Proprietățile metalice ale bariului. Utilizarea bariului. Aplicare ca material getter

DEFINIȚIE

Bariu este situat în a șasea perioadă a grupei II a subgrupului principal (A) al Tabelului Periodic.

aparține familiei s-elemente. Metal. Denumirea - Ba. Număr ordinal - 56. Masa atomică relativă - 137,34 a.m.u.

Structura electronică a atomului de bariu

Atomul de bariu este format dintr-un nucleu încărcat pozitiv (+56), în interiorul căruia se află 56 de protoni și 81 de neutroni, iar 56 de electroni se mișcă în șase orbite.

Fig.1. Structura schematică a atomului de bariu.

Distribuția electronilor în orbitali este următoarea:

56Ba) 2) 8) 18) 18) 8) 2 ;

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

Extern nivel de energie Atomul de bariu conține 2 electroni, care sunt valență. Diagrama energetică a stării fundamentale ia următoarea formă:

Atomul de bariu se caracterizează prin prezența unei stări excitate. Electronii 6 s- subnivelurile sunt nepereche și unul dintre ele ocupă un orbital liber 6 p- subnivel:

Prezența a doi electroni nepereche indică faptul că bariul are o stare de oxidare de +2.

Electronii de valență ai unui atom de bariu pot fi caracterizați printr-un set de patru numere cuantice: n(cuantumul principal), l(orbital), m l(magnetic) și s(a învârti):

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

Cu formula chimica BaSO4. Este o pulbere albă inodoră, insolubilă în apă. Albul și opacitatea sa, precum și densitatea sa ridicată definesc principalele sale aplicații.

Istoricul numelui

Bariul aparține metalelor alcalino-pământoase. Acestea din urmă sunt denumite astfel deoarece, potrivit lui D. I. Mendeleev, compușii lor formează o masă insolubilă a pământului, iar oxizii „au un aspect pământesc”. Bariul se găsește în natură sub formă de baritul mineral, care este sulfat de bariu cu diverse impurități.

A fost descoperit pentru prima dată de chimiștii suedezi Scheele și Hahn în 1774, ca parte a așa-numitului spate greu. De aici a venit numele mineralului (din grecescul „baris” – greu), iar apoi metalul în sine, când în 1808 a fost izolat în forma sa pură de Humphry Devi.

Proprietăți fizice

Deoarece BaSO4 este o sare a acidului sulfuric, proprietățile sale fizice sunt parțial determinate de metalul însuși, care este moale, reactiv și alb argintiu. Baritul natural este incolor (uneori alb) și transparent. BaSO 4 pur chimic are o culoare de la alb la galben pal, este neinflamabil, cu un punct de topire de 1580°C.

Care este masa sulfatului de bariu? Masă molară este egal cu 233,43 g/mol. Are o greutate specifică neobișnuit de mare - de la 4,25 la 4,50 g/cm 3 . Având în vedere insolubilitatea sa în apă, densitatea sa mare îl face indispensabil ca umplutură pentru fluidele apoase de foraj.

Proprietăți chimice

BaSO4 este unul dintre cei mai puțin solubili compuși în apă. Poate fi obținut din două săruri foarte solubile. Luați o soluție apoasă de sulfat de sodiu - Na2SO4. Molecula sa din apă se disociază în trei ioni: doi Na + și unul SO 4 2-.

Na 2 SO 4 → 2Na + + SO 4 2-

Să luăm și o soluție apoasă de clorură de bariu - BaCl 2, a cărei moleculă se disociază în trei ioni: unul Ba 2+ și doi Cl - .

BaCl 2 → Ba 2+ + 2Cl -

Se amestecă o soluție apoasă de sulfat și un amestec care conține clorură. Sulfatul de bariu se formează ca urmare a combinării a doi ioni cu aceeași mărime și sarcină opusă într-o moleculă.

Ba 2+ + SO 4 2- → BaSO 4

Mai jos puteți vedea ecuație completă această reacție (așa-numita moleculară).

Na2SO4 + BaCl2 → 2NaCl + BaS04

Ca rezultat, se formează un precipitat insolubil de sulfat de bariu.

Baritul marfă

În practică, materia primă pentru producția de sulfat de bariu comercial destinată utilizării în fluidele de foraj la forarea puțurilor de petrol și gaze este, de regulă, baritul mineral.

Termenul de barit „primar” se referă la produsele comerciale care includ materia primă (obținută din mine și cariere) precum și produse de îmbogățire simplă prin metode precum spălarea, decantarea, separarea în medii grele, flotarea. Majoritatea baritului brut trebuie aduse la o puritate și densitate minime. Mineralul care este folosit ca umplutură este zdrobit și cernut la o dimensiune uniformă, astfel încât cel puțin 97% dintre particulele sale să aibă o dimensiune de până la 75 de microni și nu mai mult de 30% să aibă mai puțin de 6 microni. Baritul primar trebuie să fie, de asemenea, suficient de dens pentru a avea o greutate specifică de 4,2 g/cm3 sau mai mare, dar suficient de moale pentru a nu deteriora rulmenții.

Obținerea unui produs chimic pur

Baritul mineral este adesea contaminat cu diverse impurități, în principal oxizi de fier, care îl colorează în diferite culori. Se prelucreaza carbotermic (incalzit cu cocs). Rezultatul este sulfura de bariu.

BaSO 4 + 4 C → BaS + 4 CO

Acesta din urmă, spre deosebire de sulfat, este solubil în apă și reacționează ușor cu oxigenul, halogenii și acizii.

BaS + H2SO4 → BaS04 + H2S

Acidul sulfuric este utilizat pentru a obține un produs final de puritate ridicată. Sulfatul de bariu format prin acest proces este adesea denumit blancfix, care înseamnă „fix alb” în franceză. Se găsește adesea în produsele de consum, cum ar fi vopselele.

În condiții de laborator, sulfatul de bariu se formează prin combinarea ionilor de bariu și a ionilor de sulfat în soluție (vezi mai sus). Deoarece sulfatul este cea mai puțin toxică sare a bariului datorită insolubilității sale, deșeurile care conțin alte săruri de bariu sunt uneori tratate cu sulfat de sodiu pentru a lega tot bariul, care este destul de toxic.

De la sulfat la hidroxid și înapoi

Din punct de vedere istoric, baritul a fost folosit pentru a produce hidroxid de bariu, Ba(OH) 2 , necesar în rafinarea zahărului. Acesta este, în general, un compus foarte interesant și utilizat pe scară largă în industrie. Este foarte solubil în apă, formând o soluție cunoscută sub numele de apă barită. Este convenabil să se utilizeze pentru legarea ionilor de sulfat în diferite compoziții prin formarea de BaS04 insolubil.

Am văzut mai sus că atunci când este încălzit în prezența cocsului, este ușor să obțineți sulfură de bariu solubilă în apă - BaS din sulfat. Acesta din urmă, atunci când interacționează cu apa fierbinte, formează un hidroxid.

BaS + 2H2O → Ba(OH)2 + H2S

Hidroxidul de bariu și sulfatul de sodiu, luate în soluții, atunci când sunt amestecate, vor da un precipitat insolubil de sulfat de bariu și hidroxid de sodiu.

Ba(OH)2 + Na2S04 = BaS04 + 2NaOH

Se dovedește că sulfatul natural de bariu (baritul) este mai întâi transformat industrial în hidroxid de bariu, iar apoi servește la obținerea aceluiași sulfat la curățarea diferitelor sisteme de sare de ionii de sulfat. În același mod, reacția va avea loc și în timpul purificării ionilor SO 4 2- dintr-o soluție de sulfat de cupru. Dacă faceți un amestec de „hidroxid de bariu + sulfat de cupru”, rezultatul este hidroxid de cupru și sulfat de bariu insolubil.

CuSO 4 + Ba(OH) 2 → Cu(OH) 2 + BaSO 4 ↓

Chiar și în reacția cu acidul sulfuric însuși, ionii săi sulfat vor fi legați complet de bariu.

Utilizare în fluide de foraj

Aproximativ 80% din producția mondială de sulfat de bariu, barit purificat și măcinat, este consumată ca componentă a fluidelor de foraj în crearea puțurilor de petrol și gaze. Adăugarea acestuia crește densitatea fluidului injectat în puț pentru a rezista mai bine la presiunea ridicată a rezervorului și pentru a preveni erupțiile.

Când o sondă este forată, bitul trece prin el diverse formațiuni, fiecare dintre ele având propriile caracteristici. Cu cât adâncimea este mai mare, cu atât procentul de barit trebuie să fie mai mare în structura soluției. Un avantaj suplimentar este acela că sulfatul de bariu este o substanță nemagnetică, deci nu interferează cu diferite măsurători în foraj folosind dispozitive electronice.

Industria vopselei și hârtiei

Cea mai mare parte din BaSO4 sintetic este folosit ca componentă a pigmentului alb pentru vopsele. Deci, blancfix amestecat cu dioxid de titan (TiO 2) este vândut ca o vopsea albă în ulei folosită în pictură.

Combinația de BaSO4 și ZnS (sulfură de zinc) dă un pigment anorganic numit litoponă. Este folosit ca strat de acoperire pentru anumite clase de hârtie fotografică.

Mai recent, sulfatul de bariu a fost folosit pentru a străluci hârtia destinată imprimantelor cu jet de cerneală.

Aplicații în industria chimică și metalurgia neferoasă

În producția de polipropilenă și polistiren, BaSO4 este folosit ca umplutură în proporții de până la 70%. Are efectul de a crește rezistența materialelor plastice la acizi și alcalii, precum și de a le conferi opacitate.

De asemenea, este folosit pentru a produce alți compuși de bariu, în special carbonatul de bariu, care este folosit pentru a face sticlă LED pentru ecrane de televiziune și computer (în mod istoric în tuburi catodice).

Formele utilizate în turnarea metalelor sunt adesea acoperite cu sulfat de bariu pentru a preveni aderența la metalul topit. Acest lucru se realizează la fabricarea plăcilor anodice de cupru. Ele sunt turnate în forme de cupru acoperite cu un strat de sulfat de bariu. Când cuprul lichid se solidifică într-o placă de anod finită, acesta poate fi îndepărtat cu ușurință din matriță.

dispozitive pirotehnice

Deoarece compușii de bariu emit lumină verde atunci când sunt arși, sărurile acestei substanțe sunt adesea folosite în formulele pirotehnice. Deși nitratul și cloratul sunt mai frecvente decât sulfatul, acesta din urmă este utilizat pe scară largă ca componentă în luminile pirotehnice stroboscopice.

agent de contrast cu raze X

Sulfatul de bariu este un agent radioopac folosit pentru a diagnostica anumite probleme medicale. Deoarece astfel de substanțe sunt opace la razele X (blochându-le ca urmare a densității lor mari), zonele corpului în care sunt localizate apar ca zone albe pe filmul cu raze X. Acest lucru creează distincția necesară între un organ (diagnosticat) și alte țesuturi (înconjurătoare). Contrastul va ajuta medicul să vadă orice afecțiuni speciale care pot exista în acel organ sau parte a corpului.

Sulfatul de bariu se ia pe cale orală sau rectală cu o clismă. În primul caz, face esofagul, stomacul sau intestinul subțire opace la razele X. Deci pot fi fotografiați. Dacă substanța este administrată cu o clismă, atunci intestinul gros sau intestinele pot fi văzute și fixate cu raze X.

Doza de sulfat de bariu va fi diferită pentru diferiți pacienți, totul depinde de tipul de test. Medicamentul este disponibil sub formă de suspensie medicală specială de bariu sau sub formă de tablete. Diferite teste care necesită contrast și echipamente cu raze X necesită cantități diferite de suspensie (în unele cazuri, este necesar un medicament sub formă de tablete). Agentul de contrast trebuie utilizat numai sub supravegherea directă a unui medic.

Bariul este un element al subgrupului principal al celui de-al doilea grup, a șasea perioadă sistem periodic elemente chimice ale lui D. I. Mendeleev, cu număr atomic 56. Este desemnat prin simbolul Ba (lat. Bariu). Substanța simplă bariu (număr CAS: 7440-39-3) este un metal alcalino-pământos moale, maleabil, alb-argintiu. Are activitate chimică ridicată.

Fiind în natură

Minerale rare de bariu: feldspat celsian sau de bariu (aluminosilicat de bariu), hialofan (aluminosilicat mixt de bariu și potasiu), nitrobarit (nitrat de bariu) etc.

Obținerea de bariu

Se poate obține metal căi diferite, în special în timpul electrolizei unui amestec topit de clorură de bariu și clorură de calciu. Este posibil să se obțină bariu prin refacerea acestuia din oxid prin metoda aluminotermă. Pentru a face acest lucru, witherita este arse cu cărbune și se obține oxid de bariu:

BaCO3 + C > BaO + 2CO.

Apoi un amestec de BaO cu pulbere de aluminiu este încălzit în vid la 1250°C. Vaporii de bariu redus se condensează în părțile reci ale tubului în care are loc reacția:

3BaO + 2Al > Al2O3 + 3Ba.

Este interesant că peroxidul de bariu BaO 2 este adesea inclus în compoziția amestecurilor de aprindere pentru aluminotermie.

Obținerea oxidului de bariu prin simpla calcinare a witheritei este dificilă: witherita se descompune numai la temperaturi peste 1800°C. Este mai ușor să obțineți BaO prin calcinarea azotatului de bariu Ba (NO 3) 2:

2Ba (NO 3) 2 > 2BaO + 4NO 2 + O 2.

Atât electroliza, cât și reducerea cu aluminiu produc un metal alb strălucitor moale (mai dur decât plumbul, dar mai moale decât zincul). Se topește la 710°C, fierbe la 1638°C, densitatea sa este de 3,76 g/cm 3 . Toate acestea corespund pe deplin poziției bariului în subgrupul metalelor alcalino-pământoase.

În 1808, Davy Humphrey a obținut bariu sub formă de amalgam prin electroliza compușilor săi.

Chitanță:

În natură, formează mineralele barita BaSO 4 și witherita BaCO 3 . Obținut prin aluminotermie sau descompunerea azidei:
3BaO+2Al=Al2O3+3Ba
Ba(N 3) 2 \u003d Ba + 3N 2

Proprietăți fizice:

Un metal alb argintiu cu un punct de topire și de fierbere mai mare și cu o densitate mai mare decât metalele alcaline. Foarte moale. Tm. = 727°C.

Proprietăți chimice:

Bariul este cel mai puternic agent reducător. În aer, devine rapid acoperit cu o peliculă de oxid, peroxid și nitrură de bariu, se aprinde atunci când este încălzit sau pur și simplu zdrobit. Interacționează puternic cu halogenii, atunci când este încălzit cu hidrogen și sulf.
Bariul reacționează energic cu apa și acizii. Stocat ca Metale alcaline, în kerosen.
În compuși, prezintă o stare de oxidare de +2.

Cele mai importante conexiuni:

oxid de bariu. Un solid care reacționează puternic cu apa pentru a forma hidroxid. Absoarbe dioxidul de carbon, transformându-se în carbonat. Când este încălzit la 500 ° C, reacţionează cu oxigenul pentru a forma peroxid
peroxid de bariu BaO 2 , substanță albă, slab solubilă, agent oxidant. Folosit în pirotehnică, pentru a produce peroxid de hidrogen, înălbitor.
hidroxid de bariu Ba(OH)2, Ba(OH)2 octahidrat *8H20, incolor. cristal, alcali. Folosit pentru a detecta ionii de sulfat și carbonat, pentru a purifica grăsimile vegetale și animale.
săruri de bariu cristale incolore. substante. Sărurile solubile sunt foarte toxice.
Clorură bariul se obține prin interacțiunea sulfatului de bariu cu cărbunele și clorura de calciu la 800°C - 1100°C. Reactiv pentru ion sulfat. folosit în industria pielăriei.
Nitrat bariu, azotat de bariu, o componentă a compozițiilor pirotehnice verzi. Când este încălzit, se descompune formând oxid de bariu.
Sulfat bariul este practic insolubil în apă și în acizi, prin urmare este ușor toxic. folosit pentru albirea hârtiei, pentru fluoroscopie, umplutură de beton barit (protecție împotriva radiațiilor radioactive).

Aplicație:

Bariul metalic este folosit ca componentă a unui număr de aliaje, un dezoxidant în producția de cupru și plumb. Sărurile de bariu solubile sunt otrăvitoare, MPC 0,5 mg/m 3 . Vezi si:
SI. Venetsky Despre rare și împrăștiate. Povești de metal.

Bariu(lat. Baryum), Ba, element chimic grupa II a sistemului periodic al lui Mendeleev, numărul atomic 56, masa atomică 137,34; metal alb argintiu. Este format dintr-un amestec de 7 izotopi stabili, dintre care predomină 138 Ba (71,66%). În timpul fisiunii nucleare a uraniului și plutoniului se formează un izotop radioactiv 140 Ba, care este folosit ca trasor radioactiv. Bariul a fost descoperit de chimistul suedez K. Scheele (1774) sub formă de oxid de BaO, numit „pământ greu”, sau barit (din grecescul barys – greu). Bariu metal (sub formă de amalgam) a fost obținut de chimistul englez G. Davy (1808) prin electroliza hidroxidului de Ba(OH)2 umed cu un catod de mercur. Conținutul de bariu în Scoarta terestra 0,05% din greutate, nu se găsește în natură în stare liberă. Dintre mineralele de bariu, baritul (spat greu) BaSO 4 și mai puțin obișnuit witherit BaCO 3 sunt de importanță industrială.

Proprietățile fizice ale bariului. Rețeaua cristalină a bariului este cubică centrată pe corp cu o perioadă a = 5,019Å; densitate 3,76 g/cm 3, t nl 710 ° C, t bp 1637-1640 ° C. Bariul este un metal moale (mai dur decât plumbul, dar mai moale decât zincul), duritatea sa pe scara mineralogică este 2.

Proprietățile chimice ale bariului. Bariul îi aparține metale alcalino-pământoaseși prin proprietăți chimice asemănătoare calciului și stronțiului, depășindu-le ca activitate. Bariul reacționează cu majoritatea celorlalte elemente pentru a forma compuși în care este de obicei 2-valent (la exterior învelișul de electroni Atomul de bariu are 2 electroni, configurația sa este 6s 2). Bariul se oxidează rapid în aer, formând o peliculă de oxid (precum și peroxid și nitrură de Ba 3 N 2) la suprafață. Când este încălzită, se aprinde ușor și arde cu o flacără galben-verde. Apa descompune puternic, formând hidroxid de bariu: Ba + 2H 2 O \u003d Ba (OH) 2 + H 2. Datorită reactivității sale, bariul este depozitat sub un strat de kerosen. oxid de BaO - cristale incolore; în aer, se transformă cu ușurință în carbonat BaCO 3, interacționează puternic cu apa, formând Ba (OH) 2. Prin încălzirea BaO în aer la 500 °C, se obține peroxid de BaO2, care se descompune la 700 °C în BaO și O2. Prin încălzirea peroxidului cu oxigen la presiune ridicată se obține peroxidul mai mare BaO 4 - o substanță galbenă care se descompune la 50-60°C. Bariul se combină cu halogeni și sulf, formând halogenuri (de exemplu, BaCl 2) și sulfură de BaS, cu hidrogen - hidrură de BaH 2, care se descompune rapid cu apă și acizi. Dintre sărurile de bariu utilizate în mod obișnuit, clorura de bariu BaCl 2 și alte halogenuri, azotatul Ba (NO 3 ) 2, sulfura BaS, cloratul Ba (ClO 3) 2 sunt foarte solubili, sulfatul de bariu BaSO 4, carbonatul de bariu BaCO 3 și cromat BaCrO 4 sunt puțin solubile.

Obținerea de bariu. Principala materie primă pentru obținerea Bariului și a compușilor săi este baritul, care este redus de cărbune în cuptoarele cu flacără: BaSO 4 + 4C = BaS + 4CO. BaS solubil rezultat este procesat în alte săruri de bariu. Principala metodă industrială de obținere a Bariului metalic este reducerea termică a oxidului său cu pulbere de aluminiu: 4ВаО + 2Al = 3Ва + ВаО·Al 2 О 3 .

Amestecul este încălzit la 1100-1200°C sub vid (100 mn/m2, 10-3 mmHg). Bariul scapă, așezându-se pe părțile reci ale aparatului. Procesul se desfășoară în dispozitive electrovacuum cu acțiune periodică, care permit efectuarea secvenţială de reducere, distilare, condensare și turnare a metalului, obținând un lingot de bariu într-un singur ciclu tehnologic. Prin dublă distilare în vid la 900°C, metalul este purificat până la un conținut de impurități mai mic de 1,10 -4%.

Aplicarea bariului. Aplicația practică a bariului metalic este mică. De asemenea, este limitat de faptul că manipulările cu bariu pur sunt dificile. De obicei, bariul este fie plasat într-o înveliș de protecție din alt metal, fie aliat cu un metal care face bariul rezistent. Uneori, metalul de bariu este obținut direct în dispozitive prin plasarea tabletelor dintr-un amestec de oxizi de bariu și aluminiu în ele și apoi reducerea termică este efectuată în vid. Bariul, precum și aliajele sale cu magneziu și aluminiu, este folosit în tehnologia de vid înalt ca absorbant al gazelor reziduale (getter). În cantități mici, bariul este folosit în metalurgia cuprului și plumbului pentru dezoxidarea și purificarea lor de sulf și gaze. La unele materiale anti-fricțiune se adaugă o cantitate mică de bariu. Astfel, adăugarea de bariu la plumb crește semnificativ duritatea aliajului utilizat pentru fonturile tipografice. Aliajele bariu-nichel sunt folosite la fabricarea electrozilor pentru bujiile incandescente din motoare și în tuburile radio.

Compușii de bariu sunt utilizați pe scară largă. Peroxidul de BaO 2 este folosit la producerea peroxidului de hidrogen, la înălbirea mătăsii și a fibrelor vegetale, ca dezinfectant și ca unul dintre componentele amestecurilor de aprindere în aluminotermie. Sulfura de BaS este folosită pentru îndepărtarea părului de pe piele. Perclorat Ba (ClO 4) 2 este unul dintre cei mai buni desicanți. Nitratul de Ba(NO 3) 2 este utilizat în pirotehnică. Sărurile de bariu colorate - cromat de BaCrO 4 (galben) și manganat de BaMnO 4 (verde) - sunt pigmenți buni în fabricarea vopselelor. Platinocianatul de bariu Ba acoperă ecranele atunci când se lucrează cu raze X și radiații radioactive (fluorescența galben-verde strălucitoare este excitată în cristalele acestei săruri sub acțiunea radiației). Titanatul de bariu ВаТiO 3 este unul dintre cei mai importanți feroelectrici. Deoarece bariul absoarbe bine razele X și radiațiile gamma, acesta este introdus în compoziția materialelor de protecție din instalațiile de raze X și reactoarele nucleare. Compușii de bariu sunt purtători inerți în extracția radiului din minereurile de uraniu. Sulfatul de bariu insolubil este netoxic și este utilizat ca masă de contrast în examinarea cu raze X a tractului gastrointestinal. Carbonatul de bariu este folosit pentru a ucide rozătoarele.

bariu în organism. Bariul este prezent în toate organele plantelor; conținutul său în cenușă de plante depinde de cantitatea de bariu din sol și variază de la 0,06-0,2 până la 3% (în depozitele de barit). Coeficientul de acumulare al Bariului (Bariu în frasin / Bariu în sol) la plantele erbacee este de 0,2-6, la plantele lemnoase 1-30. Concentrația de bariu este mai mare în rădăcini și ramuri, mai puțin - în frunze; crește pe măsură ce lăstarii îmbătrânesc. Pentru animale, Bariul (sărurile sale solubile) este otrăvitor, astfel că ierburile care conțin mult Bariu (până la 2-30% în cenușă) provoacă otrăvire la ierbivore. Bariul se depune în oase și în cantități mici în alte organe ale animalelor. O doză de 0,2-0,5 g de clorură de bariu provoacă otrăvire acută la om, 0,8-0,9 g - moarte.