Барий. Свойства, получение, распространение
Реферат
Барий
2005 г.
Оглавление
Историческая справка……………………………………………………. 3
Распространенность в природе…………………….…………………….. 3
Получение металлического бария………………………….……………. 4
Электролиз хлорида бария……………………………………………….. 5
Химические и физические свойства…………………..…………………5
Применение………………………………………………………………. 6
Соединения (общие свойства)……………………………………………6
Неорганические соединения…………………………………………….. 6
Историческая справка
Тяжелый шпат, BaSO4 , был первым известным соединением барин. Его открыл в начале XVII в. итальянский алхимик Касциароло. Он же установил, что этот минерал после сильного нагревания с углем светится в темноте красным светом и дал ему название «ляпис соларис» (солнечный камень).
Окись бария ВаО открыл в 1774 г. Шееле. Он назвал ее «тяжелой землей». В 1797 г., прокаливая нитрат бария, Вокелен получил : окись бария. Карбонат бария был открыт в 1783 г. в Шотландии , и назван «витеритом».
Металлический барий впервые получил Дэви в 1808 г. Название , «барий» происходит от слова «барис» (тяжелый).
Распространенность в природе
В природе барий встречается в виде соединений (сульфатов, карбонатов, силикатов, алюмосиликатов и т. д.) в различных минералах. Содержание бария в земной коре 0,05 вес. % — больше, чем содержание стронция. Ниже перечислены важнейшие минералы бария:
Барит (персидский шпат), BaSO4 , содержит 65,7 Ва0, встречается в виде гранул или бесцветных прозрачных трубчатых кристаллов (иногда окрашенных примесями в желтый, коричневый, красный, серый, голубой, зеленый или черный цвет) с плотностью 4,3—4,7 г/см 3 и твердостью 3—3,5 по шкале Mooca. Залежи барита есть в России, США, Франции, Румынии и других странах. В природе встречаются разновидности барита, которые содержат сульфат стронция (баритоцелестин), сульфат свинца и радия.
пород во время бурения нефтяных скважин, защитной облицовки стен рентгеновских камер.
Витерит, ВаСОз, содержит 77,7% Ва0. Встречается в небольших количествах в России, Англии, Японии, США. Это белая масса с сероватым или желтым оттенком; твердость 3—3,5 по шкале Mooca, плотность 4,25—4,35 г/см". Некоторые разновидности витерита содержат карбонат кальция или карбонат стронция (ВаСО3 *СаСО3 , ВаСО3 * SrСО3 ).
Известны также другие минералы бария: бариевый брюстериг SrBa [ Al2Si6O16 ( OH )2 ]*3 H20, бариевый апатит [ Ba10( PO4) 6 ] Cl2 , бариевая селитра Ba ( NO 3 ) 2
Соединения бария найдены во многих силикатных и известняковых породах, подземных и морских, водах, на солнце.
Получение металлического бария
Металлический барий получают металлотермическим восстановлением окиси или хлорида бария, термическим разложением гидрида и нитрида бария или Ba (NH. 3) e , электролизом расплавленного хлорида бария (смесей BaCl2 и NaCI , BaCI2 и BaF2 ) или насыщенного раствора BaCI2 * H2O на ртутном катоде. Во избежание контактов с воздухом все эти процессы ведут в вакууме или защитной атмосфере. В процессе промышленной переработки барита или витерита получают хлорид или окись бария, из которых металлотермическим восстановлением вырабатывают технический барий (см. схему).
ЗВаО + 2А1 = ЗВа + Аl2О3 — 25 ккал
Восстановление проводится в кварцевых или герметичных фарфоровых капсулах. После удаления воздуха током водорода в них создается вакуум, затем окись бария и порошок алюминия в течение 2—3 час нагревают при температуре 1250°. По окончании восстановления нагревание прекращают. После охлаждения перед разборкой установки в нее подают сухой воздух.
Силикотермическое восстановление окиси бария проводится в вакууме в стальной трубке (температура 1200°):
ЗВаО + Si = 2Ва + ВаSiO3 — 37 ккал
В процессе магнийтермического восстановления окиси бария в вакууме получается металлический барий. В этом случае образуется промежуточный окисел Ba2O :
2ВаО + Mg = Ba2O + Mg0 Вa2О = ВаО + Ва
сплавов бария с натрием, бария с калием и бария с цинком. Если восстановление хлорида бария идет при нагревании с карбидом кальция CaC2 , образуется сплав бария и кальция.
Термическое разложение гидрида и Ва(NH3)6
Термическая вакуумная диссоциация гидрида бария (900—1000°), нитрида Ва3N2 (160—180°) и Ва(NH3)6 (комнатная температура) сопровождается образованием металлического бария.
электролиза насыщенного раствора хлорида бария на ртутном катоде образуется амальгама бария.
Химические и физические свойства
Барий — белый серебристый металл с объемно-центрированной кубической решеткой (модификация ?-Ва устойчива ниже 375°, модификация ?-Ва — от 375 до 710°). Плотность бария 3,74 г1см 3 , твердость 3 по шкале Мооса (тверже свинца). Ковкий металл.
Распад изотопа 140 Ва сопровождается выделением радиоактивного 140 La.
При облучении цезия дейтронами образуется ядерный изотоп 133 Ва с периодом полураспада 1,77 дней. Со свинцом, никелем, сурьмой, оловом и железом барий образует сплавы.
Барий химически активнее кальция и стронция. Металлический барий хранят в герметичных сосудах под петролейным эфиром или парафиновым маслом. На воздухе металлический барий теряет блеск, покрывается коричневато-желтой, а затем серой пленкой окиси и нитрида:
Ва + 1/20 2 = Ва0 + 133,1 ккал.
ЗВа + N2 = Ba3N2 + 89,9 ккал
Под действием галогенов металлический барий образует безводные галогениды ВаХ2 (X == F ?, С1? , Вг ?, I ? ). Металлический барий разлагает воду:
Ва + 2Н2О = Ва(ОН)2 + 112 + 92,5 ккал
") сопровождается образованием аммиаката Ba(NH3)6 - При обычной температуре барий реагирует с двуокисью углерода:
5Ва + 2 C02 = ВаС2 + 4Bа0
Металлический барий — сильный восстановитель. С его помощью при восстановлении хлорида америция (1 100°) и фторида кюрия (1300°) были получены элементы америций (N 95) и кюрий (N 96). При высокой температуре барий восстанавливает закись углерода, а выделяющийся свободный углерод реагирует с барием с образованием карбида ВаС2.
Приведенная ниже схема иллюстрирует химическую активность бария.
Растворимые соли бария чрезвычайно ядовиты. Введенный внутривенно хлорид бария мгновенно вызывает смерть. Карбонат и сульфит бария ядовиты, так как они растворяются в соляной кислоте, которая содержится в желудочном соке.
Применение
Металлический барий применяется для металлотермического восстановления америция и кюрия, в антифрикционных сплавах на основе свинца, а также в вакуумной технике. Сплавы свинец — барий вытесняют полиграфические сплавы свинец — сурьма.
Соединения (общие свойства)
Известны многочисленные соединения, в которых барий присутствует в виде двухвалентного катиона. Ион Ва 2+ бесцветен, имеет устойчивую восьмиэлектронную конфигурацию. Радиус иона 1,34 А. Он обладает относительно большим объемом и слабо выраженной тенденцией к поляризации, поэтому не образует устойчивых комплексных соединений. Гидроокись Ba ( OH ) g представляет собой сильное основание.
Неорганические соединения
Гидрид бария, ВаН 2 , получают нагреванием металлического бария, сплавов кадмий — барий, ртуть — барий или окиси бария в атмосфере водорода:
Ва + Н 2 = ВаН 2 + 55 ккал Ва0+ 2Н 2 = BaH 2 + Н 2 О
Гидрид бария применяют в качестве катализатора реакций гидрогенизации.
Окись бария, ВаО, получают непосредственным синтезом из элементов. Кроме того, используют термическое разложение гидроокиси, перекиси, карбоната или нитрата бария. Применяют также прокаливание смеси карбоната бария с углем, сульфата бария с односернистым железом или нагревание сульфида бария с окисью магния и водой:
ВаО представляет собой кубические (решетка типа NaCI) или гексагональные бесцветные кристаллы (или белый аморфный порошок), очень гигроскопичные, с плотностью 5,72 г/см 3 (для кубической модификации) и 5,32 г/см 3 (для гексагональной) и твердостью 3,3 по шкале Mooca ; т. пл. 1923°, т. кип. 2000°. Ва0 люминесцирует под действием ультрафиолетовых лучей и фосфоресцирует в рентгеновских лучах.
окись бария взаимодействует с хлором, а при нагревании — с кислородом, серой, азотом, углеродом, двуокисью серы, сероуглеродом, двуокисью кремния, двуокисью свинца, окисью железа, хрома, а также с солями аммония:
При нагревании окись бария восстанавливается магнием, цинком, алюминием, кремнием и цианидами щелочных металлов.
воде, содержащей сульфат-ионы.
Перекись бария, ВаО 2 , получают, сильно прокаливая гидроокись, нитрат или карбонат бария в токе воздуха в присутствии следов воды. Другие способы получения: непосредственный синтез из элементов при нагревании, прокаливание окиси бария с окисью меди, нагревание окиси бария с хлоратом калия, нагревание окиси бария до 350°, дегидратация кристаллогидрата
Ва + 0 2 = Ва0 2 + 145,7 ккал Ba0 + СиО = Ва0 2 + С u
Ba0 +1/2 0 2 = Ва0 2 + 12,1 ккал 3ВаО + К clO 3 = ЗВа0 2 + КСl
Ba 0 2 представляет собой белый парамагнитный порошок с плотностью 4,96 г1см 3 и т. пл. 450°. Он разлагается до Ba0 (600°) или до кислорода (795°), устойчив при обычной температуре (может храниться годами), плохо растворяется в воде, спирте и эфире, растворяется в разбавленных кислотах:
Fe 2 O 3 и Cu 0.
Известны кристаллогидраты BaO 2 * 8 H 2 O и BaO 2 H 2 O. Октагид-рат Ba0 2 •H 2 O получают действием перекиси водорода на баритовую поду в слабощелочных растворах, а также обработкой на холоду раствора хлорида пли гидроокиси бария перекисью натрия:
Ва(ОН) 2 + H 2 O 2 + 6 H 2 O = Ва0 2 *8Н 2 О
BaO 2 *8 H 2 O выделяется в виде бесцветных гексагональных кристаллов, трудно растворимых в воде, спирте, эфире. Нагретое с перекисью водорода это соединение превращается в желтое вещество — надперекнсь бария ВаО.
Перекись бария реагирует при нагревании с водородол1, серой, углеродом, аммиаком, солями аммония, феррицианидом калия и т. д.
С концентрированной соляной кислотой перекись бария реагирует, выделяя хлор:
ВаO 2 + 4НС1 конц. = BaCl 2 + Cl 2 + 2 H 2 O
бомбах, а также в качестве катализатора крекинг-процесса.
Ba O 2 • H 2 O 2 представляет собой желтые моноклинные микрокристаллы, устойчивые при 0°, трудно растворимые в обычных растворителях.
Гидроокись бария, Ва(ОН) 2, получают действием воды на металлический барий или ВаО. Используют также обработку растворов солей бария (особенно нитрата) щелочами. В промышленности применяют действие перегретого пара на сульфид бария. С этой же целью можно нагреть до 175" (под давлением) метаспликат бария BaSiOs с раствором NaOH. Описан метод, основанный на восстановлении перекиси бария при 550°:
Ba ( OH ) 2 — белый порошок с плотностью 4,495 г/см 3 и т. пл. 408°. В катодных лучах гидроокись бария фосфоресцирует желто-оранжевым цветом. Растворяется в воде, трудно растворима в ацетоне и метплацетате.
При растворении Ва(ОН) 2 в воде получается бесцветный раствор с сильно щелочной реакцией — баритовая вода, которая в присутствии двуокиси углерода быстро покрывается поверхностной пленкой карбоната бария.
Известны кристаллогидраты Ва(ОН) 2 *8Н 2 О, Ва(ОН) 2 *7 H 2 O , Ва(ОН) •2Н 2 O и Ва(ОН) 2 * H 2 O. Кристаллогидрат Ва(ОН) 2 *8 H 2 O выделяется в виде бесцветных моноклинных призм с плотностью 2,18 г/cм 3 и т. пл. 78°. При нагревании до 650° в токе воздуха кристаллогидрат превращается в окись или перекись бария.
Пропускание хлора через баритовую воду сопровождается образованием хлорида, хлората и очень незначительных количеств гинохлорита бария:
6Ва(ОН) 2 + 6 CL 2 = 5 BaCl 2 + Ва( ClO 3 ) 2 + 6H 2 О
Баритовая вода реагирует при 100° с сероуглеродом:
2Ва(ОН) 2 + CS 2 = ВаСО 3 + Ba ( HS ) 2 + H 2 O
Металлический алюминий взаимодействует с баритовой водой с образованием гидроксоалюмината бария и водорода:
2А l + Ва(ОН) 2 + 10 H 2 O = Ba [ Al ( OH ) 4 ( H 2 O ) 2 ] 2 +3 H 2
Выше 1000° гидроокись бария подвергается термической диссоциации:
→ ВаО + Н 2 O
Баритовая вода Ва(ОН) 2 применяется в качестве очень чувствительного химического реактива на двуокись углерода.
обработкой нитрата или хлорида бария фторидом натрия или калия, а также сплавленном хлорида магния с фторидом кальция или магния в атмосфере CO 2 и термическим разложением гексафторосиликата бария в атмосфере инертного газа:
Бесцветные кубические кристаллы BaF 2 имеют решетку типа CaF 2 с расстоянием между центром иона Ва 2+ и иона Fֿ 2,68 А. Плотность 4,83 г/см 3 , т. пл. 1280°, т. кип. 2137°. Кристаллы мало растворимы в воде (1,63 г/л при 18°), растворяются в фтористоводо-родной, соляной и азотной кислотах. Применяются для изготовления эмалей и оптических стекол. Температура плавления смеси BaF 2 * LiF 850°, а смеси BaF 2 * BaCl 2 1010°.
| 
