Что такое бария сульфат? Как получают сульфат бария?

Бария сульфат – это неорганическое вещество с химической формулой BaSO₄. Представляет собой белый порошок без запаха, нерастворимый в воде. Его белизна и непрозрачность, а также высокая плотность определяют основные области применения.

История названия

Барий относится к щёлочноземельным металлам. Последние названы так потому, что, по словам Д. И. Менделеева, их соединения образуют нерастворимую массу земли, а окислы "имеют землистый вид". Барий в природе содержится в виде минерала барита, который представляет собой бария сульфат с различными примесями.

Впервые он был обнаружен шведскими химиками Шееле и Ганом в 1774 году в составе так называемого тяжелого шпата. Отсюда возникло и название минерала (от греч. «барис» – тяжелый), а затем и самого металла, когда в 1808 г. его выделил в чистом виде Гемфри Деви.

Физические свойства

Поскольку BaSO₄ – это соль серной кислоты, то ее физические свойства отчасти определяются самим металлом, который является мягким, химически активным и серебристо-белым. Природный барит бесцветен (иногда белый) и прозрачен. Химически чистый BaSO₄ имеет цвет от белого до бледно-желтого, он негорючий, с температурой плавления 1580°С.

Какая масса сульфата бария? Молярная масса его равна 233,43 г/моль. Он обладает необычайно высоким удельным весом – от 4,25 до 4,50 г/см³. Учитывая нерастворимость в воде, высокая плотность делает его незаменимым в качестве наполнителя водных буровых растворов.

Химические свойства

BaSO₄ – это одно из самых труднорастворимых в воде соединений. Его можно получить из двух хорошо растворимых солей. Возьмем водный раствор натрия сульфата – Na₂SO₄. Его молекула в воде диссоциирует на три иона: два Na⁺ и один SO₄ ^2-.

Na₂SO₄ → 2Na⁺ + SO₄ ^2-

Возьмем также водный раствор хлорида бария – BaCl₂, молекула которого диссоциирует на три иона: один Ba²⁺ и два Cl^- .

BaCl₂ → Ba²⁺ + 2Cl^-

Смешаем водный раствор сульфата и смесь, содержащую хлорид. Бария сульфат образуется в результате соединения в одну молекулу двух ионов с одинаковым по величине и противоположным по знаку зарядом.

Ba²⁺ + SO₄ ^2-→ BaSO₄

Ниже вы можете увидеть полное уравнение этой реакции (так называемое молекулярное).

Na₂SO₄ + BaCl₂ → 2NaCl + BaSO₄

В результате образуется нерастворимый осадок сульфата бария.

Товарный барит

На практике исходным сырьем для получения товарного сульфата бария, предназначенного для использования в буровых растворах при бурении нефтегазовых скважин, является, как правило, минеральный барит.

Термин "первичный" барит относится к товарной продукции, которая включает в себя сырой материал (получаемый из шахт и карьеров), а также продукты простого обогащения такими методами, как промывка, осаждение, сепарация в тяжелых средах, флотация. Большая часть сырого барита требует доведения его до минимальной чистоты и плотности. Минерал, который используется в качестве наполнителя, измельчают и просеивают до однородного размера так, чтобы, по меньшей мере, 97 % его частиц имели размер до 75 мкм, и не более 30 % были менее 6 мкм. Первичный барит также должен быть достаточно плотным, чтобы его удельный вес составил 4,2 г/см³ или выше, но при этом достаточно мягким, чтобы не повредить подшипники.

Получение химически чистого продукта

Минеральный барит зачастую загрязнен различными примесями, в основном оксидами железа, окрашивающими его в различные цвета. Он обрабатывается карботермическим способом (нагревом с коксом). В результате получается сульфид бария.

BaSO₄ + 4 С → BaS + 4 СО

Последний, в отличие от сульфата, растворим в воде и легко реагирует с кислородом, галогенами и кислотами.

BaS + Н₂SO₄ → BaSO₄ + Н₂S

Чтобы получить высокочистый выходной продукт, используется серная кислота. Сульфат бария, образуемый по такому процессу, часто называют бланфиксом, что в переводе с французского означает "белый фиксированный". Он часто встречается в потребительских продуктах, таких как краски.

В лабораторных условиях сульфат бария образуется путем объединения в растворе ионов бария и сульфат-ионов (см. выше). Поскольку сульфат является наименее токсичной солью бария из-за ее нерастворимости, отходы, содержащие другие его соли, иногда обрабатывают сульфатом натрия, чтобы связать весь барий, являющийся достаточно токсичным.

Из сульфата в гидроксид и обратно

Исторически барит использовался для производства гидроксида бария Ba(OH)₂, необходимого при рафинировании сахара. Это вообще очень интересное и широко используемое в промышленности соединение. Оно хорошо растворимо в воде, образует раствор, известный как баритовая вода. Ее удобно использовать для связывания сульфат-ионов в различных составах путем образования нерастворимого BaSO₄.

Выше мы видели, что при нагреве в присутствии кокса из сульфата легко получить водорастворимый сульфид бария – BaS. Последний же при взаимодействии с горячей водой образует гидроксид.

BaS + 2H₂O → Ba(OH)₂ + H₂S↑

Гидроксид бария и сульфат натрия, взятые в растворах, при смешивании дадут нерастворимый осадок сульфата бария и едкий натрий.

Ba(OH)₂ + Na₂SO₄ = BaSO₄ + 2NaOH

Получается, что природный бария сульфат (барит) промышленным способом сначала превращается в бария гидроксид, а затем служит для получения того же сульфата при очистке различных солевых систем от сульфат-ионов. Точно так же будет проходить реакция и при очистке от ионов SO₄ ^2- раствора сернокислой меди. Если сделать смесь "гидроксид бария + сульфат меди", то в результате получится гидроксид меди и нерастворимый бариевый сульфат.

CuSO₄ + Ba(OH)₂ → Cu(OH)₂ + BaSO₄↓

Даже в реакции с самой серной кислотой ее сульфат-ионы будут полностью связаны барием.

Использование в буровых растворах

Около 80 % мирового производства сульфата бария, очищенного и измельченного барита, потребляется в качестве компонента буровых растворов при создании нефтегазовых скважин. Добавка его увеличивает плотность жидкости, закачиваемой в скважину, с целью лучшего сопротивления высокому пластовому давлению и предотвращения прорывов.

Когда скважина бурится, долото проходит через различные образования, каждое из которых имеет свои характеристики. Чем больше глубина, тем больший процент барита должен присутствовать в структуре раствора. Дополнительным преимуществом является то, что бария сульфат – немагнитное вещество, поэтому он не мешает проведению различных измерений в скважине с помощью электронных устройств.

Лакокрасочная и бумажная промышленность

Большая часть синтетического BaSO₄ используется в качестве компонента белого пигмента для красок. Так, бланфикс в смеси с двуокисью титана (TiO₂) продается в качестве белой масляной краски, применяемой в живописи.

Сочетание BaSO₄ и ZnS (сульфид цинка) дает неорганический пигмент, который называется литопоном. Он используется в качестве покрытия для определенных сортов фотобумаги.

Совсем недавно бария сульфат был применен для осветления бумаги, предназначенной для струйных принтеров.

Применение в химической промышленности и цветной металлургии

В производстве полипропилена и полистирола BaSO₄ используют в качестве наполнителя в пропорции до 70 %. Он имеет эффект увеличения стойкости пластмасс к кислотам и щелочам, а также придает им непрозрачность.

Он также используется для производства других соединений бария, в частности его карбоната, который применяется для изготовления светодиодного стекла для телевизионных и компьютерных экранов (исторически в электронно-лучевых трубках).

Формы, используемые в отливке металлов, часто покрывают бария сульфатом для предотвращения сцепления с расплавленным металлом. Так поступают при изготовлении анодных медных пластин. Их отливают в медные изложницы, покрытые слоем сульфата бария. Когда жидкая медь затвердевает в виде готовой анодной пластины, она может быть легко извлечена из литейной формы.

Пиротехнические устройства

Поскольку соединения бария испускают зеленый свет при горении, то соли этого вещества часто используются пиротехнических формулах. Хотя нитрат и хлорат являются более распространенными, чем сульфат, последний широко используется в качестве компонента пиротехнических стробоскопов.

Рентгеноконтрастный препарат

Бария сульфат является рентгеноконтрастным агентом, используемым для диагностики определенных медицинских проблем. Так как подобные вещества являются непрозрачными для рентгеновских лучей (блокируют их в результате своей высокой плотности), то области тела, в которых они локализуются, появляются как белые участки на рентгеновской пленке. Это создает необходимое различие между одним (диагностируемым) органом и другими (окружающими его) тканями. Контраст поможет врачу увидеть любые особые условия, которые могут существовать в этом органе или части тела.

Бария сульфат принимается через рот или ректально при помощи клизмы. В первом случае он делает пищевод, желудок или тонкий кишечник непрозрачным для рентгеновских лучей. Таким образом, они могут быть сфотографированы. Если вещество введено при помощи клизмы, то толстую кишку или кишечник можно увидеть и зафиксировать рентгеновскими лучами.

Доза сульфата бария будет разной для разных пациентов, все зависит от типа теста. Препарат выпускается в виде специальной медицинской бариевой суспензии или в таблетках. Различные тесты, при которых нужен контраст и рентгеновское оборудование, требуют различного количества суспензии (в некоторых случаях необходим прием препарата в форме таблетки). Контрастное вещество должно использоваться только под непосредственным контролем врача.