Бериллий

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
4 ЛитийБериллийБор
Be

Mg
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Олово Сурьма Теллур Иод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Ртуть Таллий Свинец Висмут Полоний Астат Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклий Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Борий Хассий Мейтнерий Дармштадтий Рентгений Коперниций Унунтрий Флеровий Унунпентий Ливерморий Унунсептий УнуноктийПериодическая система элементов
4Be
Hexagonal.svg
Electron shell 004 Beryllium.svg
Внешний вид простого вещества
Бериллий, чистота >99%, поликристаллический фрагмент относительно твёрдый, хрупкий металл светло-серого цвета
Свойства атома
Название, символ, номер

Бериллий / Beryllium (Be), 4

Атомная масса
(молярная масса)

9,012182(3)[1] а. е. м. (г/моль)

Электронная конфигурация

[ He ] 2s²

Радиус атома

112 пм

Химические свойства
Ковалентный радиус

90 пм

Радиус иона

35 (+2e) пм

Электроотрицательность

1.57 (шкала Полинга)

Электродный потенциал

−1,69 В

Степени окисления

2; 1

Энергия ионизации
(первый электрон)

 898,8 (9,32) кДж/моль (эВ)

Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)

1,848 г/см³

Температура плавления

1551 K

Температура кипения

3243 K

Уд. теплота плавления

12,21 кДж/моль

Уд. теплота испарения

309 кДж/моль

Молярная теплоёмкость

16,44[2] Дж/(K·моль)

Молярный объём

5,0 см³/моль

Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки

гексагональная

Параметры решётки

a=2,286; c=3,584 Å

Отношение c/a

1,567

Температура Дебая

1000 K

Прочие характеристики
Теплопроводность

(300 K) 201 Вт/(м·К)

4
Бериллий
Be
9,012
2s2

Бери́ллий — элемент второй группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы второй группы), второго периода периодической системы химических элементов с атомным номером 4. Обозначается символом Be (лат. Beryllium). Высокотоксичный элемент. Простое вещество бериллий (CAS-номер: 7440-41-7) — относительно твёрдый металл светло-серого цвета, имеет весьма высокую стоимость[3].

История[править | править вики-текст]

Открыт в 1798 г. французским химиком Луи Никола Вокленом, который назвал его глицинием. Современное название элемент получил по предложению химиков немца Клапрота и шведа Экеберга. Большую работу по установлению состава соединений бериллия и его минералов провёл российский химик И. В. Авдеев (1818—1865). Именно он доказал, что оксид бериллия имеет состав BeO, а не Be2O3, как считалось ранее.

В свободном виде бериллий был выделен в 1828 году французским химиком Бюсси и независимо от него немецким химиком Вёлером. Чистый металлический бериллий был получен в 1898 году французским физиком Лебо с помощью электролиза расплавленных солей[4].

Происхождение названия[править | править вики-текст]

Название бериллия произошло от названия минерала берилла (др.-греч. βήρυλλος beryllos) (силикат бериллия и алюминия, Be3Al2Si6O18), которое восходит к названию города Белур (Веллуру) в Южной Индии, недалеко от Мадраса; с древних времён в Индии были известны месторождения изумрудов — разновидности берилла. Из-за сладкого вкуса растворимых в воде соединений бериллия элемент вначале называли «глюциний» (др.-греч. γλυκύς glykys — сладкий).

Нахождение в природе[править | править вики-текст]

Среднее содержание бериллия в земной коре 3,8 г/т и увеличивается от ультраосновных (0,2 г/т) к кислым (5 г/т) и щелочным (70 г/т) породам. 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 .

Содержание бериллия в морской воде чрезвычайно низкое — 6·10−7 мг/л.[5]

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 России (Республика Бурятия) разрабатывается фенакит-бертрандитовое Ермаковское месторождение.

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

Месторождения[править | править вики-текст]

Месторождения минералов бериллия присутствуют на территории Бразилии, Аргентины, Африки, Индии, России (Ермаковское месторождение в Бурятии) и др.[6]

Физические свойства[править | править вики-текст]

Бериллий — относительно твёрдый (5,5 баллов по Моосу), но хрупкий металл серебристо-белого цвета. Один из самых твердых металлов в чистом виде (уступает только осмию, вольфраму и урану). Имеет высокий модуль упругости — 300 ГПа (у сталей — 200—210 ГПа). На воздухе активно покрывается стойкой оксидной плёнкой BeO. В бериллии очень хорошо распространяются звуковые волны — 12600 м/с, что в 2-3 раза больше, чем в других металлах.

Химические свойства[править | править вики-текст]

Для бериллия характерна только одна степень окисления +2. Соответствующий гидроксид амфотерен, причём как основные (с образованием Be2+), так и кислотные (с образованием [Be(OH)4]2-] свойства выражены слабо.

По многим химическим свойствам бериллий больше похож на алюминий, чем на находящийся непосредственно под ним магний (проявление «диагонального сходства»).

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 °C. Порошок бериллия при поджигании горит ярким пламенем, при этом образуются оксид и нитрид. Галогены реагируют с бериллием при температуре выше 600 °C, а халькогены требуют ещё более высокой температуры. Аммиак взаимодействует с бериллием при температуре выше 1200 °C с образованием нитрида Be3N2, а углерод даёт карбид Ве2С при 1700 °C. С водородом бериллий непосредственно не реагирует.

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:

\mathsf{Be + 2NaOH + 2H_2O\rightarrow Na_2[Be(OH)_4] + H_2\uparrow}

При проведении реакции с расплавом щелочи при 400—500 °C образуются бериллаты:

\mathsf{Be + 2NaOH \rightarrow Na_2BeO_2 + H_2\uparrow}

Изотопы бериллия[править | править вики-текст]

Изотоп 8Be отсутствует в природе, поскольку является крайне нестабильным и имеет период полураспада 10−18 с.[7] Стабильным является 9Be. Кроме 9Be в природе встречаются радиоактивные изотопы 7Be и 10Be. На данный момент известны 12 изотопов бериллия.

Получение[править | править вики-текст]

В виде простого вещества в XIX веке бериллий получали действием калия на безводный хлорид бериллия:

\mathsf{BeCl_2 + 2K \longrightarrow Be + 2KCl}

В настоящее время бериллий получают, восстанавливая его фторид магнием:

\mathsf{BeF_2 + Mg \longrightarrow Be + MgF_2},

либо электролизом расплава смеси хлоридов бериллия и натрия. Исходные соли бериллия выделяют при переработке бериллиевой руды.

Производство и применение[править | править вики-текст]

По состоянию на 2000 год основными производителями бериллия являлись: США (с большим отрывом), а также Китай, Россия, Казахстан. На долю остальных стран приходилось менее 1 % мировой добычи[8].

Легирование сплавов[править | править вики-текст]

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. В технике довольно широко распространены бериллиевые бронзы типа BeB (пружинные контакты). Добавка 0,5 % бериллия в сталь позволяет изготовить пружины, которые пружинят при красном калении. Эти пружины способны выдерживать миллиарды циклов значительной по величине нагрузки. Кроме того, бериллиевая бронза не искрится при ударе о камень или металл. Один из сплавов носит собственное название рандоль. Благодаря своему сходству с золотом рандоль называют «цыганским золотом»[9].

Рентгенотехника[править | править вики-текст]

Бериллий слабо поглощает рентгеновское излучение, поэтому из него изготавливают окошки рентгеновских трубок (через которые излучение выходит наружу) и окошки рентгеновских и широкодиапазонных гамма-детекторов, через которые излучение проникает в детектор.

Ядерная энергетика[править | править вики-текст]

В атомных реакторах из бериллия изготовляют отражатели нейтронов, его используют как замедлитель нейтронов. В смесях с некоторыми α-радиоактивными нуклидами бериллий используют в ампульных нейтронных источниках, так как при взаимодействии ядер бериллия-9 и α-частиц возникают нейтроны: 9Ве + α → n + 12C. Оксид бериллия является наиболее теплопроводным из всех оксидов и служит высокотеплопроводным высокотемпературным изолятором, и огнеупорным материалом (тигли), а кроме того наряду с металлическим бериллием служит в атомной технике как более эффективный замедлитель и отражатель нейтронов чем чистый бериллий, кроме того оксид бериллия в смеси с окисью урана применяется в качестве очень эффективного ядерного топлива. Фторид бериллия в сплаве с фторидом лития применяется в качестве теплоносителя и растворителя солей урана, плутония, тория в высокотемпературных жидкосолевых атомных реакторах. Фторид бериллия используется в атомной технике для варки стекла, применяемого для регулирования небольших потоков нейтронов. Самый технологичный и качественный состав такого стекла -(BeF2−60 %,PuF4−4 %,AlF3−10 %, MgF2−10 %, CaF2−16 %). Этот состав наглядно показывает один из примеров применения соединений плутония в качестве конструкционного материала (частичное).

Лазерные материалы[править | править вики-текст]

В лазерной технике находит применение алюминат бериллия для изготовления твердотельных излучателей (стержней, пластин).

Аэрокосмическая техника[править | править вики-текст]

В производстве тепловых экранов и систем наведения с бериллием не может конкурировать практически ни один конструкционный материал. Конструкционные материалы на основе бериллия обладают одновременно и лёгкостью, и прочностью, и стойкостью к высоким температурам. Будучи в 1,5 раза легче алюминия, эти сплавы в то же время прочнее многих специальных сталей. Налажено производство бериллидов применяемых как конструкционные материалы для двигателей и обшивки ракет и самолётов, а также в атомной технике.

Ракетное топливо[править | править вики-текст]

Стоит отметить высокую токсичность и высокую стоимость металлического бериллия, и в этой связи приложены значительные усилия для выявления бериллийсодержащих топлив имеющих значительно меньшую общую токсичность и стоимость. Одним из таких соединений бериллия является гидрид бериллия.

Огнеупорные материалы[править | править вики-текст]

Оксид бериллия 99,9 % (изделие)

Оксид бериллия применяется в качестве очень важного огнеупорного материала в специальных случаях. Считается одним из лучших огнеупорных материалов.

Биологическая роль и физиологическое действие[править | править вики-текст]

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.

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.

Интересные факты[править | править вики-текст]

Во время Второй Мировой войны немецкая промышленность была отрезана от основных источников бериллиевого сырья. Производство бериллиевой бронзы, которая требовалась для изготовления пружин скорострельных авиационных пулеметов, практически полностью находилось под контролем США. Тогда немецкие промышленники решили использовать нейтральную Швейцарию для контрабандного ввоза бериллиевой бронзы — американские фирмы получили от якобы швейцарских часовщиков заказ на такое её количество, которой хватило бы на часовые пружины всему миру на несколько столетий вперёд. Немецкий план был разгадан, но на протяжении всей войны в Германию иногда просачивались поставки этого стратегического сырья.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Т. 85. — № 5. — С. 1047-1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02
  2. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 280. — 623 с. — 100 000 экз.
  3. Beryllium. Statistics and Information. U.S. Geological Survey. Проверено 15 сентября 2013.
  4. Венецкий С.И. Металл космического века // Рассказы о металлах. — Москва: Металлургия, 1979. — 240 с. — 60 000 экз.
  5. J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. I, 1965
  6. Популярная библиотека химических элементов. Бериллий. Книги. Наука и техника
  7. Бериллий — Кругосвет
  8. Состояние и перспективы мирового рынка бериллия
  9. Рандоль

Ссылки[править | править вики-текст]