Бериллий физические и химические свойства. Другие сферы применения
Бериллий
БЕРИ́ЛЛИЙ -я; м. Химический элемент (Be), лёгкий твёрдый металл серебристого цвета.
◁ Бери́ллиевый, -ая, -ое. Б. минерал. Б-ые сплавы.
бери́ллий(лат. Beryllium), химический элемент II группы периодической системы. Назван по минералу берилл. Светло-серый металл, лёгкий и твёрдый; плотность 1,816 г/см 3 , t пл 1287°C. Выше 800°C окисляется до ВеО. Бериллий и его сплавы применяют в электротехнике, самолёто- и ракетостроении, для бериллизации. В ядерных реакторах - замедлитель и отражатель нейтронов. В смеси с Ra, Ро, Ас - источник нейтронов. Соединения бериллия ядовиты.
БЕРИЛЛИЙБЕРИ́ЛЛИЙ (лат. Вeryllium), Ве, химический элемент с атомным номером 4 и атомной массой 9,01218. Химический символ элемента Be читается «бериллий». В природе встречается только один стабильный нуклид (см.
НУКЛИД)
9 Be. В периодической системе элементов Д. И. Менделеева бериллий расположен в группе IIА во втором периоде. Электронная конфигурация атома бериллия 1s
2
2s
2
. Атомный радиус 0,113 нм, радиус иона Ве 2+ 0,034 нм. В соединениях проявляет только степень окисления +2 (валентность II). Энергии последовательной ионизации атома Ве 9,3227 и 18,211 эВ. Значение электроотрицательности по Полингу 1,57. В свободном виде - серебристо-серый легкий металл.
История открытия
Бериллий был открыт в 1798 Л. Вокленом (см.
ВОКЛЕН Луи Никола)
в виде берилловой земли (оксида ВеО), когда этот французский химик выяснял общие особенности химического состава драгоценных камней берилла (от греческого beryllos - берилл) и изумруда.
Металлический бериллий был получен в 1828 Ф. Велером (см.
ВЕЛЕР Фридрих)
в Германии и независимо от него А. Бюсси во Франции. Однако из-за примесей его не удавалось сплавить. Лишь в 1898 французский химик П. Лебо, подвергнув электролизу двойной фторид калия и бериллия, получил достаточно чистые металлические кристаллы бериллия. Интересно, что из-за сладкого вкуса растворимых в воде соединений бериллия элемент вначале называли «глюциний» (от греческого glykys - сладкий).
Нахождение в природе
Бериллий относится к редким элементам, его содержание в земной коре 2,6·10 –4 % по массе. В морской воде содержится до 6·10 -7 мг/л бериллия. Основные природные минералы, содержащие бериллий: берилл (см.
БЕРИЛЛ)
Be 3 Al 2 (SiO 3) 6 , фенакит (см.
ФЕНАКИТ)
Be 2 SiO 4 , бертрандит (см.
БЕРТРАНДИТ)
Be 4 Si 2 O 8 ·H 2 O и гельвин (см.
ГЕЛЬВИН)
(Mn,Fe,Zn) 4 3 S. Окрашенные примесями катионов других металлов прозрачные разновидности берилла - драгоценные камни, например, зеленый изумруд, голубой аквамарин, гелиодер, воробьевит. Их научились синтезировать искусственно.
Получение соединений бериллия и металлического бериллия
Извлечение бериллия из его природных минералов (в основном берилла) включает в себя несколько стадий, при этом особенно важно отделить бериллий от сходного по свойствам и сопутствующего бериллию в минералах алюминия. Можно, например, сплавить берилл с гексафторосиликатом натрия Na 2 SiF 6:
Be 3 Al 2 (SiO 3) 6 + 12Na 2 SiF 6 = 6Na 2 SiO 3 + 2Na 3 AlF 6 + 3Na 2 + 12SiF 4 .
В результате сплавления образуются криолит Na 3 AlF 6 - плохо растворимое в воде соединение, а также растворимый в воде фторобериллат натрия Na 2 . Его далее выщелачивают водой. Для более глубокой очистки бериллия от алюминия применяют обработку полученного раствора карбонатом аммония (NH 4) 2 CO 3 . При этом алюминий оседает в виде гидроксида Al(OH) 3 , а бериллий остается в растворе в виде растворимого комплекса (NH 4) 2 . Этот комплекс затем разлагают до оксида бериллия ВеО при прокаливании:
(NH 4) 2 = BeO + 2CO 2 + 2NH 3 + H 2 O.
Другой метод очистки бериллия от алюминия основан на том, что оксиацетат бериллия Be 4 O(CH 3 COO) 6 , в отличие от оксиацатата алюминия + CH 3 COO – , имеет молекулярное строение и легко возгоняется при нагревании. Известен также способ переработки берилла, в котором сначала берилл обрабатывают концентрированной серной кислотой при температуре 300°C, а затем спек выщелачивают водой. Сульфаты алюминия и бериллия при этом переходят в раствор. После добавления к раствору сульфата калия K 2 SO 4 удается осадить алюминий из раствора в виде алюмокалиевых квасцов KAl(SO 4) 2 ·12H 2 O. Дальнейшую очистку бериллия от алюминия проводят так же, как и в предыдущем методе.
Наконец, известен и такой способ переработки берилла. Исходный минерал сначала сплавляют с поташем K 2 CO 3 . При этом образуются бериллат K 2 BeO 2 и алюминат калия KAlO 2:
Be 3 Al 2 (SiO 3) 6 + 10K 2 CO 3 = 3K 2 BeO 2 + 2KAlO 2 + 6K 2 SiO 3 + 10CO 2
После выщелачивания водой полученный раствор подкисляют серной кислотой. В результате в осадок выпадает кремниевая кислота. Из фильтрата далее осаждают алюмокалиевые квасцы, после чего в растворе из катионов остаются только ионы Ве 2+ . Из полученного тем или иным способом оксида бериллия ВеО затем получают фторид, из которого магнийтермическим методом восстанавливают металлический бериллий:
BeF 2 + Mg = MgF 2 + Be.
Металлический бериллий можно приготовить также электролизом расплава смеси BeCl 2 и NaCl при температурах около 300 °C. Раньше бериллий получали электролизом расплава фторобериллата бария Ba:
Ba = BaF 2 + Be + F 2 .
Физические и химические свойства
Металлический бериллий характеризуется высокой хрупкостью. Температура плавления 1278 °C, температура кипения около 2470 °C, плотность 1,816 кг/м 3 . До температуры 1277 °C устойчив альфа-Ве (гексагональная решетка типа магния, параметры а = 0,22855 нм, с = 0,35833 нм), при температурах, предшествующих плавлению металла (1277-1288 °C) - бета-Ве с кубической решеткой.
Химические свойства бериллия во многом похожи на свойства магния (см.
МАГНИЙ)
и, особенно, алюминия (см.
АЛЮМИНИЙ)
. Близость свойств бериллия и алюминия объясняется почти одинаковым отношением заряда катиона к его радиусу для ионов Be 2+ и Al 3+ . На воздухе бериллий, как и алюминий, покрыт оксидной пленкой, придающей бериллию матовый цвет. Наличие оксидной пленки предохраняет металл от дальнейшего разрушения и обусловливает его невысокую химическую активность при комнатной температуре. При нагревании бериллий сгорает на воздухе с образованием оксида BeO, реагирует с серой и азотом. С галогенами (см.
ГАЛОГЕНЫ)
бериллий реагирует при обычной температуре или при слабом нагревании, например:
Be + Cl 2 = ВеСl 2
Все эти реакции сопровождаются выделением большого количества теплоты, так как прочность кристаллических решеток возникающих соединений (BeO, BeS, Be 3 N 2 , ВеСl 2) довольно велика. Благодаря образованию на поверхности прочной пленки оксида бериллий не реагирует с водой, хотя находится в ряду стандартных потенциалов значительно левее водорода. Как и алюминий, бериллий реагирует с кислотами и растворами щелочей:
Be + 2HCl = BeCl 2 + H 2 ,
Be + 2NaOH + 2H 2 O = Na 2 + H 2 .
Гидроксид бериллия Be(OH) 2 - полимерное соединение, нерастворимое в воде. Оно проявляет амфотерные (см.
АМФОТЕРНОСТЬ)
свойства:
Be(OH) 2 + 2КOH =К 2 ,
Be(OH) 2 + 2HСl = BeСl 2 + 2H 2 O.
В большинстве соединений бериллий проявляет координационное число 4. Например, в структуре твердого BeCl 2 имеются цепочки с мостиковыми атомами хлора. За счет образования прочных тетраэдрических анионов многие соединения бериллия вступают в реакции с солями других металлов:
BeF 2 + 2KF = K 2
С водородом бериллий непосредственно не взаимодействует. Гидрид бериллия BeH 2 - полимерное вещество, его получают реакцией
BeCl 2 + 2LiH = BeH 2 + 2LiCl,
проводимой в эфирном растворе. Действием на гидроксид бериллия Be(OH) 2 растворами карбоновых кислот или при упаривании растворов их бериллиевых солей получают оксисоли бериллия, например, оксиацетат Be 4 O(CH 3 COO) 6 . Эти соединения содержат тетраэдрическую группировку Be 4 O, по шести ребрам этого тетраэдра располагаются ацетатные группы. Такие соединения играют большую роль в процессах очистки бериллия, так как они не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях и легко возгоняются в вакууме.
Применение
Бериллий в основном используют как легирующую добавку к различным сплавам. Добавка бериллия значительно повышает твердость и прочность сплавов, коррозионную устойчивость поверхностей изготовленных из этих сплавов изделий. Бериллий слабо поглощает рентгеновское излучение, поэтому из него изготавливают окошки рентгеновских трубок (через которые излучение выходит наружу). В атомных реакторах из бериллия изготовляют отражатели нейтронов, его используют как замедлитель нейтронов. В смесях с некоторыми a-радиоактивными нуклидами бериллий используют в ампульных нейтронных источниках, так как при взаимодействии ядер бериллия-9 и a-частиц возникают нейтроны: 9 Ве(a, n) 12 C.
Физиологическое действие
В живых организмах бериллий, по-видимому, не несет никакой биологической функции. Его содержание в организме среднего человека (масса тела 70 кг) составляет 0,036 мг, ежедневное поступление с пищей - около 0,01 мг. Летучие и растворимые соединения бериллия, а также пыль, содержащая бериллий и его соединения, очень токсичны. Бериллий замещает в ферментах магний и обладает ярко выраженным аллергическим и канцерогенным действием. Его присутствие в атмосферном воздухе приводит к тяжелому заболеванию органов дыхания - бериллиозу. Следует отметить, что эти заболевания могут возникнуть через 10-15 лет после прекращения контакта с бериллием. Для воздуха ПДК в пересчете на бериллий составляет 0,001 мг/м 3 .
Энциклопедический словарь . 2009 .
Синонимы :Смотреть что такое "бериллий" в других словарях:
- (греч.). Металл, служащий главной составной частью берилла. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. БЕРИЛЛИЙ Особенный металл, открытый впервые Велером в 1828 г. и служащий главною составной частью берилла … Словарь иностранных слов русского языка
Или глиций (химич. форм. Be, атом. вес, по Крюссу, 9,05) металл, содержащийся в виде соединений окиси во многих минералах: вберилле, хризоберилле, лейкофане, смарагде, аквамарине, эвклазе,фенаките и др. В металлическом состоянии бериллий впервые… … Энциклопедия Брокгауза и Ефрона
Современная энциклопедия
Бериллий - (Beryllium), Be, химический элемент II группы периодической системы, атомный номер 4, атомная масса 9,01218; металл. Бериллий открыл в 1798 французский химик Л. Воклен, получен в 1828 немецкими химиками Ф. Велером и А. Бюсси. Бериллий используют… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
- (лат. Beryllium) Ве, химический элемент II группы периодической системы, атомный номер 4, атомная масса 9,01218. Назван по минералу бериллу. Светло серый металл, легкий и твердый; плотность 1,816 г/см³, tпл 1287 .С. Выше 800 .С окисляется до… … Большой Энциклопедический словарь
Be (лат. Beryllium * a. berillium; н. Beryllium; ф. beryllium; и. berilio), хим. элемент II группы периодич. системы Менделеева, ат. н. 4, ат. масса 9,0122. Имеет один стабильный изотоп 9Вe. Открыт в 1798 франц. химиком Л. Вокленом в виде … Геологическая энциклопедия
Бериллий - представляет собой металл серо стального цвета, очень легкий и твердый, но чрезвычайно хрупкий. Катать или вытягивать его можно только в специальных условиях. Чистый бериллий используется в производстве окон в рентгеновских трубках; в качестве… … Официальная терминология
БЕРИЛЛИЙ - хим. элемент, символ Be (лат. Beryllium), ат. н. 4, ат. м. 9,012; чистый бериллий светло серый, лёгкий, твёрдый и хрупкий металл, плотность 1848 кг/м3, tпл = 1284 °С; химически активен, в соединениях проявляет степень окисления +2. Из наиболее… … Большая политехническая энциклопедия
- (символ Be), прочный, легкий, серебристо серый металл из ряда щелочноземельных, впервые полученный в чистом виде в 1828 г. Содержится во многих минералах, в том числе, аквамарине, изумруде и морганите (все это разновидности БЕРИЛЛА), а также… … Научно-технический энциклопедический словарь
Бериллий (лат. Beryllium), Be, химический элемент II группы периодической системы Менделеева, атомный номер 4, атомная масса 9,0122; легкий светло-серый металл. Имеет один стабильный изотоп Ве.
Бериллий открыт в 1798 году в виде оксида ВеО, выделенной из минерала берилла Л. Вокленом. Металлический Бериллий впервые получили в 1828 году Ф. Велер и А. Бюсси независимо друг от друга. Так как некоторые соли Бериллия сладкого вкуса, его вначале называли "глюциний" (от греч. glykys - сладкий) или "глиций". Название Glicinium употребляется (наряду с Бериллием) только во Франции. Применение Бериллия началось в 40-х годах 20 века, хотя его ценные свойства как компонента сплавов были обнаружены еще ранее, а замечательные ядерные - в начале 30-х годов 20 века.
Распространение бериллия в природе . Бериллий - редкий элемент. Бериллий - типичный литофильный элемент, характерный для кислых, субщелочных и щелочных магм. Известно около 40 минералов Бериллия. Из них наибольшее практическое значение имеет берилл, перспективны и частично используются фенакит, гельвин, хризоберилл, бертрандит.
Физические свойства . Кристаллическая решетка Бериллия гексагональная плотноупакованная. Бериллий легче алюминия, его плотность 1847,7 кг/м3 (у Аl около 2700 кг/м3), температура плавления 1285оС, температура кипения 2470 oС.
(Beryllium ) Be химический элемент 2 (IIa ) группы Периодической системы Д.И.Менделеева. Атомный номер 4, относительная атомная масса 9,01218. В природе встречается только один стабильный изотоп 9 Be . Известны также радиоактивные изотопы бериллия 7 Be и 10 Be с периодами полураспада 53.29 дней и 1,6·10 6 лет, соответственно. Степени окисления +2 и +1 (последняя крайне неустойчива).Бериллиесодержащие минералы известны с древности. Некоторые из них добывались на Синайском полуострове еще в 17 в. до н.э. Название берилл встречается у греческих и латинских (Beryll) античных писателей. Сходство берилла и изумруда отмечал Плиний Старший : «Берилл, если подумать, имеет ту же природу, что и смарагд (изумруд), или, по крайней мере, очень похожую» (Естественная история, книга 37). В Изборнике Святослава (1073) берилл фигурирует под названием вируллион.
Бериллий был открыт в 1798. Французский кристаллограф и минералог Рене Жюст Гаюи (
Haüy René Just ) (17431822), отметив сходство твердости, плотности и внешнего вида зеленовато-голубых кристаллов берилла из Лиможа и зеленых кристаллов изумруда из Перу, предложил французскому химику Никола Луи Воклену (Vauquelin Nicolas Louis ) (17631829) проанализировать берилл и изумруд, чтобы узнать, не являются ли они химически идентичными. В результате Воклен показал, что оба минерала содержат не только оксиды алюминия и кремния, как было известно и раньше, но также и новую «землю», которая очень напоминала оксид алюминия, но, в отличие от него, реагировала с карбонатом аммония и не давала квасцов. Именно этими свойствами Воклен и воспользовался для разделения оксидов алюминия и неизвестного элемента.Редакция журнала «
Annakts de Chimie », опубликовавшего работу Воклена, предложила для открытой им земли название «глицина» за способность к образованию соединений, обладающие сладким вкусом. Известные химики Мартин Генрих Клапрот (Klaproth Martin Heinrich ) (17431817) и Андерс Экеберг (Ekeberg Anders ) (17671813) сочли это название неудачным, так как соли иттрия также имеют сладковатый вкус. В их работах «земля», открытая Вокленом, называется берилловой. Тем не менее, в научной литературе 19 в. для нового элемента долгое время использовали термины «глиций», «глициний» или «глюциний». В России до середины 19 в. оксид этого элемента называли «сладкоземом», «сладимой землей», «сладоземом» а сам элемент именовался глицинием, глицинитом, глицием, сладимцем В виде простого вещества элемент, открытый Вокленом, впервые получил немецкий химик Фридрих Вёлер (Wöhler Friedrich ) (18001882) в 1828, восстановливая хлорид бериллия калием: BeCl 2 + 2 K = Be + 2 KClНезависимо от него в этом же году тем же методом металлический бериллий был выделен французским химиком Антуаном Бюсси (
Bussy Antoine ) (17941882).Общепринятым стало название элемента по имени минерала (латинское
beryllus от греческого bhrnlloV ), однако во Франции бериллий до сих пор называют глицинием.Было установлено, что масса одного эквивалента бериллия равна примерно 4,7 г/моль. Однако сходство между бериллием и алюминием привело к существенному заблуждению относительно валентности и атомной массы бериллия. Долгое время бериллий считали трехвалентным с относительной атомной массой 14 (что примерно равно утроенной массе одного эквивалента бериллия 3
× 4,7). Лишь через 70 лет после открытия бериллия русский ученый Д.И. Менделеев пришел к выводу, что в его периодической таблице места для такого элемента нет, а вот двухвалентный элемент с относительной атомной массой 9 (приблизительно равной удвоенной массе одного эквивалента бериллия 2 × 4,7) легко размещается между литием и бором.Бериллий в природе и его промышленное извлечение. Бериллий, как и соседние с ним литий и бор, относительно мало распространен в земной коре, его содержание составляет около 2·10 4 %. Хотя бериллий и редкий элемент, но он не является рассеянным, так как входит в состав поверхностных залежей берилла в пегматитовых породах, которые последними закристаллизовались в гранитных куполах. Есть сообщения о гигантских бериллах длиной до 1 м и массой до нескольких тонн.
Известно 54 собственно бериллиевых минерала. Важнейший из них берилл 3
BeO · Al 2 O 3 ·6 SiO 2 . У него много окрашенных разновидностей. Изумруд содержит около 2% хрома, придающего ему зеленый цвет. Аквамарин своей голубой окраской обязан примеси железа(II ). Розовый цвет воробьевита обусловлен примесью соединений марганца(II ), а золотисто-желтый гелиодор окрашен ионами железа(III ). Промышленно важными минералами являются также фенакит 2 BeO · SiO 2 , бертрандит 4 BeO ·2 SiO 2 · H 2 O , гельвин (Mn , Fe , Zn ) 4 [ BeSiO 4 ] 3 S .Мировые природные ресурсы бериллия оцениваются более чем в 80 тыс. т (по содержанию бериллия), из которых около 65% сосредоточено в США, где основным бериллиевым сырьем является бертрандитовая руда. Ее подтвержденные запасы в США на месторождении Spur Mountain (шт. Юта), являющемся основным в мире источником бериллия, на конец 2000 составили примерно 19 тыс. т (по содержанию металла). Берилла в США очень мало. Из других стран наибольшими запасами бериллия обладают Китай, Россия и Казахстан. Во времена СССР бериллий на территории России добывался на Малышевском (Свердловская область), Завитинском (Читинская область), Ермаковском (Бурятия), Пограничном (Приморский край) месторождениях. В связи с сокращением ВПК и прекращением строительства атомных электростанций, его добыча была прекращена на Малышевском и Ермаковском и значительно сокращена на Завитимском месторождениях. При этом значительная часть добываемого бериллия продается за рубеж, в основном, в Европу и Японию.
По оценке Геологической службы США, мировая добыча бериллия в 2000 характеризовалась следующими данными (т):
| Всего | 356 |
| США | 255 |
| КНР | 55 |
| Россия | 40 |
| Казахстан | 4 |
| Прочие страны | 2 |
Это один из самых легких металлов (плотность равна 1,816 г/см 3). У него высокий модуль упругости, в 4 раза больший, чем у алюминия, в 2,5 раза превышающий соответствующий параметр титана, и на треть выше, чем у стали. Бериллий обладает наибольшей среди всех металлов теплоемкостью: 16,44 Дж/(моль К) для
a - Be , 30,0 Дж/(моль К) для b - Be .По устойчивости к коррозии во влажном воздухе бериллий, благодаря образованию защитного оксидного слоя, напоминает алюминий. Тщательно отполированные образцы долго сохраняют свой блеск.
Металлический бериллий относительно мало реакционноспособен при комнатной температуре. В компактном виде он не реагирует с водой и водяным паром даже при температуре красного каления и не окисляется воздухом до 600° С. Порошок бериллия при поджигании горит ярким пламенем, при этом образуются оксид и нитрид. Галогены реагируют с бериллием при температуре выше 600° С, а халькогены требуют еще более высокой температуры. Аммиак взаимодействует с бериллием при температуре выше 1200° С с образованием нитрида
Be 3 N 2 , а углерод дает карбид Ве 2 С при 1700° С. С водородом бериллий непосредственно не реагирует, и гидрид ВеН 2 получают косвенным путем.Бериллий легко растворяется в разбавленных водных растворах кислот (соляной, серной, азотной), однако холодная концентрированная азотная кислота пассивирует металл. Реакция бериллия с водными растворами щелочей сопровождается выделением водорода и образованием гидроксобериллатов:
Be + 2NaOH (р ) + 2H 2 O = Na 2 + H 2 При проведении реакции с расплавом щелочи при 400500° С образуются диоксобериллаты: Be + 2 NaOH (ж) = Na 2 BeO 2 + H 2 NH 4 HF BeF 2 и очистки бериллия:Металлический бериллий быстро растворяется в водном растворе
NH 4 HF 2 . Эта реакция имеет технологическое значение для получения безводного BeF 2 и очистки бериллия: Be + 2 NH 4 HF 2 = (NH 4) 2 [ BeF 4 ] + H 2Бериллий выделяют из берилла сульфатным или фторидным способом. В первом случае концентрат сплавляют при 750° С с карбонатом натрия или кальция, а затем сплав обрабатывают концентрированной горячей серной кислотой. На образовавшийся раствор сульфата бериллия, алюминия и других металлов действуют сульфатом аммония. Это приводит к выделению большей части алюминия в виде алюмокалиевых квасцов. Оставшийся раствор обрабатывают избытком гидроксида натрия. При этом образуется раствор, содержащий
Na 2 [ Be (OH ) 4 ] и алюминаты натрия. При кипячении этого раствора в результате разложения гидроксобериллата осаждается гидроксид бериллия (алюминаты остаются в растворе).По фторидному способу концентрат нагревают с
Na 2 [ SiF 6 ] и Na 2 CO 3 при 700750° С. При этом образуется тетрафторобериллат натрия: 3BeO·Al 2 O 3 ·6SiO 2 + 2Na 2 + Na 2 CO 3 = 3Na 2 + 8SiO 2 + Al 2 O 3 + CO 2 Затем выщелачивают растворимый фторобериллат водой и осаждают гидроксид бериллия при рН около 12.Для выделения металлического бериллия его оксид или гидроксид сначала переводят в хлорид или фторид. Металл получают электролизом расплавленных смесей хлоридов бериллия и щелочных элементов или действием магния на фторид бериллия при температуре около 1300° С:
BeF 2 + Mg = MgF 2 + BeДля получения заготовок и изделий из бериллия используют, в основном, методы порошковой металлургии.
Бериллий легирующая добавка в медных, никелевых, железных и других сплавах. Способность бериллия увеличивать твердость меди была открыта в 1926. Сплавы меди с 13% бериллия назвали бериллиевыми бронзами. Сейчас известно, что добавка около 2% бериллия в шесть раз увеличивают прочность меди. Кроме того, такие сплавы (которые также обычно содержат 0,25% кобальта) имеют хорошую электрическую проводимость, высокую прочность и сопротивление износу. Они не магнитны, устойчивы к коррозии и находят многочисленные области применения в движущихся частях двигателей самолетов, точных инструментах, управляющих реле в электронике. Кроме того, они не искрят и поэтому широко применяются для изготовления ручного инструмента в нефтяной промышленности. Никелевый сплав, содержащий 2% бериллия, используется также для высокотемпературных пружин, зажимов, мехов и электрических контактов. Все большее значение приобретают бериллий-алюминиевые сплавы, в которых содержание бериллия достигает 65%. Они имеют широкий круг сфер использования от авиакосмической промышленности до производства компьютеров.
С помощью бериллия улучшают качество поверхности деталей машин и механизмов. Для этого готовое изделие выдерживают в порошке бериллия при 9001000° С, и его поверхность делается тверже, чем у лучших сортов закаленной стали.
Еще одна важная область применения бериллия в ядерных реакторах, так как он является одним из наиболее эффективных замедлителей и отражателей нейтронов. Его используют и в качестве материала для окошек в рентгеновских трубках. Бериллий пропускает рентгеновские лучи в 17 раз лучше, чем алюминий и в 8 раз лучше, чем линдемановское стекло.
Смесь соединений радия и бериллия долгое время использовалась как удобный лабораторный источник нейтронов, образующихся по ядерной реакции:
Be + 4 He = 12 C + 1 nВ 1932 при использовании именно этой смеси английским физиком Джеймсом Чедвиком был открыт нейтрон.
В производстве металлического бериллия доминируют США (американская фирма «Brush Wellman», базирующаяся в Кливленде). Китай и Казахстан также имеют производственные мощности по выпуску металлического бериллия.
Потребление бериллия в США, где этот металл применяется больше всего, в 2000 составило примерно 260 т (по содержанию металла), из которых 75% использовалось в виде медно-бериллиевых сплавов для изготовления пружин, соединителей и переключателей, применяемых в автомобилях, летательных аппаратах и компьютерах. В течение 1990-х цены на медно-бериллиевые сплавы оставались стабильными и составляли примерно 400 долларов за килограмм бериллия, этот уровень цен сохраняется и сейчас.
По оценке компании «Roskill», мировой спрос на бериллий в 2001 резко снизился, в частности, за счет сокращения рынка телекоммуникационного оборудования, являющегося, вероятно, крупнейшей сферой потребления этого металла. Однако эксперты «Roskill» полагают, что в среднесрочной перспективе это снижение будет компенсироваться ростом спроса на медно-бериллиевую ленту со стороны производителей автомобильных электронных устройств и компьютеров. В более отдаленной перспективе, как ожидают, продолжится рост потребления медно-бериллиевых сплавов в производстве подводного телекоммуникационного оборудования, а также повысится спрос на трубы для нефтегазовой промышленности, в состав материала которых входит бериллий.
Маловероятно, что спрос на металлический бериллий заметно возрастет, поскольку цены на альтернативные материалы ниже, чем на бериллий, который является весьма дорогостоящим металлом. Так, в ряде сфер потребления альтернативными ему материалами могут служить графит, сталь, алюминий и титан, а вместо медно-бериллиевых сплавов может использоваться фосфорная бронза.
Соединения бериллия. У бериллия, в отличие от других элементов 2 группы, нет соединений с преимущественно ионными связями, в то же время для него известны многочисленные координационные соединения, а также металлоорганические соединения, в которых часто образуются многоцентровые связи.Вследствие малого размера атома бериллий почти всегда проявляет координационное число 4, что важно для аналитической химии.
Соли бериллия в воде быстро гидролизуются с образованием ряда гидроксокомплексов неопределенной структуры. Осаждение начинается при отношении
OH : Be 2+ > 1. Дальнейшее добавление щелочи приводит к растворению осадка.Гидрид бериллия ВеН 2 был впервые получен в 1951 восстановлением хлорида бериллия с помощью
LiAlH 4 . Он представляет собой аморфное белое вещество. При нагревании до 250° С гидрид бериллия начинает выделять водород. Это соединение умеренно устойчиво в воздухе и воде, но быстро разлагается кислотами. Гидрид бериллия полимеризован за счет трехцентровых связей ВеНВе.Галогениды бериллия . Безводные галогениды бериллия нельзя получить реакциями в водных растворах вследствие образования гидратов, таких как [
Be (H 2 O ) 4 ] F 2 , и гидролиза. Лучшим способом для получения фторида бериллия является термическое разложение (NH 4) 2 [ BeF 4 ], а хлорид бериллия удобно получать из оксида. Для этого действуют хлором на смесь оксида бериллия и углерода при 6501000° С. Хлорид бериллия можно также синтезировать прямым высокотемпературным хлорированием металлического бериллия или его карбида. Эти же реакции используются для получения безводных бромида и иодида.Фторид бериллия стекловидный материал. Его структура состоит из неупорядоченной сетки из атомов бериллия (КЧ 4), связанных мостиками из атомов фтора, и похожа на структуру кварцевого стекла. Выше 270° С фторид бериллия самопроизвольно кристаллизуется. Подобно кварцу, он существует в низкотемпературной
a -форме, которая при 227° С переходит в b -форму. Кроме того, можно получить формы кристобалита и тридимита. Структурное сходство между BeF 2 и SiO 2 распространяется также на фторобериллаты (которые образуются при взаимодействии фторида бериллия с фторидами щелочных элементов и аммония) и силикаты.Фторид бериллия компонент фторобериллатных стекол и солевой смеси, используемой в ядерных реакторах на расплавленных солях.
Хлорид и другие галогениды бериллия можно рассматривать как полиядерные комплексные соединения, в которых координационное число бериллия равно 4. В кристаллах хлорида бериллия есть бесконечные цепочки с мостиковыми атомами хлора
Даже при температуре кипения (550° С) в газовой фазе содержится около 20% молекул димеров
Be
2
Cl
4 .
Цепочечная структура хлорида бериллия легко разрушается слабыми лигандами, такими как диэтиловый эфир, с образованием молекулярных комплексов [
BeL 2 Cl 2 ]:
Более сильные доноры, такие так вода или аммиак, дают ионные комплексы [
BeL
4 ] 2+ (Cl
) 2 . В присутствии избытка галогенид-ионов образуются галогенидные комплексы, например [
BeF
4 ] 2 .
Оксид бериллия
BeO встречается в природе в виде редкого минерала бромеллита.Непрокаленный оксид бериллия гигроскопичен, адсорбирует до 34% воды, а прокаленный при 1500° С лишь 0,18%. Оксид бериллия, прокаленный не выше 500° С, легко взаимодействует с кислотами, труднее с растворами щелочей, а прокаленный выше 727° С лишь со фтороводородной кислотой, горячей концентрированной серной кислотой и расплавами щелочей. Оксид бериллия устойчив к воздействию расплавленных лития, натрия, калия, никеля и железа.
Оксид бериллия получают термическим разложением сульфата или гидроксида бериллия выше 800° С. Продукт высокой чистоты образуется при разложении основного ацетата [
Be 4 O (OOCH 3) 6 ] выше 600° С.Оксид бериллия обладает очень высокой теплопроводностью. При 100° С она составляет 209,3 Вт / (м К), что больше, чем у любых неметаллов и даже у некоторых металлов. Оксид бериллия сочетает высокую температуру плавления (2507° С) при с незначительным давлением пара при температуре ниже этой. Он служит в качестве химически стойкого и огнеупорного материала для изготовления тиглей, высокотемпературных изоляторов, труб, чехлов для термопар, специальной керамики. В инертной атмосфере или вакууме тигли из оксида бериллия могут применяться при температурах до 2000° С.
Хотя оксид бериллия часто заменяют более дешевым и менее токсичным нитридом алюминия, в этих случаях обычно наблюдается ухудшение рабочих характеристик оборудования. Ожидают, что в более отдаленной перспективе продолжится стабильный рост потребления оксида бериллия, особенно в производстве компьютеров.
Гидроксид бериллия
Be (OH ) 2 осаждают из водных растворов солей бериллия аммиаком или гидроксидом натрия. Его растворимость в воде при комнатной температуре намного ниже, чем у его соседей по Периодической системе, и составляет всего лишь 3·10 4 г л 1 . Гидроксид бериллия амфотерен, вступает в реакции как с кислотами, так и со щелочами с образованием солей, в которых бериллий входит в состав катиона или аниона, соответственно: Be(OH) 2 + 2H 3 O + = Be 2+ + 2H 2 OBe(OH) 2 + 2OH = 2
Гидроксокарбонат бериллия соединение переменного состава. Образуется при взаимодействии водных растворов солей бериллия с карбонатами натрия или аммония. При действии избытка растворимых карбонатов легко образует комплексные соединения, такие как (NH 4) 2 [ Be (CO 3) 2 ].Карбоксилаты бериллия . Уникальность бериллия проявляется в образовании устойчивых летучих молекулярных оксид-карбоксилатов с общей формулой [
OBe 4 (RCO 2) 6 ], где R = H , Me , Et , Pr , Ph и т.д. Эти белые кристаллические вещества, типичным представителем которых является основный ацетат бериллия (R = CH 3), хорошо растворимы в органических растворителях, включая алканы, и нерастворимы в воде и низших спиртах. Их можно получить простым кипячением гидроксида или оксида бериллия с карбоновой кислотой. Структура таких соединений содержит центральный атом кислорода, тетраэдрически окруженный четырьмя атомами бериллия. На шести ребрах этого тетраэдра есть шесть мостиковых ацетатных групп, расположенных таким образом, что каждый атом бериллия имеет тетраэдрическое окружение из четырех атомов кислорода. Ацетатное соединение [ OBe 4 (MeCO 2) 6 ] плавится при 285° С и кипит при 330° С. Оно устойчиво к нагреванию и окислению в нежестких условиях, медленно гидролизуется горячей водой, но быстро разлается минеральными кислотами с образованием соответствующей соли бериллия и свободной карбоновой кислоты.Нитрат бериллия
Be (NO 3) 2 при обычных условиях существует в виде тетрагидрата. Он хорошо растворим в воде, гигроскопичен. При 60100° С образуется гидроксонитрат переменного состава. При более высокой температуре он разлагается до оксида бериллия.Основный нитрат [
OBe 4 (NO 3) 6 ] имеет аналогичную карбоксилатам структуру с мостиковыми нитрато-группами. Это соединение образуется при растворении хлорида бериллия в смеси N 2 O 4 и этилацетата с образованием кристаллического сольвата [ Be (NO 3) 2 . 2 N 2 O 4 ], который затем нагревают до 50° С, чтобы получить безводный нитрат Be (NO 3) 2 , быстро разлагающийся при 125° С на N 2 O 4 и [ OBe 4 (NO 3) 6 ].Бериллиеорганические соединения . Для бериллия известны многочисленные соединения, содержащие связи бериллийуглерод. Соединения состава Ве
R 2 , где R алкил, являются ковалентными и имеют полимерную структуру. Соединение (CH 3) 2 Be имеет цепочное строение с тетраэдрическим расположением метильных групп вокруг атома бериллия. Он легко возгоняется при нагревании. В парах существует в виде димера или тримера.Соединения
R 2 Be самовоспламеняются на воздухе и в атмосфере диоксида углерода, бурно реагируют с водой и спиртами, дают устойчивые комплексы с аминами, фосфинами, эфирами.Синтезируют
R 2 Be взаимодействием хлорида бериллия с магнийорганическими соединениями в эфире или металлического бериллия с R 2 Hg . Для получения (C 6 H 5) 2 Be и (C 5 H 5) 2 Be используют реакцию хлорида бериллия с соответствующими производными щелочных элементов.Предполагают, что соединения состава
RBeX (Х галоген, OR , NH 2 , H ) представляют собой R 2 Be . BeX 2 . Они менее реакционноспособны, в частности, на них не действует диоксид углерода.Бериллийорганические соединения используют как катализаторы димеризации и полимеризации олефинов, а также для получения металлического бериллия высокой чистоты.
Биологическая роль бериллия. Бериллий не относится к биологически важным химическим элементам. В то же время, повышенное содержание бериллия опасно для здоровья. Соединения бериллия очень ядовиты, особенно в виде пыли и дыма, обладают аллергическим и канцерогенным действием, раздражают кожу и слизистые оболочки. При попадании в легкие могут вызвать хроническое заболевание бериллиоз (легочная недостаточность). Заболевания легких, кожи и слизистых оболочек могут возникнуть через 1015 лет после прекращения контакта с бериллием.Считают, что токсичные свойства этого элемента связаны со способностью
Be (II ) замещать Mg (II ) в магниесодержащих ферментах за счет его более сильной координационной способности.Елена
Савинкина ЛИТЕРАТУРА Популярная библиотека химических элементов . Водородхром. М., Наука, 1971Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия . М., Химия, 1992
Greenwood N.N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements , Oxford: Butterworth, 1997
Бериллий - это элемент второй группы 2-го периода таблицы Менделеева, имеющий атомный номер 4 и обозначающийся символом Ве. Он высокотоксичный и обладает множеством специфических свойств, которые обусловили его широкое применение во многих сферах. И сейчас будет рассказано как о характеристиках данного элемента, так и об его использовании.
Физические свойства
Выглядит данное вещество как светло-серый металл. Он относительно твердый, по оценен в 5,5 баллов. Это значит, что его можно повредить лишь с усилием, и только чем-то острым. Он является одним из самых твердых металлов, существующих в чистом виде. По данному показателю его опережает иридий, осмий, вольфрам и уран.
Можно выделить следующие физические характеристики:
- Плотность - 1,848 г/см³.
- Молярный объем - 5,0 см³/моль.
- Температура плавления и кипения - 1278 °C и 2970 °C соответственно.
- Молярная теплоемкость - 16,44 Дж/(K.моль).
- Удельная теплота плавления и испарения - 12,21 и 309 кДж/моль соответственно.
Еще у этого металла высокий составляющий 300 Гпа. Даже у сталей этот показатель равен 200-210 Гпа. Находясь на воздухе, он активно покрывается стойкой пленкой атмосферного оксида ВеО. Также стоит отметить, что в бериллии очень высокая скорость звука. Она равна 12 600 м/с. А это в два-три раза выше, чем в остальных металлах.
Хрупкость
Несмотря на свою впечатляющую твердость, бериллий - это очень хрупкий металл. Скорее всего, данное качество связано с присутствием в нем кислорода. Но эта особенность легко устраняется. Бериллий отправляют в вакуум на переплавку. В данном процессе обязательно участвует раскислитель (титан, например). В результате получается прочный металл с достаточной ковкостью.
Также хрупкость бериллия - это особенность, связанная с распространением в монокристаллах трещин. Учитывая данный факт, повысить пластичность металла можно посредством обработки, уменьшающей размер зерен и препятствующей их росту. Это свойство бериллия всегда устраняется, поскольку из-за него он крайне плохо сваривается и паяется. Кстати, хрупкость может и повыситься - для этого достаточно добавить в металл немного селена (неметалл, халькоген).
Химические особенности
Данный металл по целому ряду своих свойств похож на алюминий - это прослеживается даже в уравнениях реакций бериллия, которые, кстати, весьма специфичны. При комнатной температуре металл имеет низкую реакционную способность, а в компактном виде не взаимодействует даже с водой и паром.
Воздухом он окисляется до температуры 600 °C. Когда данный показатель превышается, то становятся возможными реакции с галогенами. А вот для взаимодействия с халькогенами необходимы еще более высокие температуры. С аммиаком, например, бериллий может вступить в реакцию, только если будет более 1200 °C. Вследствие этого образуется нитрид Be 3 N 2 . Но зато порошок данного вещества горит впечатляющим ярким пламенем. И при этом образуется нитрид и оксид.
Be(OH)2
Это гидроксид бериллия. При нормальных условиях он выглядит как гелеобразное вещество белого цвета, которое почти не растворяется в воде. Но зато этот процесс успешно происходит, когда он попадает в разбавленную минеральную кислоту. Вот так, кстати, выглядит реакция серной кислоты и гидроксида бериллия по формуле: Ве(ОН) 2 + H 2 SO 4 → BeSO 4 + 2Н 2 О. В результате, как можно видеть, образуется соль и вода. С щелочами оксид тоже взаимодействует. Выглядит это так: Ве(ОН) 2 + 2NaOH → Na 2 Be(OH) 4 .
Еще интересная реакция происходит при температурном воздействии. Если увеличить показатель до 140 °C, то вещество разложится на оксид и воду: Ве(ОН) 2 → ВеО + Н 2 О. Кстати, получают гидроксид посредством обработки солей бериллия, которая происходит либо с участием щелочных металлов, либо в ходе гидролиза натрия. Также в данном процессе может участвовать фосфид металла.
BeSO4
Это сульфат бериллия. Это вещество представляет собой твердые кристаллы белого цвета. Его получают в результате взаимодействия серной кислоты и любой соли бериллия в воде. Сопровождается процесс выпариванием и последующей кристаллизацией получающегося в итоге продукта. Если нагреть гидрат до 400 °C, то получится разложить его на Н 2 О и безводную соль. У BeSO 4 было весьма специфичное применение. Его смешивали с сульфатом радия (неорганическое вещество щелочноземельного радиоактивного металла) и использовали в атомных реакторах в качестве источника нейтронов. На сегодняшний день его нередко применяют в таком виде альтернативной медицины, как гомеопатия.
Ве(NO3)2
Это нитрат бериллия. Он является средней солью этого металла и азотной кислоты. Данное соединение может существовать лишь как кристаллогидраты различного состава. Безводных нитратов просто не существует. Вследствие добавления концентрированной азотной кислоты удается выделить из водного раствора тетрагидрат бериллия. Формула выглядит так: Ве(NO 3) 2 .4Н 2 О. Интересно, что кристаллы данного вещества расплываются на воздухе. А в результате реакций, проводимых в растворе с 54-процентным содержанием азотной кислоты, может образовываться тригидрат. Также с участием данных веществ можно образовать дигидрат.
Нитрат данного металла раньше активно использовался в производстве колпачков так называемых газокалильных ламп. Он идеально для этого подходил, ведь мог термически разлагаться, образовывая оксид. Но потом повсеместно начало распространяться электрическое освещение, и данная технология канула в лету, как и применение нитрата. Он, к слову, является токсичным, как и любые другие бериллиевые соединения. Более того, даже в малых количествах данное вещество - раздражитель, провоцирующий острую пневмонию.
Получение металла
В промышленности бериллий - это активно используемый металл, который нужно производить в большом количестве. Поэтому используется самый оперативный метод. Заключается он в переработке берилла (минерала, кольцевого силиката) в сульфат или гидроксид данного элемента. Металлический бериллий производят посредством восстановления фторида BeF 2 при помощи магния. Осуществляется данный процесс при температурном режиме в 900-1300 °С или другим методом - электролизом хлорида BeCl 2 . В этой реакции участвует хлорид натрия (NaCl), а происходит все при температуре 350 °С.
Получаемое в итоге вещество отправляют на дистилляцию в вакуум. Результатом данного процесса становится металл высокой чистоты.
Металлопроизводство
В этой сфере активно применяется такой химический элемент, как бериллий. Он - эффективная легирующая добавка. Бериллий включают в состав сплавов для того, чтобы повысить их прочности и твердость. С присутствием данного металла они также обретают коррозионную устойчивость. Изделия, произведенные из сплавов с бериллием, очень долговечные и прочные. Какие, например? Яркий пример - пружинные контакты. Всего 0,5 % этого металла достаточно добавить в бронзу, из которой их делают. Пружины получаются крепкими и остаются упругими вплоть до температуры красного каления. Они, в отличие от изделий из любого другого сплава, выдерживают миллиарды циклов огромной нагрузки.
Аэрокосмические технологии
В производстве систем наведения и тепловых экранов ни один другой конструкционный металл не проявляет себя так, как бериллий. Ему в данной сфере нет равных. Этот металл добавляют в конструкционные материалы, чтобы они обрели легкость и при этом получили увеличенную стойкость к высоким температурам и прочность. Такие сплавы получаются в полтора раза легче алюминия и прочнее.
Еще в строении аэрокосмической техники используются бериллиды, являющиеся интерметаллическими соединениями данного вещества с другими металлами. Они очень твердые, имеют малую удельную плотность и поразительную устойчивость к температуре. Поэтому из бериллидов делают обшивки самолетов и ракет, используют их в производстве двигателей, систем наведения, тормозов. Даже сплавы титана по своим качествам проигрывают данным веществам. Кстати, немалому количеству бериллидов свойственны специфические ядерные характеристики. Именно поэтому их еще применяют в атомной энергетике (делают отражатели нейтронов, например).
Другие сферы применения
Помимо перечисленного, бериллий (точнее его алюминат) также используют в производстве твердотельных излучателей. Были выявлены и топлива, содержащие это вещество. Они являются менее токсичными и более дешевыми, чем все остальные. В частности, было обнаружено ракетное топливо с гидридом бериллия. Важно отметить, что уже упомянутый ранее оксид бериллия - самый теплопроводный из всех существующих. Поэтому его используют в качестве высокотемпературного изолятора и стойкого огнеупорного материала.
А еще бериллий является популярным веществом для изготовления электродинамических громкоговорителей. Ведь он твердый и легкий. Вот только из-за хрупкости, дорогостоящей обработки и токсичности динамики с этим металлом применяют лишь в профессиональных аудиосистемах. А некоторые производители, чтобы улучшить показатели своих продаж, заявляют об использовании этого металла в своей технике, даже если это не так.
