Реферат: Барий и его соединения

Реферат

Барий иего соединения

Выполнилстудент: Глушков А.М

Принялпреподаватель:

Красноярск,2002 г.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ. 3

РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ В ПРИРОДЕ. 3

ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО БАРИЯ… 4

Термическое разложение гидрида и Ва(NH3)6 6

Электролиз хлорида бария. 6

Очистка. 6

ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА… 6

ПРИМЕНЕНИЕ. 8

СОЕДИНЕНИЯ (ОБЩИЕ СВОЙСТВА) 8

Неорганические соединения. 9

ПОЛУЧЕНИЕ ТИТОНАТА БАРИЯ… 12

Использование титоната бария в радиоэлектронике. 15

Список использованных источников. 16

Тяжелыйшпат, BaSO4, был первым известным соединением барин. Его открыл вначале XVII в. итальянский алхимик Касциароло. Он же установил, что этотминерал после сильного нагре­вания с углем светится в темноте красным светом идал ему название «ляпис соларис» (солнечный камень).

Окисьбария ВаО открыл в 1774 г. Шееле. Он назвал ее «тяжелой землей». В 1797 г.,прокаливая нитрат бария, Вокелен получил: окись бария. Карбонат бария былоткрыт в 1783 г. в Шотландии, и назван «витеритом».

 Металлическийбарий впервые получил Дэви в 1808 г. Название, «барий» происходит от слова«барис» (тяжелый).

   Вприроде барий встречается в виде соединений (сульфатов, карбонатов, силикатов,алюмосиликатов и т.д.) в различных минералах. Содержание бария в земной коре0,05 вес. % — больше, чем содержание стронция. Ниже перечислены важнейшиеминералы  бария:

   Барит(персидский шпат), BaSO4, содержит65,7 Ва0, встре­чается в виде гранул или бесцветных прозрачных трубчатыхкристаллов (иногда окрашенных примесями в желтый, коричневый, крас­ный, серый,голубой, зеленый или черный цвет) с плотностью 4,3—4,7 г/см3итвердостью 3—3,5 по шкале Mooca.Залежи барита есть в России, США, Франции, Румынии и других странах. В природевстречаются разновидности барита, которые содержат сульфат строн­ция(баритоцелестин), сульфат свинца и радия.

Баритприменяют в химической промышленности для получения солей бария, используемых впиротехнике, производстве красок и лаков, бумажной промышленности, дляприготовления фотобу­маги, цементирования рыхлых пород во время бурениянефтяных скважин, защитной облицовки стен рентгеновских камер.

Витерит, ВаСОз, содержит 77,7% Ва0. Встречаетсяв небольших количествах в России, Англии, Японии, США. Это белая масса с серо­ватымили желтым оттенком; твердость 3—3,5 по шкале Mooca, плотность 4,25—4,35 г/см".Некоторые разновидности витерита содер­жат карбонат кальция или карбонатстронция (ВаСО3*СаСО3, ВаСО3*SrСО3).

Гиалофан(бариевый полевой шпат) K2Ba[AI2Si4O12], встречается в виде прозрачных бесцвет­ных (или окрашенныхпримесями в желтый, голубой, красный цвета) моноклинных кристаллов с плотностью2,6—2,82 г1смР.

Известнытакже другие минералы бария:

бариевыйбрюстериг SrBa[Al2Si6O16(OH)2]*3H20, бариевыйапатит [Ba10(PO4)6]Cl2, бариевая селитра Ba(NO3)2

Соединениябария найдены во многих силикатных и известня­ковых породах, подземных иморских, водах, на солнце.

Металлическийбарий получают металлотермическим восстанов­лением окиси или хлорида бария,термическим разложением гидрида и нитрида бария или Ba(NH.3)e, электролизом расплавленного хло­ридабария (смесей BaCl2 и NaCI, BaCI2 и BaF2) илинасыщенного раствора BaCI2*H2O  на ртутном катоде. Во избежание контактов с воздухом все этипроцессы ведут в вакууме или защитной атмосфере. В процессе промышленнойпереработки барита или витерита получают хлорид или окись бария, из которыхметаллотермическим восстановлением вырабатывают технический барий (см. схему 1).

/>

Схема1       Восстановление окиси или хлорида бария

Впромышленности металлический барий получают термическим восстановлением окисибария порошком металлического алюминия (избыток) при температуре 1200—1250°.Процесс идет в вакууме (0,1 мм рт. ст.).

ЗВаО + 2А1 = ЗВа + Аl2О3— 25 ккал

Восстановлениепроводится в кварцевых или герметичных фарфоровых капсулах. После удалениявоздуха током водорода в них создается вакуум, затем окись бария и порошокалюминия в тече­ние 2—3 час нагревают при температуре 1250°. Поокончании восста­новления нагревание прекращают. После охлаждения перед разбор­койустановки в нее подают сухой воздух.

Силикотермическоевосстановление окиси бария проводится в вакууме в стальной трубке (температура1200°):

ЗВаО + Si = 2Ва + ВаSiO3 — 37 ккал

Впроцессе магнийтермического восстановления окиси бария в вакууме получаетсяметаллический барий. В этом случае обра­зуется промежуточный окисел Ba2O:

2ВаО + Mg = Ba2O + Mg0                Вa2О = Ва0 + Ва

Прицинкотермическом восстановлении окиси бария в вакууме образуется сплав цинка ибария.

Металлотермическоевосстановление хлорида бария натрием, калием или металлическим цинком в вакуумеприводит к образова­нию сплавов бария с натрием, бария с калием и бария сцинком. Если восстановление хлорида бария идет при нагревании с карби­домкальция CaC2, образуется сплав бария и кальция.

Термическаявакуумная диссоциация гидрида бария (900—1000°), нитрида Ва3N2 (160—180°) и Ва(NH3)6 (комнатная температура)сопровождается образованием металлического бария.

Приэлектролизе расплавленного хлорида бария (или расплавлен­ной смеси BaCl2— NaCI, BaCl2 — BaF2) с расплавленным свинцо­вым или оловянным катодомобразуются сплавы бария со свинцом или оловом. Во время электролиза насыщенногораствора хлорида бария на ртутном катоде образуется амальгама бария.

Электролитическийметод вследствие трудоемкости практически не используется в промышленности.

Сыройметаллический барий очищают перегонкой в вакууме (1—1,5 мм рт. ст.,температура 800°) в аппаратуре, подобной при­меняемой для очистки магния.

Барий— белый серебристый металл с объемно-центрированной кубической решеткой(модификация α-Ва устойчива ниже 375°, модификация β-Ва — от 375 до710°). Плотность бария 3,74 г1см3, твердость 3 по шкале Мооса(тверже свинца). Ковкий металл. При загрязнении ртутью становится хрупким. Т.пл. 710°, т. кип. 1696°. Соли бария окрашивают пламя газовой горелки вжелто-зеленый цвет.

Самыйважный радиоактивный изотоп бария — (β- и γ-активный 140Ва— образуется при распаде урана, тория и плутония; период полураспада 13,4 дня.140Ва извлекают хроматографически из смеси продуктов распада. Распадизотопа 140Ва сопровождается выделе­нием радиоактивного 140La.

Приоблучении цезия дейтронами образуется ядерный изотоп 133Ва спериодом полураспада 1,77 дней. Со свинцом, никелем, сурь­мой, оловом и железомбарий образует сплавы.

Барийхимически активнее кальция и стронция. Металлический барий хранят в герметичныхсосудах под петролейным эфиром или парафиновым маслом. На воздухе металлическийбарий теряет блеск, покрывается коричневато-желтой, а затем серой пленкой окисии нит­рида:

 Ва +1/202 = Ва0 + 133,1 ккал.

ЗВа +N2  =Ba3N2 + 89,9ккал

Поддействием галогенов металлический барий образует безвод­ные галогениды ВаХ2(X == F ˉ, С1ˉ, Вг ˉ, I ˉ ). Металлический барий разлагает воду:

Ва +2Н2О= Ва(ОН)2 + 112 + 92,5 ккал

Растворениеметаллического бария в жидком аммиаке (—40") сопровождается образованиемаммиаката Ba(NH3)6-При обычной температуре барий реагирует с двуокисью углерода:

5Ва + 2C02 = ВаС2 + 4Bа0

Металлическийбарий — сильный восстановитель. С его помощью при восстановлении хлорида америция(1100°) и фторида кюрия (1300°) были получены элементы америций (N 95) и кюрий (N 96). При высокойтемпературе барий восстанавливает закись углерода, а выде­ляющийся свободныйуглерод реагирует с барием с образованием карбида ВаС2.

Приведеннаяниже схема иллюстрирует химическую активность бария.

/>

Растворимыесоли бария чрезвычайно ядовиты. Введенный внутривенно хлорид бария мгновенновызывает смерть. Карбонат и сульфит бария ядовиты, так как они растворяются всоляной кислоте, которая содержится в желудочном соке.

Металлическийбарий применяется для металлотермического вос­становления америция и кюрия, вантифрикционных сплавах на осно­ве свинца, а также в вакуумной технике. Сплавысвинец — барий вытесняют полиграфические сплавы свинец — сурьма.

Известнымногочисленные соединения, в которых барий присут­ствует в виде двухвалентногокатиона. Ион Ва2+ бесцветен, имеет устойчивую восьмиэлектроннуюконфигурацию. Радиус иона 1,34 А. Он обладает относительно большим объемом ислабо выраженной тенденцией к поляризации, поэтому не образует устойчивых ком­плексныхсоединений. Гидроокись Ba(OH)g представляет собой силь­ное основание.

Гидрид бария, ВаН2, получаютнагреванием металлического бария, сплавов кадмий — барий, ртуть — барий илиокиси бария в атмосфере водорода:

Ва + Н2=ВаН2 + 55 ккал                                   Ва0+ 2Н2= BaH2 + Н2О

BaH2 — серовато-белые кристаллы с плотностью 4,21 г/см3. Выше675° они подвергаются термической диссоциации. Гидрид бария разлагает воду ивзаимодействует с азотом, соляной кислотой и аммиаком.

Гидрид бария применяют вкачестве катализатора реакций гидро­генизации.

Окись бария, ВаО, получают непосредственнымсинтезом из эле­ментов. Кроме того, используют термическое разложениегидроокиси, перекиси, карбоната или нитрата бария. Применяют также прокали­ваниесмеси карбоната бария с углем, сульфата бария с односерни­стым железом илинагревание сульфида бария с окисью магния и водой.

ВаО представляет собойкубические (решетка типа NaCI)или гексагональные бесцветные кристаллы (или белый аморфный поро­шок), оченьгигроскопичные, с плотностью 5,72 г/см3 (для кубиче­скоймодификации) и 5,32 г/см3 (для гексагональной) и твердостью 3,3по шкале Mooca; т. пл. 1923°, т. кип. 2000°. Ва0люминесцирует под действием ультрафиолетовых лучей и фосфоресцирует в рентге­новскихлучах.

Растворяясь в воде, окисьбария дает гидроокись бария Ba(OH)2. В отличие от окисловкальция и стронция окись бария при темпера­туре 500° в заметных количествахпоглощает двуокись углерода. На холоду окись бария взаимодействует с хлором, апри нагре­вании — с кислородом, серой, азотом, углеродом, двуокисью серы,сероуглеродом, двуокисью кремния, двуокисью свинца, окисью железа, хрома, атакже с солями аммония.

При нагревании окисьбария восстанавливается магнием, цин­ком, алюминием, кремнием и цианидамищелочных металлов.

Окись бария применяют дляизготовления стекла, эмалей и термо' катализаторов. В результате замещения в цементеокиси кальция окисью бария получают цементы с исключительной устойчивостью поотношению к воде, содержащей сульфат-ионы.

Перекись бария, ВаО2,  получают,сильно прокаливая гидроокись, нитрат или карбонат бария в токе воздуха вприсутст­вии следов воды. Другие способы получения: непосредственный синтез изэлементов при нагревании, прокаливание окиси бария с окисью меди, нагреваниеокиси бария с хлоратом калия, нагревание окиси бария до 350°, дегидратациякристаллогидрата

BaO2*8H2O при 120°:

Ва + 02 = Ва02+ 145,7 ккал                                 Ba0 + СиО = Ва02+ Сu                                

Ba0 +1/2 02 = Ва02 + 12,1 ккал                           3ВаО + КclO3 = ЗВа02 + КСl

Ba02 представляет собойбелый парамагнитный порошок с плот­ностью 4,96 г1см3 и т. пл.450°. Он разлагается до Ba0 (600°) или до кислорода (795°), устойчив приобычной температуре (может храниться годами), плохо растворяется в воде, спиртеи эфире, растворяется в разбавленных кислотах.

Термическое разложениеперекиси бария ускоряют окислы  — СеО, Cr2O3,

Fe2 O3 и Cu0.

Известны кристаллогидратыBaO2*8H2O и BaO2H2O.Октагид-рат Ba02•H2O получают действием перекиси водорода на бари­товую поду вслабощелочных растворах, а также обработкой на холоду раствора хлорида плигидроокиси бария перекисью натрия:

Ва(ОН)2 + H2O2 + 6H2O = Ва02*8Н2О

BaO2*8H2O выделяется в виде бесцветныхгексагональных кри­сталлов, трудно растворимых в воде, спирте, эфире. Нагретоес пере­кисью водорода это соединение превращается в желтое вещество — надперекнсьбария ВаО^.

Перекись бария реагируетпри нагревании с водородом, серой, углеродом, аммиаком, солями аммония,феррицианидом калия и т. д.

Сконцентрированной соляной кислотой перекись бария реагирует, выделяя хлор:

ВаO2 + 4НС1конц. = BaCl2 + Cl2 + 2H2O

Перекись бариявосстанавливает соли благородных металлов (обладающие малой химическойактивностью) до соответствующего металла. Перекись бария применяют дляполучения перекиси водо­рода, в зажигательных бомбах, а также в качествекатализатора крекинг-процесса.

BaO2•H2O2 представляет собой желтые моноклинные микрокри­сталлы,устойчивые при 0°, трудно растворимые в обычных раство­рителях.

Гидроокись бария, Ва(ОН)2, получаютдействием воды на метал­лический барий или ВаО. Используют также обработкурастворов солей бария (особенно нитрата) щелочами. В промышленности при­меняютдействие перегретого пара на сульфид бария. С этой же целью можно нагреть до175" (под давлением) метаспликат бария BaSiOs с раствором NaOH. Описан метод, основанный на восстанов­лении перекиси бария при 550°:

Ba(OH)2— белый порошок с плотностью 4,495 г/см3 и т. пл. 408°. В катодных лучах гидроокись бария фосфоресцируетжелто-оран­жевым цветом. Растворяется в воде, трудно растворима в ацетоне иметплацетате.

При растворении Ва(ОН)2в воде получается бесцветный раствор с сильно щелочной реакцией — баритоваявода, которая в присут­ствии двуокиси углерода быстро покрывается поверхностнойплен­кой карбоната бария.

Известны кристаллогидратыВа(ОН)2*8Н2О,  Ва(ОН)2*7H2O, Ва(ОН) •2Н2O иВа(ОН)2*H2O. Кристаллогидрат Ва(ОН)2*8H2Oвыделяется в виде бесцветных моноклинных призм с плотностью 2,18 г/cм3и т. пл. 78°. При нагревании до 650° в токе воздуха кри­сталлогидратпревращается в окись или перекись бария.

Пропускание хлора черезбаритовую воду сопровождается обра­зованием хлорида, хлората и оченьнезначительных количеств гино-хлорита бария:

6Ва(ОН)2 + 6CL2= 5BaCl2 + Ва(ClO3)2+ 6H2О

Баритовая вода реагируетпри 100° с сероуглеродом:

2Ва(ОН)2 + CS2= ВаСО3 + Ba(HS)2 + H2O

Металлический алюминий взаимодействуетс баритовой водой с образованием гидроксоалюмината бария и водорода:

2Аl + Ва(ОН)2 + 10H2O = Ba[Al(OH)4(H2O)2]2+3H2

Выше 1000° гидроокисьбария подвергается термической диссоциации:

Ва(ОН)2 → ВаО + Н2O

Баритовая вода Ва(ОН)2применяется в качестве очень чувстви­тельного химического реактива на двуокисьуглерода.

Фторид бария, BaF2, получают непосредственным синтезом из элементов,действием фтористого водорода на окись, гидроокись, карбонат или хлорид бария,обработкой баритовой воды фтористо-водородной кислотой, обработкой нитрата илихлорида бария фто-ридом натрия или калия, а также сплавленном хлорида магния сфторидом кальция или магния в атмосфере CO2 и термическим разложением гексафторосиликата бария ватмосфере инертного газа.

Бесцветные кубическиекристаллы BaF2 имеют решетку типа CaF2 с расстоянием между центром иона Ва2+ ииона Fֿ 2,68 А. Плотность 4,83 г/см3, т.пл. 1280°,т. кип. 2137°. Кристаллы мало растворимы в воде (1,63 г/л при 18°),растворяются в фтористоводо-родной, соляной и азотной кислотах. Применяются дляизготовле­ния эмалей и оптических стекол. Температура плавления смеси BaF2*LiF850°, а смеси BaF2*BaCl2 1010°.

Под титанатом бария понимаютсоединение BaO-TiO2, в котором соотношение катионов и анионов можетбыть различным от BaTiO3 до Ba6Ti17O40,промежуточные вещества – политканаты нестехлометричны и в них могут добавленывещества, частично замещающие Ba и Ti, то есть проведено легирование.

BaTiO3 имеет структурунеравномерно, а с кубической гране или объёмо-центрированной кристаллическойрешёткой. Кубическая структура характерна до 120 °C.

При более низких температурахпроисходит искажения структуры, она переходит в тирагональную, и, возникаетдеформация кислородной подрешётки, как Ti несколько смещается.

Деформация вызывает поляризацию. Дляиона существует 2 энергетически равновесных стабильных положения, симметричныхотносительно центра. Направление поляризации едино внутри домена так какполяризация возникает без внешнего … поля, то она спонтанная. Внешнеенапряжение вызывает упорядочение ориентации диполей. Между поляризацией инапряжённостью поля возникает гистерезисы.

При Т>120°C=Тссегнетоэлектрические свойства пропадают из за высоты симметрии кристалла(кубическая структура). При Т>Тс диэлектрическая проницаемость Еr зависит оттемпературы поз Кюри-Вейтса
 
 

Хорошие нелигированные вещества BaTiO3– диэлектрики. С D Е~ 3Эв. И тип энергия активации докоров 0,1 Эв. Тоесть при номинальной температуре эти носители полностью ионизированы. Кромелегированных элементов роль донора играет кислородные вариации при кислородноймстехлометрии за счёт отчёта.

s =rBaTiO3-1»10ом-1м-1

Nd»5*10^25м-3

Из РЭДС и Холла

Таким образом часть примеси носитакцепторный характер. Акцепторы захватывают электроны и на поверхностикристалита создаётся отрицательный поверхностный заряд. Отрицательныйповерхностный заряд вызывает увеличение электростатического потенциала награнице зерна. Удельная проводимость зависит от высоты потенциального барьера Сростом температуры проводимость растёт. Для сохранения электронейтральностиобразца в приповерхностном слое кристалла возникает положительныйпространственный заряд. В том слое, толщиной S подвижных носителей заряда малои плотность. Пространственный заряда определяется практически только легирующейпримесью доноров nD

r =e*nд

Внутри кристалла отсутствуютакцепторы, способные компенсировать доноры.

Если А – площадь приповерхностнойобласти с глубиной ОЗ “S”, то

r*А*S – приграничный “+” ОЗ

N’а – концентрация акцепторов,захвативших электроны, заряд ОПЗ “-” e* N’а

По условию нейтронейтральности

r*А*S- e* N’а=0 ® S=/>=/>

По уравнению пуассона потенциал ПЗ

Dj =-r /(x r*x 0) так как r=e*nд,a*x? S

j 0=(e/(2*nд*x r*x 0))*(N’a/A)^2

b — константа, связанная с N’a Пополученному уравнению с ростом температуры R растёт.

В некотором интервале температур таккак при высокой температуре Nа уменьшается из за высвобождения электронов сзахваченных по границам зёрнен.

  Особое место среди п/п приборов с aR>0занимают приборы на основе тинаната бария BaTiO3. В диапазоне ΔT 100 – 150K они обладают очень высоким ТКС, до 0,3К-1. Термисторы с положительнымтемпературным коэффициентом сопротивления – РТС – термисторы-позисторы.

aR=/>/>>0 – ТКС.

Термисторы с a>0 называются РТС-термисторами илипозисторами. ТКС>0 имеет большиство металлови некоторые поликристаллическиеп/п

Керамические позисторы имеют ТКС>0 в узком диапазонетемператур. Вне этого диапазона их ТКС<0, как у обычных полупроводников.

1.  Локшин Э.П.,Воскобойников Н.Б. Барий. – Барий и его свойства, изд.КНЦ РАН. — 1996 г. — 168с.

2.  Лебедев В.Н.,Локшин Э.П., Маслобоев В.А., Дозорова Р.Б., Михлин Е.Б. Сырьевые источникиметаллов России и проблемы их вовлечения в переработку // Цветные металлы. — 1997. — №8. — С.46-50.

3.  Гуцол А.Ф. Титонатбария // Успехи физ. наук. — 1997. — Т.167. — №6. — С.165-187.