БАРИЙ, Ва (лат. Baryum, от греч. barys — тяжёлый * а. barium; н. Barium; ф. barium; и. bario), — химический элемент главной подгруппы 11 группы периодической системы элементов Менделеева, атомный номер 56, атомная масса 137,33. Природный барий состоит из смеси семи стабильных изотопов; преобладает 138 Ва (71,66%). Барий открыт в 1774 шведским химиком К. Шееле в виде ВаО. Металлический барий впервые получил английский химик Х. Дэви в 1808.

Получение бария

Металлический барий получают термическим восстановлением в вакууме при 1100-1200°С окиси бария порошком . Барий применяют в сплавах — со свинцом (типографские и антифрикционные сплавы), алюминием и (газопоглотители в вакуумных установках). Широко используют его искусственные радиоактивные изотопы.

Применение бария

Барий и его соединения добавляют в материалы, предназначенные для защиты от радиоактивного и рентгеновского излучения. Широко применяются соединения бария: оксид, пероксид и гидроксид (для получения перекиси водорода), нитрид (в пиротехнике), сульфат (как контрастное вещество при рентгенологии, исследованиях), хромат и манганат (при изготовлении красок), титанат (один из важнейших сегнетоэлектриков), сульфид (в кожевенной промышленности) и т.д.

Барий — элемент главной подгруппы второй группы, шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 56. Обозначается символом Ba (лат. Barium). Простое вещество — мягкий, ковкий щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета. Обладает высокой химической активностью. История открытия бария

1 элемент таблицы МенделееваБарий 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.
В 1774 г. шведский химик Карл Вильгельм Шееле и его друг Юхан Готлиб Ган исследовали один из самых тяжелых минералов - тяжелый шпат BaSO4. Им удалось выделить неизвестную раньше «тяжелую землю», которую потом назвали баритом (от греческого βαρυς - тяжелый). А через 34 года Хэмфри Дэви, подвергнув электролизу мокрую баритовую землю, получил из нее новый элемент - барий. Следует отметить, что в том же 1808 г., несколько раньше Дэви, Йене Якоб Берцелиус с сотрудниками получил амальгамы кальция, стронция и бария. Так появился элемент барий.

Древние алхимики прокаливали BaSO4 с деревом или древесным углем и получали фосфоресцирующие «болонские самоцветы». Но химически эти самоцветы не BaO, а сернистый барий BaS.
Своё название получил от греческого barys — «тяжёлый», так как его оксид (BaO) был охарактеризован, как имеющий необычно высокую для таких веществ плотность.
В земной коре содержится 0,05% бария. Это довольно много - значительно больше, чем, скажем, свинца, олова, меди или ртути. В чистом виде в земле его нет: барий активен, он входит в подгруппу щелочноземельных металлов и, естественно, в минералах связан достаточно прочно.
Основные минералы бария - уже упоминавшийся тяжелый шпат BaSO4 (чаще его называют баритом) и витерит BaCOз, названный так по имени англичанина Уильяма Витеринга (1741...1799), который открыл этот минерал в 1782 г. В небольшой концентрации соли бария содержатся во многих минеральных водах и морской воде. Малое содержание в этом случае плюс, а не минус, ибо все соли бария, кроме сульфата, ядовиты.

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.

Общие сведения и методы получения

Барий (Ва) - мягкий серебристо-белый металл, быстро окисляющийся на воздухе.

Название получил от греческого Варсоо, что в переводе на русский язык означает тяжелый. На существование бария в 1774 г. впервые указал шведский химик К- Шееле, который при исследовании пиролю­зита (природный диоксид марганца) обнаружил в нем «тяжелую зем­ лю»- оксид бария (барит). Английский химик Дэви в 1808 г. впервые получил металлический барнй путем электролиза его соединений. Затем в 1901 г. Гунтц получил металлический барий восстановлением оксида бария алюминием.

В природе барий встречается только в виде соединений. Основные минералы бария - барит - тяжелый шпат BaS 0 4 (~65 % ВаО) и ви­терит ВаС0 3 (~78 % ВаО). Эти минералы являются исходными для по­лучения бария; они также находят самостоятельное применение. Барий получают восстановлением из оксида углем алюмииотермическим спо­собом, а также электролизом из расплавленной смеси хлористого бария и хлористого кальция.

Технически чистый барий получают нагреванием при 1100-1200 °С в вакууме (0,133 Па) смеси оксида бария с порошком алюминия Пере­гонкой в вакууме барий очищают до 99,5-99,9 %. Барий выпускают в виде кристаллов (друз), плавленых штабиков, слитков. Барий вы­плавляют двух марок Бр-1 и Бр-2.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 56, атомная масса 137,34 а. е. м. Атомный объем 38,2*10- 6 м а /моль. Атомный радиус 0,221 им; ионный радиус Ва 2 + 0,138 нм. Потенциалы ионизации ато­мов, J (эВ); 5,910; 10,00; 37,1.

Электроотрицательность 0,9. Кристаллическая структура кубическая, период решетки а=0,5019 нм, координационное число 8, межатомные расстояния 0,434 нм, электронная конфигурация 6 s 2 .

Плотность. Рентгеновская плотность 1 бария р=3,594 Мг/м 3 ; пикно-метрическая плотность р = 3,5 Мг/м 3 . Плотность при 1000 К р= =3,32 Мг/м 3 . Изменение плотности бария при плавлении 0,0526 кг/(м 3 -К).

Химические свойства

Нормальный электродный потенциал реакции Ва- 2е:<=>-Ва 2 + ф 0 = = -2,92 В. В соединениях проявляет степень окисления +2.

Барий очень активен, от удара воспламеняется, легко разлагает во­ду. При взаимодействии с барием образуются соединения ВаО, Ва0 2 , BasN 2 . Барий энергично взаимодействует с кислотами (H 2 S 0 4 , Н3РО4, НС1) и щелочами (КОН, NaOH), так же активно со сжиженным и га­зообразным аммиаком, галогенами, серой, сернистым газом, серово­дородом, с солями тяжелых металлов, вытесняя их, с этиловым спир­том и др.

С кислородом образует соединения ВаО, Ва0 2 и Ва0 4 . Оксид ВаО образуется при горении бария в кислороде, а также при термическом разложении солей бария, содержащих кислород.

С азотом при 270-60 U °С барий дает нитрид Ba 3 N z . Кроме того, су­ществуют соединения Ba 2 N , BaN 2 .

Водород и барий взаимодействуют при нагревании до 180 °С с обра­зованием гидрида ВаН 2 , который является сильным восстановителем. Он самовозгоняется на воздухе.

При взаимодействии бария и серы образуется сульфид BaS ; его по­лучают при действии смеси водорода и сероводорода на оксид или кар­бонат бария. Существует соединение BaS *, образующееся при совмест­ном плавлении бария и серы в жидком NH 3 .

Сульфид BaS --тугоплавкое соединение, обладающее люминесцент­ными свойствами.

При взаимодействии с галогенами барий дает соединения BaBr 2 , Bal 2 , BaF 2 , ВаС1 2 . Они образуются при обычной температуре, за исключением Ва1 2 , который образуется при нагревании.

Барий и углерод образуют ВаС 2 из простых веществ при нагревании их при 1250 °С в среде аргона и восстановлением оксидов и карбонатов. Электрохимический эквивалент 0,7113 мг/Кл.

Области применения

Вследствие большой химической активности, а также из-за низких ме­ханических свойств барий используют в технике не в чистом виде, а в виде солей и соединений.

Нерастворимый в воде и кислотах сульфат бария (барит) хорошо поглощает рентгеновские лучи, поэтому его применяют при рентгено­диагностике Баритовые белила используют в качестве белой краски (баритовая бумага). Углекислый барий (ВаСОз) входит в состав смеси для цементации стали.

Сплавы свинец - барин используют в полиграфии, сульфат BaS 0 4 - как белый пигмент для линолеума и бумаги, сплавы бария с никелем - для изготовления электродов запальных свечей двигателей и в радио­лампах. Титанат бария ВаТЮ 3 - один из важнейших сегнетоэлектриков. Титанат и алюминат бария используют для изготовления диэлектриков и постоянных магнитов. В металлургии - для десульфурации, дегазации и раскисления меди, свинца и некоторых жаропрочных сплавов. Барий вводят в антифрикционные сплавы.

Оксид ВаО используют при изготовлении стекла, эмалей и термо­катализаторов. Пероксид Ва0 2 служит для получения пероксида водо­рода, для отбеливания тканей; его используют в качестве катализатора крекинг-процесса, а также как компонент запальных смесей в алюмино­термии и пиротехнике.

Азотнокислый барий Ba (N 0 3) 2 служит для приготовления зеленых бенгальских огней.

Платиносинеродистый барий [ BaPt (CN) 6 ] используют для покрытия некоторых фосфоресцирующих экранов и в других целях.

Фторид BaF 2 применяют при изготовлении эмалей и оптических стекол.

Соединения бария хорошо поглощают рентгеновские лучи и у -излу-чеиие, поэтому их вводят в состав защитных материалов в рентгенов­ских установках и ядерных реакторах. Окрашенные соли бария явля­ются пигментами: ВаСг0 4 -желтый, ВаМп0 4 - зеленый.

IIA группа содержит только металлы – Be (бериллий), Mg (магний), Ca (кальций), Sr (стронций), Ba (барий) и Ra (радий). Химические свойства первого представителя этой группы — бериллия — наиболее сильно отличаются от химических свойств остальных элементов данной группы. Его химические свойства во многом даже более схожи с алюминием, чем с остальными металлами IIA группы (так называемое «диагональное сходство»). Магний же по химическим свойствами тоже заметно отличается от Ca, Sr, Ba и Ra, но все же имеет с ними намного больше сходных химических свойств, чем с бериллием. В связи со значительным сходством химических свойств кальция, стронция, бария и радия их объединяют в одно семейство, называемое щелочноземельными металлами .

Все элементы IIA группы относятся к s -элементам, т.е. содержат все свои валентные электроны на s -подуровне. Таким образом, электронная конфигурация внешнего электронного слоя всех химических элементов данной группы имеет вид ns 2 , где n – номер периода, в котором находится элемент.

Вследствие особенностей электронного строения металлов IIA группы, данные элементы, помимо нуля, способны иметь только одну единственную степень окисления, равную +2. Простые вещества, образованные элементами IIA группы, при участии в любых химических реакциях способны только окисляться, т.е. отдавать электроны:

Ме 0 – 2e — → Ме +2

Кальций, стронций, барий и радий обладают крайне высокой химической активностью. Простые вещества, образованные ими, являются очень сильными восстановителями. Также сильным восстановителем является магний. Восстановительная активность металлов подчиняется общим закономерностям периодического закона Д.И. Менделеева и увеличивается вниз по подгруппе.

Взаимодействие с простыми веществами

с кислородом

Без нагревания бериллий и магний не реагируют ни с кислородом воздуха, ни с чистым кислородом ввиду того, что покрыты тонкими защитными пленками, состоящими соответственно из оксидов BeO и MgO. Их хранение не требует каких-либо особых способов защиты от воздуха и влаги, в отличие от щелочноземельных металлов, которые хранят под слоем инертной по отношению к ним жидкости, чаще всего керосина.

Be, Mg, Ca, Sr при горении в кислороде образуют оксиды состава MeO, а Ba – смесь оксида бария (BaO) и пероксида бария (BaO 2):

2Mg + O 2 = 2MgO

2Ca + O 2 = 2CaO

2Ba + O 2 = 2BaO

Ba + O 2 = BaO 2

Следует отметить, что при горении щелочноземельных металлов и магния на воздухе побочно протекает также реакция этих металлов с азотом воздуха, в результате которой, помимо соединений металлов с кислородом, образуются также нитриды c общей формулой Me 3 N 2 .

с галогенами

Бериллий реагирует с галогенами только при высоких температурах, а остальные металлы IIA группы — уже при комнатной температуре:

Мg + I 2 = MgI 2 – иодид магния

Са + Br 2 = СаBr 2 – бромид кальция

Ва + Cl 2 = ВаCl 2 – хлорид бария

с неметаллами IV–VI групп

Все металлы IIA группы реагируют при нагревании со всеми неметаллами IV–VI групп, но в зависимости от положения металла в группе, а также активности неметаллов требуется различная степень нагрева. Поскольку бериллий является среди всех металлов IIA группы наиболее химически инертным, при проведении его реакций с неметаллами требуется существенно бо льшая температура.

Следует отметить, что при реакции металлов с углеродом могут образовываться карбиды разной природы. Различают карбиды, относящиеся к метанидам и условно считающимися производными метана, в котором все атомы водорода замещены на металл. Они так же, как и метан, содержат углерод в степени окисления -4, и при их гидролизе или взаимодействии с кислотами-неокислителями одним из продуктов является метан. Также существует другой тип карбидов – ацетилениды, которые содержат ион C 2 2- , фактически являющийся фрагментом молекулы ацетилена. Карбиды типа ацетиленидов при гидролизе или взаимодействии с кислотами-неокислителями образуют ацетилен как один из продуктов реакции. То, какой тип карбида – метанид или ацетиленид — получится при взаимодействии того или иного металла с углеродом, зависит от размера катиона металла. С ионами металлов, обладающих малым значением радиуса, образуются, как правило, метаниды, с ионами более крупного размера – ацетилениды. В случае металлов второй группы метанид получается при взаимодействии бериллия с углеродом:

Остальные металлы II А группы образуют с углеродом ацетилениды:

С кремнием металлы IIA группы образуют силициды — соединения вида Me 2 Si, с азотом – нитриды (Me 3 N 2), фосфором – фосфиды (Me 3 P 2):

с водородом

Все щелочноземельные металлы реагируют при нагревании с водородом. Для того чтобы магний прореагировал с водородом, одного нагрева, как в случае со щелочноземельными металлами, недостаточно, требуется, помимо высокой температуры, также и повышенное давление водорода. Бериллий не реагирует с водородом ни при каких условиях.

Взаимодействие со сложными веществами

с водой

Все щелочноземельные металлы активно реагируют с водой с образованием щелочей (растворимых гидроксидов металлов) и водорода. Магний реагирует с водой лишь при кипячении вследствие того, что при нагревании в воде растворяется защитная оксидная пленка MgO. В случае бериллия защитная оксидная пленка очень стойкая: с ним вода не реагирует ни при кипячении, ни даже при температуре красного каления:

c кислотами-неокислителями

Все металлы главной подгруппы II группы реагируют с кислотами-неокислителями, поскольку находятся в ряду активности левее водорода. При этом образуются соль соответствующей кислоты и водород. Примеры реакций:

Ве + Н 2 SO 4(разб.) = BeSO 4 + H 2

Mg + 2HBr = MgBr 2 + H 2

Ca + 2CH 3 COOH = (CH 3 COO) 2 Ca + H 2

c кислотами-окислителями

− разбавленной азотной кислотой

С разбавленной азотной кислотой реагируют все металлы IIA группы. При этом продуктами восстановления вместо водорода (как в случае кислот-неокислителей) являются оксиды азота, преимущественно оксид азота (I) (N 2 O), а в случае сильно разбавленной азотной кислоты – нитрат аммония (NH 4 NO 3):

4Ca + 10HNO 3( разб .) = 4Ca(NO 3) 2 + N 2 O + 5H 2 O

4Mg + 10HNO 3(сильно разб.) = 4Mg(NO 3) 2 + NН 4 NO 3 + 3H 2 O

− концентрированной азотной кислотой

Концентрированная азотная кислота при обычной (или низкой) температуре пассивирует бериллий, т.е. в реакцию с ним не вступает. При кипячении реакция возможна и протекает преимущественно в соответствии с уравнением:

Магний и щелочноземельные металлы реагируют с концентрированной азотной кислотой с образованием большого спектра различных продуктов восстановления азота.

− концентрированной серной кислотой

Бериллий пассивируется концентрированной серной кислотой, т.е. не реагирует с ней в обычных условиях, однако реакция протекает при кипячении и приводит к образованию сульфата бериллия, диоксида серы и воды:

Be + 2H 2 SO 4 → BeSO 4 + SO 2 + 2H 2 O

Барий также пассивируется концентрированной серной кислотой вследствие образования нерастворимого сульфата бария, но реагирует с ней при нагревании, сульфат бария растворяется при нагревании в концентрированной серной кислоте благодаря его превращению в гидросульфат бария.

Остальные металлы главной IIA группы реагируют с концентрированной серной кислотой при любых условиях, в том числе на холоду. Восстановление серы может происходить до SO 2 , H 2 S и S в зависимости от активности металла, температуры проведения реакции и концентрации кислоты:

Mg + H 2 SO 4( конц .) = MgSO 4 + SO 2 + H 2 O

3Mg + 4H 2 SO 4( конц .) = 3MgSO 4 + S↓ + 4H 2 O

4Ca + 5H 2 SO 4( конц .) = 4CaSO 4 +H 2 S + 4H 2 O

с щелочами

Магний и щелочноземельные металлы со щелочами не взаимодействуют, а бериллий легко реагирует как растворами щелочей, так и с безводными щелочами при сплавлении. При этом при осуществлении реакции в водном растворе в реакции участвует также и вода, а продуктами являются тетрагидроксобериллаты щелочных или щелочноземельных металлов и газообразный водород:

Be + 2KOH + 2H 2 O = H 2 + K 2 — тетрагидроксобериллат калия

При осуществлении реакции с твердой щелочью при сплавлении образуются бериллаты щелочных или щелочноземельных металлов и водород

Be + 2KOH = H 2 + K 2 BeO 2 — бериллат калия

с оксидами

Щелочноземельные металлы, а также магний могут восстанавливать менее активные металлы и некоторые неметаллы из их оксидов при нагревании, например:

Метод восстановления металлов из их оксидов магнием называют магниетермией.