Барий

Барият (Ba) е химичен елемент, сребрист мек метал от групата на алкалоземните метали (група 2), период 6, с атомен номер 56, относителна атомна маса 137,33 и степени на окисление +1 и +2, като +2 е най-характерна. Висшият оксид е силно основен.

Барий
Барий – сребристо-сив метал Сребристо-сив метал
Спектрални линии на барий Спектрални линии на барий Спектрални линии
Цезий ← Барий → Лантан Sr ↑ Ba ↓ Ra H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og Периодична система
Общи данни
Име, символ, Z	Барий, Ba, 56
Група, период, блок	2, 6, s
Химическа серия	алкалоземен метал
Електронна конфигурация	[Xe] 6s2
e- на енергийно ниво	2, 8, 18, 18, 8, 2
CAS номер	7440-39-3
Свойства на атома
Атомна маса	137,327 u
Атомен радиус (изч.)	215 (253) pm
Ковалентен радиус	215±11 pm
Радиус на ван дер Ваалс	268 pm
Степен на окисление	2, 1
Оксид	BaO (силно основен)
Електроотрицателност (Скала на Полинг)	0,89
Йонизационна енергия	I: 502,9 kJ/mol II: 965,2 kJ/mol III: 3600 kJ/mol
Физични свойства
Агрегатно състояние	твърдо вещество
Кристална структура	кубична обемноцентрирана
Плътност	3510 kg/m3
Температура на топене	1000 K (727 °C)
Температура на кипене	2118 K (1845 °C)
Моларен обем	39,125×10-6 m3/mol
Специф. топлина на топене	7,12 kJ/mol
Специф. топлина на изпарение	142 kJ/mol
Налягане на парата P (Pa) 1 10 102 103 104 105 T (K) 911 1038 1185 1388 1686 2170
Скорост на звука	1620 m/s при 20 °C
Специф. топл. капацитет	205 J/(kg·K)
Специф. електропроводимост	2,9×106 S/m при 20 °C
Специф. ел. съпротивление	0,332 Ω.mm2/m при 20 °C
Топлопроводимост	18,4 W/(m·K)
Магнетизъм	парамагнитен[1]
Модул на еластичност	13 GPa
Модул на срязване	4,9 GPa
Модул на свиваемост	9,6 GPa
Твърдост по Моос	1,25
История
Наименуван	от гръцкото βαρύς – „тежък“
Откритие	Карл Вилхелм Шееле (1772 г.)
Изолиране	Хъмфри Дейви (1808 г.)
Най-дълготрайни изотопи
Изотоп ИР ПП ТР ПР 130Ba 0,11 % (1,6±1,1)×1021 г. εε 130Xe 132Ba 0,1 % стабилен 133Ba синт. 10,51 г. ε 133Cs 134Ba 2,42 % стабилен 135Ba 6,59 % стабилен 136Ba 7,85 % стабилен 137Ba 11,23 % стабилен 138Ba 71,7 % стабилен
Барий в Общомедия

Откриване

Минералът барит (BaSO₄) е известен като „тежък камък“ в началото на 16 век.^[2] Тогава алхимиците се надяват, че съдържа злато, поради което го нагряват с дървени въглища, но така се получава само фосфоресциращото вещество BaS.

Барият е открит като бариев оксид в минерала магнезия (магнезиев оксид) през 1772 г. от Карл Шееле.

През 1774 г. Шееле изследва минерала пиролузит (MnO₂). Пре пречистването му той отделя незначително количество BaO, който првръща в сулфат. Изпраща няколко такива кристала на своя колега Йохан Готлиб Ган, откривателя на мангана. Месец по-късно Ган установява, че този сулфат е идентичен на барит.

През 1808 г. Хъмфри Дейви изолира елемента в чист вид чрез електролиза.

Името на бария произлиза от гръцки, което означава „тежък“.

Разпространение

Барият е сравнително широко разпространен елемент и със своите 0,05% е на 14-о място по разпространение сред елементите в земната кора.^[2] Той е сравнително силно активен и винаги е свързан с други елементи под формата на минерали – главно под формата на минералите барит (BaSO₄) и витерит (BaCO₃), които се добиват по минен начин. Минералът бенетоит (BaTiSi₃O₄), който се смята за скъпоценен камък, се среща много рядко, в обкръжение с други минерали. Въпреки че барият има свои минерали и е съсредоточен на определени места в земната кора, той е силно разсеян.

Физични свойства

Барият е сребристобал блестящ метал с много висока температура на топене. Има атомно тегло 137,327. Барият е малко по-твърд от оловото. Има кубично стеноцентрична кристална решетка. Притежава средна твърдост^[3] и се поддава на механична обработка.

Изотопи

Барият има седем стабилни изотопа: ¹³⁰Ba, ¹³²Ba, ¹³⁴Ba, ¹³⁵Ba, ¹³⁶Ba, ¹³⁷Ba, ¹³⁸Ba.

Два от стабилните изотопи на бария имат период на полуразпад – ¹³⁰Ba (>4×10²¹ г., двоен β⁺–разпад) и ¹³²Ba (>3×10²⁰ г., двоен β⁺–разпад), които времена на полуразпад са многократно по-големи от възрастта на Земята.

Получени и изследвани са 32 радиоактивни изотопа на бариа, Най-дългоживущият от тях е ¹³³Ba, който има период от 10,5 години. Останалите имат живот дни, часове, секунди и части от секундата. Известни са и 9 изомера в областта A от 115 до 153.^[2]

Радиоактивните изотопи с A от 138 до 145 са продукти от деленето на урана.^[2]

Химични свойства

Барият е двувалентен и има електронната структура KLMN5s²5p⁶6s² – прибавя 6s-електрон се в сранение с Cs. Има ясноизразен електроположителен характер.^[3]

Свойствата на бария са подобни на тези на стронция и калция. Притежава редуциращи свойства:

${\displaystyle {\ce {3Ba + Al2S3 -> 3BaS + 2Al}}}$.^[2]

Той реагира екзотермично с кислорода при стайна температура:

${\displaystyle {\ce {2Ba + O2 -> 2BaO + Q}}}$.

На въздух се покрива с жълта корица от оксид, пероксид, хидроксид и нитрат.^[3]

Барият и неговите летливи соли горят със зелен (жълто-зелен) пламък.^[3]

Разтваря се в течен амоняк, като механизмът на възламеняването е аналогичен на този при алкалните метали. От разтвора е изолирано твърдо амонячно съединение с медно-златист цвят, което лесно се разлага:

${\displaystyle {\ce {Ba(NH3)6 -> Ba(NH2)2 + 4NH3 + H2}}}$.^[3]

Самовъзпламениява се при удар и реагира лесно с неметали:

${\displaystyle {\ce {Ba + H2 -> BaH2}}}$;

${\displaystyle {\ce {Ba + Cl2 -> BaCl2}}}$;

${\displaystyle {\ce {Ba + S -> BaS}}}$.

Взаимодейства силно с киселините:

${\displaystyle {\ce {Ba + 2HCl -> BaCl2 + H2 ^}}}$.

Лесно разлага водата, образувайки хидроксид:

${\displaystyle {\ce {Ba + 2H2O -> Ba(OH)2 + H2 ^}}}$.

Съединения

Химичната връзка в съединенията на бария е в голяма степен йонна. Йонът Ba²⁺ има конфигурация на благороден газ, оказващ слабо поляризиращо действие, поради което съединенията му са предимно безцветни. Оцветяването при някои от тях се дължи на аниона. Здравата връзка в съединенията на бария и голямата енергия на кристалната решетка определя малката разтворимост на някои негови съединения – флуорид, сулфат, фосфат, карбонат и оксалат.^[3] Солите с анионите Cl^-, Br^-, I^-, S^2-, CN^-, NO-
3, CH₃COO^- и SCN^- са много разтворими.

Халогениди

Бариевите халогениди се получават при взаимодействие на с BaCO₃ и съответната халогеноводородна киселина:^[3]

${\displaystyle {\ce {BaCO3 + 2HX -> BaX2 + H2CO3}}}$.

Бариевият дифлуорид се използва в безоксидните стъкла.

Бариевият дихлорид кристализира с 2 молекули вода – BaCl₂•2H₂O, което е уникално за 2 група.^[3] Той намира приложение като реактив за откриване на SO-
4 йони и в селското стопанство за борба с някои вредители по растенията.^[2]

Оксиди и хидроксид

Бариевият оксид има йонна връзка, висока температура на топене и кристализира в кубична сингония тип NaCl.^[3]

Бариевият оксид се получава при термична дисоцияция на BaCO₃:

${\displaystyle {\ce {BaCO3 ->[{1360°C}] BaO + CO2 ^}}}$

Получава се по-лесно при тепмично разлагане на Ba(NO₃)₂:

${\displaystyle {\ce {2Ba(NO3)2 ->[{1000°C}] 2BaO + 4NO2 + O2}}}$.

В пламъка на водородната горелка излъчва ярка светлина. Реагира с H₂O и CO₂ до карбонат.

Бариевит пероксид е стабилно съединение. Получава се при нагряване на BaO в струя кислород:

${\displaystyle {\ce {2BaO + O2 <=>[{600°C}][{800°C}] 2BaO2}}}$.^[3]

Бариевият дихидроксид се доближава до алкалните основи.^[3] Кристализира в хидратна форма – Ba(OH)₂•8H₂O. Много наситен разтвор на Ba(OH)₂ под названието баритова вода се използва като чувствителен реактив за откриването на CO₂.

Съединения с кислородсъдържащи киселини

Анионите на кислородсъдържащите киселини са големи по размери, симетрично изградени и затова сравнитетлно слабо се поляризират при взаимодействие с бария.^[3]

Най-важните неразтворими соли на бария са карбонатите, оксалатите, хроматите, фосфатите и нитратът.^[2]

Бариевият карбонат може да бъде получен от BaO. Взаимодейства сравнително лесно с TiO₂:

${\displaystyle {\ce {BaCO3 + TiO2 ->[{700-800°C}] BaTiO3 + CO2 ^}}}$.^[2]

Бариевият титанат е ценен сенгетоелектрик и пиезоелектрик с висок коефициент на диелектричната константа.^[2]

Бариевият сулфат се използва за смазка при пробиването на петролни кладенци и в рентгенографска диагностика на храносмилателната система, тъй като поглъща рентгеновите лъчи. Служи и за пълнител при производството на различни видове гума и на по-висококачествена хартия.^[2] Смес от BaSO₄ и ZnS е бялата боя литопон, която не потъмнява на въздух.^[3] Получава се при смесване на разтвори от бариев сулфид и цинков сулфат:

${\displaystyle {\ce {BaS + ZnSO4 -> BaSO4 + ZnS}}}$.

Бариевят нитрат кристализира безводен – BaNO₃. Разлага се при загряване до нитрит, а след това дава оксид. В присъствие на окислител и горливо вещество, например KClO₄, S, C, оцветява пламъка в характерно жълто-зелено и се използва за фойерверки.^[3]

Известни са разтворими бариеви соли с оксокиселините на хлора.

Други съединения

Бариевият хидрид се получава при директен синтез на елементите при загряване. Това е бяло кристално вещество с йонна връзка и прилича на хидридите на алкалните метали.^[3] При загряване във въздуха изгаря:

${\displaystyle {\ce {BaH2 +O2 ->[{t°}] BaO + H2O}}}$.

Реагира с водата:

${\displaystyle {\ce {BaH2 + H2O -> Ba(OH)2 + H2 ^}}}$.

При висока темепература барият дава карбид и силицид. Нитридът (Ba₃N₂) се получава чрез пряк синтез при обикновена температура.^[3] Със сярата дава сулфид (BaS) и полисулфиди (BaS_n).^[3]

Дава много комплекси с органични лиганди, особено ако имат нуколко донорни атома.^[3]

Получаване

Получаването на метален барий се основан.ва на елес.ктролизата на стопен BaCl₂ или чрез редукция чрез алуминий на смес от BaO и BaO₂ в електрически нагреваема вакуумна пещ.^[2]

Той също може да бъде получен при металотермична редукция на BaO с алуминий:^[3]

${\displaystyle {\ce {4 BaO + 2Al -> 3Ba ^ + Ba(AlO2)2}}}$.

Процесът се провежда във вакуум при 1200 °C. При тези условия полученият метал се отделя във вид на пари.

Поради това, че барият е сравнително много разсеян в природата, неговото добиване е трудно и изисква значително количество енергия, поради което цената му е твърде висока.^[2]

Приложение

Най-честата употреба на този елемент е във вакуумните тръби – като гетер в електронните вакуумни прибори за подобряване на вакуума, като при неговото нагряване взаимодейства с остатъчните следови газове в обема,^[2] луминисцентните лампи, в пиротехниката (съединенията на бария горят със светлозелен пламък) и производството на свещи за автомобили. Някои съединения на бария се употребяват също и във фотографията, медицината, производството на стъкло и бои и др.

Използва се също като разкислител при пречистването на медта.

Барият формира сплави с метали като Al, Ni, Zn, Pb, Sn.^[2] Сплав на барий с никел лесно изпуска електрони при нагряване и се използва в електронните тръби.

Физиологично действие

Приемането на по-високи дози барий причинява стомашно-чревни разстройства, мускулна слабост, затруднено дишане и повишаване или спадане на кръвното налягане.

Разтвориимите бариеви съединения на бария са токсични за хората, животните и растенията.^[2]