Написать уравнение реакции бария с кислородом

Барий: способы получения и химические свойства

Барий Ba — щелочноземельный металл. Серебристо-белый, ковкий, пластичный. На воздухе покрывается темной оксидно-нитридной пленкой. Реакционноспособный. Сильный восстановитель;

Относительная молекулярная масса M_r = 137,327; относительная плотность для твердого и жидкого состояния d = 3,6; t_пл = 727º C; t_кип = 1860º C.

Способ получения

1. В результате взаимодействия оксида бария и кремния при 1200º С образуются силикат бария и барий:

3BaO + Si = BaSiO₃ + 2Ba

2. Оксид бария взаимодействует с алюминием при 1100 — 1200º С образуя барий и алюминат бария:

4BaO + 2Al = 3Ba + Ba(AlO₂)₂

3. В результате разложения гидрида бария при температуре выше 675º С образуется барий и водород:

Качественная реакция

Барий окрашивает пламя газовой горелки в желто — зеленый цвет.

Химические свойства

1. Барий вступает в реакцию с простыми веществами :

1.1. Барий взаимодействует с азотом при 200 — 460º С образуя нитрид бария:

1.2. Барий сгорает в кислороде (воздухе) при температуре выше 800º С, то на выходе будет образовываться оксид бария:

2Ba + O₂ = 2BaO

1.3. Барий активно реагирует при температуре 100 — 150º С с хлором, бромом, йодом и фтором . При этом образуются соответствующие соли :

1.4. С водородом барий реагирует при температуре 150 — 300º C с образованием гидрида бария:

1.6. Барий взаимодействует с серой при 150º С и образует сульфид бария:

Ba + S = BaS

1.7. Барий взаимодействует с углеродом (графитом) при 500º С и образует карбид бария:

Ba + 2C = BaC₂

2. Барий активно взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Барий при комнатной температуре реагирует с водой . Взаимодействие бария с водой приводит к образованию гидроксида бария и газа водорода:

2.2. Барий взаимодействует с кислотами:

2.2.1. Барий реагирует с разбавленной соляной кислотой, при этом образуются хлорид бария и водород :

Ba + 2HCl = BaCl₂ + H₂ ↑

2.2.2. Реагируя с разбавленной азотной кислотой барий образует нитрат бария, оксид азота (I) и воду:

если азотную кислоту еще больше разбавить, то образуются нитрат бария, нитрат аммония и вода:

2.2.3. Барий вступает во взаимодействие с сероводородной кислотой при температуре выше 350 с образованием сульфида бария и водорода:

Ba + H₂S = BaS + H₂

2.3. Барий вступает в реакцию с газом аммиаком при 600 — 650º С. В результате данной реакции образуется нитрид бария и гидрид бария:

если аммиак будет жидким, то в результате реакции в присутствии катализатора платины образуется амид бария и водород:

2.4. Барий взаимодействует с оксидами :

Барий реагирует с углекислым газом при комнатной температуре с образованием карбоната бария и углерода:

2Ba + 3CO₂ = 2BaCO₃ + C

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 (20 0 С), молярная масса – 153,34 г/моль. Соединение имеет достаточно высокую теплопроводность 4,8-7,8 Вт/(мК)(80-1100К), и тугоплавкость температура кипения – 2000 0 С, плавления – 1920 0 С. 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 500-600 0 С, в этом случае не исключено получение пероксида. 2Ba + O₂ = 2BaO₂. При дальнейшем нагревании до 700 0 С 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 600-500 0 С), результатом является пероксид, разлагаемый в дальнейшем на составные части для выделения чистого металла или оксида. При этом необходимо увеличить нагрев до 700 0 С. 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.

2.2.2. Химические свойства металлов IIA группы.

IIA группа содержит только металлы – Be (бериллий), Mg (магний), Ca (кальций), Sr (стронций), Ba (барий) и Ra (радий). Химические свойства первого представителя этой группы — бериллия — наиболее сильно отличаются от химических свойств остальных элементов данной группы. Его химические свойства во многом даже более схожи с алюминием, чем с остальными металлами IIA группы (так называемое «диагональное сходство»). Магний же по химическим свойствами тоже заметно отличается от Ca, Sr, Ba и Ra, но все же имеет с ними намного больше сходных химических свойств, чем с бериллием. В связи со значительным сходством химических свойств кальция, стронция, бария и радия их объединяют в одно семейство, называемое щелочноземельными металлами.

Все элементы IIA группы относятся к s-элементам, т.е. содержат все свои валентные электроны на s-подуровне. Таким образом, электронная конфигурация внешнего электронного слоя всех химических элементов данной группы имеет вид ns 2 , где n – номер периода, в котором находится элемент.

Вследствие особенностей электронного строения металлов IIA группы, данные элементы, помимо нуля, способны иметь только одну единственную степень окисления, равную +2. Простые вещества, образованные элементами IIA группы, при участии в любых химических реакциях способны только окисляться, т.е. отдавать электроны:

Ме 0 – 2e — → Ме +2

Кальций, стронций, барий и радий обладают крайне высокой химической активностью. Простые вещества, образованные ими, являются очень сильными восстановителями. Также сильным восстановителем является магний. Восстановительная активность металлов подчиняется общим закономерностям периодического закона Д.И. Менделеева и увеличивается вниз по подгруппе.

Взаимодействие с простыми веществами

с кислородом

Без нагревания бериллий и магний не реагируют ни с кислородом воздуха, ни с чистым кислородом ввиду того, что покрыты тонкими защитными пленками, состоящими соответственно из оксидов BeO и MgO. Их хранение не требует каких-либо особых способов защиты от воздуха и влаги, в отличие от щелочноземельных металлов, которые хранят под слоем инертной по отношению к ним жидкости, чаще всего керосина.

Be, Mg, Ca, Sr при горении в кислороде образуют оксиды состава MeO, а Ba – смесь оксида бария (BaO) и пероксида бария (BaO₂):

Следует отметить, что при горении щелочноземельных металлов и магния на воздухе побочно протекает также реакция этих металлов с азотом воздуха, в результате которой, помимо соединений металлов с кислородом, образуются также нитриды c общей формулой Me₃N₂.

с галогенами

Бериллий реагирует с галогенами только при высоких температурах, а остальные металлы IIA группы — уже при комнатной температуре:

с неметаллами IV–VI групп

Все металлы IIA группы реагируют при нагревании со всеми неметаллами IV–VI групп, но в зависимости от положения металла в группе, а также активности неметаллов требуется различная степень нагрева. Поскольку бериллий является среди всех металлов IIA группы наиболее химически инертным, при проведении его реакций с неметаллами требуется существенно большая температура.

Следует отметить, что при реакции металлов с углеродом могут образовываться карбиды разной природы. Различают карбиды, относящиеся к метанидам и условно считающимися производными метана, в котором все атомы водорода замещены на металл. Они так же, как и метан, содержат углерод в степени окисления -4, и при их гидролизе или взаимодействии с кислотами-неокислителями одним из продуктов является метан. Также существует другой тип карбидов – ацетилениды, которые содержат ион C₂ 2- , фактически являющийся фрагментом молекулы ацетилена. Карбиды типа ацетиленидов при гидролизе или взаимодействии с кислотами-неокислителями образуют ацетилен как один из продуктов реакции. То, какой тип карбида – метанид или ацетиленид — получится при взаимодействии того или иного металла с углеродом, зависит от размера катиона металла. С ионами металлов, обладающих малым значением радиуса, образуются, как правило, метаниды, с ионами более крупного размера – ацетилениды. В случае металлов второй группы метанид получается при взаимодействии бериллия с углеродом:

Остальные металлы II А группы образуют с углеродом ацетилениды:

С кремнием металлы IIA группы образуют силициды — соединения вида Me₂Si, с азотом – нитриды (Me₃N₂), фосфором – фосфиды (Me₃P₂):

с водородом

Все щелочноземельные металлы реагируют при нагревании с водородом. Для того чтобы магний прореагировал с водородом, одного нагрева, как в случае со щелочноземельными металлами, недостаточно, требуется, помимо высокой температуры, также и повышенное давление водорода. Бериллий не реагирует с водородом ни при каких условиях.

Взаимодействие со сложными веществами

с водой

Все щелочноземельные металлы активно реагируют с водой с образованием щелочей (растворимых гидроксидов металлов) и водорода. Магний реагирует с водой лишь при кипячении вследствие того, что при нагревании в воде растворяется защитная оксидная пленка MgO. В случае бериллия защитная оксидная пленка очень стойкая: с ним вода не реагирует ни при кипячении, ни даже при температуре красного каления:

c кислотами-неокислителями

Все металлы главной подгруппы II группы реагируют с кислотами-неокислителями, поскольку находятся в ряду активности левее водорода. При этом образуются соль соответствующей кислоты и водород. Примеры реакций:

c кислотами-окислителями

− разбавленной азотной кислотой

С разбавленной азотной кислотой реагируют все металлы IIA группы. При этом продуктами восстановления вместо водорода (как в случае кислот-неокислителей) являются оксиды азота, преимущественно оксид азота (I) (N₂O), а в случае сильно разбавленной азотной кислоты – нитрат аммония (NH₄NO₃):

− концентрированной азотной кислотой

Концентрированная азотная кислота при обычной (или низкой) температуре пассивирует бериллий, т.е. в реакцию с ним не вступает. При кипячении реакция возможна и протекает преимущественно в соответствии с уравнением:

Магний и щелочноземельные металлы реагируют с концентрированной азотной кислотой с образованием большого спектра различных продуктов восстановления азота.

− концентрированной серной кислотой

Бериллий пассивируется концентрированной серной кислотой, т.е. не реагирует с ней в обычных условиях, однако реакция протекает при кипячении и приводит к образованию сульфата бериллия, диоксида серы и воды:

Барий также пассивируется концентрированной серной кислотой вследствие образования нерастворимого сульфата бария, но реагирует с ней при нагревании, сульфат бария растворяется при нагревании в концентрированной серной кислоте благодаря его превращению в гидросульфат бария.

Остальные металлы главной IIA группы реагируют с концентрированной серной кислотой при любых условиях, в том числе на холоду. Восстановление серы происходит преимущественно до сероводорода:

с щелочами

Магний и щелочноземельные металлы со щелочами не взаимодействуют, а бериллий легко реагирует как растворами щелочей, так и с безводными щелочами при сплавлении. При этом при осуществлении реакции в водном растворе в реакции участвует также и вода, а продуктами являются тетрагидроксобериллаты щелочных или щелочноземельных металлов и газообразный водород:

При осуществлении реакции с твердой щелочью при сплавлении образуются бериллаты щелочных или щелочноземельных металлов и водород

с оксидами

Щелочноземельные металлы, а также магний могут восстанавливать менее активные металлы и некоторые неметаллы из их оксидов при нагревании, например:

Метод восстановления металлов из их оксидов магнием называют магниетермией.