Оксид бария: получение и применение

Многообразие окружающего мира не перестает удивлять человечество. Исследователи открывают перед нами новые горизонты, основываясь на полученных результатах предыдущего поколения. В этом смысле химия – наука, которая не может быть полностью изученной, современные технологические решения находят наиболее оптимальные и необходимые области применения для уже познанных человечеством элементов. XIX век стал временем открытий, XXI – периодом более эффективного их использования. Например, оксид бария, - вещество, изученное многосторонне, но кто знает, какие новые технологии будут связаны с ним в будущем.

Барий

Щелочноземельный металл, который входит в состав земной коры привлек внимание химиков в XVIII веке. Первое упоминание об этом элементе связано с его кислородным соединением – оксидом бария. Он имеет очень высокую для своего вида плотность, поэтому получил название «тяжелый», которое в дальнейшем стало названием самого элемента. Металл химически активен, поэтому для его получения в чистом виде необходимо провести ряд реакций в присутствии катализатора. Наиболее распространенным в природе минералом, содержащим барий, является его сульфат BaSO₄ (тяжелый шпат барит) и BaCO₃ (витерит). Именно с данными соединениями связан процесс получения такого вещества, как оксид бария. В дальнейшем оно используется для выделения металла в чистом виде и имеет собственные направления применения.

Важнейшие соединения

Как и все типичные металлы, барий вступает в химическую реакцию с кислородом, при этом полученное вещество зависит от условий процесса и катализатора. Например, простая реакция окиси с водой дает возможность образовывать Ba(OH)_{2 -} гидроксид бария. Оксид бария получают из нитрата. Типичны соединения со всеми галогенами: BaF₂, BaCI₂, BaI₂, BaS, BaBr₂. Образование нитратов, сульфидов, сульфатов, происходит за счет взаимодействия минералов с соответствующими кислотными растворами. На сегодняшний день все важнейшие соединения бария находят свое применение. Но исключить новые открытия в сферы использования данного вещества нельзя, с ростом технологичности приборов его значение будет только возрастать как на промышленном, так и на бытовом уровне.

Оксиды

Бинарная связь химического элемента с кислородом наиболее распространенная форма вещества в природе. При этом оксиды образуют металлы и неметаллы. Именно характеристика элемента при взаимодействии с кислородом стала основой формирования периодической системы Менделеева Д. И. Для металлургической отрасли наиболее приемлемым способом выделения вещества является процесс его получения из оксида. Предварительно металлическая природная руда (соли металлов) подвергается различным химическим воздействиям, направленным на получение окиси. Как правило, данный процесс сопровождается нагреванием до необходимой температуры. Исключением не является и оксид бария. Формула полученного вещества имеет вид: BaO. Оксиды можно получить и другими способами. Например, из гидроксидов, солей и самих оксидов более высокой степени окисления.

Оксид бария

Прежде всего необходимо отметить, что все соединения данного металла токсичны (исключение составляет сульфат), поэтому требуется соблюдать элементарные правила безопасности при работе. Это касается многих химических элементов. Другое название – барит безводный - не следует путать с сульфатом, который является природным минералом. В нормальных (стандартных) условиях белые кристаллы или порошок, иногда бесцветные с типичной решеткой кубического вида, являются соединением металла с кислородом и называются оксид бария. Формула вещества - BaO. Техническая модификация оксида может иметь серый цвет, который ему придает уголь, не полностью выведенный из состава.

Физические свойства

Типичное агрегатное состояние оксида твердое, плотность 5,72 (20⁰С), молярная масса – 153,34 г/моль. Соединение имеет достаточно высокую теплопроводность 4,8-7,8 Вт/(мК)(80-1100К), и тугоплавкость температура кипения – 2000⁰С, плавления – 1920⁰С. Оксид бария был открыт в 1774 году Шееле Карлом Вильгельмом.

Получение

Существует несколько способов выделения такого вещества, как оксид бария. Применяются они в соответствии с поставленной целью и количеством получаемого вещества. Для лабораторных и промышленных условий подходят все способы, поэтому как получить оксид бария выбирает производитель. Применяемые методы:

1. Кальцинированием предварительно осажденного нитрата бария, которое происходи с выделением чистого кислорода. 2Ba(NO₃)₂ = 2BaO + 4NO₂ + O₂.
2. Реакция взаимодействия с кислородом металлического бария. 2Ba + O₂ = 2BaO. Катализатором служит температура 500-600⁰С, в этом случае не исключено получение пероксида. 2Ba + O₂ = 2BaO₂. При дальнейшем нагревании до 700⁰С вещество распадается на свободный кислород и оксид бария.
3. Для процесса разложения карбоната бария на оксид и углекислый газ необходимо воздействие высокой температуры. BaCO₃ = BaO + CO₂. Для получения более чистого конечного вещества необходимо удалить излишки углекислорода.

Химические свойства

Большинство бинарных соединений металла с кислородом проявляют основные свойства. Уравнение оксида бария (формула ВаО) показывает, что данное вещество относится именно к таким окислам. При этом данное соединение является солеобразующим. Типичные химические взаимодействия происходят со следующими классами веществ:

1. Взаимодействие с водой происходит достаточно бурно, с выделением тепла и образование щелочного раствора. BaO + H₂O = Ba(OH)₂.
2. С кислородом оксид взаимодействует при наличии катализатора (высокая температура 600-500⁰С), результатом является пероксид, разлагаемый в дальнейшем на составные части для выделения чистого металла или оксида. При этом необходимо увеличить нагрев до 700⁰С. 2Ba + O₂ = 2BaO₂.
3. Как типичный основной оксид бария взаимодействует с кислотами, в результате химической реакции получается вода и соответствующая соль. BaO + H₂SO₄ = H_2O + BaSO₄ или BaO + 2HCI = H₂O + BaCI_2.
4. Кислотные оксиды вступают в реакцию с BaO, результатом взаимодействия являются соли. BaO + CO₂ = BaCO₃ или BaO + SO₃ = BaSO₄.
5. Для высвобождения чистого бария оксид прокаливают с металлами, которые забирают выделяемый кислород. В качестве таковых выступают кремний, алюминий, цинк или магний.

Применение

Барий и его соединения дают очень мощную яркость цвета при покрытии поверхности других веществ. Поэтому оксиды марганца и бария служат единицами измерения коэффициента яркости. Используется для получения зеленого цвета в пиротехнике, при декоративной отделке в составе глазурей и эмалей. Достаточно низкая стоимость обработки и получения, высокий уровень выделения тепла дает возможность использования окисла в качестве катализатора при проведении химических реакций. В частности, данное вещество применяется для выделения чистого металла (Ва), получения гидроксида и пероксида. Производство керамики, используемой при наиболее низких температурах (жидкий азот), происходит с участием оксида бария. В процесс синтеза включаются редкоземельные металлы и окись меди. Достаточно широк спектр применения вещества в приборостроении. Оксид бария используется для покрытия осциллографических и телевизионных трубок, различных видов катодов, электронновакуумных изделий. Служит в качестве активной массы для мощных аккумуляторов медноокисного вида. Оксид бария является одним из основных элементов в составе стекла, которое имеет достаточно специфичное направление применения, используется для покрытия поверхности стержней из урана. Для создания оптических стекол данное вещество так же незаменимо.