Бериллий — свойства, применения сплавы бериллия. Бериллий: это что, и где его используют

Бериллий — это металл серебристо-серых оттенков с блестящими кристаллическими проявлениями на сломах, который является четвёртым по счёту химическим элементом таблицы Менделеева. Вес атома бериллия составляет 9,0122 в единице исчисления стандартной атомной массы, равной 1/12 массы изотопа углерода. Бериллий - редкоземельный металл, который соотносится к массе земли в процентном отношении 2,6·10-4 %.

Открытие Бериллия

Как и многие химические элементы, бериллий был открыт в связи с изучением свойств благородных металлов и драгоценных камней. В 1798 году известный французский Луи Никола Воклен работал с бериллом - полудрагоценным камнем, ближайшим «родственником» изумруда. В процессе экспериментов активно использовалась так называемая берилловая земля, в которой и содержался оксид бериллия ВеО. Однако в этот раз бериллий как автономный химический элемент не был идентифицирован и назван. Это произошло позже, в 1828 году, когда немецкому учёному Фридриху Вёллеру удалось получить металлический бериллий. А завершил эволюцию познания этого довольно редкого элемента французский химик Лебо, которому с помощью электролиза удалось получить чистые бериллиевые кристаллы.

Кристаллы бериллия имеют сладковатый привкус, поэтому элемент первоначально именовался «глюциний» от греческого «сладкий». С открытием бериллия со временем сформировалась новая отрасль — синтез полудрагоценных и драгоценных камней. Сегодня на основе берилла синтезируются искусственные изумруды, аквамарины, гелиодоры, которые активно используются в ювелирной промышленности. Полудрагоценный камень берилл, послуживший отправной точкой в открытии бериллия, был назван в честь южноиндийского города Веллур, который находился вблизи известных изумрудных копей Индии. Бериллий содержится и в человеческом организме в количестве, не превышающем 0,036 мг. Тем не менее, бериллий в газообразном состоянии и бериллиевая пыль являются высокотоксичными веществами, которые вызывают серьёзные патологи органов дыхания и кровообращения.

Основные физико-химические свойства

Благодаря самой высокой внутренней теплоте правления, этот металл обладает уникальными характеристиками, определяющими его востребованность в ведущих отраслях производства и науки. Вышеупомянутая редкость бериллия в природе делает этот элемент своеобразным дефицитом в мире современных металлических сплавов.

Относительно низкая температура плавления 1284°С позволяет создавать бериллиевые слитки в условиях вакуума, однако чаще всего практикуется производство бериллия в порошкообразном состоянии. Литой бериллий отличает высокая хрупкость структуры, так что наибольший интерес этот металл представляет в деформированном виде. Термическая обработка под давлением позволяет на порядок повысить конструкционную прочность бериллия, который в конечном состоянии, благодаря высокой пластичности становится схожим по многим характеристикам с магнием и алюминием. В частности, бериллий на открытом воздухе также образуют оксидную плёнку, препятствующую коррозии. Этот металл без труда растворяется во многих кислотах и даже щелочах, за исключением концентрированной азотной кислоты.

Получают бериллий путём выделения из алюминиевых сплавов с помощью разнообразных технологий очистки, а также из минералов бериллов, на которые воздействуют концентрированной серной кислотой. Металлический бериллий производится путём обработки бериллиевых оксидов и сульфатов (Ве(ОН)2 или BeSO4). Технологические процессы производства бериллия достаточно сложны и требуют значительных энергозатрат, поэтому этот металл относится к дорогостоящим материалам.

Область применения

Уникальное природное свойство бериллия — не вступать во взаимодействие с рентгеновским излучением определило активное использование этого металла в изготовлении рентгенотехнических приборов и оборудования.

Кроме того, сегодня бериллиевые сплавы применяются для изготовления нейтронных отражателей и замедлителей в ядерных реакторах. Оксид бериллия отличается предельно высокой теплопроводностью и огнеупорностью, которая также используется в производстве оборудования для ядерной энергетики.

Аэрокосмическая и авиационная промышленность — ещё две отрасли, в которых находят успешное применение прочности, антикоррозийности и огнеупорности бериллиевых сплавов. В металлургии бериллий используется в качестве легирующего элемента, увеличивающего антикоррозийную и конструкционную прочность стали.

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

Бериллий

БЕРИ́ЛЛИЙ -я; м. Химический элемент (Be), лёгкий твёрдый металл серебристого цвета.

◁ Бери́ллиевый, -ая, -ое. Б. минерал. Б-ые сплавы.

(лат. Beryllium), химический элемент II группы периодической системы. Назван по минералу берилл. Светло-серый металл, лёгкий и твёрдый; плотность 1,816 г/см 3 , t пл 1287°C. Выше 800°C окисляется до ВеО. Бериллий и его сплавы применяют в электротехнике, самолёто- и ракетостроении, для бериллизации. В ядерных реакторах - замедлитель и отражатель нейтронов. В смеси с Ra, Ро, Ас - источник нейтронов. Соединения бериллия ядовиты.

БЕРИ́ЛЛИЙ (лат. Вeryllium), Ве, химический элемент с атомным номером 4 и атомной массой 9,01218. Химический символ элемента Be читается «бериллий». В природе встречается только один стабильный нуклид (см. НУКЛИД) 9 Be. В периодической системе элементов Д. И. Менделеева бериллий расположен в группе IIА во втором периоде. Электронная конфигурация атома бериллия 1s 2 2s 2 . Атомный радиус 0,113 нм, радиус иона Ве 2+ 0,034 нм. В соединениях проявляет только степень окисления +2 (валентность II). Энергии последовательной ионизации атома Ве 9,3227 и 18,211 эВ. Значение электроотрицательности по Полингу 1,57. В свободном виде - серебристо-серый легкий металл.
История открытия
Бериллий был открыт в 1798 Л. Вокленом (см. ВОКЛЕН Луи Никола) в виде берилловой земли (оксида ВеО), когда этот французский химик выяснял общие особенности химического состава драгоценных камней берилла (от греческого beryllos - берилл) и изумруда. Металлический бериллий был получен в 1828 Ф. Велером (см. ВЕЛЕР Фридрих) в Германии и независимо от него А. Бюсси во Франции. Однако из-за примесей его не удавалось сплавить. Лишь в 1898 французский химик П. Лебо, подвергнув электролизу двойной фторид калия и бериллия, получил достаточно чистые металлические кристаллы бериллия. Интересно, что из-за сладкого вкуса растворимых в воде соединений бериллия элемент вначале называли «глюциний» (от греческого glykys - сладкий).
Нахождение в природе
Бериллий относится к редким элементам, его содержание в земной коре 2,6·10 –4 % по массе. В морской воде содержится до 6·10 -7 мг/л бериллия. Основные природные минералы, содержащие бериллий: берилл (см. БЕРИЛЛ) Be 3 Al 2 (SiO 3) 6 , фенакит (см. ФЕНАКИТ) Be 2 SiO 4 , бертрандит (см. БЕРТРАНДИТ) Be 4 Si 2 O 8 ·H 2 O и гельвин (см. ГЕЛЬВИН) (Mn,Fe,Zn) 4 3 S. Окрашенные примесями катионов других металлов прозрачные разновидности берилла - драгоценные камни, например, зеленый изумруд, голубой аквамарин, гелиодер, воробьевит. Их научились синтезировать искусственно.
Получение соединений бериллия и металлического бериллия
Извлечение бериллия из его природных минералов (в основном берилла) включает в себя несколько стадий, при этом особенно важно отделить бериллий от сходного по свойствам и сопутствующего бериллию в минералах алюминия. Можно, например, сплавить берилл с гексафторосиликатом натрия Na 2 SiF 6:
Be 3 Al 2 (SiO 3) 6 + 12Na 2 SiF 6 = 6Na 2 SiO 3 + 2Na 3 AlF 6 + 3Na 2 + 12SiF 4 ­.
В результате сплавления образуются криолит Na 3 AlF 6 - плохо растворимое в воде соединение, а также растворимый в воде фторобериллат натрия Na 2 . Его далее выщелачивают водой. Для более глубокой очистки бериллия от алюминия применяют обработку полученного раствора карбонатом аммония (NH 4) 2 CO 3 . При этом алюминий оседает в виде гидроксида Al(OH) 3 , а бериллий остается в растворе в виде растворимого комплекса (NH 4) 2 . Этот комплекс затем разлагают до оксида бериллия ВеО при прокаливании:
(NH 4) 2 = BeO + 2CO 2 ­ + 2NH 3 ­ + H 2 O­.
Другой метод очистки бериллия от алюминия основан на том, что оксиацетат бериллия Be 4 O(CH 3 COO) 6 , в отличие от оксиацатата алюминия + CH 3 COO – , имеет молекулярное строение и легко возгоняется при нагревании. Известен также способ переработки берилла, в котором сначала берилл обрабатывают концентрированной серной кислотой при температуре 300°C, а затем спек выщелачивают водой. Сульфаты алюминия и бериллия при этом переходят в раствор. После добавления к раствору сульфата калия K 2 SO 4 удается осадить алюминий из раствора в виде алюмокалиевых квасцов KAl(SO 4) 2 ·12H 2 O. Дальнейшую очистку бериллия от алюминия проводят так же, как и в предыдущем методе.
Наконец, известен и такой способ переработки берилла. Исходный минерал сначала сплавляют с поташем K 2 CO 3 . При этом образуются бериллат K 2 BeO 2 и алюминат калия KAlO 2:
Be 3 Al 2 (SiO 3) 6 + 10K 2 CO 3 = 3K 2 BeO 2 + 2KAlO 2 + 6K 2 SiO 3 + 10CO 2 ­
После выщелачивания водой полученный раствор подкисляют серной кислотой. В результате в осадок выпадает кремниевая кислота. Из фильтрата далее осаждают алюмокалиевые квасцы, после чего в растворе из катионов остаются только ионы Ве 2+ . Из полученного тем или иным способом оксида бериллия ВеО затем получают фторид, из которого магнийтермическим методом восстанавливают металлический бериллий:
BeF 2 + Mg = MgF 2 + Be.
Металлический бериллий можно приготовить также электролизом расплава смеси BeCl 2 и NaCl при температурах около 300 °C. Раньше бериллий получали электролизом расплава фторобериллата бария Ba:
Ba = BaF 2 + Be + F 2 .
Физические и химические свойства
Металлический бериллий характеризуется высокой хрупкостью. Температура плавления 1278 °C, температура кипения около 2470 °C, плотность 1,816 кг/м 3 . До температуры 1277 °C устойчив альфа-Ве (гексагональная решетка типа магния, параметры а = 0,22855 нм, с = 0,35833 нм), при температурах, предшествующих плавлению металла (1277-1288 °C) - бета-Ве с кубической решеткой.
Химические свойства бериллия во многом похожи на свойства магния (см. МАГНИЙ) и, особенно, алюминия (см. АЛЮМИНИЙ) . Близость свойств бериллия и алюминия объясняется почти одинаковым отношением заряда катиона к его радиусу для ионов Be 2+ и Al 3+ . На воздухе бериллий, как и алюминий, покрыт оксидной пленкой, придающей бериллию матовый цвет. Наличие оксидной пленки предохраняет металл от дальнейшего разрушения и обусловливает его невысокую химическую активность при комнатной температуре. При нагревании бериллий сгорает на воздухе с образованием оксида BeO, реагирует с серой и азотом. С галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ) бериллий реагирует при обычной температуре или при слабом нагревании, например:
Be + Cl 2 = ВеСl 2
Все эти реакции сопровождаются выделением большого количества теплоты, так как прочность кристаллических решеток возникающих соединений (BeO, BeS, Be 3 N 2 , ВеСl 2) довольно велика. Благодаря образованию на поверхности прочной пленки оксида бериллий не реагирует с водой, хотя находится в ряду стандартных потенциалов значительно левее водорода. Как и алюминий, бериллий реагирует с кислотами и растворами щелочей:
Be + 2HCl = BeCl 2 + H 2 ,
Be + 2NaOH + 2H 2 O = Na 2 + H 2 .
Гидроксид бериллия Be(OH) 2 - полимерное соединение, нерастворимое в воде. Оно проявляет амфотерные (см. АМФОТЕРНОСТЬ) свойства:
Be(OH) 2 + 2КOH =К 2 ,
Be(OH) 2 + 2HСl = BeСl 2 + 2H 2 O.
В большинстве соединений бериллий проявляет координационное число 4. Например, в структуре твердого BeCl 2 имеются цепочки с мостиковыми атомами хлора. За счет образования прочных тетраэдрических анионов многие соединения бериллия вступают в реакции с солями других металлов:
BeF 2 + 2KF = K 2
С водородом бериллий непосредственно не взаимодействует. Гидрид бериллия BeH 2 - полимерное вещество, его получают реакцией
BeCl 2 + 2LiH = BeH 2 + 2LiCl,
проводимой в эфирном растворе. Действием на гидроксид бериллия Be(OH) 2 растворами карбоновых кислот или при упаривании растворов их бериллиевых солей получают оксисоли бериллия, например, оксиацетат Be 4 O(CH 3 COO) 6 . Эти соединения содержат тетраэдрическую группировку Be 4 O, по шести ребрам этого тетраэдра располагаются ацетатные группы. Такие соединения играют большую роль в процессах очистки бериллия, так как они не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях и легко возгоняются в вакууме.
Применение
Бериллий в основном используют как легирующую добавку к различным сплавам. Добавка бериллия значительно повышает твердость и прочность сплавов, коррозионную устойчивость поверхностей изготовленных из этих сплавов изделий. Бериллий слабо поглощает рентгеновское излучение, поэтому из него изготавливают окошки рентгеновских трубок (через которые излучение выходит наружу). В атомных реакторах из бериллия изготовляют отражатели нейтронов, его используют как замедлитель нейтронов. В смесях с некоторыми a-радиоактивными нуклидами бериллий используют в ампульных нейтронных источниках, так как при взаимодействии ядер бериллия-9 и a-частиц возникают нейтроны: 9 Ве(a, n) 12 C.
Физиологическое действие
В живых организмах бериллий, по-видимому, не несет никакой биологической функции. Его содержание в организме среднего человека (масса тела 70 кг) составляет 0,036 мг, ежедневное поступление с пищей - около 0,01 мг. Летучие и растворимые соединения бериллия, а также пыль, содержащая бериллий и его соединения, очень токсичны. Бериллий замещает в ферментах магний и обладает ярко выраженным аллергическим и канцерогенным действием. Его присутствие в атмосферном воздухе приводит к тяжелому заболеванию органов дыхания - бериллиозу. Следует отметить, что эти заболевания могут возникнуть через 10-15 лет после прекращения контакта с бериллием. Для воздуха ПДК в пересчете на бериллий составляет 0,001 мг/м 3 .

Энциклопедический словарь . 2009 .

Смотреть что такое "бериллий" в других словарях:

- (греч.). Металл, служащий главной составной частью берилла. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. БЕРИЛЛИЙ Особенный металл, открытый впервые Велером в 1828 г. и служащий главною составной частью берилла … Словарь иностранных слов русского языка

Или глиций (химич. форм. Be, атом. вес, по Крюссу, 9,05) металл, содержащийся в виде соединений окиси во многих минералах: вберилле, хризоберилле, лейкофане, смарагде, аквамарине, эвклазе,фенаките и др. В металлическом состоянии бериллий впервые… … Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

Современная энциклопедия

Бериллий - (Beryllium), Be, химический элемент II группы периодической системы, атомный номер 4, атомная масса 9,01218; металл. Бериллий открыл в 1798 французский химик Л. Воклен, получен в 1828 немецкими химиками Ф. Велером и А. Бюсси. Бериллий используют… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

- (лат. Beryllium) Ве, химический элемент II группы периодической системы, атомный номер 4, атомная масса 9,01218. Назван по минералу бериллу. Светло серый металл, легкий и твердый; плотность 1,816 г/см³, tпл 1287 .С. Выше 800 .С окисляется до… … Большой Энциклопедический словарь

Be (лат. Beryllium * a. berillium; н. Beryllium; ф. beryllium; и. berilio), хим. элемент II группы периодич. системы Менделеева, ат. н. 4, ат. масса 9,0122. Имеет один стабильный изотоп 9Вe. Открыт в 1798 франц. химиком Л. Вокленом в виде … Геологическая энциклопедия

Бериллий - представляет собой металл серо стального цвета, очень легкий и твердый, но чрезвычайно хрупкий. Катать или вытягивать его можно только в специальных условиях. Чистый бериллий используется в производстве окон в рентгеновских трубках; в качестве… … Официальная терминология

БЕРИЛЛИЙ - хим. элемент, символ Be (лат. Beryllium), ат. н. 4, ат. м. 9,012; чистый бериллий светло серый, лёгкий, твёрдый и хрупкий металл, плотность 1848 кг/м3, tпл = 1284 °С; химически активен, в соединениях проявляет степень окисления +2. Из наиболее… … Большая политехническая энциклопедия

- (символ Be), прочный, легкий, серебристо серый металл из ряда щелочноземельных, впервые полученный в чистом виде в 1828 г. Содержится во многих минералах, в том числе, аквамарине, изумруде и морганите (все это разновидности БЕРИЛЛА), а также… … Научно-технический энциклопедический словарь

Бериллий является элементом второго периода и относится к щелочноземельным металлам, из-за чего обладает высокой токсичностью. Он находится во второй группе таблицы Менделеева , его атомный номер 4. Латинское название Beryllium происходит от латинского обозначения берилла - основного минерала, из которого получают бериллий. В свою очередь «берилл» восходит к греческому βήρυλλος, что означает приблизительно следующее: «драгоценный цвета морской воды камень». Бериллий редко встречается в природе, в чистом виде представляет собой хрупкий твёрдый металл светло-серебристого оттенка. Вследствие трудоемкой добычи из природных минералов, бериллий имеет высокую стоимость, сравнимую с ценами на серебро и золото . Он также входит в состав таких драгоценных камней как зеленые изумруды и аквамарины. Минералы бериллия могут очень сильно отличаться по цвету: от розовых и красных до бледно-голубых и темно-синих оттенков.

Исторические факты

В 1798 году впервые французским фармацевтом Луи-Николя Вокленом был получен бериллий в виде оксида BeO, так называемой, берилловой земли. Однако в виде металла, его смогли синтезировать только спустя 30 лет французский химик Антуан Бюсси и автономно от него немец Фридрих Вёлер . По причине низкой чистоты бериллий не получалось внести в другие сплавы до тех пор, пока в 1898 году во Франции химик Пол Лебо с помощью электролиза фторидов кальция и бериллия, получил его кристаллы требуемой чистоты. Немаловажное значение в исследовании бериллия сыграл и наш соотечественник Иван Авдеев, живший в XIX веке. Он вел исследования в области определения химического содержания минералов бериллия и других содержащих его веществ. В результате Авдеев обнаружил, что правильная формула оксида бериллия - это BeO, а не Be 2 O 3 , как думали раньше.

Ещё один интересный исторический факт связан с периодом Второй мировой войны, когда все действовавшие месторождения минералов бериллия были подконтрольны США. Германия остро нуждалась в этом сырье для производства бронзы с добавлением бериллия, использующейся в изготовлении деталей для автоматических авиационных пулеметов. Для этого немцы были вынуждены обратиться за помощью к нейтральной Швейцарии, с помощью которой бериллиевая бронза ввозилась контрабандно. До сегодняшнего дня США остаются неоспоримыми лидерами в добыче бериллия.

Химические свойства бериллия

Бериллий является двухвалентным элементом. Благодаря своей высокой химической активности он легко растворяется в различных кислотах. В их числе: соляная, плавиковая, разбавленная серная кислоты. Однако с разбавленной азотной и концентрированной серной кислотами реагирует слабо. При этом он устойчив в воздухе из-за образования тонкой и устойчивой пленки оксида BeO. С водой бериллий практически никак не реагирует, пока ее температура не достигнет 100⁰C. В нормальных условиях взаимодействует со фтором , а при более высокой температуре и с другими галогенами. Его свойства похожи на магний Mg и алюминий Al, причём к последнему бериллий намного ближе, несмотря на то, что магний находится прямо под ним в таблице Менделеева. Общие свойства бериллия и алюминия объясняются практически идентичным соотношением заряда в ядре и радиуса катиона для ионов Be 2+ и Al 3+ . Бериллий может вступать в реакцию также с большим числом металлов при достаточно высоких температурах, в этом случае образуются так называемые бериллиды.

Где применяется бериллий

Бериллий имеет широкую область применения. Пожалуй, одной из самых важных и старых сфер применения является изготовление рентгеновских трубок. Благодаря низкому уровню поглощения рентгеновского излучения из бериллия изготавливают специальные окошки, пропускающие излучение в детектор.

Также бериллий используется в качестве легирующей добавки к разнообразным материалам для повышения прочности и коррозионной устойчивости металлических поверхностей. Достаточно широкое распространение получили бериллиевые бронзы, используемые в пружинах. Добавление бериллия позволяет во много раз увеличить количество рабочих циклов, а кроме того детали из бериллиевой бронзы не искрятся при взаимодействии с камнем или металлом.

Особенное место бериллий занимает в атомной энергетике. Он используется при изготовлении нейтронных отражателей, замедляющих свободные нейтроны. Такую же функцию выполняют и его оксиды. Кроме этого, различные смеси окиси урана с бериллием используются для создания высокоэффективного ядерного топлива.

Специальные сплавы, изготовленные на основе бериллия, широко применяются в аэрокосмической отрасли при производстве обшивки для ракет и самолетов. Такие материалы обладают более надежными характеристиками по сравнению с алюминием, но при этом гораздо легче большинства конструкционных стальных сплавов.

• До своего нынешнего названия элемент бериллий именовался как «глюциний», что в переводе с греческого glykys означало «сладкий». Такое наименование обусловлено тем, что растворенные соединения бериллия придавали воде сладкий привкус.
• Помимо высокой токсичности, бериллий является аллергеном, а также может вызывать рак. Вдыхание его паров приводит к несовместимым с жизнью заболеваниям органов дыхания, такими как «бериллиоз».
• Благодаря высокой твердости и чрезвычайной легкости бериллий используется как материал для профессиональных громкоговорителей. Однако его высокая цена и потенциальная токсичность при неправильной обработке не позволяют вывести такие аудиосистемы на массового потребителя.
• В своей фантастической повести «Ловушка для простаков» Айзек Азимов неоднократно упоминает бериллиевую пыль и ее влияние на человеческий организм, которое в свою очередь является важным моментом сюжета в произведении.

Содержание статьи

БЕРИЛЛИЙ (Beryllium) Be – химический элемент 2 (IIa) группы Периодической системы Д.И.Менделеева. Атомный номер 4, относительная атомная масса 9,01218. В природе встречается только один стабильный изотоп 9 Be. Известны также радиоактивные изотопы бериллия 7 Be и 10 Be с периодами полураспада 53.29 дней и 1,6·10 6 лет, соответственно. Степени окисления +2 и +1 (последняя крайне неустойчива).

Бериллиесодержащие минералы известны с древности. Некоторые из них добывались на Синайском полуострове еще в 17 в. до н.э. Название берилл встречается у греческих и латинских (Beryll) античных писателей. Сходство берилла и изумруда отмечал Плиний Старший : «Берилл, если подумать, имеет ту же природу, что и смарагд (изумруд), или, по крайней мере, очень похожую» (Естественная история, книга 37). В Изборнике Святослава (1073) берилл фигурирует под названием вируллион.

Бериллий был открыт в 1798. Французский кристаллограф и минералог Рене Жюст Гаюи (Haüy René Just) (1743–1822), отметив сходство твердости, плотности и внешнего вида зеленовато-голубых кристаллов берилла из Лиможа и зеленых кристаллов изумруда из Перу, предложил французскому химику Никола Луи Воклену (Vauquelin Nicolas Louis) (1763–1829) проанализировать берилл и изумруд, чтобы узнать, не являются ли они химически идентичными. В результате Воклен показал, что оба минерала содержат не только оксиды алюминия и кремния, как было известно и раньше, но также и новую «землю», которая очень напоминала оксид алюминия, но, в отличие от него, реагировала с карбонатом аммония и не давала квасцов. Именно этими свойствами Воклен и воспользовался для разделения оксидов алюминия и неизвестного элемента.

Редакция журнала «Annakts de Chimie», опубликовавшего работу Воклена, предложила для открытой им земли название «глицина» за способность к образованию соединений, обладающие сладким вкусом. Известные химики Мартин Генрих Клапрот (Klaproth Martin Heinrich) (1743–1817) и Андерс Экеберг (Ekeberg Anders) (1767–1813) сочли это название неудачным, так как соли иттрия также имеют сладковатый вкус. В их работах «земля», открытая Вокленом, называется берилловой. Тем не менее, в научной литературе 19 в. для нового элемента долгое время использовали термины «глиций», «глициний» или «глюциний». В России до середины 19 в. оксид этого элемента называли «сладкоземом», «сладимой землей», «сладоземом» а сам элемент именовался глицинием, глицинитом, глицием, сладимцем

В виде простого вещества элемент, открытый Вокленом, впервые получил немецкий химик Фридрих Вёлер (Wöhler Friedrich) (1800–1882) в 1828, восстановливая хлорид бериллия калием:

BeCl 2 + 2K = Be + 2KCl

Независимо от него в этом же году тем же методом металлический бериллий был выделен французским химиком Антуаном Бюсси (Bussy Antoine) (1794–1882).

Общепринятым стало название элемента по имени минерала (латинское beryllus от греческого bhrnlloV), однако во Франции бериллий до сих пор называют глицинием.

Было установлено, что масса одного эквивалента бериллия равна примерно 4,7 г/моль. Однако сходство между бериллием и алюминием привело к существенному заблуждению относительно валентности и атомной массы бериллия. Долгое время бериллий считали трехвалентным с относительной атомной массой 14 (что примерно равно утроенной массе одного эквивалента бериллия 3 × 4,7). Лишь через 70 лет после открытия бериллия русский ученый Д.И. Менделеев пришел к выводу, что в его периодической таблице места для такого элемента нет, а вот двухвалентный элемент с относительной атомной массой 9 (приблизительно равной удвоенной массе одного эквивалента бериллия 2 × 4,7) легко размещается между литием и бором.

Бериллий в природе и его промышленное извлечение. Бериллий, как и соседние с ним литий и бор, относительно мало распространен в земной коре, его содержание составляет около 2·10 –4 %. Хотя бериллий и редкий элемент, но он не является рассеянным, так как входит в состав поверхностных залежей берилла в пегматитовых породах, которые последними закристаллизовались в гранитных куполах. Есть сообщения о гигантских бериллах длиной до 1 м и массой до нескольких тонн.

Известно 54 собственно бериллиевых минерала. Важнейший из них – берилл 3BeO·Al 2 O 3 ·6SiO 2 . У него много окрашенных разновидностей. Изумруд содержит около 2% хрома, придающего ему зеленый цвет. Аквамарин своей голубой окраской обязан примеси железа(II). Розовый цвет воробьевита обусловлен примесью соединений марганца(II), а золотисто-желтый гелиодор окрашен ионами железа(III). Промышленно важными минералами являются также фенакит 2BeO·SiO 2 , бертрандит 4BeO·2SiO 2 ·H 2 O, гельвин (Mn,Fe,Zn) 4 3 S.

Мировые природные ресурсы бериллия оцениваются более чем в 80 тыс. т (по содержанию бериллия), из которых около 65% сосредоточено в США, где основным бериллиевым сырьем является бертрандитовая руда. Ее подтвержденные запасы в США на месторождении Spur Mountain (шт. Юта), являющемся основным в мире источником бериллия, на конец 2000 составили примерно 19 тыс. т (по содержанию металла). Берилла в США очень мало. Из других стран наибольшими запасами бериллия обладают Китай, Россия и Казахстан. Во времена СССР бериллий на территории России добывался на Малышевском (Свердловская область), Завитинском (Читинская область), Ермаковском (Бурятия), Пограничном (Приморский край) месторождениях. В связи с сокращением ВПК и прекращением строительства атомных электростанций, его добыча была прекращена на Малышевском и Ермаковском и значительно сокращена на Завитимском месторождениях. При этом значительная часть добываемого бериллия продается за рубеж, в основном, в Европу и Японию.

По оценке Геологической службы США, мировая добыча бериллия в 2000 характеризовалась следующими данными (т):

Характеристика простого вещества и промышленное получение металлического бериллия. По внешнему виду бериллий – серебристо-серый металл. Он очень твердый и хрупкий. Бериллий имеет две кристаллические модификации: a-Be имеет решетку гексагонального типа (что приводит к анизотропии свойств); решетка b-Be относится к кубическому типу; температура перехода составляет 1277° С. Бериллий плавится при 1287° С, кипит при 2471° С.

Это один из самых легких металлов (плотность равна 1,816 г/см 3). У него высокий модуль упругости, в 4 раза больший, чем у алюминия, в 2,5 раза превышающий соответствующий параметр титана, и на треть выше, чем у стали. Бериллий обладает наибольшей среди всех металлов теплоемкостью: 16,44 Дж/(моль К) для a-Be, 30,0 Дж/(моль К) для b-Be.

По устойчивости к коррозии во влажном воздухе бериллий, благодаря образованию защитного оксидного слоя, напоминает алюминий. Тщательно отполированные образцы долго сохраняют свой блеск.

Металлический бериллий относительно мало реакционноспособен при комнатной температуре. В компактном виде он не реагирует с водой и водяным паром даже при температуре красного каления и не окисляется воздухом до 600° С. Порошок бериллия при поджигании горит ярким пламенем, при этом образуются оксид и нитрид. Галогены реагируют с бериллием при температуре выше 600° С, а халькогены требуют еще более высокой температуры. Аммиак взаимодействует с бериллием при температуре выше 1200° С с образованием нитрида Be 3 N 2 , а углерод дает карбид Ве 2 С при 1700° С. С водородом бериллий непосредственно не реагирует, и гидрид ВеН 2 получают косвенным путем.

Бериллий легко растворяется в разбавленных водных растворах кислот (соляной, серной, азотной), однако холодная концентрированная азотная кислота пассивирует металл. Реакция бериллия с водными растворами щелочей сопровождается выделением водорода и образованием гидроксобериллатов:

Be + 2NaOH (р) + 2H 2 O = Na 2 + H 2

При проведении реакции с расплавом щелочи при 400–500° С образуются диоксобериллаты:

Be + 2NaOH (ж) = Na 2 BeO 2 + H 2

Металлический бериллий быстро растворяется в водном растворе NH 4 HF 2 . Эта реакция имеет технологическое значение для получения безводного BeF 2 и очистки бериллия:

Be + 2NH 4 HF 2 = (NH 4) 2 + H 2

Бериллий выделяют из берилла сульфатным или фторидным способом. В первом случае концентрат сплавляют при 750° С с карбонатом натрия или кальция, а затем сплав обрабатывают концентрированной горячей серной кислотой. На образовавшийся раствор сульфата бериллия, алюминия и других металлов действуют сульфатом аммония. Это приводит к выделению большей части алюминия в виде алюмокалиевых квасцов. Оставшийся раствор обрабатывают избытком гидроксида натрия. При этом образуется раствор, содержащий Na 2 и алюминаты натрия. При кипячении этого раствора в результате разложения гидроксобериллата осаждается гидроксид бериллия (алюминаты остаются в растворе).

По фторидному способу концентрат нагревают с Na 2 и Na 2 CO 3 при 700–750° С. При этом образуется тетрафторобериллат натрия:

3BeO·Al 2 O 3 ·6SiO 2 + 2Na 2 + Na 2 CO 3 = 3Na 2 + 8SiO 2 + Al 2 O 3 + CO 2

Затем выщелачивают растворимый фторобериллат водой и осаждают гидроксид бериллия при рН около 12.

Для выделения металлического бериллия его оксид или гидроксид сначала переводят в хлорид или фторид. Металл получают электролизом расплавленных смесей хлоридов бериллия и щелочных элементов или действием магния на фторид бериллия при температуре около 1300° С:

BeF 2 + Mg = MgF 2 + Be

Для получения заготовок и изделий из бериллия используют, в основном, методы порошковой металлургии.

Бериллий – легирующая добавка в медных, никелевых, железных и других сплавах. Способность бериллия увеличивать твердость меди была открыта в 1926. Сплавы меди с 1–3% бериллия назвали бериллиевыми бронзами. Сейчас известно, что добавка около 2% бериллия в шесть раз увеличивают прочность меди. Кроме того, такие сплавы (которые также обычно содержат 0,25% кобальта) имеют хорошую электрическую проводимость, высокую прочность и сопротивление износу. Они не магнитны, устойчивы к коррозии и находят многочисленные области применения в движущихся частях двигателей самолетов, точных инструментах, управляющих реле в электронике. Кроме того, они не искрят и поэтому широко применяются для изготовления ручного инструмента в нефтяной промышленности. Никелевый сплав, содержащий 2% бериллия, используется также для высокотемпературных пружин, зажимов, мехов и электрических контактов. Все большее значение приобретают бериллий-алюминиевые сплавы, в которых содержание бериллия достигает 65%. Они имеют широкий круг сфер использования – от авиакосмической промышленности до производства компьютеров.

С помощью бериллия улучшают качество поверхности деталей машин и механизмов. Для этого готовое изделие выдерживают в порошке бериллия при 900–1000° С, и его поверхность делается тверже, чем у лучших сортов закаленной стали.

Еще одна важная область применения бериллия – в ядерных реакторах, так как он является одним из наиболее эффективных замедлителей и отражателей нейтронов. Его используют и в качестве материала для окошек в рентгеновских трубках. Бериллий пропускает рентгеновские лучи в 17 раз лучше, чем алюминий и в 8 раз лучше, чем линдемановское стекло.

Смесь соединений радия и бериллия долгое время использовалась как удобный лабораторный источник нейтронов, образующихся по ядерной реакции:

9 Be + 4 He = 12 C + 1 n

В 1932 при использовании именно этой смеси английским физиком Джеймсом Чедвиком был открыт нейтрон.

В производстве металлического бериллия доминируют США (американская фирма «Brush Wellman», базирующаяся в Кливленде). Китай и Казахстан также имеют производственные мощности по выпуску металлического бериллия.

Потребление бериллия в США, где этот металл применяется больше всего, в 2000 составило примерно 260 т (по содержанию металла), из которых 75% использовалось в виде медно-бериллиевых сплавов для изготовления пружин, соединителей и переключателей, применяемых в автомобилях, летательных аппаратах и компьютерах. В течение 1990-х цены на медно-бериллиевые сплавы оставались стабильными и составляли примерно 400 долларов за килограмм бериллия, этот уровень цен сохраняется и сейчас.

По оценке компании «Roskill», мировой спрос на бериллий в 2001 резко снизился, в частности, за счет сокращения рынка телекоммуникационного оборудования, являющегося, вероятно, крупнейшей сферой потребления этого металла. Однако эксперты «Roskill» полагают, что в среднесрочной перспективе это снижение будет компенсироваться ростом спроса на медно-бериллиевую ленту со стороны производителей автомобильных электронных устройств и компьютеров. В более отдаленной перспективе, как ожидают, продолжится рост потребления медно-бериллиевых сплавов в производстве подводного телекоммуникационного оборудования, а также повысится спрос на трубы для нефтегазовой промышленности, в состав материала которых входит бериллий.

Маловероятно, что спрос на металлический бериллий заметно возрастет, поскольку цены на альтернативные материалы ниже, чем на бериллий, который является весьма дорогостоящим металлом. Так, в ряде сфер потребления альтернативными ему материалами могут служить графит, сталь, алюминий и титан, а вместо медно-бериллиевых сплавов может использоваться фосфорная бронза.

Соединения бериллия.

У бериллия, в отличие от других элементов 2 группы, нет соединений с преимущественно ионными связями, в то же время для него известны многочисленные координационные соединения, а также металлоорганические соединения, в которых часто образуются многоцентровые связи.

Вследствие малого размера атома бериллий почти всегда проявляет координационное число 4, что важно для аналитической химии.

Соли бериллия в воде быстро гидролизуются с образованием ряда гидроксокомплексов неопределенной структуры. Осаждение начинается при отношении OH – : Be 2+ > 1. Дальнейшее добавление щелочи приводит к растворению осадка.

Гидрид бериллия ВеН 2 был впервые получен в 1951 восстановлением хлорида бериллия с помощью LiAlH 4 . Он представляет собой аморфное белое вещество. При нагревании до 250° С гидрид бериллия начинает выделять водород. Это соединение умеренно устойчиво в воздухе и воде, но быстро разлагается кислотами. Гидрид бериллия полимеризован за счет трехцентровых связей ВеНВе.

Галогениды бериллия . Безводные галогениды бериллия нельзя получить реакциями в водных растворах вследствие образования гидратов, таких как F 2 , и гидролиза. Лучшим способом для получения фторида бериллия является термическое разложение (NH 4) 2 , а хлорид бериллия удобно получать из оксида. Для этого действуют хлором на смесь оксида бериллия и углерода при 650–1000° С. Хлорид бериллия можно также синтезировать прямым высокотемпературным хлорированием металлического бериллия или его карбида. Эти же реакции используются для получения безводных бромида и иодида.

Фторид бериллия – стекловидный материал. Его структура состоит из неупорядоченной сетки из атомов бериллия (КЧ 4), связанных мостиками из атомов фтора, и похожа на структуру кварцевого стекла. Выше 270° С фторид бериллия самопроизвольно кристаллизуется. Подобно кварцу, он существует в низкотемпературной a-форме, которая при 227° С переходит в b-форму. Кроме того, можно получить формы кристобалита и тридимита. Структурное сходство между BeF 2 и SiO 2 распространяется также на фторобериллаты (которые образуются при взаимодействии фторида бериллия с фторидами щелочных элементов и аммония) и силикаты.

Фторид бериллия – компонент фторобериллатных стекол и солевой смеси, используемой в ядерных реакторах на расплавленных солях.

Хлорид и другие галогениды бериллия можно рассматривать как полиядерные комплексные соединения, в которых координационное число бериллия равно 4. В кристаллах хлорида бериллия есть бесконечные цепочки с мостиковыми атомами хлора

Даже при температуре кипения (550° С) в газовой фазе содержится около 20% молекул димеров Be 2 Cl 4 .

Цепочечная структура хлорида бериллия легко разрушается слабыми лигандами, такими как диэтиловый эфир, с образованием молекулярных комплексов :

Более сильные доноры, такие так вода или аммиак, дают ионные комплексы 2+ (Cl –) 2 . В присутствии избытка галогенид-ионов образуются галогенидные комплексы, например 2– .

Оксид бериллия BeO встречается в природе в виде редкого минерала бромеллита.

Непрокаленный оксид бериллия гигроскопичен, адсорбирует до 34% воды, а прокаленный при 1500° С – лишь 0,18%. Оксид бериллия, прокаленный не выше 500° С, легко взаимодействует с кислотами, труднее – с растворами щелочей, а прокаленный выше 727° С – лишь со фтороводородной кислотой, горячей концентрированной серной кислотой и расплавами щелочей. Оксид бериллия устойчив к воздействию расплавленных лития, натрия, калия, никеля и железа.

Оксид бериллия получают термическим разложением сульфата или гидроксида бериллия выше 800° С. Продукт высокой чистоты образуется при разложении основного ацетата выше 600° С.

Оксид бериллия обладает очень высокой теплопроводностью. При 100° С она составляет 209,3 Вт / (м К), что больше, чем у любых неметаллов и даже у некоторых металлов. Оксид бериллия сочетает высокую температуру плавления (2507° С) при с незначительным давлением пара при температуре ниже этой. Он служит в качестве химически стойкого и огнеупорного материала для изготовления тиглей, высокотемпературных изоляторов, труб, чехлов для термопар, специальной керамики. В инертной атмосфере или вакууме тигли из оксида бериллия могут применяться при температурах до 2000° С.

Хотя оксид бериллия часто заменяют более дешевым и менее токсичным нитридом алюминия, в этих случаях обычно наблюдается ухудшение рабочих характеристик оборудования. Ожидают, что в более отдаленной перспективе продолжится стабильный рост потребления оксида бериллия, особенно в производстве компьютеров.

Гидроксид бериллия Be(OH) 2 осаждают из водных растворов солей бериллия аммиаком или гидроксидом натрия. Его растворимость в воде при комнатной температуре намного ниже, чем у его соседей по Периодической системе, и составляет всего лишь 3·10 –4 г л –1 . Гидроксид бериллия амфотерен, вступает в реакции как с кислотами, так и со щелочами с образованием солей, в которых бериллий входит в состав катиона или аниона, соответственно:

Be(OH) 2 + 2H 3 O + = Be 2+ + 2H 2 O

Be(OH) 2 + 2OH – = 2–

Гидроксокарбонат бериллия – соединение переменного состава. Образуется при взаимодействии водных растворов солей бериллия с карбонатами натрия или аммония. При действии избытка растворимых карбонатов легко образует комплексные соединения, такие как (NH 4) 2 .

Карбоксилаты бериллия . Уникальность бериллия проявляется в образовании устойчивых летучих молекулярных оксид-карбоксилатов с общей формулой , где R = H, Me, Et, Pr, Ph и т.д. Эти белые кристаллические вещества, типичным представителем которых является основный ацетат бериллия (R = CH 3), хорошо растворимы в органических растворителях, включая алканы, и нерастворимы в воде и низших спиртах. Их можно получить простым кипячением гидроксида или оксида бериллия с карбоновой кислотой. Структура таких соединений содержит центральный атом кислорода, тетраэдрически окруженный четырьмя атомами бериллия. На шести ребрах этого тетраэдра есть шесть мостиковых ацетатных групп, расположенных таким образом, что каждый атом бериллия имеет тетраэдрическое окружение из четырех атомов кислорода. Ацетатное соединение плавится при 285° С и кипит при 330° С. Оно устойчиво к нагреванию и окислению в нежестких условиях, медленно гидролизуется горячей водой, но быстро разлается минеральными кислотами с образованием соответствующей соли бериллия и свободной карбоновой кислоты.

Нитрат бериллия Be(NO 3) 2 при обычных условиях существует в виде тетрагидрата. Он хорошо растворим в воде, гигроскопичен. При 60–100° С образуется гидроксонитрат переменного состава. При более высокой температуре он разлагается до оксида бериллия.

Основный нитрат имеет аналогичную карбоксилатам структуру с мостиковыми нитрато-группами. Это соединение образуется при растворении хлорида бериллия в смеси N 2 O 4 и этилацетата с образованием кристаллического сольвата , который затем нагревают до 50° С, чтобы получить безводный нитрат Be(NO 3) 2 , быстро разлагающийся при 125° С на N 2 O 4 и .

Бериллиеорганические соединения . Для бериллия известны многочисленные соединения, содержащие связи бериллий–углерод. Соединения состава ВеR 2 , где R – алкил, являются ковалентными и имеют полимерную структуру. Соединение (CH 3) 2 Be имеет цепочное строение с тетраэдрическим расположением метильных групп вокруг атома бериллия. Он легко возгоняется при нагревании. В парах существует в виде димера или тримера.

Соединения R 2 Be самовоспламеняются на воздухе и в атмосфере диоксида углерода, бурно реагируют с водой и спиртами, дают устойчивые комплексы с аминами, фосфинами, эфирами.

Синтезируют R 2 Be взаимодействием хлорида бериллия с магнийорганическими соединениями в эфире или металлического бериллия с R 2 Hg. Для получения (C 6 H 5) 2 Be и (C 5 H 5) 2 Be используют реакцию хлорида бериллия с соответствующими производными щелочных элементов.

Предполагают, что соединения состава RBeX (Х – галоген, OR, NH 2 , H) представляют собой R 2 Be . BeX 2 . Они менее реакционноспособны, в частности, на них не действует диоксид углерода.

Бериллийорганические соединения используют как катализаторы димеризации и полимеризации олефинов, а также для получения металлического бериллия высокой чистоты.

Биологическая роль бериллия.

Бериллий не относится к биологически важным химическим элементам. В то же время, повышенное содержание бериллия опасно для здоровья. Соединения бериллия очень ядовиты, особенно в виде пыли и дыма, обладают аллергическим и канцерогенным действием, раздражают кожу и слизистые оболочки. При попадании в легкие могут вызвать хроническое заболевание – бериллиоз (легочная недостаточность). Заболевания легких, кожи и слизистых оболочек могут возникнуть через 10–15 лет после прекращения контакта с бериллием.

Считают, что токсичные свойства этого элемента связаны со способностью Be(II) замещать Mg(II) в магниесодержащих ферментах за счет его более сильной координационной способности.

Елена Савинкина