Бериллий

Историческая справка

Распространение в природе

Физические свойства

Химические свойства

Получение

Применение

Бериллий в организме

Бериллий (лат. Beryllium), Be, хямический элемент II группы периодической системы Менделеева, атомный номер 4, атомная масса 9,0122; легкий светло-серый металл. Имеет один стабильный изотоп ⁹Ве.

Историческая справка. 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 (знак Gl) 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, среднее содержание его в земной коре 6·10^-4% по массе. 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 Бериллия. Кристаллическая решетка Бериллия гексагональная плотноупакованная с периодами а=2,855Å и с = 3,5840Å. Бериллий легче алюминия, его плотность 1847,7 кг/м³ (у Аl около 2700 кг/м³), 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/м² (3·10⁴кгс/мм²). Механические свойства Бериллия зависят от чистоты металла, величины зерна и текстуры, определяемой характером обработки. Предел прочности Бериллий при растяжении 200-550 Мн/м²(20-55 кгс/мм²), 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/м²(40-80 кгс/мм²), предел текучести 250-600 Мн/м²(25-60 кгс/мм²), а относительное удлинение до 4-12%. Механические свойства в направлении, перпендикулярном вытяжке, почти не меняются. Бериллий - хрупкий металл; его ударная вязкость 10-50 кДж/м² (0,1-0,5 кгс·м/см²). Температура перехода Бериллия из хрупкого состояния в пластическое 200-400°С.

Химические свойства Бериллия. В химических соединениях Бериллий 2-валентен (конфигурация внешних электронов 2s²). Бериллий обладает высокой химической активностью, но компактный металл устойчив на воздухе благодаря образованию тонкой и прочной пленки оксида ВеО. При нагревании выше 800°С быстро окисляется. С водой до 100°С Бериллий практически не взаимодействует. Легко растворяется в плавиковой, соляной, разбавленной серной кислотах, слабо реагирует с концентрированной серной и разбавленной азотной кислотами и не реагирует с концентрированной азотной. Растворяется в водных растворах щелочей, образуя соли бериллаты, например Na₂BeO₂. При комнатной температуре реагирует с фтором, а при повышенных - с других галогенами и сероводородом. Взаимодействует с азотом при температуре выше 650°С с образованием нитрида Be₃N₂ и при температуре выше 1200°С с углеродом, образуя карбид Ве₂С. С водородом практически не реагирует во всем диапазоне температур. Гидрид Бериллия получен при разложении бериллийорганических соединений и устойчив до 240°С. При высоких температурах Бериллий взаимодействует с большинством металлов, образуя бериллиды; с алюминием и кремнием дает эвтектические сплавы. Растворимость примесных элементов в Бериллии чрезвычайно мала. Мелкодисперсный порошок Бериллия сгорает в парах серы, селена, теллура. Расплавленный Бериллий взаимодействует с большинством оксидов, нитридов, сульфидов и карбидов. Единственно пригодным материалом тиглей для плавки Бериллия служит оксид бериллия.

Гидрооксид Be(OH)₂ - слабое основание с амфотерными свойствами. Соли Бериллия сильно гигроскопичны и за небольшим исключением (фосфат, карбонат) хорошо растворимы в воде, их водные растворы вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Фторид BeF₂ с фторидами щелочных металлов и аммония образует фторбериллаты, например Na₂BeF₄, имеющие большое промышленное значение. Известен ряд сложных бериллийорганических соединений, гидролиз и окисление некоторых из них протекают со взрывом.

Получение Бериллия. В промышленности металлический Бериллий и его соединения получают переработкой берилла в гидрооксид Ве(ОН)₂ или сульфат BeSO₄. По одному из способов, измельченный берилл спекают с Na₂SiF₆, образующиеся фторбериллаты натрия Na₂BeF₄ и NaBeF₃ выщелачивают из смеси водой; при добавлении к этому раствору NaOH в осадок выпадает Ве(ОН)₂. По другому способу, берилл спекают с известью или мелом, спек обрабатывают серной кислотой; образующийся BeSO₄ выщелачивают водой и осаждают аммиаком Ве(ОН)₂. Более полная очистка достигается многократной кристаллизацией BeSO₄, из которого прокаливанием получают ВеО. Известно также вскрытие берилла хлорированием или действием фосгена. Дальнейшая обработка ведется с целью получения BeF₂ или ВеCl₂.

Металлический Бериллий получают восстановлением BeF₂ магнием при 900-1300°С или электролизом ВеСl₂ в смеси с NaCl при 350°С.

Полученный металл переплавляют в вакууме. Металл высокой чистоты получают дистилляцией в вакууме, а в небольших количествах - зонной плавкой; применяют также электролитическое рафинирование.

Из-за трудностей получения качественных отливок заготовки для изделий из Бериллия готовят методами порошковой металлургии. Бериллий измельчают в порошок и подвергают горячему прессованию в вакууме при 1140-1180°С. Прутки, трубы и другие профили получают выдавливанием при 800-1050°С (горячее выдавливание) или при 400-500°С (теплое выдавливание). Листы из Бериллия получают прокаткой горячепрессованных заготовок или выдавленных полос при 760-840°С. Применяют и других виды обработки - ковку, штамповку, волочение. При механической обработке Бериллия пользуются твердосплавным инструментом.

Применение Бериллия. Сочетание малой атомной массы, малого сечения захвата тепловых нейтронов (0,009 барн на атом) и удовлетворительной стойкости в условиях радиации делает Бериллий одним из лучших материалов для изготовления замедлителей и отражателей нейтронов в атомных реакторах. В Бериллии выгодно сочетаются малая плотность, высокий модуль упругости, прочность, теплопроводность. По удельной прочности Бериллий превосходит все металлы. Благодаря этому в конце 50 - начале 60-х годов Бериллий стали применять в авиационной, ракетной и космической технике и гироприборостроении. Однако высокая хрупкость Бериллия при комнатной температуре - главное препятствие к его широкому использованию как конструкционного материала. Бериллий входит в состав сплавов на основе Al, Mg, Cu и других цветных металлов.

Некоторые бериллиды тугоплавких металлов рассматриваются как перспективные конструкционные материалы в авиа- и ракетостроении. Бериллий применяется также для поверхностной бериллизации стали. Из Бериллия изготовляют окна рентгеновских трубок, используя его высокую проницаемость для рентгеновских лучей (в 17 раз большую, чем у алюминия). Бериллий применяется в нейтронных источниках на основе радия, полония, актиния, плутония, так как он обладает свойством интенсивного излучения нейтронов при бомбардировке α-частицами. Бериллий и некоторые его соединения рассматриваются как перспективное твердое ракетное топливо с наиболее высокими удельными импульсами.

Широкое производство чистого Бериллия началось после 2-й мировой войны. Переработка Бериллия осложняется высокой токсичностью летучих соединений и пыли, содержащей Бериллий, поэтому при работе с Бериллием и его соединениями нужны специальные меры защиты.

Бериллий в организме. 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. Биологическое значение Бериллий мало выяснено; оно определяется участием Бериллий в обмене Mg и Р в костной ткани. При избытке в рационе Бериллия, по-видимому, происходит связывание в кишечнике ионов фосфорной кислоты в неусвояемый фосфат Бериллия. Активность некоторых ферментов (щелочной фосфатазы, аденозинтрифосфатазы) тормозится малыми концентрациями Бериллия. Под влиянием Бериллия при недостатке фосфора развивается не излечиваемый витамином D бериллиевый рахит, встречаемый у животных в биогеохимических провинциях, богатых Бериллием.