化学元素

钡(Barium),碱土金属元素,化学元素符号Ba,在周期表中位于第六周期ⅡA族,是一种柔软的有银白色光泽的碱土金属,是碱土金属中最活泼的元素。相对密度为3.59g/cm3,熔点725℃,沸点1640℃。

研究历史
1602年,意大利波罗拉(Bologna,现称博洛尼亚)城一位制鞋工人卡西奥劳罗将一种含硫酸钡的重晶石与可燃物质一起焙烧后,发现它在黑暗中可以发光,这引起了当时学者们的兴趣。后来这种石头被称为波罗拉石,并引起了欧洲化学家分析研究的兴趣。
1774年,瑞典化学家舍勒(Scheele)在软锰矿中发现钡。
1774年,舍勒认为这种石头是一种新土(氧化物)和硫酸结合成的,1776年他加热这一新土的硝酸盐,获得纯净的土(氧化物)。
1808年,英国化学家戴维(H.Davy)用汞作阴极,铂作阳极,电解重晶石(BaSO4)制得钡汞齐,经蒸馏去后,得到一种纯度不高的金属,并以希腊文barys(重)命名。元素符号定为Ba,称为钡。
理化性质
物理性质
钡是银白色金属,略具光泽,质坚硬,焰色为黄绿色,有延展性,位于化学元素周期表第6周期ⅡA族,密度3.59g/cm3,熔点725℃,沸点1640℃,是碱土金属的成员。
晶体结构:晶胞为体心立方晶胞,每个晶胞含有2个金属原子。
同位素:钡有七种天然稳定同位素,分别为130Ba,132Ba以及134~138Ba。
化学性质
钡原子半径为217.3pm,离子半径134pm,第一电离能564kJ/mol,电负性0.9,在空气中或氧气中燃烧呈现绿色火焰,生成过氧化钡BaO2。能跟卤素,等非金属化合,在120℃时吸收氢气并化合生成氢化钡BaH2。跟盐酸、稀硫酸等反应生成钡盐并放出氢气。在常温下很容易与水反应释出氢气,微溶于酒精,不溶于苯。在空气中表面很快变灰,与水反应猛烈。容易燃烧。与N2、CO2反应,宜保存在煤油或液体石蜡中。遇热、火焰或化学反应便能引起着火和爆炸。与和锶一样,钡都能生成过氧化物MO2,并且它们都能从金属盐溶液中以MO2·8H2O水合物形式沉淀析出。钙、锶和钡的过氧化物随着原子半径的增大其稳定性增强。
钡是一种银白色金属,金属钡的表面覆盖了一层很薄的氧化物,这使得钡可以免受空气的进一步侵蚀。钡的这层氧化物要比镁的相应保护层要薄得多。在空气中点燃金属钡会发生燃烧,并生成白色的氧化钡(BaO)和氮化钡(Ba3N2)的混合物。在空气中燃烧钡还会产生过氧化钡(BaO),所以氧化钡一般是通过加热碳酸钡来制备的。钡在元素周期表中在镁的下边第三个位置,在空气中比镁有更大的反应活性。
钡会迅速地与水反应,生成氢氧化钡Ba(OH)2和氢气。钡与水的反应要快于(在元素周期表中紧靠钡的上面)的相应反应;但是可能要慢于(在元素周期表中紧靠钡的下面)的相应反应。
M(OH)2的碱性由到钡逐渐增强,所以氢氧化钡是很强的碱。
据推测,钡与卤素的反应活性应该非常大,但是并没有找到相应的文献来证明该观点。金属钡可能会在卤素单质氯气(Cl2)、溴单质(Br2)和碘单质(I2)中发生燃烧,分别生成二卤化物氯化钡(Ⅱ)(BaCl2)、溴化钡(Ⅱ)(BaBr2)和碘化钡(Ⅱ)(BaI2)。钡同溴和碘的反应可能需要加热。
金属钡能迅速溶解在不同浓度的盐酸中,生成氢气和含有Ba(Ⅱ)水合离子的溶液。
制备方法
工业上制取金属钡分为制取氧化钡和金属热还原(铝热还原)两个步骤。在1000—1200℃,用金属铝还原氧化钡,可制得金属钡,再用真空蒸馏法提纯。
单质钡的制备:
1.电解熔融的BaCl2。
2.在真空中用Al或Si在147K下还原BaO或BaCl2。
3.钡的氮化物热分解。
铝热还原法生产金属钡:
因配料比不同,铝还原氧化钡的反应可能有两种,反应式为:
6BaO + 2Al → 3BaO·Al2O3 + 3Ba↑
或:4BaO + 2Al → BaO·Al2O3 + 3Ba↑
这两种反应在1000—1200℃时,都只能生成少量的钡,因此,必须用真空泵将钡蒸气不断地从反应区转移到冷凝区,反应才能不断向右进行。反应后的残渣有毒,需经处理才能弃去。取出钡时很容易着火。最保险的是在甲苯下进行此操作。钡的蒸馏纯制方法也与镁、钙相同。在1050℃下,40克粗制钡4小时蒸馏完毕,蒸馏三次之后纯度可达到99.6%。
应用领域
工业用途
金属钡用途广泛,主要用于制造各种合金,如轴承合金;可用作消气剂,除去真空管和电视显像管中的痕量气体;还用作球墨铸铁的球化剂。此外,钡的化合物也应用甚广,用于颜料、玻璃、造纸、纺织、热处理、橡胶、医药、农药、陶瓷等工业。例如,硫酸钡可作为胃肠造影剂;而与硫化锌和氧化锌混合形成的锌钡白是一种常用的白色颜料;氯化钡可用于制作钡盐及钢材淬火;碳酸常用于陶瓷、搪瓷和玻璃工业;硝酸钡、钛酸钡则用于制造焰火和信号弹。
医疗用途
硫酸钡是X线检查辅助用药。无嗅无味的白色粉末,X线检查中在体内可提供阳性对比的物质。医用硫酸钡在胃肠道内不吸收,也没有过敏反应,其中不含有氯化钡、硫化钡和碳酸钡等可溶性钡化合物。主要用于胃肠道造影,偶用于其他目的检查。
分布情况
钡在地壳中的含量为0.05%,在自然界中以重晶石(BaSO4)和毒重石(BaCO3)的形式存在。钡在自然界分布广泛,如动植物的组织内,在巴西坚果中含量很高(3000—4000mg/kg)。机体钡的日摄入量约为750μg,主要来自食物。由于钡是活泼金属,因此在自然界中都以化合物的形式存在,种类繁多。常见的钡盐有硫酸钡、碳酸钡、氯化钡、硫化钡、硝酸钡、氧化钡等。其中,硫酸钡和碳酸钡不溶于水。
安全措施
健康危害
人体接触钡及其化学物主要通过食物、饮水及空气等途径,工人在矿开采、冶炼、制造、使用锁化合物过程中也有机会接触钡或钡化合物。职业性急性钡中毒多发生于生产和使用过程中的意外事故,如碳酸钡烘干炉维修时违反操作规程,淬火液爆溅灼伤皮肤,掉入硫化钡氯化钡池内等。生活性钡中毒大多由误食引起,如将钡盐误作发酵粉、碱面、面粉、明矾等食入。液态可溶性钡化合物可经创伤皮肤吸收导致中毒。
危害防治
职业接触中应该注意采取预防保护措施,生产设备密闭化,建立车间清扫制度,安装通风除尘设备;严格操作规章制度,工人要有自身防护措施,如佩戴防护面具;培训自救知识,出现症状应迅速脱离现场等;严格设备检修制度、车间内应有冲洗设备,以备灼伤时及时冲洗、生产设备故障维修时,工人必须佩戴防护用品;禁止在车间内吸烟、进食、饮水,班后漱口、换工作服;上岗前要作健康体检、如有神经、肌肉、心血管系统疾病等职业禁忌证者,不得从事钡作业。孕妇及哺乳期妇女应脱离钡作业;可溶性钡盐要加强保管,容器上要有明显的有毒警告标识,绝对不许与面粉、食用碱等食品放在一个仓库内保管,以杜绝误食。
毒理资料
钡中毒的治疗原则为立即脱离现场,尽快清除毒物,特别接触高浓度钡化合物烟尘的工人,应及时撤出现场,反复漱口。漱口后,口服适量的硫酸钠。急性经口中毒时,先用温水或5%硫酸钠洗胃,然后口服硫酸钠20—30g,使与胃肠道内尚未被吸收的可溶性钡盐结合为硫酸钡。但不宜使用硫酸镁等导泻。高浓度化合物溶液灼伤皮肤者先用2%—5%硫酸钠局部冲洗,再按《职业性皮肤灼伤诊断标准及处理原则》进行处理有低血钾者应迅速补钾,并在心电图和血钾监测下进行补钾。同时对心律失常、休克、呼吸肌麻痹、心脏骤停给予相应处理。
治疗着重于清除毒物和解毒,应尽早洗胃。尚无钡离子络合解毒药物。对口服中毒病儿,立即探咽导吐;或插入胃管,速将钡剂吸出,并用2%—5%硫酸钠溶液洗胃(如无呼吸抑制,也可用硫酸镁),直至澄清为止;继给牛奶、生蛋清等辅助治疗。解毒药物中还可酌用二巯丁二钠二巯丙磺钠青霉胺等,但疗效都不如硫酸钠确切。在中毒过程中,根据缺钾情况,适当补钾甚为重要。必要时供氧和进行人工呼吸。
储存运输
储存方法
储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。相对湿度保持在75%以下。包装要求密封,不可与空气接触。应与氧化剂、酸类、碱类等分开存放,切忌混储。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有合适的材料收容泄漏物。
运输方法
在运输过程中,钡需要特别的包装和防护措施。例如,液体钡的容器口需要二次密封,防止液体外溢;包装内部应填实,防止钡在外包装内晃动引起意外‌。
液态钡的液容不得超过总容量的90%,以确保安全‌。
由于钡的化学性质活泼且具有危险性,建议选择专业的运输公司和合适的包装材料,确保运输过程中的安全‌。
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