Xreferat.com » Рефераты по химии » Барий - Удача сапожника из Болоньи

Барий - Удача сапожника из Болоньи

С.И. Венецкий

В 1602 году болонский сапожник и по совместительству алхимик Касциароло подобрал в окрестных горах камень, который оказался настолько тяжелым, что не заподозрить в нем присутствие золота мог только полный профан. Но Касциароло был не таков. Перед ним засияли радужные перспективы, и он, притащив находку в свою сапожно-алхимическую мастерскую, тут же принялся за работу.

Для начала решено было прокалить камень с углем и олифой. И хоть выделить золото при этом почему-то не удалось, опыт принес явно обнадеживающие результаты: охлажденный продукт прокаливания светился в темноте красноватым светом.

Будучи человеком общительным, Касциароло не стал скрывать от своих коллег-алхимиков тайну необычного камня. Это сенсационное сообщение привело золотоискательскую братию в состояние поисковой горячки: найденный минерал, получивший ряд названий - "солнечный камень", "болонский камень", "болонский самоцвет", стал главным участником всевозможных реакций и экспериментов. Но время шло, золото и не думало выделяться, и интерес к новому минералу постепенно пропал.

Лишь спустя полтора столетия, в 1774 году, известные шведские химики Карл Шееле и Юхан Ган подвергли "болонский камень" тщательному исследованию и установили, что в нем содержится особая "тяжелая земля", которую сначала назвали "барот", а затем - "барит" (от греческого слова "барос" - тяжелый). Сам же металл, образующий эту "землю", был наречен барием.

В 1808 году англичанин Гэмфри Дэви электролитическим путем выделил из барита металлический барий. И поскольку он оказался сравнительно легким металлом (плотность 3,7 г/см3), английский химик Кларк предложил сменить название "барий", не соответствующее его истинному положению среди других металлов, на "плутоний" - в честь мифического властителя подземного царства бога Плутона. Однако предложение Кларка не встретило поддержки у других ученых, и легкий металл продолжал именоваться "тяжелым" (в русской химической литературе начала XIX века этот элемент иногда фигурировал под названием "тяжелец"). Заметим, что по современной технической классификации барий - действительно самый тяжелый представитель группы... легких металлов.

В наши дни металлический барий - мягкий белый металл - получают алюминотермическим восстановлением его оксида. Впервые этот процесс осуществил русский физико-химик Н. Н. Бекетов, положивший тем самым начало алюминотермии.

Вот как ученый описывает свои опыты: "Я взял безводную окись бария и, прибавив к ней некоторое количество хлористого бария, как плавня, положил эту смесь вместе с кусками глиния (т. е. алюминия - прим. автора.) в угленой тигель и накаливал его несколько часов. По охлаждении тигля я нашел в нем металлический сплав уже совсем другого вида и физических свойств, нежели глиний. Этот сплав имеет крупнокристаллическое строение, очень хрупок, свежий излом имеет слабый желтоватый отблеск; анализ показал, что он состоит на 100 ч из 33,3 бария и 66,7 глиния или, иначе, на одну часть бария содержал две части глиния..." Сейчас этот процесс проводится в вакууме при 1100 - 1200 °С. Одновременно с восстановлением оксида бария алюминием происходит дистилляция восстановленного бария, который затем конденсируется в чистом виде.

Барий химически очень активен; он легко самовоспламеняется при нагреве или от удара, хорошо взаимодействует с кислородом (блестящая поверхность только что полученного бария на воздухе быстро покрывается пленкой оксида), азотом, водородом, водой, поэтому его, как и некоторые другие металлы со "вспыльчивым характером", приходится хранить под слоем керосина. Отчасти этим объясняется весьма ограниченное применение металлического бария. Основная его "специальность" - поглотитель остаточных газов (геттер) в технике глубокого вакуума. В небольших количествах барий используют в металлургии меди и свинца для раскисления, очистки от серы и газов. Часть бария идет на изготовление подшипниковых и типографских сплавов: их основной компонент свинец становится заметно крепче, приняв даже малые дозы бария. Сплав этого элемента с никелем служит для изготовления электродов запальных свечей двигателей и деталей радиоламп.

Гораздо более широкое поле деятельности у соединений бария. С сульфатом барием, или тяжелым шпатом (тем самым камнем, что попался когда-то под ноги Касциароло), издавна связано производство красок. Правда, поначалу участие сульфата бария в этом деле носило нелегальный характер: в измельченном виде шпат подмешивали к свинцовым белилам, в результате чего они оказывались значительно дешевле, и хоть качество их явно страдало, владельцы красильных заводов без зазрения совести продавали свою эрзац-продукцию почти по тем же ценам, неплохо нагревая руки на этой операции.

Еще в 1859 году до департамента мануфактур и внутренней торговли дошли сведения о жульнических махинациях ярославских заводчиков, добавлявших к свинцовым белилам тяжелый шпат, что "вводит потребителей в обман на счет истинного качества товара, причем поступила и просьба о воспрещении означенным заводчикам употребления шпата при выделке свинцовых белил".

Об этом же сообщалось несколько позднее и министру финансов, "которым как слышно и предписано было Ярославскому начальству сделать дознание, но как это произведено было через главного покровителя заводчикам полицмейстера Красовского, то, конечно, результат вышел тот, что они покаялись в его кабинете и принялись с большею смелостию за подделку своих злокачественных произведений".

Далее содержалась просьба "раскрыть это зло и на Нижегородской ярмарке, откуда белилы развозятся до последних пределов империи, и раскрыть это весьма легко, стоит опросить всех белильных заводчиков, на какой конец выписывают они в огромных размерах шпат, какое из него делают употребление и если употребление для белил, то каковы последствия такого смешения".

Но все эти петиции ни к чему не привели. Достаточно сказать, что в 1882 году в Ярославле был основан шпатовый завод, который, например, в 1885 году выпустил 50 тысяч пудов измельченного тяжелого шпата, предназначенного все для тех же целей. В начале 90-х годов прошлого века Д. И. Менделеев писал: "...В подмесь к белилам на многих заводах примешивается барит, так как и привозимые из-за границы белила, для уменьшения цены, содержат эту подмесь".

Со временем сульфат барий обретает в лакокрасочной промышленности права гражданства: он входит в состав литопона - белой краски с высокой кроющей способностью, пользующейся хорошей репутацией у потребителей. В производстве бумаги дорогих сортов (в частности, для денежных знаков, облигаций, документов) сульфат бария играет роль наполнителя и утяжелителя, делая бумагу белее и плотнее. Взвесь этой соли в воде используют как рабочую жидкость при бурении глубоких нефтяных и газовых скважин. Сульфат барий задерживает рентгеновские лучи значительно лучше, чем мягкие ткани человеческого организма.

Этим свойством медики пользуются для диагностики желудочных заболеваний. Больному дают на завтрак "бариевую кашу"-смесь сульфата бария с манной кашей (или водой) - и затем просвечивают рентгеновскими лучами: непрозрачная для них "бариевая каша" позволяет врачу получить точное представление о состоянии желудочно-кишечного тракта и определить место заболевания. Благодаря способности поглощать рентгеновские лучи и гамма-лучи барит служит надежным защитным материалом в рентгеновских установках и ядерных реакторах.

Поскольку речь зашла о рентгеновских лучах, уместно упомянуть о том, что их открытие связано с платиносинеродистым барием. В 1895 году зеленое свечение этого вещества в темноте навело выдающегося немецкого физика Вильгельма Конрада Рентгена на мысль о каком-то неведомом прежде излучении, под действием которого и светилась соль бария. Желая подчеркнуть загадочную природу новых лучей, ученый назвал их Х-лучами, но уже вскоре в большинстве стран они стали именоваться рентгеновскими - в честь своего первооткрывателя.

Все мы не раз любовались радужными переливами жемчуга или перламутра. Немудрено, что с давних пор велись поиски красителей, которые позволили бы искусственным путем получать материалы с перламутровой окраской. В старину для этого использовали отвар рыбьей чешуи. Да и сейчас еще кое-где таким способом, конечно, во многом усовершенствованным, производят жемчужный краситель. Но в век химии делать ставку на рыбью чешую просто несерьезно - ее с успехом заменяет тиосульфат бария. Кристаллики этого вещества, смешанные с каким-либо бесцветным лаком, превращают его в "жемчужный". Если же их ввести в желатиновый или столярный клей и нанести слой его на изделия из дерева, картона или папье-маше, то можно добиться полной имитации перламутра.

Работники стекольной промышленности хорошо знакомы с другим соединением бария - карбонатом, который они добавляют в стекольную массу, чтобы повысить коэффициент преломления стекла. Иногда для той же цели вместо карбоната бария вводят нитрат. Но основное "увлечение" нитрата - пиротехника: эта соль бария, как и его хлорат, принимает участие во всех салютах и фейерверках, внося в общий красочный букет ярко-зеленую лепту. В свою очередь хлорат бария не ограничивается осветительной ролью и слывет среди работников сельского хозяйства стойким борцом с сорняками.

Вот уже почти пять тысячелетий несет свою вахту страж египетских пирамид Большой сфинкс. Высеченный по велению фараона Хефрена из цельного куска известняковой скалы, он имеет львиное тело и голову, которой приданы черты самого Хефрена. Быть может, фараон и блистал красотой, но за долгие годы гигантская копия его явно потеряла привлекательность: под действием песчаных бурь, дождей и резких смен температуры сфинкс почти лишился носа, левый глаз его стал заметно косить, лицо покрылось глубокими морщинами.

Особую тревогу вызывает постоянно худеющая шея статуи. "Сфинкс болен, - писала одна из каирских газет, - и если не будут приняты срочные меры, шея может не выдержать".

Несколько лет назад сфинкса пробовали "лечить": чтобы укрепить части, грозящие рухнуть, ему сделали "инъекции" солей бария. Они помогли, но не надолго. Спустя четыре года каменное изваяние пришлось "закрыть" на капитальный ремонт.

Достаточно большой "послужной список" у оксида бария. В прошлом веке это соединение применяли для получения кислорода: сначала его прокаливали при 500-600 °С и он, поглощая кислород воздуха, превращался в пероксид; при дальнейшем же нагреве (до 700 °С) пероксид вновь переходил в оксид, теряя лишний кислород. Так "добывали" кислород почти до конца XIX века, пока не был разработан способ извлечения этого газа из жидкого воздуха. Следующую интересную страницу в биографию оксида бария вписал в 1903 году молодой немецкий ученый Венельт. Произошло это, как говорится, нежданно-негаданно. Однажды ему поручили проверить на платиновой проволочке закон испускания электронов нагретыми телами, открытый незадолго до этого английским физиком Ричардсоном. Первый же опыт полностью подтвердил закон, но Венельт спустя некоторое время решил повторить эксперимент с другой проволочкой. Каково же было его удивление, когда платина стала испускать поток электронов, во много раз больший, чем накануне: прибор, измерявший электронную эмиссию, едва не вышел из строя. Поскольку свойства металла не могли так резко измениться, оставалось предположить, что виновником электронного "шквала" является случайно попавшее на поверхность проволочки вещество с более высокой способностью к эмиссии электронов, чем платина. Но что же это за вещество?

Ученый стал поочередно наносить на платину различные материалы, подозреваемые в изменении электронного потока, но все они без труда доказывали свою явную непричастность к этому делу. И когда Венельт уже решил, что докопаться до истины ему вряд ли удастся, он вдруг вспомнил, что в смазке насосной установки, принимавшей "участие" в эксперименте, содержался оксид бария, который мог случайно попасть на платиновую проволочку. Ученый вновь включил приборы. А уже через несколько мгновений его радость не знала границ. Так было открыто вещество, которое по способности испускать электроны при нагреве не имеет себе равных.

Однако к такому выводу научный мир пришел не сразу. После того как Венельт опубликовал результаты своих опытов, многие физики занялись их проверкой. Одно за другим начали появляться в печати сообщения о том, что Венельт сильно преувеличил эмиссионную способность оксида бария. Да и самому Венельту больше не удавалось подтвердить свое открытие. Разочарованный ученый вскоре прекратил опыты.

Лишь спустя почти четверть века оксидом бария заинтересовался англичанин Коллер. Он провел ряд более совершенных экспериментов и сумел установить, что если оксид бария нагревать в вакууме при очень низких давлениях кислорода, то электронная эмиссия вещества будет весьма высокой; если же давление кислорода во время нагрева повышается, то эмиссия резко падает. Этот вывод, с одной стороны, восстанавливал научное реноме Венельта, но, с другой, вполне совпадал с мнением его оппонентов. А так как при нагреве оксид бария не менял ни своего химического состава, ни кристаллической структуры, возникла новая загадка: почему одно и то же вещество ведет себя столь различно, хотя по всем законам его свойства должны быть одинаковыми?

Примерно в эти же годы немецкий ученый Поль обнаружил отклонения от общепринятых норм в поведении ряда других простых веществ и тем самым подлил масла в огонь. Впрочем, точнее сказать, он бросил в огонь соли. Да-да, кристаллы обычной поваренной соли, или хлорида натрия. Прогревая эти кристаллы в парах натрия, Поль с удивлением наблюдал, как они становились фиолетовыми. Нечто подобное произошло и с кристаллами хлористого калия: при нагреве в калиевых парах вещество посинело. Но ведь и с этими соединениями, как и с оксидом бария, в результате проведенных опытов ничего не должно было произойти.

Ничего? Оказывается, кое-что все-таки происходило. Объяснить сущность загадочных явлений сумел в 1935 году тот же Поль. По его гипотезе, для каждого кристаллического вещества характерно постоянное соотношение в кристалле не атомов разного вида, а так называемых узлов решетки. Для поваренной соли, например, одни узлы принадлежат катионам натрия, а другие - анионам хлора.

Каждая пара таких узлов обязательно образует как бы "двухкомнатную квартиру", причем "жильцы" могут там и не находиться. Если соотношение разнородных ионов в кристаллах не соответствует стехиометрическому соотношению, характерному для данного вещества (такие кристаллы получили позднее название нестехиометрических), то и свойства его могут меняться.

Поль резонно предположил, что при нагреве соли в парах натрия на поверхность кристалла могут попасть атомы этого элемента. При этом каждый из них отдает электрон, превращаясь в катион, и строит для себя "комнатку" (узел решетки), но тут же к нему, покинув свое прежнее "жилье" в кристалле, пристраивается анион хлора - будущий сосед по новой "двухкомнатной квартире". Освободившееся от аниона хлоpa "помещение" (вакансия) становится на первых порах пристанищем для электрона, отпущенного атомом натрия. Но электроны - "свободолюбивый народ" и долго находиться взаперти им не по душе. Чтобы вырваться наружу, электрон должен получить энергию, соответствующую кванту желтого цвета. Поэтому нестехиометрические кристаллы поваренной соли, содержащие избыток натрия, поглощают желтый свет и, повинуясь законам спектра, принимают фиолетовую окраску. Тщательные измерения позволили дать ответ и на вопрос, сколько же избыточных атомов натрия необходимо для такого изменения цвета; оказалось, что всего лишь тысячные доли процента.

Но вернемся к оксиду бария. В 1953 году американский ученый Спроул нагрел бесцветные крупицы этого вещества в жидком барии - кристаллы стали красными. По-видимому, решил Спроул, в них произошли те же изменения, что и в поваренной соли, с той лишь разницей, что там вакансия одновалентного хлора задерживала один электрон, а в оксиде бария вакансия двухвалентного кислорода была вправе рассчитывать на электронную пару. Именно этим, по мнению ученого, и объяснялась высокая эмиссия электронов, так как вакансии кислорода служили их естественными источниками. Гипотеза подкупала своей простотой. Оставалось лишь провести некоторые измерения, чтобы убедиться в

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: