Физические свойства бария. Бария сульфат для рентгеноскопии – применение, свойства, инструкция в медицине

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.

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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. В оптических приборах. Применяется фторид бария, имеющий вид монокристаллов.
5. Как неотъемлемый элемент пиротехники. Пероксид металла используется в качестве окислителя. Нитрат и хлорат бария выступают как вещества, придающие пламени определенный цвет (зеленый).
6. В атомно-водородной энергетике. Тут активно применяется хромат бария во время получения водорода и кислорода с помощью термохимического метода.
7. В ядерной энергетике. Оксид металла является неотъемлемым компонентом процесса изготовления стекла определенного сорта, которым покрываются урановые стержни.
8. 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.
9. 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.

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.

В 1808 году Дэви Гемфри получил барий в виде амальгамы электролизом его соединений.

Получение:

В природе образует минералы барит BaSO 4 и витерит BaCO 3 . Получают алюмотермией или разложением азида:
3BaO+2Al=Al 2 O 3 +3Ba
Ba(N 3) 2 =Ba+3N 2

Физические свойства:

Серебристо-белый металл с более высокой температурой плавления и кипения и большей плотностью, чем у щелочных металлов. Очень мягкий. Тпл.= 727°С.

Химические свойства:

Барий является сильнейшим восстановителем. На воздухе быстро покрывается пленкой оксида, пероксида и нитрида бария, загорается при нагревании или при простом раздавливании. Энергично взаимодействует с галогенами, при нагревании с водородом и серой.
Барий энергично взаимодействует с водой и кислотами. Хранят, как и щелочные металлы, в керосине.
В соединениях проявляет степень окисления +2.

Важнейшие соединения:

Оксид бария. Твердое вещество, энергично взаимодействует с водой, образуя гидроксид. Поглощает углекислый газ, переходя в карбонат. При нагревании до 500°С реагирует с кислородом с образованием пероксида
Пероксид бария BaO 2 , белое вещество, плохо растворим, окислитель. Применяется в пиротехнике, для получения пероксида водорода, отбеливатель.
Гидроксид бария Ba(OH) 2 , октагидрат Ba(OH) 2 *8H 2 O, бесцв. крист., щелочь. Применяют для обнаружения сульфат и карбонат ионов, для очистки растительных и животных жиров.
Соли бария бесцветные крист. вещества. Растворимые соли сильно ядовиты.
Хлорид бария получают взаимодействием сульфата бария с углем и хлоридом кальция при 800°С - 1100°С. Реактив на сульфат-ион. применяется в кожевенной промышленности.
Нитрат бария, бариевая селитра, компонент пиротехнических составов зеленого цвета. При нагревании разлагается с образованием оксида бария.
Сульфат бария практически нерастворим в воде и в кислотах, поэтому малоядовит. применяется для отбеливания бумаги, при рентгеноскопии, наполнитель баритобетона (защита от радиоактивного излучения).

Применение:

Металлический барий используется как компонент ряда сплавов, раскислитель при производстве меди и свинца. Растворимые соли бария ядовиты, ПДК 0,5 мг/м 3 . См. также:
С.И. Венецкий О редких и рассеянных. Рассказы о металлах.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Барий - пятьдесят шестой элемент Периодической таблицы. Обозначение - Ba от латинского «barium». Расположен в шестом периоде, IIA группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 56.

Барий встречается в природе главным образом в виде сульфатов и карбонатов, образуя минералы барит BaSO 4 и витерит BaCO 3 . Содержание бария в земной коре равно 0,05% (масс.), что значительно меньше, чем содержание кальция.

В виде простого вещества барий представляет собой серебристо-белый металл (рис. 1), который на воздухе покрывается желтоватой пленкой продуктов взаимодействия с составными частями воздуха. Барий по твердости напоминает свинец. Плотность 3,76 г/см 3 . Температура плавления 727 o С, кипения 1640 o С. Имеет объемно центрированную кристаллическую решетку.

Рис. 1. Барий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса бария

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии барий существует в виде одноатомных молекул Ba, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 137,327.

Изотопы бария

Известно, что в природе барий может находиться в виде семи стабильных изотопов 130 Ba, 132 Ba, 134 Ba, 135 Ba, 136 Ba, 137 Ba и 138 Ba, из которых 137 Ba является наиболее распространенным (71,66%). Их массовые числа равны 130, 132, 134, 135, 136, 137 и 138 соответственно. Ядро атома изотопа бария 130 Ba содержит пятьдесят шесть протонов и семьдесят четыре нейтрона, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные изотопы бария с массовыми числами от 114-ти до 153-х, а также десять изомерных состояния ядер, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 133 Ba с периодом полураспада равным 10,51 лет.

Ионы бария

На внешнем энергетическом уровне атома бария имеется два электрона, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5р 6 6s 2 .

В результате химического взаимодействия барий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Ba 0 -2e → Ba 2+ .

Молекула и атом бария

В свободном состоянии барий существует в виде одноатомных молекул Ba. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу бария:

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1