Получение ba. Что такое бария сульфат? Как получают сульфат бария

Содержание статьи

БАРИЙ – химический элемент 2-й группы периодической системы, атомный номер 56, относительная атомная масса 137,33. Расположен в шестом периоде между цезием и лантаном. Природный барий состоит из семи стабильных изотопов с массовыми числами 130(0,101%), 132(0,097%), 134(2,42%), 135(6,59%), 136(7,81%), 137(11,32%) и 138 (71,66%). Барий в большинстве химических соединений проявляет максимальную степень окисления +2, но может иметь и нулевую. В природе барий встречается только в двухвалентном состоянии.

История открытия.

В 1602 Касциароло (болонский сапожник и алхимик) подобрал в окрестных горах камень, который настолько тяжелый, что Касциароло заподозрил в нем золото. Пытаясь выделить золото из камня, алхимик прокалил его с углем. Хотя выделить золото при этом не удалось, опыт принес явно обнадеживающие результаты: охлажденный продукт прокаливания светился в темноте красноватым цветом. Известие о столь необычной находке произвело настоящую сенсацию в алхимической среде и необычный минерал, получивший целый ряд названий – солнечный камень (Lapis solaris), болонский камень (Lapis Boloniensis), болонский фосфор (Phosphorum Boloniensis) стал участником разнообразных экспериментов. Но время шло, а золото и не думало выделяться, поэтому интерес к новому минералу постепенно пропал, и долгое время его считали видоизмененной формой гипса или извести. Лишь через полтора столетия, в 1774 известные шведские химики Карл Шееле и Юхан Ган пристально изучили «болонский камень» и установили, что в нем содержится некая «тяжелая земля». Позднее, в 1779, Гитон де Морво назвал эту «землю» барот (barote) от греческого слова «barue » – тяжелый, а в дальнейшем изменил название на барит (baryte). Под этим названием бариевая земля фигурировала в учебниках химии конца 18 – начала 19 вв. Так, например, в учебнике А.Л.Лавуазье (1789) барит входит в список солеобразующих землистых простых тел, причем приводится и другое название барита – «тяжелая земля» (terre pesante, лат. terra ponderosa). Содержащийся в минерале неизвестный пока металл стали называть барием (лат. – Barium). В русской литературе 19 в. также употреблялись названия барит и барий. Следующим известным минералом бария стал природный карбонат бария, открытый в 1782 Витерингом и названный впоследствии в его честь витеритом. Металлический барий был впервые получен англичанином Гэмфри Дэви в 1808 путем электролиза влажного гидроксида бария с ртутным катодом и последующим испарением ртути из амальгамы бария. Следует отметить, что в том же 1808 несколько раньше Дэви амальгаму бария получил шведский химик Йенс Берцелиус . Несмотря на свое название, барий оказался сравнительно легким металлом с плотностью 3,78 г/см 3 , поэтому в 1816 английский химик Кларк выступил с предложением отклонить название «барий» на том основании, что если бариевая земля (оксид бария) действительно тяжелее других земель (оксидов), то металл, наоборот, легче других металлов. Кларк хотел назвать этот элемент плутонием в честь древнеримского бога, властителя подземного царства Плутона, однако это предложение не встретило поддержки у других ученых и легкий металл продолжал именоваться «тяжелым».

Барий в природе.

В земной коре содержится 0,065% бария, он встречается в виде сульфата, карбоната, силикатов и алюмосиликатов. Основные минералы бария – уже упоминавшиеся выше барит (сульфат бария), называемый также тяжелым или персидским шпатом, и витерит (карбонат бария). Мировые минерально-сырьевые ресурсы барита оценивались в 1999 в 2 млрд. тонн, значительная часть их сосредоточена в Китае (около 1 млрд. тонн) и в Казахстане (0,5 млрд. тонн). Большие запасы барита есть и в США, Индии, Турции, Марокко и Мексике. Российские ресурсы барита оцениваются в 10 миллионов тонн, его добыча ведется на трех основных месторождениях, расположенных в Хакасии, Кемеровской и Челябинской областях. Общая годовая добыча барита в мире составляет около 7 миллионов тонн, Россия производит 5 тыс. тонн и импортирует 25 тыс. тонн барита в год.

Получение.

Основным сырьем для получения бария и его соединений служат барит и, реже, витерит. Восстанавливая эти минералы каменным углем, коксом или природным газом, получают соответственно сульфид и оксид бария:

BaSO 4 + 4C = BaS + 4CO

BaSO 4 + 2CH 4 = BaS + 2C + 4H 2 O

BaCO 3 + C = BaO + 2CO

Металлический барий получают, восстанавливая его оксидом алюминия.

3BaO + 2Al = 3Ba + Al 2 O 3

Впервые этот процеcc осуществил русский физико-химик Н.Н.Бекетов . Вот как он описывал свои опыты: «Я взял безводную окись бария и, прибавив к ней некоторое количество хлористого бария, как плавня, положил эту смесь вместе с кусками глиния (алюминия) в угленой тигель и накаливал его несколько часов. По охлаждении тигля я нашел в нем металлический сплав уже совсем другого вида и физических свойств, нежели глиний. Этот сплав имеет крупнокристаллическое строение, очень хрупок, свежий излом имеет слабый желтоватый отблеск; анализ показал, что он состоит на 100 ч из 33,3 бария и 66,7 глиния или, иначе, на одну часть бария содержал две части глиния...». Сейчас процесс восстановления алюминием проводят в вакууме при температурах от 1100 до 1250° C, при этом образующийся барий испаряется и конденсируется на более холодных частях реактора.

Кроме того, барий можно получить электролизом расплавленной смеси хлоридов бария и кальция.

Простое вещество.

Барий – серебристо-белый ковкий металл, при резком ударе раскалывается. Температура плавления 727° С, температура кипения 1637° С, плотность 3,780 г/см 3 . При обычном давлении существует в двух аллотропных модификациях: до 375° C устойчив a -Ba с кубической объемно-центрированной решеткой, выше 375° С устойчив b -Ba. При повышенном давлении образуется гексагональная модификация. Металлический барий обладает высокой химической активностью, он интенсивно окисляется на воздухе, образуя пленку, содержащую BaO, BaO 2 и Ba 3 N 2 , при незначительном нагревании или при ударе воспламеняется.

2Ba + O 2 = 2BaO; Ba + O 2 = BaO 2 ; 3Ba + N 2 = Ba 3 N 2 ,

поэтому барий хранят под слоем керосина или парафина. Барий энергично реагирует с водой и растворами кислот, образуя гидроксид бария или соответствующие соли:

Ba + 2H 2 O = Ba(OH) 2 + H 2

Ba + 2HCl = BaCl 2 + H 2

С галогенами барий образует галогениды, с водородом и азотом при нагревании – соответственно гидрид и нитрид.

Ba + Cl 2 = BaCl 2 ; Ba + H 2 = BaH 2

Металлический барий растворяется в жидком аммиаке с образованием темно-синего раствора, из которого можно выделить аммиакат Ba(NH 3) 6 – кристаллы с золотистым блеском, легко разлагающиеся с выделением аммиака. В этом соединении барий имеет нулевую степень окисления.

Применение в промышленности и науке.

Применение металлического бария весьма ограничено из-за его высокой химической активности, соединения бария используются гораздо шире. Сплав бария с алюминием – сплав альба, содержащий 56% Ba – основа геттеров (поглотителей остаточных газов в вакуумной технике). Для получения собственно геттера барий испаряют из сплава, нагревая его в вакуумированной колбе прибора, в результате на холодных частях колбы образуется «бариевое зеркало». В небольших количествах барий используется в металлургии для очистки расплавленных меди и свинца от примесей серы, кислорода и азота. Барий добавляют в типографские и антифрикционные сплавы, сплав бария с никелем используется для изготовления деталей радиоламп и электродов свечей зажигания в карбюраторных двигателях. Кроме того, есть нестандартные применения бария. Одно из них – создание искусственных комет: выпущенные с борта космического аппарата пары бария легко ионизируются солнечными лучами и превращаются в яркое плазменное облако. Первая искусственная комета была создана в 1959 во время полета советской автоматической межпланетной станции «Луна-1». В начале 1970-х германские и американские физики, проводя исследования электро магнитного поля Земли, выбросили над территорией Колумбии 15 килограмм мельчайшего порошка бария. Образовавшееся плазменное облако вытянулось вдоль линий магнитного поля, позволив уточнить их положение. В 1979 струи бариевых частиц использовали для изучения полярного сияния.

Соединения бария.

Наибольший практический интерес представляют соединения двухвалентного бария.

Оксид бария (BaO ): промежуточный продукт в производстве бария – тугоплавкий (температура плавления около 2020° C) белый порошок, реагирует с водой, образуя гидроксид бария, поглощает углекислый газ из воздуха, переходя в карбонат:

BaO + H 2 O = Ba(OH) 2 ; BaO + CO 2 = BaCO 3

Прокаливаемый на воздухе при температуре 500–600° C, оксид бария реагирует с кислородом, образуя пероксид, который при дальнейшем нагревании до 700° C вновь переходит в оксид, отщепляя кислород:

2BaO + O 2 = 2BaO 2 ; 2BaO 2 = 2BaO + O 2

Так получали кислород вплоть до конца 19 в., пока не был разработан метод выделения кислорода перегонкой жидкого воздуха.

В лаборатории оксид бария можно получить прокаливанием нитрата бария:

2Ba(NO 3) 2 = 2BaO + 4NO 2 + O 2

Сейчас оксид бария используется как водоотнимающее средство, для получения пероксида бария и изготовления керамических магнитов из феррата бария (для этого смесь порошков оксидов бария и железа спекают под прессом в сильном магнитном поле), но основное применение оксида бария – изготовление термоэмиссионных катодов. В 1903 молодой немецкий ученый Венельт проверял закон испускания электронов твердыми телами, открытый незадолго до этого английским физиком Ричардсоном . Первый из опытов с платиновой проволокой полностью подтвердил закон, но контрольный эксперимент не удался: поток электронов резко превышал ожидаемый. Поскольку свойства металла не могли измениться, Венельт предположил, что на поверхности платины есть какая-то примесь. Перепробовав возможные загрязнители поверхности, он убедился в том, что дополнительные электроны испускал оксид бария, входивший в состав смазки вакуумного насоса, используемого в эксперименте. Однако научный мир не сразу признал это открытие, так как его наблюдение не удавалось воспроизвести. Лишь почти через четверть века англичанин Колер показал, что для проявления высокой термоэлектронной эмиссии оксид бария нужно прогревать при очень низких давлениях кислорода. Объяснить это явление смогли только в 1935. Немецкий ученый Поль предположил, что электроны испускаются небольшой примесью бария в оксиде: при низких давлениях часть кислорода улетучивается из оксида, а оставшийся барий легко ионизируется с образованием свободных электронов, которые покидают кристалл при нагревании:

2BaO = 2Ba + O 2 ; Ba = Ba 2+ + 2е

Правильность этой гипотезы была окончательно установлена в конце 1950-х советскими химиками А.Бунделем и П.Ковтуном, которые измерили концентрацию примеси бария в оксиде и сопоставили ее с потоком термоэмиссии электронов. Сейчас оксид бария является активной действующей частью большинства термоэмиссионных катодов. Так например, пучок электронов, формирующий изображение на экране телевизора или компьютерного монитора, испускается оксидом бария.

Гидроксид бария, октагидрат (Ba(OH) 2 ·8H 2 O ). Белый порошок, хорошо растворимый в горячей воде (больше 50% при 80° C), хуже в холодной (3,7% при 20° C). Температура плавления октагидрата 78° C, при нагревании до 130° C он переходит в безводный Ba(OH) 2 . Гидроксид бария получают растворяя оксид в горячей воде или нагревая сульфид бария в потоке перегретого пара. Гидроксид бария легко реагирует с углекислым газом, поэтому его водный раствор, называемый «баритовой водой» используют в аналитической химии в качестве реактива на CO 2 . Кроме того, «баритовая вода» служит реактивом на сульфат- и карбонат-ионы. Гидроксид бария применяется для удаления сульфат-ионов из растительных и животных масел и промышленных растворов, для получения гидроксидов рубидия и цезия, в качестве компонента смазок.

Карбонат бария (BaCO 3 ). В природе – минерал витерит. Белый порошок, нерастворимый в воде, растворимый в сильных кислотах (кроме серной). При нагревании до 1000° С разлагается с выделением CO 2:

BaCO 3 = BaO + CO 2

Карбонат бария добавляют в стекло для увеличения его коэффициента преломления, вводят в состав эмалей и глазурей.

Сульфат бария (BaSO 4 ). В природе – барит (тяжелый или персидский шпат) – основной минерал бария – белый порошок (температура плавления около 1680° C), практически нерастворимый в воде (2,2 мг/л при 18° C), медленно растворяется в концентрированной серной кислоте.

С сульфатом бария издавна связано производство красок. Правда, вначале его использование носило криминальный характер: в измельченном виде барит подмешивали к свинцовым белилам, что значительно удешевляло конечный продукт и, одновременно, ухудшало качество краски. Тем не менее, такие модифицированные белила продавались по той же цене, что и обычные, принося значительную прибыль владельцам красильных заводов. Еще в 1859 в департамент мануфактур и внутренней торговли поступили сведения о жульнических махинациях ярославских заводчиков, добавлявших к свинцовым белилам тяжелый шпат, что «вводит потребителей в обман на счет истинного качества товара, причем поступила и просьба о воспрещении означенным заводчикам употребления шпата при выделке свинцовых белил». Но эти жалобы ни к чему не привели. Достаточно сказать, что в 1882 в Ярославле был основан шпатовый завод, который, в 1885 выпустил 50 тысяч пудов измельченного тяжелого шпата. В начале 1890-х Д.И.Менделеев писал: «...В подмесь к белилам на многих заводах примешивается барит, так как и привозимые из-за границы белила, для уменьшения цены, содержат эту подмесь».

Сульфат бария входит в состав литопона – неядовитой белой краски с высокой кроющей способностью, широко востребованной на рынке. Для изготовления литопона смешивают водные растворы сульфида бария и сульфата цинка, при этом происходит обменная реакция и в осадок выпадает смесь мелкокристаллических сульфата бария и сульфида цинка – литопон, а в растворе остается чистая вода.

BaS + ZnSO 4 = BaSO 4 Ї + ZnSЇ

В производстве дорогих сортов бумаги сульфат бария играет роль наполнителя и утяжелителя, делая бумагу белее и плотнее, его используют и в качестве наполнителя резин и керамики.

Более 95% добываемого в мире барита используется для приготовления рабочих растворов для бурения глубоких скважин.

Сульфат бария сильно поглощает рентгеновские и гамма-лучи. Это свойство широко используется в медицине для диагностики желудочно-кишечных заболеваний. Для этого пациенту дают проглотить суспензию сульфата бария в воде или его смесь с манной кашей – «бариевую кашу» и затем просвечивают рентгеновскими лучами. Те участки пищеварительного тракта, по которым проходит «бариевая каша», на снимке выглядят темными пятнами. Так врач может получить представление о форме желудка и кишок, определить место возникновения заболевания. Сульфат бария используется также для изготовления баритобетона, используемого при строительстве атомных электростанций и атомных заводов для защиты от проникающей радиации.

Сульфид бария (BaS ). Промежуточный продукт в производстве бария и его соединений. Торговый продукт представляет собой серый рыхлый порошок, плохо растворимый в воде. Сульфид бария применяется для получения литопона, в кожевенной промышленности для удаления волосяного покрова со шкур, для получения чистого сероводорода. BaS – компонент многих люминофоров – веществ, светящихся после поглощения световой энергии. Именно его получил Касциароло, прокаливая барит с углем. Сам по себе сульфид бария не светится: необходимы добавки веществ-активаторов – солей висмута, свинца и других металлов.

Титанат бария (BaTiO 3 ). Одно из самых промышленно важных соединений бария – белое тугоплавкое (температура плавления 1616° C) кристаллическое вещество, нерастворимое в воде. Получают титанат бария сплавлением диоксида титана с карбонатом бария при температуре около 1300° C:

BaCO 3 + TiO 2 = BaTiO 3 + CO 2

Титанат бария – один из лучших сегнетоэлектриков (), очень ценных электротехнических материалов. В 1944 советский физик Б.М.Вул обнаружил незаурядные сегнетоэлектрические способности (очень высокую диэлектрическую проницаемость) у титаната бария, который сохранял их в широком температурном диапазоне – почти от абсолютного нуля до +125° C. Это обстоятельство, а также большая механическая прочность и влагостойкость титаната бария способствовали тому, что он стал одним из самых важных сегнетоэлектриков, используемых, например, для изготовления электрических конденсаторов. Титанат бария, как и все сегнетоэлектрики, обладает и пьезоэлектрическими свойствами: изменяет свои электрические характеристики под действием давления. При действии переменного электрического поля в его кристаллах возникают колебания, в связи с чем их используют в пьезоэлементах, радиосхемах и автоматических системах. Титанат бария применяли при попытках обнаружить гравитационные волны.

Другие соединения бария.

Нитрат и хлорат (Ba(ClO 3) 2) бария – составная часть фейерверков, добавки этих соединений придают пламени ярко-зеленую окраску. Пероксид бария входит в состав запальных смесей для алюминотермии. Тетрацианоплатинат(II) бария (Ba) светится под воздействием рентгеновских и гамма-лучей. В 1895 немецкий физик Вильгельм Рентген , наблюдая свечение этого вещества предположил существование нового излучения, названного впоследствии рентгеновским. Сейчас тетрацианоплатинатом(II) бария покрывают светящиеся экраны приборов. Тиосульфат бария (BaS 2 O 3) придает бесцветному лаку жемчужный оттенок, а, смешав его с клеем, можно добиться полной имитации перламутра.

Токсикология соединений бария.

Все растворимые соли бария ядовиты. Сульфат бария, применяемый при рентгеноскопии, практически нетоксичен. Смертельная доза хлорида бария составляет 0,8–0,9 г, карбоната бария – 2–4 г. При приеме внутрь ядовитых соединений бария возникают жжение во рту, боли в области желудка, слюнотечение, тошнота, рвота, головокружение, мышечная слабость, одышка, замедление пульса и падение артериального давления. Основной метод лечения отравлений барием – промывание желудка и употребление слабительных средств.

Основными источниками поступления бария в организм человека являются пища (особенно морепродукты) и питьевая вода. По рекомендации Всемирной организацией здравоохранения содержание бария в питьевой воде не должно превышать 0,7 мг/л, в России действуют гораздо более жесткие нормы – 0,1 мг/л.

Юрий Крутяков

Барий (лат. Baryum), Ba, химический элемент II группы периодической системы Менделеева, атомный номер 56, атомная масса 137,34; серебристо-белый металл. Состоит из смеси 7 стабильных изотопов, среди которых преобладает 138 Ва (71,66%). При ядерном делении урана и плутония образуется радиоактивный изотоп 140 Ва, используемый как радиоактивный индикатор. Барий был открыт шведским химиком К. Шееле (1774) в виде оксида ВаО, названной "тяжелой землей", или баритом (от греч. barys -тяжелый). Металлический Барий (в виде амальгамы) получил английский химик Г. Дэви (1808) электролизом влажного гидрооксида Ва(ОН) 2 с ртутным катодом. Содержание Бария в земной коре 0,05% по массе, в свободном состоянии в природе не встречается. Из минералов Бария промышленное значение имеют барит (тяжелый шпат) BaSO 4 и реже встречающийся витерит ВаСО 3 .

Физические свойства Бария. Кристаллическая решетка Бария кубическая объемноцентрированная с периодом а = 5,019Å; плотность 3,76 г/см 3 , t nл 710°С, t кип 1637-1640°С. Барий - мягкий металл (тверже свинца, но мягче цинка), его твердость по минералогической шкале 2.

Химические свойства Бария. Барий относится к щелочноземельным металлам и по химические свойствам сходен с кальцием и стронцием, превосходя их по активности. Барий реагирует с большинством других элементов, образуя соединения, в которых он, как правило, 2-валентен (на внешней электронной оболочке атома Бария 2 электрона, ее конфигурация 6s 2). На воздухе Барий быстро окисляется, образуя на поверхности пленку из оксида (а также пероксида и нитрида Ba 3 N 2). При нагревании легко воспламеняется и горит желто-зеленым пламенем. Энергично разлагает воду, образуя гидрооксид бария: Ва + 2Н 2 О = Ва(ОН) 2 + Н 2 . Из-за химические активности Барий хранят под слоем керосина. Оксид ВаО - бесцветные кристаллы; на воздухе легко переходит в карбонат ВаСО 3 , с водой энергично взаимодействует, образуя Ва(ОН) 2 . Нагреванием ВаО на воздухе при 500 °С получают пероксид ВаО 2 , разлагающуюся при 700°С на ВаО и О 2 . Нагреванием пероксида с кислородом под высоким давлением получен высший пероксид ВаО 4 - вещество желтого цвета, разлагающееся при 50-60°С. С галогенами и серой Барий соединяется, образуя галогениды (например, ВаCl 2) и сульфид BaS, с водородом - гидрид ВаН 2 , бурно разлагающийся водой и кислотами. Из обычно применяемых солей Бария хорошо растворимы хлорид бария ВаCl 2 и другие галогениды, нитрат Ba(NO 3) 2 , сульфид BaS, хлорат Ва(ClО 3) 2 , трудно растворимы - сульфат бария BaSO 4 , карбонат бария ВаСО 3 и хромат ВаСrО 4 .

Получение Бария. Основным сырьем для получения Бария и его соединений служит барит, который восстанавливают углем в пламенных печах: BaSO 4 + 4C = BaS + 4CO. Образующийся растворимый BaS перерабатывается на других соли Бария. Основной промышленный метод получения металлического Бария - термическое восстановление его оксида порошком алюминия: 4ВаО + 2Al = 3Ва + ВаО·Аl 2 О 3 .

Смесь нагревают при 1100-1200°С в вакууме (100 мн/м 2 , 10 -3 мм рт. ст.). Барий улетучивается, осаждаясь на холодных частях аппаратуры. Процесс ведут в электровакуумных аппаратах периодического действия, позволяющих последовательно проводить восстановление, дистилляцию, конденсацию и отливку металла, получая за один технологический цикл слиток Бария. Двойной перегонкой в вакууме при 900°С металл очищают до содержания в нем примесей менее 1·10 -4 %.

Применение Бария. Практическое применение металлического Бария невелико. Оно ограничено также и тем, что манипуляции с чистым Барий затруднительны. Обычно Барий или помещают в защитную оболочку из другого металла, или сплавляют с каким-либо металлом, придающим Барию стойкость. Иногда металлический Барий получают непосредственно в приборах, помещая в них таблетки из смеси оксидов Бария и алюминия и проводя затем термическое восстановление в вакууме. Барий, а также его сплавы с магнием и алюминием применяют в технике высокого вакуума в качестве поглотителя остаточных газов (геттера). В небольших количествах Барий применяют в металлургии меди и свинца для их раскисления, очистки от серы и газов. В некоторые антифрикционные материалы добавляют незначительное количество Бария. Так, добавка Бария к свинцу заметно увеличивает твердость сплава, применяемого для типографских шрифтов. Сплавы Барий с никелем применяют при изготовлении электродов запальных свечей двигателей и в радиолампах.

Широко применяются соединения Бария. Пероксид ВаО 2 служит для получения пероксида водорода, для отбеливания шелка и растительных волокон, как дезинфицирующее средство и как один из компонентов запальных смесей в алюминотермии. Сульфидом BaS удаляют волосяной покров со шкур. Перхлорат Ва(ClО 4) 2 - один из лучших осушителей. Нитрат Ba(NO 3) 2 используют в пиротехнике. Окрашенные соли Бария - хромат BaCrO 4 (желтый) и манганат ВаМnO 4 (зеленый) - хорошие пигменты при изготовлении красок. Платиноцианатом Бария Ba покрывают экраны при работе с рентгеновским и радиоактивным излучением (в кристаллах этой соли под действием излучений возбуждается яркая желто-зеленая флуоресценция). Титанат Бария ВаТiO 3 - один из наиболее важных сегнетоэлектриков. Поскольку Барий хорошо поглощает рентгеновские лучи и гамма-излучение, его вводят в состав защитных материалов в рентгеновских установках и ядерных реакторах. Соединения Бария являются инертными носителями при извлечении радия из урановых руд. Нерастворимый сульфат Бария нетоксичен и применяется как контрастная масса при рентгенологическом исследовании желудочно-кишечного тракта. Карбонат Бария используется для уничтожения грызунов.

Барий в организме. Барий присутствует во всех органах растений; его содержание в золе растения зависит от количества Бария в почве и колеблется от 0,06-0,2 до 3% (на месторождениях барита). Коэффициент накопления Бария (Барий в золе / Барий в почве) у травянистых растений равен 0,2-6, у древесных 1-30. Концентрация Бария больше в корнях и ветвях, меньше - в листьях; она увеличивается по мере старения побегов. Для животных Барий (его растворимые соли) ядовит, поэтому травы, содержащие много Бария (до 2-30% в золе), вызывают у травоядных отравление. Барий отлагается в костях и в небольших количествах в других органах животных. Доза 0,2-0,5 г хлористого Бария вызывает у человека острое отравление, 0,8-0,9 г - смерть.

БАРИЙ (Barium, Ba ) - химический элемент II группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева, подгруппы щелочноземельных металлов; атомный номер 56; атомный вес (масса) 137,34. Природный барий состоит из смеси семи стабильных изотопов с массовыми числами 130, 132, 134, 135, 136, 137 и 138. Наиболее распространен изотоп 138Ba. Барий и его соединения широко применяют в медицинской практике. Барий добавляют в материалы, применяемые для защиты от γ-излучения; сульфат бария используют как рентгеноконтрастное вещество при рентгеноскопии. Токсичность растворимых солей бария и пыли, содержащей барий, определяет профессиональную вредность бария и его соединений. Барий открыт в 1774 году Шееле (С. W. Scheele). Содержание в земной коре 5x10 -2 вес.%. В природе встречается только в виде соединений. Наиболее важные минералы - барит, или тяжелый шпат (BaSO 4), и витерит (BaCO 3).

Барий - мягкий серебристо-белый металл. Плотность 3,5, t°пл 710- 717°, t°кип 1634-1640°. Химически весьма активен. Во всех своих устойчивых соединениях двухвалентен. На воздухе быстро окисляется, покрываясь пленкой, содержащей окись бария (BaO), перекись бария (BaO 2) и нитрид бария (Ba 3 N 2). При нагревании на воздухе и при ударе легко воспламеняется. Хранят барий в керосине. С кислородом барий образует окись бария, которая при нагревании на воздухе до t° 500° превращается в перекись бария, последнюю применяют для получения перекиси водорода: BaO 2 + H 2 SO 4 ⇆ BaS0 4 + H 2 O 2 . Барийреагирует с водой, вытесняя водород: Ba + 2H 2 O = Ba(OH) 2 + H 2 . Легко реагирует с галогенами и серой, образуя соли. Соли бария, образованные с ионами Cl - , Br - , I - , NO 3 , легко растворимы в воде, а с ионами F - , SO 4 -2 , CO 3 -2 практически нерастворимы. Летучие соединения бария окрашивают бесцветное пламя газовой горелки в желтоватозеленый цвет. Это свойство используют для качественного определения бария. Количественно барий определяют весовым методом, осаждая его серной кислотой в виде сульфата бария (BaSO 4).

В незначительных количествах барий обнаруживается в тканях живого организма, в наиболее высоких концентрациях - в радужной оболочке глаз.

Профессиональные вредности

Барий и его соединения широко применяются в промышленности (в производстве стекла, бумаги, резины, керамики, в металлургии, при получении пластмасс, в производстве дизельного топлива, в электровакуумной промышленности и др.) и сельском хозяйстве.

В организм барий поступает через органы дыхания и желудочно-кишечный тракт (вдыхание и заглатывание пыли); выделяется через желудочно-кишечный тракт, в меньшей степени - почками и слюнными железами. При длительной работе в условиях воздействия бариевой пыли и несоблюдении правил промышленной санитарии возможен пневмокониоз (см.), который часто осложняется острыми воспалениями легких и бронхов.

У лиц, работающих на производстве, где имеет место образование пыли углекислого бария, кроме случаев развития пневмокониоза с диффузным усилением легочного рисунка и уплотнением корней легких, могут наблюдаться сдвиги, свидетельствующие об общетоксическом действии углекислого бария (нарушение процессов кроветворения, функции сердечно-сосудистой системы, обменных процессов и др.).

Растворимые соли бария ядовиты; вызывают менингоэнцефалит, действуют на гладкую и сердечную мускулатуру.

В случае острого отравления наблюдается обильное слюнотечение, жжение во рту и пищеводе, боли в желудке, колики, тошнота, рвота, понос, повышенное кровяное давление, судороги, возможны параличи, резкая синюшность лица и конечностей (конечности холодные), обильный холодный пот, общая мышечная слабость. Имеет место расстройство походки и речи вследствие паралича мышц глотки и языка, одышка, головокружение, расстройство зрения. В случаях тяжелого отравления смерть наступает внезапно в течение первых суток.

Хроническое отравление выражается в сильной слабости, одышке; наблюдается воспаление слизистой оболочки рта, насморк, конъюнктивиты, понос, кровоизлияния в желудке, повышение кровяного давления, учащение сердцебиения, неправильный пульс, расстройство мочеиспускания, выпадение волос на голове и бровях (у рабочих, имеющих дело с солями бария).

При остром отравлении солями бария, несмотря на выделение основной массы их, происходит отложение незначительных количеств в органах (в печени, мозге, железах внутренней секреции). Больше всего барий обнаруживается в костях (до 65% от всосавшейся дозы). При этом он частично превращается в нерастворимый сульфат бария.

Первая помощь при отравлении

Немедленное обильное промывание желудка раствором сульфата натрия (глауберова соль) - 1 столовая ложка на 1 л воды; прием слабительного и последующее питье 10% раствора сульфата натрия по 1 столовой ложке через каждые 5 минут. Одновременно (с целью нейтрализации) давать медленно пить белковую воду или молоко.

Показаны рвотные средства для удаления из желудка образовавшегося там под влиянием соляной кислоты желудочного сока нерастворимого сульфата бария; сердечные средства (кофеин, камфора, лобелин) по показаниям, тепло на ноги.

Профилактика профессиональных отравлений соединениями бария сводится к автоматизации и механизации процессов, герметизации оборудования, устройству вытяжной вентиляции. Особенно важное значение имеет соблюдение мер личной гигиены, направленных на предупреждение попадания солей в органы дыхания и желудочно-кишечный тракт, проведение тщательного медицинского контроля за состоянием здоровья рабочих путем периодических осмотров с участием врачей-специалистов.

Предельно допустимые концентрации в воздухе производственных помещений для BaSO 4 - 4 мг/м 3 , для BaCO 3 -1 мг/м 3 .

Барий в судебно-медицинском отношении

Растворимые соли бария, например, попадая в пищу, воду или в сульфат бария, используемый при рентгеноскопии, могут вызывать отравления. Известны криминальные и производственные случаи отравления солями бария. Для экспертизы важны клинические данные: возбуждение, слюнотечение, жжение и боли в пищеводе или в желудке, частая рвота, понос, расстройство мочеиспускания и т. д. Смерть наступает внезапно спустя 4-10 часов после попадания бария в организм. При вскрытии: во внутренних органах застойное полнокровие, кровоизлияния в мозгу, желудочно-кишечном тракте, жировое перерождение печени. При отравлениях барий откладывается в костях и костном мозге (65%), скелетных мышцах, печени, почках, желудочно-кишечном тракте.

Судебно-химическое доказательство отравлений соединениями бария основано на обнаружении его микрохимическими реакциями и количественном определении по осадку сульфата бария весовым методом или комплексонометрическим титрованием.

Библиогр.: Войнар А. И. Биологическая роль микроэлементов в отэгаттизме животных и человека, М., 1960; Некрасов Б. В. Основы общей химии, т. 2, М., 1973; P e ми Г. Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М., 1972; Barium, Gmelins Handb, anorgan. Chem., Syst.-Num. 30, Weinheim, 1960; Mel-lor J. W. Comprehensive treatise on inorganic and theoretical chemistry, v. 3, p. 619, L. a. o., 1946.

Профессиональные вредности - Apбузников К. В. К вопросу об отравлении хлористым барием, в кн.: Пробл, клин, невропат., под ред. JI. М. Шендеровича, с. 338, Красноярск, 1966; К а к а у-ридзе Э. М. иНарсия А. Г. О фиб-розирующем действии барита в эксперименте, Сб. трудов Науч.-исслед. ин-та гиг. труда и проф. заболев., т. 5, с. 29, Тбилиси, 1958; Kuruc М. а. В e 1 £ k V. Hromad-n£ otrava chloridom b&rnatym, Prakt. Lek. (Praha), v. 50, p. 751, 1970; Lewi Z. a. Bar-Khayim Y. Food poisoning from barium carbonate, Lancet, v. 2, E. 342, 1964; W e n d e E. Pneumokoniose ei Baryt- und Lithopone-arbeitern, Arch. Gewerbepath. Gewerbehyg., Bd 15, S. 171, 1956.

Б. сульфат - Сергеев П. B. Рентгеноконтрастные средства, М., 1971; В а г k e В. Rontgenkontrastmittel, Lpz., 1970; Knoefel P. К. Radiopaque diagnostic agents, Springfield-Oxford, 1961; Svoboda M. Kontrastni l&tky pfi vi-setrov£ni rentgenem, Praha, 1964.

Б. в судебно-медииинском отношении - Крылова А. H. Применение трилона Б при определениях бария в биологическом материале, Аптеч. дело, JSS 6, с. 28, 1957; она же, Определение бария в биологическом материале комп-лексонометрическим методом, Фармация, № 4, с. 63, 1969; Харитонов О. И. К токсикологии хлористого бария, Фарм, и токсикол., т. 20, Jsfe 2, с. 68, 1957; ШвайковаМ. Д. Судебная химия, с. 215, М., 1965; T г u h a u t R. e t B e γ-γο d F. Recherches sur la toxicologie du baryum, Ann. pharm. frang., t. 20, p. 637, 1962, bibliogr.

E. А. Максимюк; A. H. Крылова (суд.), Л. С. Розенштраух (фарм.), Г. И. Румянцев (проф.).

Барием называется щелочноземельный металл, занимающий 56 позицию в периодической системе химических элементов. Название вещества в переводе с древнегреческого означает «тяжелый».

Характеристики бария

Металл имеет атомную массу 137 г/ммоль и плотность порядка 3,7 г/см 3 . Является очень легким и мягким - максимальная его твердость по шкале Мооса составляет 3 балла. В случае ртутных примесей хрупкость бария существенно повышается.

Металл имеет светлый серебристо-серый окрас. Однако, металл славится и зеленым цветом, который приобретается в результате химической реакции с участием солей элемента (напрамер, сульфата бария). Если в барий опустить стеклянную палочку и поднести открытый огонь, то мы увидим зеленое пламя. Данный способ позволяет сделать четкое определение даже минимального содержания примесей тяжелого металла.

Кристаллическая решетка бария, которую можно наблюдать даже за пределами лабораторных условий, имеет кубическую форму. Стоит отметить, что нахождение чистого бария в природе также уместно. Сегодня существует две известные модификации металла, одна из которых проявляет устойчивость к повышению температурного режима до 365 0 С, а другая способна выдержать температуру в диапазоне 375-710 0 С. Температура кипения бария составляет 1696 0 С.

Барий наряду с другими щелочноземельными металлами проявляет химическую активность. В группе занимает средние позиции, оставив позади себя стронций и кальций, которые допустимо хранить на открытом воздухе, чего нельзя сказать о барии. Отличной средой для хранения металла является парафиновое масло, в которое, непосредственно, и погружается барий, или же петролевый эфир.

Барий взаимодействует с кислородом, однако, в результате реакции утрачивается его блеск, после чего металл приобретает сначала желтоватый оттенок, потом становится коричневым и в итоге приобретает серый окрас. Именно такой внешний вид присущ оксиду бария. При нагревании атмосферы, барий становится взрывоопасным.

56-й элемент периодической системы Менделеева также взаимодействует с водой, в результате чего происходит реакция, обратная реакции с кислородом. В данном случае разложению подлежит жидкость. Такую реакцию дает исключительно чистый металл, после чего он становится гидроксидом бария. Если с водной средой будет контактировать соли металла, то никакой реакции не увидим, так как ничего не произойдет. Например, его хлорид является не растворимым в воде и активную реакцию можно наблюдать только при взаимодействии с кислой средой.

Металл легко вступает в реакцию с водородом, однако для этого необходимо создать определенные условия, а именно - повышение температуры. При этом на выходе получается гидрид бария. В условиях повышения температурного режима 56-й элемент также реагирует и с аммиаком, в результате чего образуется нитрид. В случае дальнейшего повышения температуры можно получить цианид.

Раствор бария имеет характерный синий окрас, который получается в результате реакции с аммиаком в жидком агрегатном состоянии. Если при этом добавить платиновый катализатор, то образуется амид бария. Однако область применения данного вещества далеко не широка - используется исключительно в качестве реактива.

Таблица 1. Свойства бария

Характеристика	Значение
Свойства атома
Название, символ, номер	Барий / Barium (Ba), 56
Атомная масса (молярная масса)	137,327(7) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	6s2
Радиус атома	222 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	198 пм
Радиус иона	(+2e) 134 пм
Электроотрицательность	0,89 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	-2,906
Степени окисления	2
Энергия ионизации (первый электрон)	502,5 (5,21) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	3,5 г/см³
Температура плавления	1 002 K
Температура кипения	1 910 K
Уд. теплота плавления	7,66 кДж/моль
Уд. теплота испарения	142,0 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	28,1 Дж/(K·моль)
Молярный объём	39,0 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированая
Параметры решётки	5,020 Å
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) (18.4) Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-39-3

Получение бария

Впервые металл был получен во второй половине 18 века (в 1774 году) химиками Карлом Шееле и Юханом Ганом. Тогда был получен оксид металла. Спустя несколько лет Гемфри Дэви удалось путем электролиза влажного гидроксида бария с ртутным катодом получить амальгаму металла, которую он подверг нагреванию и выпарил ртуть, таким образом, получив металлический барий.

Получение металлического бария в современных лабораторных условиях осуществляется несколькими способами, связанными с атмосферой. Выделение бария проводится в вакууме по причине чрезмерно активной реакции, которая выделяется при взаимодействии бария с кислородом.

Оксид и хлорид бария получаются путем металлотермического восстановления в условиях повышения температуры до 1200 0 С.

Также чистый металл можно выделить из его гидрида и нитрида при помощи термического разложения. Таким же образом происходит и получение калия. Для проведения данного процесса необходимы специальные капсулы с полной герметизацией, а также присутствие кварца или фарфора. Возможно получение бария и путем электролиза, которым элемент можно выделить из расплавленного хлорида бария с ртутным катодом.

Применение бария

Учитывая все свойства, которым обладает 56-й элемент периодической системы, барий является достаточно популярным металлом. Так, его применяют:

При изготовлении вакуумных электронных приборов. В данном случае металлический барий, или его сплав с алюминием, применяется как газопоглотитель. А его оксид в составе твердого раствора оксидов других щелочноземельных металлов применяется как активный слой катодов косвенного канала.
В качестве материала, способного противостоять коррозии. Для этого металл наряду с цирконием добавляют к жидкометаллическим теплоносителям, что позволяет существенно снизить агрессивное воздействие на трубопроводы. Такое применение бария нашло место в металлургической промышленности.
Барий может выступать сегнето- и пьезоэлектриком. Тут уместно применение титаната бария, который выступает диэлектриком во время изготовления керамических конденсаторов, а также материалом, используемым в пьезоэлектрических микрофонах и пьезокерамических излучателях.
В оптических приборах. Применяется фторид бария, имеющий вид монокристаллов.
Как неотъемлемый элемент пиротехники. Пероксид металла используется в качестве окислителя. Нитрат и хлорат бария выступают как вещества, придающие пламени определенный цвет (зеленый).
В атомно-водородной энергетике. Тут активно применяется хромат бария во время получения водорода и кислорода с помощью термохимического метода.
В ядерной энергетике. Оксид металла является неотъемлемым компонентом процесса изготовления стекла определенного сорта, которым покрываются урановые стержни.
В качестве химического источника тока. В данном случае могут быть использованы несколько соединений бария: фторид, оксид и сульфат. Первое соединение применяется в твердотельных фторионных аккумуляторах как компонент фторидного электролита. Оксид нашел свое место в медноокисных аккумуляторах большой мощности как компонент активной массы. А последнее вещество используется как расширитель активной массы отрицательного электрода во время получения свинцово-кислотных аккумуляторов.
В медицине. Сульфат бария является нерастворимым веществом, которое абсолютно нетоксично. В связи с этим, оно используется как рентгеноконтрастный материал во время исследований желудочно-кишечного тракта.

Таблица 2. Применение бария

Область применения	Способ применения
Вакуумные электронные приборы	Металлический барий, часто в сплаве с алюминием используется в качестве газопоглотителя (геттера) в высоковакуумных электронных приборах.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 применяется для синтеза сверхпроводящей керамики, работающей при температуре жидкого азота и выше.
Ядерная энергетика	Оксид бария применяется для варки специального сорта стекла — применяемого для покрытия урановых стержней. Один из широкораспространённых 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 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.

БАРИЙ (латинский Barium), Ва, химический элемент II группы короткой формы (2-й группы длинной формы) периодической системы; относится к щелочноземельным металлам; атомный номер 56, атомная масса 137,327. В природе 7 стабильных нуклидов, среди которых преобладает 138 Ва (71,7%); около 30 нуклидов получены искусственно.

Историческая справка . Барий в виде оксида открыл в 1774 К. Шееле, который обнаружил неизвестную ранее «землю», позже названную «тяжёлой землёй» - баритом (от греческого βαρ?ς - тяжёлый). В 1808 году Г. Дэви получил металлический барий в виде амальгамы электролизом расплавленных солей.

Распространённость в природе . Содержание бария в земной коре составляет 5·10 -2 % по массе. Вследствие высокой химической активности в свободном виде не встречается. Основные минералы: барит BaSO 4 и витерит ВаСО 3 . Мировое производство BaSO 4 около 6 миллион т/год.

Свойства . Конфигурация внешней электронной оболочки атома бария 6s 2 ; в соединениях проявляет степень окисления +2, редко +1; электроотрицательность по Полингу 0,89; атомный радиус 217,3 им, радиус иона Ва 2+ 149 пм (координационное число 6). Энергия ионизации Ва 0 → Ва + → Ва 2+ 502,8 и 965,1 кДж/моль. Стандартный электродный потенциал пары Ва 2+ /Ва в водном растворе -2,906 В.

Барий - серебристо-белый ковкий металл; t пл 729 °С, t ΚИΠ 1637 °С. При нормальном давлении кристаллическая решётка бария кубическая объёмноцентрированная; при 19 °С и 5530 МПа образуется гексагональная модификация. При 293 К плотность бария 3594 кг/м 3 , теплопроводность 18,4 Вт/(м·К), электрическое сопротивление 5·10 -7 Ом·м. Барий парамагнитен; удельная магнитная восприимчивость 1,9·10 -9 м 3 /кг.

Металлический барий быстро окисляется на воздухе; его хранят в керосине или под слоем парафина. Барий взаимодействует при обычной температуре с кислородом, образуя оксид бария ВаО, и с галогенами, образуя галогениды. Прокаливанием ВаО в токе кислорода или воздуха при 500 °С получают пероксид ВаО 2 (разлагается до ВаО при 800 °С). Для реакций с азотом и водородом необходимо нагревание, продуктами реакций являются нитрид Ba 3 N 2 и гидрид ВаН 2 . Барий реагирует с парами воды даже на холоду; в воде энергично растворяется, давая гидроксид Ва(ОН) 2 , обладающий свойствами щелочей. С разбавленными кислотами барий образует соли. Из наиболее широко используемых солей бария растворимы в воде: хлорид ВаСl 2 и другие галогениды, нитрат Ba(NO 3) 2 , хлорат Ва(ClO 3) 2 , ацетат Ва(ООССН 3) 2 , сульфид BaS; плохо растворимы - сульфат BaS0 4 , карбонат ВаСО 3 , хромат BaCrO 4 . Барий восстанавливает оксиды, галогениды и сульфиды многих металлов до соответствующего металла. С большинством металлов барий образует сплавы, иногда сплавы содержат интерметаллиды. Так, в системе Ва - Al обнаружены ВаAl, ВаAl 2 , ВаAl 4 .

Растворимые соли бария токсичны; практически нетоксичен BaSО 4 .

Получение . Основное сырьё для производства бария - баритовый концентрат (80-95%) BaSO 4 , который восстанавливают каменным углем, коксом или природным горючим газом; образующийся сульфид бария перерабатывают в другие соли этого элемента. Прокаливанием соединений бария получают ВаО. Технически чистый металлический барий (96-98% по массе) получают термическим восстановлением оксида ВаО порошком Al. Перегонкой в вакууме барий очищают до содержания примесей менее 10-4%, зонной плавкой - до 10-6%. Другой способ получения бария из ВаО - электролиз расплава оксида. Небольшие количества бария получают восстановлением бериллата ВаВеО 2 при 1300 °С титаном.

Применение . Барий используют как раскислитель меди и свинца, в качестве присадки к антифрикционным сплавам, чёрным и цветным металлам, а также к сплавам, применяемым для изготовления типографских шрифтов с целью увеличения их твёрдости. Из сплавов бария с никелем изготовляют электроды запальных свечей в двигателях внутреннего сгорания и в радиолампах. Сплав бария с алюминием - альба, содержащий 56% Ва, основа геттеров. Металлический барий - материал для анодов в химических источников тока. Активной частью большинства термоэмиссионных катодов является оксид бария. Пероксид бария используют в качестве окислителя, отбеливателя, в пиротехнике; ранее его применяли для регенерации кислорода из СО 2 . Гексаферрит барий ВаFе 12 О 19 - перспективный материал для использования в устройствах хранения информации; BaFe 12 О 19 применяют для изготовления постоянных магнитов. BaSO 4 вводят в буровые растворы при добыче нефти и газа. Титанат бария BaTiO 3 - один из важнейших сегнетоэлектриков. Нуклид 140 Ва (β-излучатель, Т 1/2 12,8 суток) - изотопный индикатор, используемый для исследования соединений бария. Поскольку соединения бария хорошо поглощают рентгеновское и γ-излучение, их вводят в состав защитных материалов рентгеновских установок и ядерных реакторов. BaSO 4 применяют как контрастное вещество для рентгенологических исследований желудочно-кишечного тракта.

Лит. : Ахметов Т. Г. Химия и технология соединений бария. М., 1974; Третьяков Ю.Д. и др. Неорганическая химия. М., 2001.

Д. Д. Зайцев, Ю. Д. Третьяков.