа с огромным периодом полураспада, много больше возраста Вселенной (130Ba).

Биологическая роль Барий относится к токсичным микроэлементам. В человеческом организме ионы бария оказывают выраженное влияние на гладкие мышцы.

Суточная потребность организма человека в барии чётко не установлена; среднесуточное поступление бария в организм находится в пределах 0,3—1 миллиграммовname=https://www.pharmacognosy.com.ua_Барий: маг для гладких мышц.

Содержание бария в человеческом организме составляет 20—22 мг.

В микроколичествах барий находится во всех органах и тканях, но наивысшая концентрация данного микроэлемента приходится на головной мозг, селезёнку, мышцы, а также — на хрусталик глаза (барий находится во всех областях глаза). Около 90 % всего микроэлемента концентрируется в костях и зубах.

Токсичность

Барий и его некоторые соединения могут являться токсичными при превышении ПДК в пище и в воде. Предельно допустимая концентрация бария в питьевой воде составляет 0,7 мг/дм³ и в соответствии с российскими гигиеническими нормативами нормируется по санитарно-токсикологическому лимитирующему признаку вредности; класс опасности — 2 (вещества высокоопасные)name=https://books.Google.ru_Методы концентрирования и разделения микроэлементов.

Контакт металлического бария с кожей и слизистыми оболочками приводит к химическим ожогамname =https://safework.ru_Barium. Вследствие хорошей растворимости в воде из солей бария наиболее опасен хлоридname=https://safework.ru_Хлорид бария, а также — опасны нитрит, гипохлорит, иодид, бромид, сульфид, хлорат, бромат и перманганат. При попадании на кожу в больших количествах могут вызвать химический ожог также оксид бария, пероксид бария, надпероксид бария и едкий барит.

Хорошо растворимые в воде соли бария быстро резорбируются в кишечнике. Смерть может наступить уже через несколько часов от паралича сердца.