Бериллий получение. Бериллий: это что, и где его используют

Бериллий - светло-серый, легкий, достаточно твердый, хрупкий металл. На воздухе покрывается оксидной пленкой.

Получение:

В виде простого вещества в XIX веке бериллий получали действием калия на безводный хлорид бериллия : BeCl2+2K=Be+2KCl.B e C l 2 + 2 K ⟶ B e + 2 K C l {\displaystyle {\mathsf {BeCl_{2}+2K\longrightarrow Be+2KCl}}}

В настоящее время бериллий получают, восстанавливаяфторид бериллиямагнием : BeF2+Mg=Be+MgF2,

либо электролизом расплава смеси хлоридов бериллия и натрия.

Химические свойства:

Для бериллия характерна только одна степень окисления +2. По многим химическим свойствам бериллий больше похож на алюминий, чем на находящийся непосредственно под ним в таблице Менделеева магний (проявление «диагонального сходства »). Металлический бериллий относительно мало реакционноспособен при комнатной температуре.

Пассивируется в холодной воде, концентрированных серной и азотной кислотах. Восстановитель, реагирует с кипящей водой, разбавленными кислотами, концентрированными щелочами, неметаллами, аммиаком, оксидами металлов, при нагревании сгорает в кислороде и на воздухе. С металлами бериллий образует интерметаллические соединения.

2Be + O 2 (900°С) = 2BeO

С водородом бериллий не реагирует даже при нагревании до 1000°C, зато он легко соединяется с галогенами, серой и углеродом.

Be + Hal 2 (нагр.) = 2BeHal 2 (7Be+2F→Be 7 F 2 ; 2Be+I 2 →2BeI)

3Be + C 2 H 2 = BeC 2 + H 2

Be + MgO = BeO + Mg

Взаимодействие с серой: 2Be+S→Be 2 S

Взаимодействие с азотом(N): 2Be+N 2 →2BeN

Бериллий хорошо растворяется во всех минеральных кислотах, кроме, как это ни странно, азотной. От нее как и от кислорода, бериллий защищен окисной пленкой.

Be + 2HCl(разб.) = BeCl 2 + H 2

3Be + 8HNO3(разб) = 3 Be(NO3)2 + 2 NO + 4 H2O

Со щелочами бериллий реагирует, образуя соли-бериллаты, подобные алюминатам. Многие из них имеют сладковатый вкус, но пробовать на язык их нельзя – почти все бериллаты ядовиты.

Be + 2NaOH(конц.) + H 2 O = Na 2 BeO 2 + H 2

Be + 2NaOH(расплав) = Na 2 + H 2

Взаимодействие с водой:

2Be+3H 2 O→2H 2 + ВеО + Ве(OH) 2

2Be + 3H 2 O(кип.) = BeO↓ + Be(OH) 2 ↓ + 2H 2

Бериллий склонен к образованию комплексных соединений при взаимодействии с водными растворами щелочей.

Взаимодействие с азотной кислотой:

Взаимодействие с растворами щелочей:

Be + 2KOH + 2H 2 O = K 2 + H 2

Производство и применение:

В России планируется строительство нового комбината по производству бериллия к 2019 году. На долю остальных стран приходилось менее 1 % мировой добычи. Всего в мире производится 300 тонн бериллия в год (2016 год).

Легирование сплавов

Бериллий в основном используют как легирующую добавку к различным сплавам. Добавка бериллия значительно повышает твёрдость и прочность сплавов, коррозионную устойчивость поверхностей, изготовленных из этих сплавов изделий. Рентгенотехника Бериллий слабо поглощает рентгеновское излучение , поэтому из него изготавливают окошки рентгеновских трубок Ядерная энергетика

В атомных реакторах из бериллия изготовляют отражатели нейтронов , его используют как замедлитель нейтронов . Лазерные материалы В лазерной технике находит применение алюминат бериллия для изготовления твердотельных излучателей (стержней, пластин).Аэрокосмическая техника

В производстве тепловых экранов и систем наведения с бериллием не может конкурировать практически ни один конструкционный материалРакетное топливо Стоит отметить высокую токсичность и высокую стоимость металлического бериллия, и в связи с этим приложены значительные усилия для выявления бериллийсодержащих топлив, имеющих значительно меньшую общую токсичность и стоимость. Одним из таких соединений бериллия является гидрид бериллия .Огнеупорные материалы Он служит высокотеплопроводным высокотемпературным изолятором и огнеупорным материалом для лабораторных тиглей и в других специальных случаях.Акустика

Ввиду своей легкости и высокой твёрдости бериллий успешно применяется в качестве материала для электродинамических громкоговорителей . Биологическая роль и физиологическое действие:

В живых организмах бериллий не несёт какой-либо значимой биологической функции. Однако бериллий может замещать магний в некоторых ферментах , что приводит к нарушению их работы. Ежедневное поступление бериллия в организм человека с пищей составляет около 0,01 мг.

(на всякий случай)

Соединения бериллия (II). В кислых водных растворах ионы Ве 2+ находятся в виде прочных аква-комплексов [Ве(Н 2 О) 4 ] 2+ ; в сильно щелочных растворах – в виде ионов [Ве(ОН) 4 ] 2– .

Оксид ВеО – амфолит, при сплавлении взаимодействует и с основными, и с кислотными оксидами:

ВеО + SiО 2 = BeSiО 3 ; ВеО + Na 2 О = Na 2 BeО 2

При нагревании ВеО взаимодействует со щелочами и кислотами:

ВеО + 2HCl(конц.) = BeCl 2

ВеО + 2NaОН + Н 2 О = Na 2 [Ве(ОН) 4 ]

ВеО применяют в качестве химически стойкого и огнеупорного материала для изготовления тиглей и специальной керамики, а в атомной энергетике – как замедлитель и отражатель нейтронов.

Гидроксид Ве(ОН) 2 – полимерное соединение, и поэтому в воде не растворяется, амфолит.

Ве(ОН) 2 + 2NaОН(конц.) = Na 2 [Ве(ОН) 4 ]

ВеО + 2HCl + 3Н 2 О = [Ве(Н 2 О) 4 ]Cl 2

Амфотерностъ ВеНа1 2 наиболее отчетливо проявляется у фторида. Так, при нагревании BeF 2 с основными фторидами образуются фторобериллаты (другие галогенобериллаты не характерны): 2KF + BeF 2 = K 2

При взаимодействии BeF 2 с кислотными фторидами образуются соли бериллия:

BeF 2 + SiF 4 = Be

Гидрид ВеН 2 – сильный восстановитель; при его разложении водой выделяется водород: ВеН 2 + 2Н 2 О = Ве(ОН) 2 ↓ + Н 2

Большинство солей бериллия растворимо в воде, нераствори­мы ВеСО 3 , Ве 3 (РО 4) 2 и некоторые другие. Для бериллия весьма ха­рактерны двойные соли – бериллаты со сложными лигандами, например:

Na 2 SО 4 + BeSО 4 = Na 2

(NH 4) 2 CО 3 + BeCО 3 = (NH 4) 2

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.

«Бериллий и сплавы, содержащие бериллий. Свойства, применение в химической технологии»

Введение

Применяемые в промышленности и быту металлические изделия редко состоят из чистых металлов, примером является алюминиевая или медная проволока с процентным содержанием металла около 99,9%, в большинстве других случаев идет речь о сплавах. Сплавы – системы, состоящие из двух или нескольких металлов, а также из металлов и неметаллов, обладающие свойствами, присущими металлическому состоянию. Так, различные виды железа и стали содержат наряду с металлическими добавками незначительные количества углерода, которые оказывают решающее влияние на механическое и термическое поведение сплавов. Все сплавы имеют специальную маркировку, т. к. сплавы с одним названием (например, латунь) могут иметь разные массовые доли других металлов.

Для изготовления сплавов применяют различные металлы. Самое большое значение среди всех сплавов имеют стали различных составов. Для получения легированных сталей к железу, являющемуся главной составляющей сплава, добавляют кремний, медь, марганец, никель, хром, вольфрам, ванадий, молибден и другие компоненты.

В данной работе будут рассмотрены свойства и применение металла бериллия и содержащих бериллий сплавов.

Бериллий – светло-серый металл второй группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Порядковый номер 4, атомная масса 9,013. Символ Be (лат. Beryllium). Имеет 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. Открыт в 1798 в виде окиси BeO, выделенной из минерала берилла Л. Вокленом. Металлический Ве впервые получили в 1828 Ф. Вёлер и А. Бюсси независимо друг от друга. Так как некоторые соли Ве сладкого вкуса, его вначале называли «глюциний» (от греч. glykys – сладкий) или «глиций». Название Glicinium (знак GI) употребляется (наряду с Ве) только во Франции. Применение Ве началось в 40-х гг. 20 в., хотя его ценные свойства как компонента сплавов были обнаружены ещё ранее, а замечательные ядерные – в начале 30-х гг. 20 в.

Ве может существовать в двух полиморфных модификациях. Низкотемпературная модификация (α-Ве), существующая до 1250 °С, имеет гексагональную плотноупакованную решетку, высокотемпературная (β-Ве) – решетку объемно-центрированного куба.

Нахождение в природе

Редкий металл – содержание Ве в земной коре 5 · 10 -4 % (как и соседние с ним литий и бор, относительно мало распространен в земной коре). Типичный литофильный элемент, характерный для кислых, субщелочных и щелочных магм. 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 – из них наибольшее практическое значение имеет берилл 3BeO·Al 2 O 3 ·6SiO 2 , который после обработки переводят в форму хлорида или фторида. Этот минерал имеет много окрашенных разновидностей: изумруд (около 2% Cr придают ему зеленый цвет), аквамарин (примесь Fe(II) обуславливает его голубую окраску), воробьевит (розового цвета из-за примесей соединений Mn(II)), а гелиодор (золотисто-желтый – ионы Fe(III)). Перспективны и частично используются фенакит 2BeO·SiO 2 , гельвин (Mn, Fe, Zn) 4 3 S, хризоберилл BeAl 2 O 4 , бертрандит 4BeO·2SiO 2 ·H 2 O.

Мировые природные ресурсы Ве оцениваются более чем в 80 тыс. т (по содержанию Ве), из которых около 65% сосредоточено в США (основное Ве сырье – бертрандитовая руда). Подтвержденные запасы – на месторождении Spur Mountain (шт. Юта), являющемся основным в мире источником Ве, на конец 2000 составили примерно 19 тыс. т (по содержанию металла). Из других стран наибольшими запасами Ве обладают Китай, Россия и Казахстан. Во времена СССР Ве 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 Ве продается за рубеж, в основном, в Европу и Японию.

Физические свойства – по сравнению с другими легкими материалами бериллий обладает уникальным сочетанием физических и механических свойств.

Кристаллическая решётка Ве гексагональная плотноупакованная с периодами а = 2,855 Å и с= 3,5840 Å.

Плотность 1847,7 кг/м 3

Температура плавления 1551 °С

Температура кипения 3243 о С

Скрытая теплота плавления 250–275 кал/г (самая высокая среди всех металлов)

Коэффициент линейного расширения 10,3–131 (25–100 °С)

Модуль продольной упругости (модуль Юнга) 300ГН/м 2 (3.104 кг с/мм 2)

Предел прочности при растяжении 200–550 МН/м 2 (20–55 кг с/мм 2)

Предел текучести 250–600 МН/м 2 (25–60 кг с/мм 2)

Предел прочности в направлении вытяжки – до 400–800МН/м 2 (40–80 кг с/мм 2) Относительное удлинение – до 4–12%

Ударная вязкость 10–50 кДж/м 2 (0,1 – 0,5 кгс. м/см 2)

Температура перехода из хрупкого состояния в пластическое 200 – 400 °С

Твёрдость НВ 60–85 (для горячепрессованного Ве)

Теплоемкость для α-Ве 16,44 Дж/(моль К), для β-Ве – 30,0 Дж/(моль К)

Ве обладает: наиболее высокой из всех металлов удельной теплоёмкостью – 1,80 кДж/(кг. К) или 0,43 ккал/ (кг °С)

высокой теплопроводностью – 178 Вт/(м К) или 0,45 кал/см сек °С) (50 °С)

низким электросопротивлением – 3,6–4,5 мкОм см (20 °С)

Сравним некоторые свойства Ве с характеристиками других материалов.

Удельная прочность и жесткость материалов

Влияние температуры на удельный модуль упругости различных материалов

Свойства Ве зависят от качества и структуры металла и заметно меняются с температурой, механические – от чистоты металла, величины зерна и текстуры, определяемой характером обработки. Обработка давлением приводит к определённой ориентации кристаллов Ве, возникает анизотропия, становится возможным значительное улучшение свойств. Механические свойства в направлении, перпендикулярном вытяжке, почти не меняются. Ве – хрупкий металл (особенно литой) при комнатной температуре, что является главным препятствием к его широкому использованию в качестве конструкционного материала; к еще большей хрупкости материала приводит содержание даже незначительных примесей (например, введение в очищенный Ве всего 0,001% Si). Имеет низкую пластичность и хорошую коррозионную стойкость. Упругость паров Ве при температуре плавления очень мала.

Механические свойства Ве в литом и деформированном состояниях различаются в зависимости от направления проведения испытаний. Наилучшими механическими свойствами обладает Ве после тёплой обработки давлением, которая проводится при температурах ниже температуры рекристаллизации. Температура рекристаллизации Ве изменяется в пределах от 700 °С до 900 °С в зависимости от степени деформации и времени выдержки. Рекристаллизационный отжиг значительно повышает пластичность и уменьшает прочность Ве.

Отношение прочности к плотности у Be значительно выше, чем у авиационных сталей и сплавов на основе Ti и Al.

Важным специфическим свойством Ве является его высокая проницаемость для рентгеновских лучей, которая в 17 раз выше, чем у алюминия.

Высокие ядерные характеристики – самое низкое среди металлов эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов и самое высокое поперечное сечение их рассеяния.

Дает эвтектические сплавы с Al и Si. Растворимость примесных элементов в Ве чрезвычайно мала.

Химические свойства

Степени окисления +2 и +1 (последняя крайне неустойчива), конфигурация внешних электронов 2s 2 .

По химическим свойствам Be подобен Al. Сходство между этими элементами привело к существенному заблуждению относительно валентности и атомной массы Ве – долгое время Ве считали трехвалентным с относительной атомной массой 14 (что примерно равно утроенной массе одного эквивалента Ве 3 × 4,7); лишь через 70 лет после открытия Ве 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 Ве 2 × 4,7) легко размещается между Li и B.

Металлический Ве относительно мало реакционноспособен при комнатной температуре (например, устойчив к кислороду воздуха благодаря плёнке окиси, образующейся на его поверхности), в данных условиях взаимодействует с F 2 . В компактном виде не реагирует с водой и водяным паром даже при температуре красного каления и не окисляется воздухом до 600° С. При 1200 °С металлический Ве горит, превращаясь в белый порошок ВеО. Галогены реагируют с Ве при температуре выше 600° С, а халькогены требуют еще более высокой температуры. Компактный Ве интенсивно реагирует с N 2 при температурах более 1000 градусов, а в порошкообразном состоянии – при температурах более 500 о С. Аммиак взаимодействует с Ве при температуре выше 1200° С с образованием нитрида Be 3 N 2 , а углерод дает карбид Ве 2 С при 1700° С. С Н 2 Ве непосредственно не реагирует, и гидрид ВеН 2 получают косвенным путем (получен при разложении бериллийорганических соединений, устойчив до 240 °С).

Бериллий - элемент главной подгруппы второй группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 4. Обозначается символом Be (лат. Beryllium ).

История открытия бериллия

История элемента №4 началась с того, что его долго не могли открыть. Многие химики XVIII в. анализировали берилл (основной минерал бериллия), но никто из них не смог обнаружить в этом минерале нового элемента.

Даже современному химику, вооруженному фотометрическим, полярографическим, радиохимическим, спектральным, радиоактивационным и флуориметрическим методами анализа, нелегко выявить этот элемент, словно прячущийся за спину алюминия и его соединений, – настолько похожи их признаки. Первым исследователям бериллия приходилось, разумеется, гораздо труднее.

Но вот в 1798 г. французский химик Луи Никола Воклен, занимаясь сравнительным анализом берилла и изумруда, открыл в них неизвестный окисел – «землю». Она была очень похожа на окись алюминия (глинозем), однако Воклен заметил и отличия. Окисел растворялся в углекислом аммонии (а окись алюминия не растворяется); сернокислая соль нового элемента не образовывала квасцов с сернокислым калием (а сернокислая соль алюминия такие квасцы образует). Именно этой разницей в свойствах Воклен и воспользовался для разделения окислов алюминия и неизвестного элемента. Редакция журнала «Annales de chimie», опубликовавшего работу Воклена, предложила для открытой им «земли» название «глицина» (от греческого γλυμυς – сладкий) из-за сладкого вкуса ее солей. Однако известные химики М. Клапрот и А. Экеберг 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 XIX в., вплоть до 60-х годов, элемент №4 сплошь и рядом называется «глицием», «глицинием» или «глюцинием». Ныне это название сохранилось только во Франции.

Интересно отметить, что с предложением называть элемент №4 бериллием еще в 1814 г. выступал харьковский профессор Ф.И. Гизе.

Окисел был получен, но еще долгое время никому не удавалось выделить бериллий в чистом виде. Только через 30 лет Ф. Вёлер и А. Бюсси получили немного порошкообразного металла действием металлического калия на хлористый бериллий, но металл этот содержал много примесей. Прошло еще почти 70 лет, прежде чем П. Лебо смог получить (в 1898 г.) чистый бериллий электролизом бериллиево-фтористого натрия.

Сходство бериллия с алюминием принесло немало хлопот и автору периодического закона Д.И. Менделееву. Именно из-за этого сходства в середине прошлого века бериллий считали трехвалентным элементом с атомным весом 13,8. Но, будучи помещен в таблице между углеродом и азотом, как того требовал его атомный вес, бериллий вносил полную путаницу в закономерное изменение свойств элементов. Это было серьезной угрозой периодическому закону. Однако Менделеев был уверен в правильности открытой им закономерности и доказывал, что атомный вес бериллия определен неверно, что бериллий должен быть не трехвалентным, а двухвалентным элементом «с магнезиальными свойствами». Исходя из этого, Менделеев поместил бериллий во вторую группу периодической системы вместе с двухвалентными щелочноземельными металлами, исправив его атомный вес на 9.

Первое подтверждение своих взглядов Менделеев нашел в одной из малоизвестных работ русского химика И.В. Авдеева, который считал, что окись бериллия химически подобна окиси магния. А в конце 70-х годов прошлого века шведские химики Ларе Фредерик Нильсон и Отто Петерсон (некогда бывшие самыми ярыми сторонниками мнения о трехвалентном бериллии), повторно определив атомный вес бериллия, нашли его равным 9,1.

Так бериллий, бывший первым камнем преткновения на пути периодического закона, только подтвердил его всеобщность. Благодаря периодическому закону стало более четким понятие о физической и химической сущности бериллия.

Бериллы встречаются в гранитных пегматитах, имеющихся почти во всех странах земного шара. Это красивые зеленоватые кристаллы, достигающие иногда очень больших размеров; известны бериллы-гиганты весом до тонны и длиной до 9 м.

К сожалению, пегматитовые месторождения очень малы, и добывать там берилл в широких промышленных масштабах не удается. Однако есть и другие источники бериллия, в которых его концентрация гораздо выше. Это так называемые пневмато-гидротермальные месторождения (т.е. месторождения, образовавшиеся в результате взаимодействия высокотемпературных паров и растворов с определенными типами горных пород).

Основная масса бериллия в магматических породах связана с плагиоклазами, где бериллий замещает кремний. Однако наибольшие его концентрации характерны для некоторых тёмноцветных минералов и мусковита (десятки, реже сотни г/т). Если в щелочных породах бериллий почти полностью рассеивается, то при формировании кислых горных пород он может накапливаться в постмагматических продуктах - пегматитах и пневматолито-гидротермальных телах. В кислых пегматитах образование значительных скоплений бериллия связано с процессами альбитизации и мусковитизации. В пегматитах бериллий образует собственные минералы, но часть его (ок. 10 %) находится в изоморфной форме в породообразующих и второстепенных минералах (микроклине, альбите, кварце, слюдах, и др.). В щелочных пегматитах бериллий устанавливается в небольших количествах в составе редких минералов: эвдидимита, чкаловита, анальцима и лейкофана, где он входит в анионную группу. Постмагматические растворы выносят бериллий из магмы в виде фторсодержащих эманаций и комплексных соединений в ассоциации с вольфрамом, оловом, молибденом и литием. Известно более 30 собственно бериллиевых минералов, но только 6 из них считаются более-менее распространёнными: берилл, хризоберилл, бертрандит, фенакит, гельвин, даналит. Промышленное значение имеет в основном берилл, в РФ (Республика Бурятия) разрабатывается фенакит-бертрандитовое Ермаковское месторождение.

Разновидности берилла считаются драгоценными камнями: аквамарин - голубой, зеленовато-голубой, голубовато-зеленый; изумруд - густо-зеленый, ярко-зеленый; гелиодор - желтый; известны ряд других разновидностей берилла, различающихся окраской (темно-синие, розовые, красные, бледно-голубые, бесцветные и др.). Цвет бериллу придают примеси различных элементов.

Физические свойства бериллия

Свойства бериллия чаще всего именуются «удивительными», «чудесными» и т.п. Отчасти это справедливо, причем главная «удивительность» заключается в сочетании противоположных, иногда, казалось бы, взаимоисключающих свойств. Бериллий обладает одновременно и легкостью, и прочностью, и теплостойкостью. Этот металл серебристо-серого цвета в полтора раза легче алюминия и в то же время прочнее специальных сталей. Особенно важно, что бериллий и многие его сплавы не утрачивают полезных свойств при температуре 700...800°C и могут работать в таких условиях.

Чистый бериллий очень тверд – им можно резать стекло. К сожалению, твердости сопутствует хрупкость.

Бериллий очень устойчив против коррозии. Как и алюминий, он покрывается при взаимодействии с воздухом тонкой окисной пленкой, защищающей металл от действия кислорода даже при высоких температурах. Лишь за порогом 800°C идет окисление бериллия в массе, а при температуре 1200°C металлический бериллий сгорает, превращаясь в белый порошок BeO.

Кристаллическая решетка Бериллия гексагональная плотноупакованная с периодами а=2,855Å и с = 3,5840Å. Бериллий легче алюминия, его плотность 1847,7 кг/м 3 (у Аl около 2700 кг/м 3), t пл 1285°С, t кип 2470°С.

Бериллий обладает наиболее высокой из всех металлов теплоемкостью, 1,80 кДж/(кг·К) или 0,43 ккал/(кг·°С), высокой теплопроводностью, 178 Вт/(м·К) или 0,45 кал/(см·сек·°С) при 50°С, низким электросопротивлением, 3,6-4,5 мком·см при 20°С; коэффициент линейного расширения 10,3-131 (25-100°С). Эти свойства зависят от качества и структуры металла и заметно меняются с температурой. Модуль продольной упругости (модуль Юнга) 300 Гн/м 2 (3·10 4 кгс/мм 2). Механические свойства Бериллия зависят от чистоты металла, величины зерна и текстуры, определяемой характером обработки. Предел прочности Бериллий при растяжении 200-550 Мн/м 2 (20-55 кгс/мм 2), удлинение 0,2-2% . Обработка давлением приводит к определенной ориентации кристаллов Бериллий, возникает анизотропия, становится возможным значит, улучшение свойств. Предел прочности в направлении вытяжки доходит до 400-800 Мн/м 2 (40-80 кгс/мм 2), предел текучести 250-600 Мн/м 2 (25-60 кгс/мм 2), а относительное удлинение до 4-12%. Механические свойства в направлении, перпендикулярном вытяжке, почти не меняются. Бериллий - хрупкий металл; его ударная вязкость 10-50 кДж/м 2 (0,1-0,5 кгс·м/см 2). Температура перехода Бериллия из хрупкого состояния в пластическое 200-400°С.

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.

Химические свойства бериллия во многом похожи на свойства магния (Mg) и, особенно, алюминия (Al). 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 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 и др.) 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 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 (H) 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.

Получение бериллия

Извлечение металла 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 (Al). 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) Na 2 . Его далее выщелачивают водой. Для более глубокой очистки бериллия от алюминия (Al) 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 (Al) и бериллия при этом переходят в раствор. После добавления к раствору сульфата калия (K) K 2 SO 4 удается осадить алюминий (Al) 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 .

Применение бериллия

Открытый еще в конце XVIII в. бериллий 100 с лишним лет оставался «безработным» элементом, хотя химикам уже были известны его уникальные и очень полезные свойства. Для того чтобы эти свойства перестали быть «вещью в себе», требовался определенный уровень развития науки и техники. В 30-х годах академик А.Е. Ферсман называл бериллий металлом будущего. Сейчас о бериллии можно и должно говорить как о металле настоящего.

Биологическая роль бериллия и его физиологическое действие

Бериллий присутствует в тканях многих растений и животных. Содержание Бериллия в почвах колеблется от 2·10 -4 до 1·10 -3 % ; в золе растений около 2·10 -4 % . У животных Бериллий распределяется во всех органах и тканях; в золе костей содержится от 5·10 -4 до 7·10 -3 % Бериллия. Около 50% усвоенного животным Бериллия выделяется с мочой, около 30% поглощается костями, 8% обнаружено в печени и почках.

В живых организмах бериллий не несёт какой-либо значимой биологической функции. Однако бериллий может замещать магний в некоторых ферментах, что приводит к нарушению их работы. Нормальное содержание бериллия в организме взрослого человека (при массе тела 60 кг) составляет 0,031 мг, ежедневное поступление с пищей - около 0,01 мг.

Бериллий - ядовит: Летучие (и растворимые) соединения бериллия, в том числе и пыль, содержащая соединения бериллия, высокотоксичны. Для воздуха ПДК в пересчёте на бериллий составляет 0,001 мг/м³. Бериллий обладает ярко выраженным аллергическим и канцерогенным действием. Вдыхание атмосферного воздуха содержащего бериллий приводит к тяжёлому заболеванию органов дыхания - бериллиозу.

Бериллий относят к группе металлов. И, несмотря на то, что в природе он довольно редкое явление, его часто используют в промышленности. Кто знает, возможно, без него не осуществилась бы давняя мечта человечества — полёт в космос, ведь этот серебристо-серый металл практически незаменим в строении ракет и в аэрокосмической отрасли.

В поисках названия — от Велура до Берилловой земли

Несложно догадаться, что свое наименование бериллий получил от минерала берилла. Но что известно о происхождении корня слова — «берилл»? Предполагается, что название минерала связано с торговым городом Велур на юге Индии, в окрестностях которого было найдено месторождение изумрудов — разновидностей берилла. Берилл означает «кристалл», «жемчуг», или «отбелить, становиться бледным».

В 1798 известный французский химик Луи Никола Воклен выявил в минерале берилле окись неизвестного ранее металла бериллия. Его работа была опубликована в научном журнале. Редактор издания решил дать элементу название «глицина» (с древнегреческого. «глюциний» означает сладкий), так как при растворении в воде его соединения принимали сладковатый вкус. Однако немецкому химику Мартину Клапроту и шведскому минералогу Андерсу Экебергу такое название хим.элемента пришлось не по душе, и приведя в аргумент то, что у солей иттрия также сладкий вкус и дали свое название элементу – «берриловая земля».

Тем не менее, примерно до середины 19 века бериллий все равно называли «глицинием» или «глюцинием». Стоит отметить, что в выявлении этого элемента оставлен и русский след. Русский горный инженер И. В. Авдеев в ходе своих исследований выявил точный состав соединений бериллия. Данные этого ученого пригодилось Дмитрию Менделееву при составлении знаменитой Периодической таблицы, в ней Менделеев отнес бериллий ко 2-ой группе элементов.

Еще один важный факт — Вокленом металл был выделен не в чистом виде, а лишь в виде оксида ВеО, а беспримесный бериллий получили лишь в 1828 году.

Насколько опасен бериллий для организма человека

Бериллий , в отличие от своего минерала бериллонита, для магов, литотерапевтов и астрологов не представляет никакого интереса. Все дело в ядовитых качествах элемента, из-за которых человеку попросту опасно работать с ним без использования специальных приборов.

Известно, что в организм человека с пищей и водой бериллий поступает в малых количествах, в основном он присутствует в томатах и листовом салате.

Преимущественно бериллий попадает в организм человека ингаляционно, через органы дыхания в виде дыма и пара. Поэтому люди, чья работа сопряжена с частым вдыханием пыли, содержащей бериллий, рискуют приобрести такое профессиональное заболевание как бериллиоз (саркоидоз легких). Печальная статистика гласит, что из 100 отравлений бериллием, 10 случаев заканчивались летальным исходом для человека. Первый случай со смертельным исходом был зафиксирован в 1930 году, тогда в воздухе на 1 кубический метр было всего 25 мг бериллия.

При чрезмерной насыщенности бериллия в пище может произойти процесс, вследствие чего разовьется неизлечимый бериллиевый рахит. От него страдают животные, чья область обитания попадает под провинции, богатые бериллием.

Агентство по охране окружающей среды США заявило, что преимущественно поступление элемента в среду обитания и деятельности человека происходит через сжигание каменного угля. Чаще всего он загрязняет почву, поступление его в воду невелико.

В ходе исследований, проведенных Международным агентством по изучению рака, и связанных с влиянием бериллия на здоровье человека, этот химический элемент причислен к потенциально канцерогенным веществам.

Где применяется бериллий

Наибольшие запасы бериллия находятся в США, преимущественно в Юте, кроме того залежи бериллия имеются в Бразилии и России. Бериллий используют для надобностей оборонной промышленности. К примеру, этот металл применяют в производстве реакторов для атомных подлодок, кораблей — в электронном, оптическом и спутниковом оборудовании.

Находят применение бериллию в атомной отрасли. Распространено использование этого металла в нефтедобывающей и газовой промышленностях, а также в изготовлении компьютеров. Может быть использован бериллий для изготовления медицинского оборудования, в частности для ренгтен-аппаратов.

Пик частого применения бериллия в производстве самолетов выпал на 40-ые, военные годы, так как во время Второй Мировой выросла необходимость в быстром и высококачественном изготовлении боевых воздушных кораблей.

Кроме того бериллий незаменим при изготовлении тормозов для аэрокосмического оборудования, тепловых экранов.

Материалы, созданные на основе бериллия, ценны множеством свойств: они и легки, и прочны, и стойки к высоким температурам.