Барий и Сульфат бария
Общие сведения
Барий представляет собой щелочноземельный металл с атомным номером 56. Оксид бария был открыт Карлом Вильгельмом Шееле в 1774 году, а металлический барий впервые получил Гемфри Дэви в 1808 году. Элемент является достаточно распространенным в природе. Его название происходит от греческого слова, означающего тяжелый, что обусловлено высокой плотностью данного элемента по сравнению с многими другими широко известными металлами. Стоимость бария составляет около тридцати долларов за килограмм.
Свойства и характеристики
Металлический барий является серебристо-белым парамагнитным металлом. При резком ударе он раскалывается, а наличие примесей ртути, часто встречающихся при получении металла амальгамным методом, придает ему дополнительную хрупкость. Температура плавления бария составляет 727 градусов Цельсия, а температура кипения достигает 1637 градусов Цельсия, благодаря чему он сохраняет твердое агрегатное состояние при значительном нагревании. Твердость по шкале Мооса варьируется от полутора до трех. С химической точки зрения барий проявляет степень окисления плюс два и отличается чрезвычайно высокой реакционной способностью. На воздухе он мгновенно окисляется, вступая в реакцию с кислородом и азотом, что приводит к образованию смеси оксида и нитрида бария. При взаимодействии с водой образуется сильная щелочь — гидроксид бария. Барий активно реагирует с кислотами, образуя соли, многие из которых, такие как сульфат, сульфит и карбонат бария, нерастворимы в воде. К растворимым соединениям относятся сульфид, цианид, тиоцианат, ацетат и галогениды бария. Металл образует гидриды при взаимодействии с аммиаком, карбид при нагревании с углем и фосфид в реакции с чистым фосфором. Соединения бария способны окрашивать пламя в характерный желто-зеленый цвет. Металлический барий и его растворимые соли, такие как хлорид, нитрит, гипохлорит, иодид, бромид, сульфид, хлорат, бромат и перманганат, обладают высокой токсичностью. При контакте чистого металла с кожей возникают тяжелые химические ожоги. Попадание хорошо растворимых солей бария в желудочно-кишечный тракт приводит к острому отравлению, сопровождающемуся слюнотечением, болями в желудке, тошнотой, рвотой, диареей, судорогами, мышечной слабостью, гипоксией, параличом глотки и языка, а в тяжелых случаях вызывает паралич сердца и внезапную смерть. В качестве антидотов применяются растворы сульфата натрия или сульфата магния, которые вступают в реакцию с растворимым барием и переводят его в нерастворимый и абсолютно безопасный сульфат бария. Сам сульфат бария химически инертен, не растворяется в воде и неорганических кислотах, за исключением концентрированной серной кислоты, с которой образует растворимый гидросульфат бария. При прокаливании с углем или коксом сульфат бария восстанавливается до сульфида, а при температурах около 1600 градусов разлагается на оксид бария и сернистый ангидрид. Водород восстанавливает сульфат бария до сульфида бария и воды.
Нахождение в природе
В природе барий встречается исключительно в виде соединений. Наиболее распространенными минералами являются барит, представляющий собой сульфат бария, и витерит, являющийся карбонатом бария. Формирование этих минералов связано с присутствием в окружающей среде оксидов серы и углерода, с которыми барий легко взаимодействует. Также известны более редкие барийсодержащие минералы, такие как алюмосиликаты цельзиан и гиалофан, а также нитробарит. Баритовые руды часто носят комплексный полиметаллический характер и могут быть баритосульфидными с включениями свинца, цинка и меди, а также баритокальцитовыми, железобаритовыми и баритофлюоритовыми. Природный барий состоит из шести стабильных изотопов с массовыми числами от 132 до 138. Существует также радиоактивный изотоп с массой 130, однако его период полураспада значительно превышает возраст Вселенной, что делает природный барий практически нерадиоактивным. В микроскопических количествах элемент присутствует в организме человека, при этом максимальная его концентрация обнаруживается в головном мозге, селезенке, мышцах и хрусталике глаза.
Получение
Промышленное получение бария осуществляется поэтапно из баритового концентрата, который выделяют из руд методом флотации. Исходный нерастворимый сульфат бария восстанавливают коксом или природным газом до сульфида бария. Полученный сульфид подвергают гидролизу при нагревании с образованием гидроксида бария. Далее щелочь переводят в карбонат бария, затем в оксид бария и в хлорид бария. Чистый металлический барий выделяют методом электролиза из хлорида бария. Таким образом, технологическая цепочка получения чистого металла требует перевода вещества через множество промежуточных солевых форм. Сульфат бария синтезируют путем взаимодействия растворимых солей, оксида, пероксида или гидроксида бария с серной кислотой. В промышленности белый порошок сульфата бария получают также непосредственно из минерала тяжелого шпата. Выпадение светлого нерастворимого осадка сульфата бария является классической качественной реакцией в аналитической химии для точного обнаружения ионов бария или серной кислоты.
Применение
В чистом виде металлический барий практически не применяется в связи со своей токсичностью и высокой реакционной способностью. Широкое применение находят его соединения. Оксид бария совместно с цирконием используется как антикоррозионный материал в жидкометаллических теплоносителях для снижения агрессивности среды по отношению к трубопроводам. Фторид бария востребован в оптической промышленности для изготовления линз. Нитрат и хлорат бария применяются в пиротехнике для создания огней зеленого цвета. Хромат бария задействован в атомно-водородной энергетике для термохимического получения водорода и кислорода. Пероксид бария служит компонентом при синтезе низкотемпературной сверхпроводящей керамики. В ядерной энергетике стекла на основе оксида бария и оксида фосфора используются для нанесения покрытий на урановые стержни. Различные соединения бария выступают компонентами химических источников тока, а также применяются в вакуумных электронных приборах. Наибольшее значение в промышленности и медицине имеет сульфат бария. Благодаря способности тяжелых атомов бария интенсивно поглощать рентгеновское излучение и полному отсутствию токсичности у очищенного нерастворимого соединения, он применяется в качестве рентгеноконтрастного вещества в виде суспензии при проведении рентгенографии желудочно-кишечного тракта. Медицинский фармакопейный препарат проходит строгий контроль на отсутствие ядовитых растворимых солей, в отличие от технического сульфата бария, применение которого внутрь недопустимо и исторически приводило к массовым отравлениям из-за примесей карбоната бария. В промышленности мелкокристаллический сульфат бария служит белым пигментом, известным как литопон или бланфикс. Он используется в производстве клеевых красок, как наполнитель для фотобумаги, компонент паст для травления стекла и огнеупорных материалов. В прошлом сульфат бария добавляли в пластик для производства деталей конструкторов, чтобы обеспечить их видимость на рентгеновских снимках при случайном проглатывании детьми, однако позже от этой практики отказались из-за потенциального риска наличия промышленных токсичных примесей. Баритовый концентрат также является важнейшим компонентом буровых растворов, применяемых при бурении нефтяных скважин.