(первый электрон)
(по Полингу)
объёмноцентрированая
| Ba | 56 |
| 137,327 | |
| 6s 2 | |
| Барий | |
Барий — элемент главной подгруппы второй группы, шестого периода периодической системы химических элементов, с атомным номером 56. Обозначается символом Ba (лат. Barium). Простое вещество барий (CAS-номер: 7440-39-3) — мягкий, ковкий щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета. Обладает высокой химической активностью.
Барий был открыт в виде оксида BaO в 1774 г. Карлом Шееле. 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.
Своё название получил от греческого barys — «тяжёлый», так как его оксид (BaO) был впервые охарактеризован, как имеющий большую массу.
Нахождение в природе
Редкие минералы бария: цельзиан или бариевый полевой шпат (алюмосиликат бария), гиалофан (смешанный алюмосиликат бария и калия), нитробарит (нитрат бария) и пр.
Изотопы
Природный барий состоит из смеси семи стабильных изотопов: 130 Ba, 132 Ba, 134 Ba, 135 Ba, 136 Ba, 137 Ba, 138 Ba. Последний является самым распространенным (71,66 %). Известны и радиоактивные изотопы бария, наиболее важным из которых является 140 Ba. Он образуется при распаде урана, тория и плутония.
Получение
Основное сырье для получения бария — баритовый концентрат (80-95 % BaSO 4), который в свою очередь получают флотацией барита. Сульфат бария в дальнейшем восстанавливают коксом или природным газом :
BaSO 4 + 4С = BaS + 4CO
BaSO 4 + 2CH 4 = BaS + 2С + 4H 2 O.
Далее сульфид при нагревании гидролизуют до гидроксида бария Ba(OH) 2 или под действием CO 2 превращают в нерастворимый карбонат бария BaCO 3 , который затем переводят в оксид бария BaO (прокаливание при 800 °C для Ba(OH) 2 и свыше 1000 °C для BaCO 3):
BaS + 2H 2 O = Ba(OH) 2 + H 2 S
BaS + H 2 O + CO 2 = BaCO 3 + H 2 S
Ba(OH) 2 = BaO + H 2 O
BaCO 3 = BaO + CO 2
Металлический барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200-1250°С:
4BaO + 2Al = 3Ba + BaAl 2 O 4 .
Химические свойства
Ba 3 N 2 + 2CO = Ba(CN) 2 + 2BaO
Барий восстанавливает оксиды, галогениды и сульфиды многих металлов до соответствующего металла.
Качественный и количественный анализ
Качественно в растворах барий обнаруживается по выпадению осадка сульфата бария BaSO 4 , 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 родизоната бария. Реакция является очень чувствительной, специфичной, позволяя определить 1 часть ионов бария на 210000 массовых частей раствора .
Соединения бария окрашивают пламя в желто-зеленый цвет (длина волн 455 и 493 нм).
Количественно барий определяют гравиметрическим методом в виде BaSO 4 или BaCrO 4 .
Применение
Применение в качестве геттерного материала
Металлический барий, часто в сплаве с алюминием используется в качестве газопоглотителя (геттера) в высоковакуумных электронных приборах, а так же добавляется совместно с цирконием в жидкометаллические теплоносители (сплавы натрия, калия, рубидия, лития, цезия) для уменьшения агрессивности к трубопроводам, и в металлургии.
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.
Цены
Цены на металлический барий в слитках чистотой 99,9 % колеблются около 30 долларов за 1 кг.
Биологическая роль
Биологическая роль бария изучена недостаточно. В число жизненно важных микроэлементов он не входит. Все растворимые соли бария сильно ядовиты.
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.
| 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.
| 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.
Министерство образования и науки РФ
«БАРИЙ. СВОЙСТВА. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ».
1.Некоторые свойства бария
БАРИЙ
(лат. Barium), Ba, химический элемент II
группы периодической системы, атомный номер 56, атомная масса 137,33; относится
к щелочноземельным металлам.
Название:
от греческого "barys"
(тяжелый).
Минералы:
барит BaSO 4 и витерит
BaCO 3 .
Свойства:
серебристо-белый мягкий металл.
Плотность 3,78 г/см 3 , tпл 727 °C. Химически очень активен, при
нагревании воспламеняется. Соединения бария, растворимые в воде, очень сильные
яды. Признаки отравления: рвота, колики, спазмы, при дозах 500 - 800 мг наступает
общий паралич и смерть.
Химические свойства: Образует устойчивый оксид:
2Ba + O 2 =2 BaO ;
Активно взаимодействует с водой:
Ba + 2H 2 O = Ba(OH) 2 + H 2 .
Реагирует с кислотами:
Ba
+2 HCl = BaCl 2 + H 2
Получение: 1. Нагревание оксида с кальцием или алюминием в вакууме.
2.
Выпаривание ртути из амальгамы, которая образуется при электролизе растворов
солей бария на ртутном катоде.
Применение:
применяют в вакуумной технике как
газопоглотитель, в сплавах (типографские, подшипниковые); соли бария - в
производстве красок, стекол, эмалей, в пиротехнике, медицине.
2. История бария
В 1602 году болонский сапожник и по совместительству алхимик Касциароло подобрал в окрестных горах камень, который оказался настолько тяжелым, что не заподозрить в нем присутствие золота мог только полный профан. Но Касциароло был не таков. Перед ним засияли радужные перспективы, и он, притащив находку в свою сапожно-алхимическую мастерскую, тут же принялся за работу.
Для начала решено было прокалить камень с углем и олифой. И хоть выделить золото при этом почему-то не удалось, опыт принес явно обнадеживающие результаты: охлажденный продукт прокаливания светился в темноте красноватым светом.
Будучи человеком общительным, Касциароло не стал скрывать от своих коллег-алхимиков тайну необычного камня. Это сенсационное сообщение привело золотоискательскую братию в состояние поисковой горячки: найденный минерал, получивший ряд названий - "солнечный камень", "болонский камень", "болонский самоцвет", стал главным участником всевозможных реакций и экспериментов. Но время шло, золото и не думало выделяться, и интерес к новому минералу постепенно пропал.
Лишь спустя полтора столетия, в 1774 году, известные шведские химики Карл Шееле и Юхан Ган подвергли "болонский камень" тщательному исследованию и установили, что в нем содержится особая "тяжелая земля", которую сначала назвали "барот", а затем - "барит" (от греческого слова "барос"-тяжелый).
Сам же металл, образующий эту "землю", был наречен барием.
В 1808 году англичанин Гэмфри Дэви электролитическим путем выделил из барита металлический барий. И поскольку он оказался сравнительно легким металлом (плотность 3,7 г/см3), английский химик Кларк предложил сменить название "барий", не соответствующее его истинному положению среди других металлов, на "плутоний" - в честь мифического властителя подземного царства бога Плутона. Однако предложение Кларка не встретило поддержки у других ученых, и легкий металл продолжал именоваться "тяжелым" (в русской химической литературе начала XIX века этот элемент иногда фигурировал под названием "тяжелец"). Заметим, что по современной технической классификации барий - действительно самый тяжелый представитель группы легких металлов.
В наши дни металлический барий - мягкий белый металл – получают алюминотермическим восстановлением его окиси. Впервые этот процесс осуществил русский физико - химик Н. Н. Бекетов, положивший тем самым начало алюминотермии. Вот как ученый описывает свои опыты: "Я взял безводную окись бария и, прибавив к ней некоторое количество хлористого бария, как плавня, положил эту смесь вместе с кусками глиния (т. е. алюминия - С. В.) в углевой 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 этот процесс проводится в вакууме при 1100 – 1200 С. Одновременно с восстановлением окиси бария алюминием происходит дистилляция восстановленного бария, который затем конденсируется в чистом виде.
Барий химически очень активен; он легко самовоспламеняется при нагреве или от удара, хорошо взаимодействует с кислородом (блестящая поверхность только что полученного бария на воздухе быстро покрывается пленкой окисла), азотом, водородом, водой, поэтому его, как и некоторые другие металлы со "вспыльчивым характером", приходится хранить под слоем керосина. Отчасти этим объясняется весьма ограниченное применение металлического бария. Основная его "специальность" – поглотитель остаточных газов (геттер) в технике глубокого вакуума. В небольших количествах барий используют в металлургии меди и свинца для раскисления, очистки от серы и газов. Часть бария идет на изготовление подшипниковых и типографских сплавов: их основной компонент свинец становится заметно крепче, приняв даже малые дозы бария. Сплав этого элемента с никелем служит для изготовления электродов запальных свечей двигателей и деталей радиоламп.
Гораздо более широкое поле деятельности у соединений бария. С сернокислым барием, или тяжелым шпатом (тем самым камнем, что попался когда-то под ноги Касциароло), издавна связано производство красок. Правда, поначалу участие сернокислого бария в этом деле носило нелегальный характер: в измельченном виде шпат подмешивали к свинцовым белилам, в результате чего они оказывались значительно дешевле, и хоть качество их явно страдало, владельцы красильных заводов без зазрения совести продавали свою эрзац-продукцию почти по тем же ценам, неплохо нагревая руки на этой операции.
Еще в 1859 году до департамента мануфактур и внутренней торговли дошли 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". Об этом же сообщалось несколько позднее и министру финансов, "которым как слышно и предписано было Ярославскому начальству сделать дознание, но как это произведено было через главного покровителя заводчикам полицмейстера Красовского, то, конечно, результат вышел тот, что они покаялись в его кабинете и принялись с большею смелостию за подделку своих злокачественных произведений". Далее содержалась просьба "раскрыть это зло и на Нижегородской ярмарке, откуда белилы развозятся до последних пределов империи, и раскрыть это весьма легко, стоит опросить всех белильных заводчиков, на какой конец выписывают они в огромных размерах шпат, какое из него делают употребление и если употребление для белил, то каковы последствия такого смешения".
Но все эти петиции ни к чему не привели. Достаточно сказать, что в 1882 году в Ярославле был основан шпатовый завод, который, например, в 1885 году выпустил 50 тысяч пудов измельченного тяжелого шпата, предназначенного все для тех же целей. В начале 90-х годов прошлого века 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".
Со временем сернокислый барий обретает в лакокрасочной промышленности права гражданства: он входит в состав литопона - белой краски с высокой кроющей способностью, пользующейся хорошей репутацией у потребителей. В производстве бумаги дорогих сортов (в частности, для денежных знаков, облигаций, документов) сульфат бария играет роль наполнителя и утяжелителя, делая бумагу белее и плотнее. Взвесь этой соли в воде используют как рабочую жидкость при бурении глубоких нефтяных и газовых скважин. Сернокислый барий задерживает рентгеновские лучи значительно лучше, чем мягкие ткани человеческого организма. Этим свойством медики пользуются для диагностики желудочных заболеваний. Больному дают на завтрак "бариевую кашу"-смесь сульфата бария с манной кашей (или водой) - и затем просвечивают рентгеновскими лучами: непрозрачная для них "бариевая каша" позволяет врачу получить точное представление о состоянии желудочно-кишечного тракта и определить место заболевания. Благодаря способности поглощать рентгеновские лучи и гамма-лучи барит служит надежным защитным материалом в рентгеновских установках и ядерных реакторах.
Поскольку речь зашла о рентгеновских лучах, уместно упомянуть о том, что их открытие связано с платиносинеродистым барием. В 1895 году зеленое свечение этого вещества в темноте навело выдающегося немецкого физика Вильгельма Конрада Рентгена на мысль о каком-то неведомом прежде излучении, под действием которого и светилась соль бария. Желая подчеркнуть загадочную природу новых лучей, ученый назвал их Х-лучами, но уже вскоре в большинстве стран они стали именоваться рентгеновскими – в честь своего первооткрывателя.
Все мы не раз любовались радужными переливами жемчуга или перламутра.
Немудрено, что с давних пор велись поиски красителей, которые позволили бы искусственным путем получать материалы с перламутровой окраской. В старину для этого использовали отвар рыбьей чешуи. Да и сейчас еще кое-где таким способом, конечно, во многом усовершенствованным, производят жемчужный краситель. Но в век химии делать ставку на рыбью чешую просто несерьезно - ее с успехом заменяет тиосульфат бария. Кристаллики этого вещества, смешанные с каким-либо бесцветным лаком, превращают его в "жемчужный".
Если же их ввести в желатиновый или столярный клей и нанести слой его на изделия из дерева, картона или папье-маше, то можно добиться полной имитации перламутра.
Работники стекольной промышленности хорошо знакомы с другим соединением бария - карбонатом, который они добавляют в стекольную массу, чтобы повысить коэффициент преломления стекла. Иногда для той же цели вместо карбоната бария вводят нитрат. Но основное "увлечение" нитрата - пиротехника: эта соль бария, как и его хлорат, принимает участие во всех салютах и фейерверках, внося в общий красочный букет ярко-зеленую лепту. В свою очередь хлорат бария не ограничивается осветительной ролью и слывет среди работников сельского хозяйства стойким борцом с сорняками.
Вот уже почти пять тысячелетий несет свою вахту страж египетских пирамид Большой сфинкс. Высеченный по велению фараона Хефрена из цельного куска известняковой скалы, он имеет львиное тело и голову, которой приданы черты самого Хефрена. Быть может, фараон и блистал красотой, но за долгие годы гигантская копия его явно потеряла привлекательность: под действием песчаных бурь, дождей и резких смен температуры сфинкс почти лишился носа, левый глаз его стал заметно косить, лицо покрылось глубокими морщинами.
Особую тревогу вызывает постоянно худеющая шея статуи. "Сфинкс болен, - писала одна из каирских газет, - и если не будут приняты срочные меры, шея может не выдержать". Несколько лет назад сфинкса пробовали "лечить": чтобы укрепить части, грозящие рухнуть, ему сделали "инъекции" солей бария. Они помогли, но не надолго. Спустя четыре года каменное изваяние пришлось "закрыть" на капитальный ремонт.
Следующую интересную страницу в биографию окиси бария вписал в 1903 году молодой немецкий ученый Венельт. Произошло это, как говорится, нежданно-негаданно. Однажды ему поручили проверить на платиновой проволочке закон испускания электронов нагретыми телами, открытый незадолго до этого английским физиком Ричардсоном. Первый же опыт полностью подтвердил закон, но Венельт спустя некоторое время решил повторить эксперимент с другой проволочкой. Каково же было его удивление, когда платина стала испускать поток электронов, во много раз больший, чем накануне: прибор, измерявший электронную эмиссию, едва не вышел из строя.
Поскольку свойства металла не могли так резко измениться, оставалось предположить, что виновником электронного "шквала" является случайно попавшее на поверхность проволочки вещество с более высокой способностью к эмиссии электронов, чем платина. Но что же это за вещество?
Ученый стал поочередно наносить на платину различные материалы, подозреваемые в изменении электронного потока, но все они без труда доказывали свою явную непричастность к этому делу. И когда Венельт уже решил, что докопаться до истины ему вряд ли удастся, он вдруг вспомнил, что в смазке насосной установки, принимавшей "участие" в эксперименте, содержалась окись бария, которая могла случайно попасть на платиновую проволочку. Ученый вновь включил приборы. А уже через несколько мгновений его радость не знала границ. Так было открыто вещество, которое по способности испускать электроны при нагреве не имеет себе равных.
Однако к такому выводу научный мир пришел не сразу. После того как Венельт опубликовал результаты своих опытов, многие физики занялись их проверкой.
Одно за другим начали появляться в печати сообщения о том, что Венельт сильно преувеличил эмиссионную способность окиси бария. Да и самому Венельту больше не удавалось подтвердить свое открытие. Разочарованный ученый вскоре прекратил опыты.
Лишь спустя почти четверть века окисью бария заинтересовался англичанин Коллер. Он провел ряд более совершенных экспериментов и сумел установить, что если окись бария нагревать в вакууме при очень низких давлениях кислорода, то электронная эмиссия вещества будет весьма высокой; если же давление кислорода во время нагрева повышается, то эмиссия резко падает.
Этот вывод, с одной стороны, восстанавливал научное реноме Венельта, но, с другой, вполне совпадал с мнением его оппонентов. А так как при нагреве окись бария не меняла ни своего химического состава, ни кристаллической структуры, возникла новая загадка: почему одно и то же вещество ведет себя столь различно, хотя по всем законам его свойства должны быть одинаковыми?
Примерно в эти же годы немецкий ученый Поль обнаружил отклонения от общепринятых норм в поведении ряда других простых веществ и тем самым подлил масла в огонь. Впрочем, точнее сказать, он бросил в огонь соли.
Да-да, кристаллы обычной поваренной соли, или хлористого натрия. Прогревая эти кристаллы в парах натрия, Поль с удивлением наблюдал, как они становились фиолетовыми. Нечто подобное произошло и с кристаллами хлористого калия: при нагреве в калиевых парах вещество посинело. Но ведь и с этими соединениями, как и с окисью бария, в результате проведенных опытов ничего не должно было произойти.
Ничего? Оказывается, кое-что все-таки происходило. Объяснить сущность загадочных явлений сумел в 1935 году тот же Поль. По его гипотезе, для каждого кристаллического вещества характерно постоянное соотношение в кристалле не атомов разного вида, а так называемых узлов решетки. Для поваренной соли, например, одни узлы принадлежат катионам натрия, а другие - анионам хлора. Каждая пара таких узлов обязательно образует как бы "двухкомнатную квартиру", причем "жильцы" могут там и не находиться. Если соотношение разнородных ионов в кристаллах не соответствует стехиометрическому соотношению, характерному для данного вещества (такие кристаллы получили позднее название нестехиометрических), то и свойства его могут меняться.
Поль резонно предположил, что при нагреве соли в парах натрия на поверхность кристалла могут попасть атомы этого элемента. При этом каждый из них отдает электрон, превращаясь в катион, и строит для себя "комнатку" (узел решетки), но тут же к нему, покинув свое прежнее "жилье" в кристалле, пристраивается анион хлора - будущий сосед по новой "двухкомнатной квартире". Освободившееся от аниона хлоpa "помещение" (вакансия) становится на первых порах пристанищем для электрона, отпущенного атомом натрия. Но электроны-"свободолюбивый народ" и долго находиться взаперти им не по душе. Чтобы вырваться наружу, электрон должен получить энергию, соответствующую кванту желтого цвета. Поэтому нестехиометрические кристаллы поваренной соли, содержащие избыток натрия, поглощают желтый свет и, повинуясь законам спектра, принимают фиолетовую окраску. Тщательные измерения позволили дать ответ и на вопрос, сколько же избыточных атомов натрия необходимо для такого изменения цвета; оказалось, что всего лишь тысячные доли процента.
Но вернемся к окиси бария. В 1953 году американский ученый Спроул нагрел бесцветные крупицы этого вещества в жидком барии - кристаллы стали красными. По-видимому, решил Спроул, в них произошли те же изменения, что и в поваренной соли, с той лишь разницей, что там вакансия одновалентного хлора задерживала один электрон, а в окиси бария вакансия двухвалентного кислорода была вправе рассчитывать на электронную пару. Именно этим, по мнению ученого, и объяснялась высокая эмиссия электронов, так как вакансии кислорода служили их естественными источниками. Гипотеза подкупала своей простотой. Оставалось лишь провести некоторые измерения, чтобы убедиться в том, что поток электронов находится в прямой зависимости от количества избыточного бария в кристаллах. И вот тут-то снова произошла осечка: опыты, проведенные в лаборатории американской фирмы "Белл телефон", казалось бы, не оставляли от гипотезы Спроула камня на камне. В чем же дело?
Для решения этой проблемы понадобилось 15 лет кропотливого труда. В конце 50-х годов советские химики А. Бундель и П. Ковтун, ознакомившись с экспериментами фирмы "Белл телефон", предположили, что ее сотрудники допустили ошибку в самой методике проведения опытов: на металлическую подложку наносилась тонкая пленка окиси бария и в ней определяли избыток бария. Столь малого количества вещества оказывалось недостаточно для точного химического анализа. К тому же при высоких температурах пленка могла загрязниться примесями подложки, что, разумеется, искажало истинную картину. Но, как известно, на ошибках учатся.
Чтобы не повторить просчетов американских коллег, Бундель и Ковтун в своих опытах использовали чистейшую окись бария, взяв ее в большом количестве, а доступ примесям был "категорически воспрещен" тем, что нагрев проводился в специально подобранном химически стойком материале. Из года в год совершенствовалась методика и техника эксперимента, но задача была настолько трудна, что лишь совсем недавно удалось поставить точки над i: именно крохотные количества избыточного бария, измеренные с ювелирной точностью, действительно, как и полагал Спроул, обусловливают эмиссию электронов. Так окончательно была разгадана природа явления, открытого еще в начале нашего века. Добавим лишь, что изображение, возникающее на экране вашего телевизора, "нарисовано" пучком электронов, вырвавшихся из нестехиометрических кристаллов окиси бария.
В последние годы окись бария (вполне нормальная со стехиометрической точки зрения) понадобилась для изготовления так называемых керамических магнитов. Для этого смесь порошков окиси бария и железа спекают под прессом в сильном магнитном поле. Образующийся феррат бария обладает интересными магнитными свойствами и все чаще применяется в технике.
Но, пожалуй, самым важным соединением бария сегодня с полным правом можно считать его титанат, получивший мировое признание как отличный сегнетоэлектрик. Своим названием этот новый класс химических веществ обязан французскому аптекарю Э. Сеньету, который еще в середине XVII века открыл двойную калиево-натриевую соль винной кислоты - сегнетову соль, завоевавшую вскоре репутацию неплохого слабительного средства. На этом скромном поприще соль трудилась более двух с половиной столетий, пока в 1918 году американский ученый Д. Андерсон не установил, что в интервале температур от (-15) до +22 С она обладает весьма высокой диэлектрической проницаемостью, оставаясь поляризованной даже в отсутствие внешних электрических полей.
В 1944 году советский физик Б. М. Вул обнаружил незаурядные сегнетоэлектрические способности у титаната бария, который сохранял их в широком температурном диапазоне - почти от абсолютного нуля до +125ёС.
Поскольку титанат бария характеризуется большой механической прочностью и влагостойкостью и может быть получен без особых хлопот, неудивительно, что он занял среди сегнетоэлектриков одно из самых почетных мест, являясь прекрасным материалом для электрических конденсаторов. Благодаря сильно выраженному пьезоэффекту (изменению электрических характеристик под действием давления) эта соль бария нашла постоянную работу в пьезоэлементах.
В наш век - век небывалого технического прогресса - все шире становится круг химических элементов, которые претендуют на "ответственные должности" в науке, промышленности, сельском хозяйстве и других областях человеческой деятельности. Однако многие элементы с трудом делают карьеру из-за того, что их очень мало в земной коре. В этом отношении барию повезло: оболочка нашей планеты содержит 0,05% бария - в несколько раз больше, чем, например, никеля, кобальта, цинка и свинца, вместе взятых. Значит, дело за ним самим, да за учеными, которые призваны находить металлам, сплавам, соединениям новые интересные роли.
Одна из таких ролей - создание искусственных комет. Да, не удивляйтесь: выпущенные с борта космического аппарата на большом удалении от Земли пары бария превращаются в яркое плазменное облако, с помощью которого ученые осуществляют разнообразные исследования, ведут оптические наблюдения, определяют траекторию движения космических летательных аппаратов. Впервые искусственная комета была образована в 1959 году во время полета советской автоматической межпланетной станции "Луна-1". В начале 70-х годов западногерманские и американские физики, проводя совместные исследования электрического и магнитного поля Земли, выбросили над территорией Колумбии (на очень большой высоте) около 15 килограммов мельчайших частиц бария, которые образовали плазменное облако, наблюдавшееся из разных точек Америки. Вытянувшись вдоль магнитных линий земного шара, барий позволил уточнить их расположение.
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 + 4COBaSO 4 + 2CH 4 = BaS + 2C + 4H 2 O
BaCO 3 + C = BaO + 2CO
Металлический барий получают, восстанавливая его оксидом алюминия.
BaO + 2 Al = 3 Ba + Al 2 O 3Впервые этот проце
cc 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 2Ba + 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 электромагнитного 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 500600° 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+ + 2 е 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 ·8 H 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 2Карбонат 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 + ZnS ЇВ 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 2Титанат бария один из лучших сегнетоэлектриков (см . также СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ ), 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 [ Pt (CN ) 4 ]) 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 0,80,9 г, карбоната бария 24 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
ЛИТЕРАТУРА Фигуровский Н.А. История открытия элементов и происхождения ихneназваний . М., Наука, 1970Венецкий С.И. О редких и рассеянных. Рассказы о металлах . М.,neМеталлургия, 1980
Популярная библиотека химических элементов . Под. ред.neИ.В.Петрянова-Соколова М., Наука, 1983
Информационно-аналитический обзор Состояние и перспективы мирового и внутреннего рынков цветных, редких и благородных металлов . Выпуск 18. Барит. М., 2002
