Кристаллическая решетка бериллия. Бериллий

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.

Бериллия открыта еще ранее Вокеленом, в1798 г.). Для получения металла хлористый бериллий накаливают с металлическим натрием (Вёлер) или, что удобнее, вместо гигроскопического хлористого бериллия берут двойное соединение фтористого бериллия с фтористым калием, не содержащее кристаллизационной воды:

BeK 2 F 4 + 2Na = 2KF + 2NaF + Ве.

Операция ведется в стальном плотно закрытом тигле; нагревание доводят до среднего красного каления (Крюсс и Морат). Полученная масса выщелачивается водой; металл получается при этом отчасти в кристаллическом состоянии. Он весьма тугоплавок, имеет белый цвет, как серебро , ковок и весьма трудно окисляется. Уд. вес его 1,64. Воду не разлагает даже при температуре красного каления; легко растворяется в минеральных кислотах, за исключением азотной, с едким кали выделяет водород . Соединения бериллия представляют немало сходства с соединениями алюминия, так что почти до самого последнего времени шел спор о том, представляет ли бериллий двухатомный элемент (аналог щелочноземельных металлов) или трехатомный (аналог алюминия и др.). Новейшие исследования, а именно определение плотности пара хлористого бериллия (Нильсон и Петерсон), решили спор в пользу сторонников двухатомности бериллия, за что, между прочим, уже давно стоял русский химик Авдеев, основываясь на неспособности бериллия давать квасцы . Такое решение вопроса послужило также блестящим подтверждением справедливости периодического закона (см. это сл.), который отводит двухатомному бериллию место среди типических элементов. Таким образом, формулы соединения бериллия будут следующие: ВеО - окись бериллия, белый порошок; Ве(ОН) 2 - гидрат окиси бериллия, слабое основание, растворимое в едких щелочах; хлористый бериллий ВеCl 2 ; негигроскопическая, легкорастворимая кристаллическая серно-бериллиевая соль BeSO 4 +4H 2 O и др. Особого интереса (практичного) ни самый металл, ни его соединения не представляют.Бериллий (Beryllium), Be,-лёгкий металл II группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева, порядковый номер 4, атомный вес 9,02.Лт. радиус 1,13 А,ионный радиус Во ++ 0,43 А. Природный В. состоит из одного устойчивого изотопа. Искусственно получены изотопы Во7, Во8 и Be10. Достоверных сведений о полиморфизме Б. нет. Принадлежит к числу редких элементов; содержание 15. в земной коре составляет 6-10~4% (по данным Л. П. Виноградова, 11МО).

В франц. химик Л. Воклен описал извлечённую им из минерала берилла неизвестную ранее «землю» (окись В.), которую, вследствие сладкого вкуса образуемых ею солей, назвал глпцпиой (glucine, от грсч. f).u/

гладимой землей, сладкозёмом, глициною, а элемент Б. - глицинием и глицием; современное на-зиание Б., предложенное и харьковским проф. Ф. И. Гизе, пошло у нас но всеобщее употребление в 60-х гг. 19 и. Впрочем, но Франции до сего времени сохранились для Б. название glucinium и знак атома (И. Одно из первых подробных исследований солей Б. принадлежит русскому химику.11. Авдееву [«О глицне и его соединениях (Бериллий)», «Горный журнал», , ч. 3, кн. 9, стр. 3(>1 ], к-рый устранил господствовавшее в то время мнение о сходство состава окиси Б. с описью алюминия, показав, что сернокислый Б. по свойствам более близок к сернокислому магнию, чем к сернокислому алюминию, и па этом основании принял для 15. ат. вес 9,20, а но 1.4,9, как полагал Берцедпус. Открытие Д. И. Менделеевым перподи ч. закопав JS(ii) показало правильность взгляда Авдеева на П., как на двухвалентный, а но трёхвалентный элемент, что вскоре подтвердили работы чешского химика Б. Ф. Браупера и шведских химиков Л. Ф. Нильсона и О. Петерсона ( , ). В технике 13. начал применяться всего около 25 лет назад, когда были разработаны промышленные способы его получения.

Б. - металл серебристо-серого цвета, имеющий гексагональную решётку (а- -2,2(>80А, < 3,5942А), хрупкий и не ковкий на холоду. Плотность J,82 при 2(f, 1°пл. 1284J, t°i;un. 2970"". Удельная теплоёмкость 0, (> в интервале температур 0 100°. Теплота плавления ок. кал/я. Коэфициепт термического расширения Hi,8-К)-" (от 20 до 70()J). Теплопроводность 0, кал/см rt"K-ejind. (при комнатном температуре). Твёрдость по Бринелдю 98 к-г 1мм? (диаметр шарика 2,r>.iui, нагрузка кг). Модуль упругости 30000 кг/мм"- Удельное электрическое сопротивление 5,88-10~в ом-см при О".

При комнатной температуре компактный Б. устойчив по отношению к кислороду и воде, т.к. покрывающая металл тонкая плёнка окиси защищает его от окисления. При нагревании Б., особенно в виде порошка, легко соединяется с кислородом, галогенами и другими неметаллами. Азотная кислота , концентрированная и разбавленная, на холоду почти не действует на Б., но растворяет его при нагревании. Б соляной и серной кислотах растворяется с выделением водорода. Растворяется на холоду в концентрированных растворах едких щелочей, а при нагревании - в более разбавленных. Органические кислоты (уксусная, нннная, лимонная) окисляют Б. только с поверхности. Б. с кислородом образует окись ВеО (1°пл. 2570°), с азотом нитрид Re3N2 (1°пл. 22()0±40°), с углеродом карбид Ве2С, с серой сульфид BeS. Гидрат окиск бериллия Во(ОН)г -- слабое основание, обладающее амфо-терными свойствами. При растворении в щелочах образует бериллаты , напр, бериллат калия К2Во02. При действии кислот Ве(ОН)2 образует соли, к-рые по большей части хорошо растворимы н воде. Их водные растворы вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Из солей 15. наиболее важны хлорид BcCJ2, фторид ВеК2, сульфат BeS04 и нитрат Be(NO3)2; все они сильно гигроскопичны. Для сульфата Б. известны кристаллогидраты с 1,2, 3 и /i молекулами воды (последний открыт Авдеевым в ), для нитрата Б.- кристаллогидраты с 4 и 3 молекулами воды. Двойные фториды 13. и щелочных металлов имеют общие формулы MBcF3 и МаВеР4 (где М - - одновалентный металл); двойные фториды NaBeF3 и NaaBeF4 применяются в производстве бериллия. Углекислая и фосфорнокислая соли Б. в поде практически нерастворимы.

Главнейшим сырьём для получения бериллия являются минералы берилл (см.) и гель вин, т. е. сульфосплпкат Б., железа и марганца состава 3(Ве, Мп, Fe)2 Si04-(Mn, Fe)S. Размолотый берилл спекают с кремнефторпстым натрием. Из спёка извлекают водой фторобериллат натрия; из раствора последнего осаждают едкой щёлочью гидрат окиси Б., к-рый обрабатывают плавиковой кислотой п переводят во фторокись 15. 2Ве() 5BeF2. Смесь последней с фтористым барием подвергают электролизу при температуре около 1400° в графитовой ванне, служащей анодом; на железном, охлаждаемом водой, катоде осаждается 13. Другой, применяемый в настоящее время, способ получения Б, состоит в спекании берилла с известью,разложении спёка серной кислотой, отделении примесей из раствора сернокислого Б., осаждении аммиаком гидрата окиси Б., его сушке и нагревании в струе хлора в присутствии углерода. Полученный хлористый Б. смешивают с хлористым натрием и подвергают электролизу при температуре около 350° в никелевом тигле, служащем катодом; 13. осаждается на стенках тигля п виде чешуек, чистотой около 99,5%. Существуют также способы получения Б. восстановлением фтористого бериллия (BoF2) магнием или двойного фторида бериллия и натрия (NaBeF3) сплавом цинка с магнием. В обоих случаях остаток металла-носстанопи-теля удаляют отгонкой в вакууме.

15. служит для изготовления «окоп» рентгеновских трубок; в смеси с препаратами радии используется как источник быстрых нейтронов в области получения атомной энергии, применяется для нанесения твёрдого диффузионного слоя на поверхности стали (см. .IJepu."ijiii.taiiuu). Изделия из Б. получают прессованием его порошка с последующим спеканием полученных заготовок в вакууме при температуре, близкой к точке его плавления, либо плавкой и отливкой в глубоком вакууме пли атмосфере инертного газа. Бериллиевую

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.

Изначально, бериллий звали глюцинием. С греческого переводится, как «сладкий». То, что кристаллы металла на вкус напоминают конфеты, впервые заметил Поль Лебо.

Французскому химику удалось синтезировать агрегаты бериллия в конце 19-го века. Помог метод электролиза. В металлической же форме элемент был получен еще в 1828-ом немцем Фридрихом Веллером. В бериллий встал на 4-е место и прослыл веществом с удивительными свойствами. Сладостью они не ограничиваются.

Химические и физические свойства бериллия

Формула бериллия отличается всего 4-мя электронами. Это не удивительно, учитывая место элемента в таблице Менделеева. Удивительно, что все они находятся на s-орбитах. Не остается свободных позиций для новых электронов.

Поэтому, бериллий – элемент , не желающий вступать в химические реакции. Исключения металл делает для веществ, способных отобрать, заместить его собственные электроны. На это, к примеру, способен галоген.

Бериллий – металл . Однако, у него есть и ковалентные связи. Это значит, что в атоме бериллия перекрываются, обобщаются некоторые пары электронных облаков, что характерно для неметаллов. Такая двойственность сказывается на механических параметрах вещества. Материал одновременно хрупкий и твердый.

Отличается бериллий и легкостью. Плотность металла всего 1,848 граммов на кубический сантиметр. Ниже планка лишь у некоторых щелочных металлов. Сходясь с ними в плотности, бериллий выгодно выделяется устойчивостью к коррозии.

От нее элемент спасает пленка в доли миллиметра толщиной. Это оксид бериллия . Он образуется на воздухе за 1,5-2 часа. В итоге блокируется доступ кислорода к металлу, и он сохраняет все первозданные характеристики.

Радуют и прочность бериллия . Проволока диаметром всего в 1 миллиметр способна держать навесу взрослого мужчину. Для сравнения, аналогичная нить рвется при нагрузке в 12 килограммов.

Бериллий, свойства которого обсуждаются, почти не теряет прочности при нагреве. Если довести температуру до 400-от градусов, «сила» металла ослабеет лишь вдвое. Дюралюминий, к примеру, становится менее прочным в 5 раз.

Предельная температура твердости бериллия – более 1 200-от по шкале Цельсия. Это непредсказуемо, ведь в периодической таблице 4-ый элемент стоит между и . Первый плавится при 180-ти, а второй – при 650-ти градусов.

По идее, температура размягчения бериллия должна быть около 400-от по шкале Цельсия. Но, 4-ый элемент попал в список относительно тугоплавких, уступив, к примеру, железу лишь 300 градусов.

Предельная реакция бериллия на температуру – кипения. Оно происходит при 2 450-ти градусах Цельсия. Закипая, металл превращается в единую серую массу. В обычном же виде, элемент , с выраженным, слегка маслянистым блеском.

Сияние красиво, но опасно для здоровья. Бериллий ядовит . Попадая в организм, металл замещает костный магний. Начинается бериллиоз. Его острая форма выражается отеком легких, сухим кашлем. Бывают летальные случаи.

Влияние на живые ткани – один из немногих недостатков бериллия. Достоинств больше. Они служат человечеству, в частности, в сфере тяжелой промышленности. Итак, настало время изучить, как применяется 4-ый элемент таблицы Менделеева.

Применение бериллия

Гидроксид бериллия и окись урана составляют ядерное топливо. 4-ый металл используют в атомных реакторов и для замедления нейтронов. Оксид бериллия добавляют не только в топливо, но и делают из него тигли. Это высокотеплопроводные, высокотемпературные изоляторы.

Кроме атомной техники соединения бериллия , на его основе пригождаются в авиастроении и космонавтике. Из 4-го металла делают тепловые экраны и системы наведения. Элемент нужен и для ракетного топлива, а так же, обшивки кораблей. Их корпуса делают из бериллиевых бронз.

По свойствам они превосходят легированные стали. Достаточно прибавить к всего 1-3% 4-го элемента, чтобы довести до максимума разрывную прочность. Со временем она не теряется. Другие же сплавы с годами устают, их эксплуатационные параметры снижаются.

Чистый бериллий плохо обрабатывается. Выступая в роли добавки к , металл становится податливым. Можно изготовить ленту толщиной всего в 0,1 миллиметра. Масса бериллия облегчает сплав, исключает его магнитность, искрение при ударах.

Все это пригождается в производстве пружин, подшипников, рессоров, амортизаторов, шестерней. Эксперты утверждают, что в современном самолете присутствует больше 1 000 деталей именно из бериллиевой бронзы.

В металлургии используют и пару бериллий-магний . Последний металл теряется при плавлении. Добавка 0,005% 4-го элемента сокращает испарение и окисление магния при плавке и .

По аналогии действуют, так же, с составами на основе алюминия. Если же сочетать 4-ый металл с или , получатся бериллиды. Это сплавы исключительной твердости, способные прослужить 10 часов при температуре в 1650 градусов Цельсия.

Хлорид бериллия необходим медикам. Они используют вещество при диагностике туберкулеза и вообще в рентгенотехническом оборудовании. 4-ый элемент – один из немногих, не взаимодействующих с лучами рентгеновского спектра.

Ядро бериллия , его атомы почти невесомы. Это позволяет пропускать в 17 раз больше мягких лучей, чем, к примеру, пропускает алюминий аналогичной толщины. Поэтому, окошки рентгеновских трубок делают именно из бериллия.

Добыча бериллия

Металл извлекают из руд. Измельченный бериллий спекают с известью, фторсиликатном натрия и мелом. Полученную смесь проводят через несколько химических реакций до получения гидроокиси 4-го элемента. В процессе участвует кислота.

Бериллия очистка трудоемка. Гидроокись требует прокаливания до состояния оксида. Его, в свою очередь, переводят в хлорид или же фторид. Из них-то путем электролиза и добывают металлический бериллий . Используют, так же, метод восстановления магнием.

Получение бериллия – это десятки перегонок и очисток. Избавится, главным образом, нужно от оксида металла. Вещество делает бериллий чрезмерно хрупким, непригодным для промышленного использования.

Процесс добычи 4-го элемента осложняется и его редкостью. На тонну земной коры приходится меньше 4-х граммов бериллия. Общемировые запасы оцениваются всего в 80 000 тонн. Ежегодно из недр извлекают около 300-от из них. Объем добычи постепенно растет.

Больше всего элемента в щелочных, богатых кремнеземом, породах. Их почти нет на Востоке. Это единственный регион, не добывающий бериллий. Больше всего металла в США, в частности, штате Юта. Богаты 4-ым элементом и Центральная Африка, Бразилия, Россия. На них приходятся 50% мировых запасов бериллия .

Цена бериллия

На бериллий цена обусловлена не только его редкостью, но и сложностью производства. В итоге, стоимость килограмма доходит до нескольких сотен долларов США.

На биржах цветных металлов торгуют фунтами. Английская мера веса равна примерно 450-ти граммам. За этот объем просят почти 230 условных единиц. Соответственно, килограмм оценивают чуть ли не в 500 долларов.

К 2017-му году мировой рынок бериллия, по прогнозам экспертов, достигнет 500-от тонн. Это свидетельствует о спросе на металл. Значит, его стоимость, наверняка, продолжит расти. Не зря бериллий – основа драгоценных камней , , .

Цена сырья приближается к запросам ювелиров за ограненные кристаллы. Они, кстати, могут быть материалом для добычи бериллия . Но, естественно, никто не пускает изумруды на переплавку, пока в природе есть залежи руд, содержащих 4-ый элемент. Как правило, он сопутствует алюминию. Так что, если удалось найти руды последнего, наверняка, удастся обнаружить в них и бериллий.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Бериллий - четвертый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Be от латинского «beryllium». Расположен во втором периоде, IIА группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 4.

Бериллий мало распространен в земной коре . Он входит в состав некоторых минералов, из которых чаще всего встречается берилл Be 3 Al 2 (SiO 3) 6 .

Бериллий представляет собой металл серо-стального цвета (рис. 1) с плотной гексагональной кристаллической решеткой, довольно твердый и хрупкий. На воздухе покрывается оксидной пленкой, придающей ему матовый оттенок и обусловливающей пониженную химическую активность.

Рис. 1. Бериллий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса бериллия

Относительная атомная масса A r - это молярная масса атома вещества, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12 (12 С).

Относительная молекулярная масса M r - это молярная масса молекулы, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12 (12 С). Это безразмерная величина.

Поскольку в свободном состоянии бериллий существует в виде одноатомных молекул Be, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 9,0121.

Изотопы бериллия

В природе бериллий существует в виде единственного изотопа 9 Be. Массовое число равно 9. Ядро атома содержит четыре протона и пять нейтронов.

Существует одиннадцать искусственных изотопов бериллия с массовыми числами от 5-ти до 16-ти, из которых наиболее устойчивыми являются 10 Be с периодом полураспада равным 1,4 млн. лет и 7 Be с периодом полураспада 53 дня.

Ионы бериллия

На внешнем энергетическом уровне атома бериллия имеется два электрона, которые являются валентными:

В результате химического взаимодействия бериллий теряет свои валентный электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион (Be 2+):

Be 0 -2e → Be 2+ ;

В соединениях бериллий проявляет степень окисления +2.

Молекула и атом бериллия

В свободном состоянии бериллий существует в виде одноатомных молекул Be. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу лития:

Сплавы бериллия

Главной областью применения бериллия являются сплавы, в которые этот металл вводится как легирующая добавка. Кроме бериллиевых бронз (спал меди с 2,5% бериллия), применяются сплавы никеля с 2-4% бериллия, которые по коррозионной стойкости, прочности и упругости сравнимы с высококачественными нержавеющими сталями, а в некоторых отношениях превосходят их. Они применяются для изготовления пружин и хирургических инструментов.

Небольшие добавки бериллия к магниевым сплавам повышают их коррозионную стойкость. Такие сплавы, а также сплавы алюминия с бериллием применяются в авиастроении.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1