Барий

Барий / Barium (Ba)
Атомный номер	56
Внешний вид	мягкий слегка вязкий серебристо-белый металл
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	137,327 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома	222 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	502,5 (5,21) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация	[Xe] 6s2
Химические свойства
Ковалентный радиус	198 пм
Радиус иона	(+2e) 134 пм
Электроотрицательность (по Полингу)	0,89
Электродный потенциал	0
Степени окисления	2
Термодинамические свойства
Плотность	3,5 г/см³
Удельная теплоёмкость	0,192 Дж/(K·моль)
Теплопроводность	(18.4) Вт/(м·K)
Температура плавления	1 002 K
Теплота плавления	7,66 кДж/моль
Температура кипения	1 910 K
Теплота испарения	142,0 кДж/моль
Молярный объём	39,0 см³/моль
Кристаллическая решётка
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированая
Период решётки	5,020 Å
Отношение c/a	n/a
Температура Дебая	n/a K

История и происхождение названия

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 barys – 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. Естествен вопрос: почему барий не открыли раньше, ведь главный его минерал BaSO4 известен с XVII в.? «Вскрыть» этот минерал, выделить из него «землю», окисел, оказалось не под силу предшественникам Шееле и Гана. Еще алхимики прокаливали BaSO4 с деревом или древесным углем и получали фосфоресцирующие «болонские самоцветы». Но химически эти самоцветы не BaO, а сернистый барий BaS. Интересно, что в чистом виде сульфид бария не светится: необходимы активаторы - микропримеси веществ-активаторов - солей висмута, свинца, молибдена и других металлов. Свечение )фосфоресценция) происходит не само по себе, а только под воздействием радиоактивного, рентгеновского, ультрафиолетового и других видов излучения. После прекращения внешнего воздействия фосфоресценция может продолжаться, постепенно затухая, от нескольких секунд до нескольких часов.

Присутствие в природе

В земной коре содержится 0,05% бария. Это довольно много - значительно больше, чем, скажем, свинца, олова, меди или ртути. В чистом виде он не встречается - барий активен, он входит в подгруппу щелочноземельных металлов и, естественно, в минералах связан достаточно прочно. Основные минералы бария - тяжелый шпат BaSO₄ (барит) и витерит BaCO₃, 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.Наиболее крупные месторождения бариевых минералов находятся на территории республик бывшего СССР, США, Франции, Румынии. Разведанные запасы барита оцениваются в 115 миллионов тонн, общие запасы - в 300 миллионов тонн (по оценке на 1980г).

Получение

Основное сырье в производстве бария и его соединений - баритовый концентрат (80-95% BaSO₄), который получают флотацией барита с использованием жидкого стекла в качестве депрессора пустой породы; степень извлечения BaSO₄ - 55-60%. Восстановлением BaSO₄ каменным углем, коксом или природным газом получают BaS (BaSO₄ + 4С → BaS + 4СО; BaSO₄ + 2СН₄ → BaS + 2С + 4Н₂О), который перерабатывают на другие соединения бария, в частности Ва(ОН)₂, ВаСО₃ и Ba(NO₃)₂. Прокаливанием этих соединений соответственно при 800, 1400 и 700°С получают ВаО.

Основной промышленный метод получения металлического бария из ВаО -восстановление его порошком аллюминия: 4ВаО + 2Аl → ЗВа + ВаО*Аl₂О₃. Процесс проводят в реакторе при 1100 - 1200°С в атмосфере аргона или в вакууме (последний способ предпочтителен). Молярное соотношение ВаО:Аl 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 10⁻⁶%.

Небольшие количества 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 реакциях солей бария с азидом натрия.

Физические свойства

Барий - серебристо-белый ковкий металл. При резком ударе раскалывается. При обычном давлении существует в двух аллотропных модификациях: до 375°С устойчив α-Ва с кубической объемноцентрированной решеткой (а = 0,501 нм), выше 375°С устойчив β-Ba; стандартная теплота перехода между модицикациями составляет 0,86 кДж/моль. При 19°С и 5530 МПа образуется гексагональная модификация. Температура плавления 727°С, температура кипения 1637°С; плотность 3,780 г/см3; тройная точка: температура 710°С, давление 1,185 Па; уравнения температурной зависимости давления пара над твердым и жидким барием соответственно: lgP(мм.рт.ст.) = 9,405 - 9496/T - 0,787*10⁻³T - 0,364*lgT (в интервале от 298 до 983 К), lgP(мм.рт.ст.) = 20,408 - 8304/T - 4,036*lgT(в интервале от 983 до 1959К); критическая температура 2497°С; изобарная теплоемкость 28,1 Дж/(моль*К); cтандартная теплота плавления 7,12 кДж/моль, стандартная теплота испарения 150,9 кДж/моль (1910К); стандартная энтропия 62,5 Дж/(моль*К); температурный коэффицент линейного расширения (17-21)*10⁻⁶К⁻¹ (в интервале 273-573К); электрическое сопротивление 6*10⁻⁸ Ом*м (273К), температурный коэффицент электрического сопротивления 3,6*10⁻³К⁻¹. Барий парамагнитен, магнитная восприимчивость 0,15*⁹. Работа выхода электрона 2,49 эВ. Стандартный электродный потенциал Ва2+/Ва = -2,906 В. Твердость по минерало-гической шкале 1,25, по шкале Мооса 2, по Бринеллю 42 МПа; коэффицент сжимаемости 10,4*10¹¹Па⁻¹; σ_раст 12,8-0,98 МПа (в интервале 293-873 К).

Химические свойства

Барий - химически активный щелочноземельный металл. Интенсивно окисляется на воздухе, образуя пленку, содержащую оксид бария ВаО и нитрид бария Ba₃N₂ (температура плавления около 1000°С). При незначительном нагревании на воздухе воспламеняется. Энергично реагирует с водой, давая гидроксид Ва(ОН)₂. С разбавленными кислотами образует соли. Большинство солей бария с анионами слабых кислот и кислот средней силы малорастворимы, исключение - BaS, Ba(CN)₂, Ba(SCN)₂, Ba(OOCCH₃)₂. С галогенами Барий образует галогениды, с водородом при нагревании - гидрид ВаН₂, с NH₃ при нагревании - ВаН₂ и Ba₃N₂, с углеродом и азотом - цианид Ba(CN)₂. 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 + Н₂

Барий восстанавливает оксиды, галогениды и сульфиды многих металлов до соответствующего металла. Для бария характерно образование интерметаллидов, например в системе Ва-Аl обнаружены BaAl, BaAl₂, BaAl₄.

Применение

Сплав бария с Аl (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 так называемое бариевое зеркало (или диффузное покрытие при испарении в среде азота). Активной частью подавляющего большинства термоэмиссионных катодов является ВаО. Барий используют также как раскислитель Сu и Рb, в качестве присадки к антифрикционным сплавам, черным и цветным металлам, а также к сплавам, из которых изготавливают типографские шрифты для увеличения их твердости. Сплавы бария с никелем служат для изготовления электродов запальных свечей в двигателях внутреннего сгорания и в радиолампах. ¹⁴⁰Ва (период полураспада 12,8 дней) - изотопный индикатор, используемый при исследовании соединений бария. Барий добавляется совместно с цирконием в жидкометаллические теплоносители (сплавы натрия, калия, рубидия, лития, цезия) для уменьшения агрессивности к трубопроводам.

Фторид бария применяется в виде монокристаллов в оптике (линзы, призмы), а так же 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). Еще одно применение оксида бария - варка 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. Оксид бария совместно с оксидами меди и редкоземельных металлов применяется для синтеза сверхпроводящей керамики работающей при температуре жидкого азота и выше.

Сульфат бария применяется в качестве расширителя активной массы отрицательного электрода при производстве свинцово-кислотных аккумуляторов. Хромат бария применяется при получении водорода и кислорода термохимическим способом(цикл Ок-Ридж,США).

Соеденения бария (прежде всего перекись и нитрат) используются в пиротехнике для создания зеленого окрашивания пламени, в качестве компонента осветительных составов и зажегательных смесей. Перекись бария раньше использовалась для получения безводного пероксида водорода.

Титанат бария BaTiO3 – один из самых важнейших сегнетоэлектриков. Впервые его сегнетоэлектрические свойства были открыты в 1944 г.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.Это обстоятельство, а также большая механическая прочность и влагостойкость титаната бария способствовали тому, что он стал одним из самых важных сегнетоэлектриков. Титанат бария, как и все сегнетоэлектрики, обладает также пьезоэлектрическими свойствами - изменяет спои электрические характеристики под действием давления. При действии переменного электрического поля в его кристаллах возникают колебания, в связи с чем их используют в радиосхемах и автоматических системах. Титанат бария применяли при попытках обнаружить волны гравитации.

Мировое производство бария: барита 7,3 миллионов тонн, других соединений бария - 0,70 - 0,75 миллионов тонн (1980г).

Биологическая роль

Барий изредка встречается в живых организмах, правда, в основном как спутник кальция. Барий встречается в стеблях морских водорослей, в известковом покрове морских животных, в золе деревьев и растений. Содержание бария в организме среднего человека (массой 70 кг) - 22 мг. Содержание в мышечной ткани - 0,09*10⁻⁴ % по массе, в крови - 0,068 мг/л. Ежедневный прием с пищей cоставляет около 0,6 - 1,7 мг.

Токсичность

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, твердый 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. Тяжелые отравления наступают при приеме 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. Дача внутрь раствора 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.

Ссылки

• Барий на Webelements
• Барий в Популярной библиотеке химических элементов

У этой статьи нет иллюстраций. Вы можете помочь проекту, добавив их (с соблюдением правил использования изображений). Для поиска иллюстраций можно: попробовать воспользоваться инструментом FIST: нажмите эту ссылку, чтобы начать поиск; попытаться найти изображение на Викискладе; просмотреть иноязычные варианты статьи (если они есть); см. также Наука:Источники изображений.

Периодическая система элементов

H

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba

*

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

**

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Uub

Uut

Uuq

Uup

Uuh

Uus

Uuo

*

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

**

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr