Бериллий - это элемент второй группы 2-го периода таблицы Менделеева, имеющий атомный номер 4 и обозначающийся символом Ве. Он высокотоксичный и обладает множеством специфических свойств, которые обусловили его широкое применение во многих сферах. И сейчас будет рассказано как о характеристиках данного элемента, так и об его использовании.
Физические свойства
Выглядит данное вещество как светло-серый металл. Он относительно твердый, по оценен в 5,5 баллов. Это значит, что его можно повредить лишь с усилием, и только чем-то острым. Он является одним из самых твердых металлов, существующих в чистом виде. По данному показателю его опережает иридий, осмий, вольфрам и уран.
Можно выделить следующие физические характеристики:
- Плотность - 1,848 г/см³.
- Молярный объем - 5,0 см³/моль.
- Температура плавления и кипения - 1278 °C и 2970 °C соответственно.
- Молярная теплоемкость - 16,44 Дж/(K.моль).
- Удельная теплота плавления и испарения - 12,21 и 309 кДж/моль соответственно.
Еще у этого металла высокий составляющий 300 Гпа. Даже у сталей этот показатель равен 200-210 Гпа. Находясь на воздухе, он активно покрывается стойкой пленкой атмосферного оксида ВеО. Также стоит отметить, что в бериллии очень высокая скорость звука. Она равна 12 600 м/с. А это в два-три раза выше, чем в остальных металлах.
Хрупкость
Несмотря на свою впечатляющую твердость, бериллий - это очень хрупкий металл. Скорее всего, данное качество связано с присутствием в нем кислорода. Но эта особенность легко устраняется. Бериллий отправляют в вакуум на переплавку. В данном процессе обязательно участвует раскислитель (титан, например). В результате получается прочный металл с достаточной ковкостью.
Также хрупкость бериллия - это особенность, связанная с распространением в монокристаллах трещин. Учитывая данный факт, повысить пластичность металла можно посредством обработки, уменьшающей размер зерен и препятствующей их росту. Это свойство бериллия всегда устраняется, поскольку из-за него он крайне плохо сваривается и паяется. Кстати, хрупкость может и повыситься - для этого достаточно добавить в металл немного селена (неметалл, халькоген).
Химические особенности
Данный металл по целому ряду своих свойств похож на алюминий - это прослеживается даже в уравнениях реакций бериллия, которые, кстати, весьма специфичны. При комнатной температуре металл имеет низкую реакционную способность, а в компактном виде не взаимодействует даже с водой и паром.
Воздухом он окисляется до температуры 600 °C. Когда данный показатель превышается, то становятся возможными реакции с галогенами. А вот для взаимодействия с халькогенами необходимы еще более высокие температуры. С аммиаком, например, бериллий может вступить в реакцию, только если будет более 1200 °C. Вследствие этого образуется нитрид Be 3 N 2 . Но зато порошок данного вещества горит впечатляющим ярким пламенем. И при этом образуется нитрид и оксид.
Be(OH)2
Это гидроксид бериллия. При нормальных условиях он выглядит как гелеобразное вещество белого цвета, которое почти не растворяется в воде. Но зато этот процесс успешно происходит, когда он попадает в разбавленную минеральную кислоту. Вот так, кстати, выглядит реакция серной кислоты и гидроксида бериллия по формуле: Ве(ОН) 2 + H 2 SO 4 → BeSO 4 + 2Н 2 О. В результате, как можно видеть, образуется соль и вода. С щелочами оксид тоже взаимодействует. Выглядит это так: Ве(ОН) 2 + 2NaOH → Na 2 Be(OH) 4 .
Еще интересная реакция происходит при температурном воздействии. Если увеличить показатель до 140 °C, то вещество разложится на оксид и воду: Ве(ОН) 2 → ВеО + Н 2 О. Кстати, получают гидроксид посредством обработки солей бериллия, которая происходит либо с участием щелочных металлов, либо в ходе гидролиза натрия. Также в данном процессе может участвовать фосфид металла.
BeSO4
Это сульфат бериллия. Это вещество представляет собой твердые кристаллы белого цвета. Его получают в результате взаимодействия серной кислоты и любой соли бериллия в воде. Сопровождается процесс выпариванием и последующей кристаллизацией получающегося в итоге продукта. Если нагреть гидрат до 400 °C, то получится разложить его на Н 2 О и безводную соль. У BeSO 4 было весьма специфичное применение. Его смешивали с сульфатом радия (неорганическое вещество щелочноземельного радиоактивного металла) и использовали в атомных реакторах в качестве источника нейтронов. На сегодняшний день его нередко применяют в таком виде альтернативной медицины, как гомеопатия.
Ве(NO3)2
Это нитрат бериллия. Он является средней солью этого металла и азотной кислоты. Данное соединение может существовать лишь как кристаллогидраты различного состава. Безводных нитратов просто не существует. Вследствие добавления концентрированной азотной кислоты удается выделить из водного раствора тетрагидрат бериллия. Формула выглядит так: Ве(NO 3) 2 .4Н 2 О. Интересно, что кристаллы данного вещества расплываются на воздухе. А в результате реакций, проводимых в растворе с 54-процентным содержанием азотной кислоты, может образовываться тригидрат. Также с участием данных веществ можно образовать дигидрат.
Нитрат данного металла раньше активно использовался в производстве колпачков так называемых газокалильных ламп. Он идеально для этого подходил, ведь мог термически разлагаться, образовывая оксид. Но потом повсеместно начало распространяться электрическое освещение, и данная технология канула в лету, как и применение нитрата. Он, к слову, является токсичным, как и любые другие бериллиевые соединения. Более того, даже в малых количествах данное вещество - раздражитель, провоцирующий острую пневмонию.
Получение металла
В промышленности бериллий - это активно используемый металл, который нужно производить в большом количестве. Поэтому используется самый оперативный метод. Заключается он в переработке берилла (минерала, кольцевого силиката) в сульфат или гидроксид данного элемента. Металлический бериллий производят посредством восстановления фторида BeF 2 при помощи магния. Осуществляется данный процесс при температурном режиме в 900-1300 °С или другим методом - электролизом хлорида BeCl 2 . В этой реакции участвует хлорид натрия (NaCl), а происходит все при температуре 350 °С.
Получаемое в итоге вещество отправляют на дистилляцию в вакуум. Результатом данного процесса становится металл высокой чистоты.
Металлопроизводство
В этой сфере активно применяется такой химический элемент, как бериллий. Он - эффективная легирующая добавка. Бериллий включают в состав сплавов для того, чтобы повысить их прочности и твердость. С присутствием данного металла они также обретают коррозионную устойчивость. Изделия, произведенные из сплавов с бериллием, очень долговечные и прочные. Какие, например? Яркий пример - пружинные контакты. Всего 0,5 % этого металла достаточно добавить в бронзу, из которой их делают. Пружины получаются крепкими и остаются упругими вплоть до температуры красного каления. Они, в отличие от изделий из любого другого сплава, выдерживают миллиарды циклов огромной нагрузки.
Аэрокосмические технологии
В производстве систем наведения и тепловых экранов ни один другой конструкционный металл не проявляет себя так, как бериллий. Ему в данной сфере нет равных. Этот металл добавляют в конструкционные материалы, чтобы они обрели легкость и при этом получили увеличенную стойкость к высоким температурам и прочность. Такие сплавы получаются в полтора раза легче алюминия и прочнее.
Еще в строении аэрокосмической техники используются бериллиды, являющиеся интерметаллическими соединениями данного вещества с другими металлами. Они очень твердые, имеют малую удельную плотность и поразительную устойчивость к температуре. Поэтому из бериллидов делают обшивки самолетов и ракет, используют их в производстве двигателей, систем наведения, тормозов. Даже сплавы титана по своим качествам проигрывают данным веществам. Кстати, немалому количеству бериллидов свойственны специфические ядерные характеристики. Именно поэтому их еще применяют в атомной энергетике (делают отражатели нейтронов, например).
Другие сферы применения
Помимо перечисленного, бериллий (точнее его алюминат) также используют в производстве твердотельных излучателей. Были выявлены и топлива, содержащие это вещество. Они являются менее токсичными и более дешевыми, чем все остальные. В частности, было обнаружено ракетное топливо с гидридом бериллия. Важно отметить, что уже упомянутый ранее оксид бериллия - самый теплопроводный из всех существующих. Поэтому его используют в качестве высокотемпературного изолятора и стойкого огнеупорного материала.
А еще бериллий является популярным веществом для изготовления электродинамических громкоговорителей. Ведь он твердый и легкий. Вот только из-за хрупкости, дорогостоящей обработки и токсичности динамики с этим металлом применяют лишь в профессиональных аудиосистемах. А некоторые производители, чтобы улучшить показатели своих продаж, заявляют об использовании этого металла в своей технике, даже если это не так.
Бериллий является химическим элементом с символом Be и атомным номером 4. Это относительно редкий элемент во Вселенной, обычно встречающийся как продукт расщепления больших атомных ядер, столкнувшихся с космическими лучами. В сердцевинах звезд бериллий истощается, поскольку он слит и создает большие элементы. Это двухвалентный элемент, который встречается естественным образом только в сочетании с другими элементами в минералах. Известные драгоценные камни, содержащие бериллий, включают берилл (аквамарин, изумруд) и хризоберил. В качестве свободного элемента, бериллий представляет собой прочный, легкий и хрупкий щелочноземельный металл стального цвета. Бериллий улучшает многие физические свойства других веществ при добавлении в качестве легирующего элемента в алюминий, медь (особенно сплав бериллиевой меди), железо и никель . Бериллий не образует оксидов до тех пор, пока он не достигнет очень высоких температур. Инструменты из бериллиевых медных сплавов сильны и тверды и не создают искр при ударе о поверхность стали. В структурных применениях, сочетание высокой изгибной жесткости, термической стабильности, теплопроводности и низкой плотности (в 1,85 раза больше, чем у воды), делает бериллиевый металл желательным аэрокосмическим материалом для компонентов летательных аппаратов, ракет, космических аппаратов и спутников. Из-за низкой плотности и атомной массы, бериллий относительно прозрачен для рентгеновских лучей и других форм ионизирующего излучения; поэтому он является наиболее распространенным материалом остекления для рентгеновского оборудования и компонентов детекторов частиц. Высокая теплопроводность оксида бериллия и бериллия привели к их использованию в приборах для регулирования температуры. Коммерческое использование бериллия требует наличия надлежащего оборудования для контроля пыли и промышленного контроля в любое время из-за токсичности ингаляционной пыли, содержащей бериллий, которая может вызвать хроническое опасное для жизни аллергическое заболевание у некоторых людей, называемое бериллиозом.
Характеристики
Физические свойства
Бериллий является твердым металлом стального цвета, который является хрупким при комнатной температуре и имеет плотноупакованную гексагональную кристаллическую структуру. Он имеет исключительную жесткость (модуль Юнга 287 ГПа) и достаточно высокую температуру плавления. Модуль эластичности бериллия примерно на 50% больше, чем у стали. Сочетание этого модуля и относительно низкой плотности приводит к необычайно высокой скорости звука в бериллии – около 12,9 км / с при комнатных условиях. Другими значимыми свойствами бериллия являются высокая удельная теплоемкость (1925 Дж · кг-1 · К-1) и теплопроводность (216 Вт · м-1 · К-1), которые делают бериллий металлом с лучшими характеристиками теплоотдачи на единицу массы. В сочетании с относительно низким коэффициентом линейного теплового расширения (11,4 × 10-6 К-1), эти характеристики приводят к уникальной устойчивости бериллия в условиях тепловой нагрузки .
Ядерные свойства
Естественно встречающийся бериллий, за исключением небольшого загрязнения космогенными радиоизотопами, представляет собой изотопически чистый бериллий-9, который имеет ядерный спин 3/2. Бериллий имеет большое сечение рассеяния для нейтронов с высокой энергией, около 6 амбар для энергий выше примерно 10 кэВ. Поэтому он работает как нейтронный отражатель и замедлитель нейтронов, эффективно замедляя нейтроны до диапазона тепловой энергии ниже 0,03 эВ, где полное сечение, по меньшей мере, на порядок ниже – точное значение сильно зависит от чистоты и размера кристаллитов в материале. Единственный изначальный изотоп бериллия 9Be также подвергается (n, 2n) нейтронной реакции с энергиями нейтронов более 1,9 МэВ, производя 8Be, который почти сразу разрывается на две альфа-частицы. Таким образом, для нейтронов с высокой энергией, бериллий является нейтронным множителем, который высвобождает больше нейтронов, чем поглощает. Эта ядерная реакция:
94Be + N → 2 (42He) + 2n
Нейтроны высвобождаются, когда ядра бериллия поражаются энергичными альфа-частицами, производящими ядерную реакцию
94Be + 42He → 126C + N
где 42He является альфа-частицей и 126C является ядром углерода-12. Бериллий также высвобождает нейтроны при бомбардировке гамма-лучами. Таким образом, природный бериллий, бомбардируемый альфа-или гамма из подходящего радиоизотопа, является ключевым компонентом большинства источников нейтронов ядерной реакции с радиоактивным изотопом для лабораторного производства свободных нейтронов. Небольшое количество трития высвобождается, когда ядра 94Be поглощают нейтроны с низкой энергией в трехступенчатой ядерной реакции
94Be + N → 42He + 62He, 62He → 63Li + Β-, 63Li + N → 42He + 31H
Обратите внимание, что 62He имеет период полураспада всего 0,8 секунды, β- представляет собой электрон и 63Li имеет высокое сечение поглощения нейтронов. Тритий представляет собой радиоизотоп, вызывающий озабоченность в плане отходов ядерных реакторов . В качестве металла, бериллий прозрачен для большинства длин волн рентгеновских лучей и гамма-лучей, что делает его полезным для выходных окон рентгеновских трубок и других подобных устройств.
Изотопы и нуклеосинтез
В звездах создаются как стабильные, так и неустойчивые изотопы бериллия, но радиоизотопы недолговечны. Считается, что большая часть стабильного бериллия во Вселенной была первоначально создана в межзвездной среде, когда космические лучи индуцировали деление в более тяжелых элементах, обнаруженных в межзвездном газе и пыли . Изначальный бериллий содержит только один стабильный изотоп, 9Be, и поэтому бериллий является моноизотопическим элементом. Радиоактивный космогенный 10Be образуется в атмосфере Земли путем расщепления кислорода космическими лучами. 10Be накапливается на поверхности почвы, где его относительно длительный период полураспада (1,36 млн. лет) позволяет этому элементу длительно пребывать в этом состоянии перед распадом на бор-10. Таким образом, 10Be и его дочерние продукты используются для изучения естественной эрозии почв, почвообразования и развития латеритных почв, а также для измерения изменений солнечной активности и возраста ледяных ядер . Производство 10Be обратно пропорционально солнечной активности, поскольку увеличение солнечного ветра в периоды высокой солнечной активности уменьшает поток галактических космических лучей, достигающих Земли. Ядерные взрывы также образуют 10Be путем реакции быстрых нейтронов с 13C в двуокиси углерода в воздухе. Это один из показателей прошлой активности на объектах ядерного оружия. Изотоп 7Be (период полураспада 53 дня) также космогенен и показывает атмосферное обилие, связанное с солнечными пятнами, подобно 10Be. 8Be имеет очень короткий период полураспада, около 7 × 10-17 с, что способствует его значительной космологической роли, поскольку элементы, более тяжелые, чем бериллий, не могли быть получены путем ядерного синтеза в Большом взрыве. Это связано с отсутствием достаточного времени в течение фазы нуклеосинтеза Большого взрыва для получения углерода путем слияния ядер 4He и очень низких концентраций доступного бериллия-8. Британский астроном сэр Фред Хойл впервые показал, что энергетические уровни 8Be и 12C позволяют получать углерод путем так называемого процесса тройной альфа в звездах, содержащих гелий, где доступно больше времени нуклеосинтеза. Этот процесс позволяет производить углерод в звездах, но не в Большом взрыве. Таким образом, углерод, созданный звездами (основа углеродной жизни), является компонентом в элементах газа и пыли, выброшенных звездами асимптотической ветви гигантов и сверхновых (см. также нуклеосинтез Большого взрыва), а также создание всех других элементов с атомными номерами больше, чем у углерода. 2s-электроны бериллия могут способствовать химическому связыванию. Поэтому, когда 7Be распадается при захвате L-электронов, это делается путем взятия электронов из их атомных орбиталей, которые могут участвовать в склеивании. Это приводит к тому, что его скорость затухания зависит в измеряемой степени от ее химического окружения – редкое явление при распаде ядер. Самый короткоживущий из известных изотопов бериллия – 13Be, который распадается за счет нейтронного излучения. Он имеет период полураспада 2,7 × 10-21 с. 6Be также очень короткоживущий с периодом полураспада 5,0 × 10-21 с. Известно, что экзотические изотопы 11Be и 14Be обладают ядерным ореолом . Это явление можно понять, так как ядра 11Be и 14Be имеют соответственно 1 и 4 нейтрона, вращающихся практически вне классической модели Ферми.
Распространенность
Солнце имеет концентрацию бериллия 0,1 частей на миллиард (чнмрд). Бериллий имеет концентрацию от 2 до 6 частей на миллион (чнм) в земной коре. Он наиболее сконцентрирован в почвах, 6 чнм. Следовые количества 9Be содержатся в атмосфере Земли . Концентрация бериллия в морской воде составляет 0,2-0,6 частей на триллион. Однако, в проточной воде бериллий более распространен и имеет концентрацию 0,1 чнмрд . Бериллий встречается в более чем 100 минералах , но большинство из них встречается редко. Более распространенные минералы, содержащие бериллий, включают: бертрандит (Be4Si2O7 (OH) 2), берилл (Al2Be3Si6O18), хризоберил (Al2BeO4) и фенакит (Be2SiO4). Драгоценными формами берилла являются аквамарин, красный берилл и изумруд. Зеленый цвет в высококачественных формах берилла связан с разными количествами хрома (около 2% для изумруда). Две основные руды бериллия, берилл и бертранит, встречаются в Аргентине, Бразилии, Индии, Мадагаскаре, России и Соединенных Штатах. Общие мировые запасы бериллиевой руды составляют более 400 000 т. Бериллий является составной частью табачного дыма.
Производство
Извлечение бериллия из его соединений является трудным процессом из-за его высокой аффинности к кислороду при повышенных температурах и его способности уменьшать количество воды при удалении оксидной пленки. Соединенные Штаты, Китай и Казахстан являются единственными тремя странами, вовлеченными в промышленную добычу бериллия. Бериллий чаще всего экстрагируется из минерального берилла, который либо спекается с использованием экстрагента, либо расплавляется в растворимую смесь. Процесс спекания включает смешивание берилла с фторосиликатом натрия и содой при 770 ° C (1420 ° F) с образованием фторбериллата натрия, оксида алюминия и диоксида кремния. Гидроксид бериллия осаждают из раствора фторобериллата натрия и гидроксида натрия в воде. Экстракция бериллия с использованием метода расплава включает измельчение берилла в порошок и его нагревание до 1650 ° C (3000 ° F). Раствор быстро охлаждают водой и затем повторно нагревают до 250-300 ° C (482-557 ° F) в концентрированной серной кислоте, в основном, получая сульфат бериллия и сульфат алюминия. Водный аммиак затем используют для удаления алюминия и серы, оставляя гидроксид бериллия. Гидроксид бериллия, созданный с использованием либо метода агломерата, либо расплава, затем превращается во фторид бериллия или хлорид бериллия. Для образования фторида, водный фторид аммония добавляют к гидроксиду бериллия с получением осадка тетрафторбериллата аммония, который нагревают до 1000 ° С (1830 ° F) с образованием фтористого бериллия. Нагрев фторида до 900 °C (1,650 °F) с магнием дает мелкодисперсный бериллий, а дополнительный нагрев до 1300 °C (2,370 °F) создает компактный металл. Нагревание гидроксида бериллия образует оксид, который превращается в хлорид бериллия в сочетании с углеродом и хлором. Электролиз расплавленного бериллиевого хлорида затем используется для получения металла.
Химические свойства
Химическое поведение бериллия в значительной степени является результатом его небольших атомных и ионных радиусов. Таким образом, он обладает очень высоким потенциалом ионизации и сильной поляризацией при соединении с другими атомами, поэтому все его соединения являются ковалентными. Он более химически подобен алюминию, чем его близкие соседи в периодической таблице из-за того, что он имеет одинаковое отношение «заряд к радиусу». Вокруг бериллия образуется оксидный слой, что предотвращает дальнейшие реакции с воздухом, если вещество не нагревается выше 1000 °С. При воспламенении, бериллий горит блестящим огнём, образуя смесь оксида бериллия и нитрида бериллия. Бериллий легко растворяется в неокисляющих кислотах, таких как HCl и разбавленный H2SO4, но не в азотной кислоте или воде, так как в этом процессе образуется оксид. Это аналогично поведению алюминия. Бериллий также растворяется в щелочных растворах. Атом бериллия имеет электронную конфигурацию 2s2. Два валентных электрона дают состояние окисления бериллия a+2 и, следовательно, способность образовывать две ковалентные связи; единственным доказательством более низкой валентности бериллия является растворимость металла в BeCl2. Из-за правила октета, атомы стремятся найти валентность 8, чтобы напоминать благородный газ. Бериллий пытается достичь координационного числа 4, потому что две его ковалентных связи заполняют половину этого октета. Тетракоординирование позволяет соединениям бериллия, таким как фторид или хлорид, образовывать полимеры. Эта характеристика используется в аналитических методах с использованием ЭДТА (этилендиаминтетрауксусной кислоты) в качестве лиганда. ЭДТА предпочтительно образует октаэдрические комплексы, таким образом, поглощая другие катионы, такие как Al3+, которые могут мешать, например, при экстракции растворителем комплекса, образованного между Be2 + и ацетилацетоном . Бериллий (II) легко образует комплексы с сильными донорными лигандами, такими как оксиды фосфинов и оксиды арсинов. Были проведены обширные исследования этих комплексов, которые показывают стабильность связи O-Be. Растворы солей бериллия, например, сульфат бериллия и нитрат бериллия, являются кислотными из-за гидролиза 2+ 2+ + H2O ⇌ + + H3O + Другие продукты гидролиза включают тримерный ион 3+. Гидроксид бериллия, Be (OH) 2, нерастворим даже в кислых растворах с рН менее 6, то есть, при биологическом рН. Он амфотерный и растворяется в сильнощелочных растворах. Бериллий образует бинарные соединения со многими неметаллами. Безводные галогениды известны для F, Cl, Br и I. BeF2 имеет структуру, подобную кремнезему, с четырьмя тетраэдрами с общим углом. BeCl2 и BeBr2 имеют цепные структуры с краевыми тетраэдрами. Все галогениды бериллия имеют линейную мономерную молекулярную структуру в газовой фазе . Дифторид бериллия, BeF2, отличается от других дифторидов. Как правило, бериллий имеет тенденцию связываться ковалентно, гораздо больше, чем другие щелочноземельные металлы, а его фторид частично ковалентен (хотя и более ионный, чем его другие галогениды). BeF2 имеет много общего с SiO2 (кварцем), главным образом, с ковалентно связанной сетью. BeF2 имеет тетраэдрически скоординированный металл и образует стекла (трудно кристаллизуется). В кристаллической форме, фторид бериллия имеет такую же кристаллическую структуру комнатной температуры, что и кварц, и имеет также много высокотемпературных структур. Дифторид бериллия очень растворим в воде, в отличие от других дифторидов щелочноземельных металлов. (Хотя они сильно ионны, они не растворяются из-за особенно сильной энергии решетки структуры флюорита). Однако, BeF2 имеет гораздо меньшую электропроводность, когда находится в растворе или расплавлен, чем можно было бы ожидать, если бы он был полностью ионным. Оксид бериллия, BeO, представляет собой белое огнеупорное твердое вещество, которое имеет кристаллическую структуру вюрцита и теплопроводность выше, чем в некоторых металлах. BeO является амфотерным. Соли бериллия могут быть получены обработкой Be (OH) 2 кислотой. Известны сульфид, селенид и теллурид бериллия, все из которых имеют структуру сфалерита. Нитрид бериллия, Be3N2, представляет собой соединение с высокой температурой плавления, которое легко гидролизуется. Известен азид бериллия, BeN6, и фосфид бериллия, Be3P2, который имеет сходную структуру с Be3N2. Основной бериллиевый нитрат и основной ацетат бериллия имеют сходные тетраэдрические структуры с четырьмя атомами бериллия, координированными с центральным оксидным ионом. Известен ряд боридов бериллия, таких как Be5B, Be4B, Be2B, BeB2, BeB6 и BeB12. Карбид бериллия, Be2C, представляет собой огнеупорное кирпично-красное соединение, которое реагирует с водой с получением метана. Силицид бериллия не был идентифицирован.
История
Минерал берилл, содержащий бериллий, использовался, по крайней мере, с момента правления династии Птолемеев в Египте. В первом веке н.э. римский натуралист Плиний Старший упоминал в своей энциклопедии «Естественная история» о схожести берилла и изумруда («smaragdus»). Папирус Graecus Holmiensis, написанный в третьем или четвертом веке н.э., содержит примечания о том, как подготовить искусственный изумруд и берилл. Ранние анализы изумрудов и бериллов Мартина Генриха Клапрота, Торберна Олофа Бергмана, Франца Карла Ахарда и Иоганна Якоба Биндхайма всегда давали аналогичные элементы, что приводило к ошибочному выводу, что оба вещества представляют собой силикаты алюминия . Минералог René Just Haüy обнаружил, что оба кристалла геометрически идентичны, и он попросил химика Луи-Николаса Вокелина провести химический анализ. В документе 1798 года, прочитанном в Институте Франции, Вокелин сообщил, что он нашел новую «землю» при растворении гидроксида алюминия из изумруда и берилла в дополнительной щелочи. Редакторы журнала Annales de Chimie et the Physique назвали новую землю «глюцин» из-за сладкого вкуса некоторых его соединений . Клапрот предпочел название «бериллина» из-за того, что иттрия также образовывала сладкие соли. Название «бериллий» впервые было использовано Вёлером в 1828 году. Фридрих Вёлер был одним из ученых, которые независимо изолировали бериллий. Фридрих Вёлер и Антуан Бюсси независимо изолировали бериллий в 1828 году благодаря химической реакции металлического калия с хлоридом бериллия, следующим образом:
BeCl2 + 2 K → 2 KCl +
При использовании спиртовой лампы, Вёлер нагревал чередующиеся слои хлорида бериллия и калия в платиновом тигле с проводным замыканием. Вышеуказанная реакция немедленно происходила и заставляла тигель принимать белый цвет. После охлаждения и промывки полученного серо-черного порошка, ученый увидел, что вещество состояло из мелких частиц с темным металлическим блеском . Высокореактивный калий был получен электролизом его соединений, и этот процесс был обнаружен 21 год назад. Химический метод, использующий калий, давал только мелкие зерна бериллия, из которых нельзя было отливать или забивать слиток металла. Прямой электролиз расплавленной смеси фтористого берилла и фторида натрия Паулем Лебо в 1898 году привел к образованию первых чистых (99,5 - 99,8 %) образцов бериллия. Первый коммерчески успешный процесс производства бериллия был разработан в 1932 году Альфредом Фондом и Хансом Гольдшмидтом. Процесс включает в себя электролиз смеси бериллиевых фторидов и бария, что заставляет расплавленный бериллий собираться на катоде с водяным охлаждением. Образец бериллия бомбардировался альфа-лучами от распада радия в эксперименте Джеймса Чадвика 1932 года, который раскрыл существование нейтрона. Этот же метод используется в одном классе лабораторных нейтронных источников на основе радиоизотопов, которые производят 30 нейтронов для каждого миллиона α-частиц. Производство бериллия во время Второй мировой войны стремительно увеличивалось из-за растущего спроса на твердые сплавы из бериллия и меди и люминофоры для люминесцентных ламп. В большинстве ранних флуоресцентных ламп использовался ортосиликат цинка с различным содержанием бериллия, излучающим зеленоватый свет. Небольшие добавки вольфрамата магния улучшили синюю часть спектра, чтобы получить приемлемый белый свет. На основе галогенофосфатных люминофоров были заменены люминофоры на основе бериллия, после того как бериллий оказался токсичным. Электролиз смеси фтористого берилла и фторида натрия использовался для выделения бериллия в течение XIX века. Высокая температура плавления металла делает этот процесс более энергоемким, чем соответствующие процессы, используемые для щелочных металлов. В начале 20-го века производство бериллия путем термического разложения йодистого бериллия было исследовано после успеха аналогичного процесса получения циркония, но этот процесс оказался неэкономичным для объемного производства . Чистый бериллиевый металл не был легкодоступным до 1957 года, хотя он использовался в качестве легирующего металла для упрочнения меди намного раньше. Бериллий можно получить путем восстановления соединений бериллия, таких как хлорид бериллия, с металлическим калием или натрием. В настоящее время, большую часть бериллия получают путем восстановления фтористого бериллия с очищенным магнием. В 2001 году цена вакуумных литых бериллиевых слитков на американском рынке составляла около 338 долл. США за фунт (745 долл. США за килограмм). В период с 1998 по 2008 годы, мировое производство бериллия уменьшилось с 343 до 200 тонн, из которых 176 тонн (88%) поступали из Соединенных Штатов.
Этимология
Ранних предшественников слова бериллий можно проследить во многих языках, включая латинский Beryllus; французский Béry; греческий βήρυλλος, bērullos, beryl; Prakrit veruliya (वॆरुलिय); Pāli veḷuriya (वेलुरिय), veḷiru (भेलिरु) или viḷar (भिलर्) - «бледнеть», применительно к бледному полудрагоценному камню берилла. Первоначальным источником, вероятно, является санскритское слово वैडूर्य (вайдурия), которое имеет дравидийское происхождение и может быть связано с названием современного города Белур. В течение примерно 160 лет бериллий также был известен как глюцин или глюциний (с сопровождающим химическим символом «Gl», или «G»). Название происходит от греческого слова, обозначающего сладость: γλυκυς, из-за сладкого вкуса солей бериллия.
Применения
Радиационные окна
Из-за его низкого атомного номера и очень низкого поглощения для рентгеновских лучей, самое старое и все еще одно из наиболее важных применений бериллия – в радиационных окнах для рентгеновских трубок. Крайние требования предъявляются к чистоте бериллия во избежание появления артефактов на рентгеновских снимках. Тонкая бериллиевая фольга используется в качестве радиационных окон для рентгеновских детекторов, а чрезвычайно низкое поглощение минимизирует эффекты нагрева, вызванные высокоинтенсивными рентгеновскими лучами с низкой энергией, характерными для синхротронного излучения. Вакуум-герметичные окна и лучевые трубки для радиационных экспериментов на синхротронах изготавливаются исключительно из бериллия. В научных установках для различных исследований рентгеновского излучения (например, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии), держатель образца обычно изготовляют из бериллия, поскольку его излучаемые рентгеновские лучи имеют гораздо более низкие энергии (~ 100 эВ), чем рентгеновские лучи большинства изученных материалов. Низкий атомный номер также делает бериллий относительно прозрачным для энергетических частиц. Поэтому он используется для построения лучевой трубы вокруг области столкновения в установках физики частиц, таких как все четыре основных экспериментальных детектора на Большом адронном коллайдере (ALICE, ATLAS, CMS , LHCb), Tevatron и SLAC. Низкая плотность бериллия позволяет продуктам столкновения достигать окружающих детекторов без значительного взаимодействия, его жесткость позволяет создавать мощный вакуум внутри трубы, чтобы минимизировать взаимодействие с газами, его термостабильность позволяет ему нормально функционировать при температурах всего в несколько градусов выше абсолютного нуля, и его диамагнитная природа не позволяет вмешиваться в сложные мультипольные магнитные системы, используемые для управления и фокусировки пучков частиц.
Механические применения
Из-за его жесткости, малой массы и стабильности размеров в широком температурном диапазоне, бериллиевый металл используется для легких конструкционных компонентов в оборонной и аэрокосмической промышленности на высокоскоростных самолетах, управляемых ракетах, космических аппаратах и спутниках. В нескольких ракетах с жидким топливом использовали ракетные сопла из чистого бериллия. Бериллиевый порошок сам изучался как ракетное топливо, но это использование никогда не имело место. Небольшое количество экстремальных высококачественных велосипедных рамок было построено с использованием бериллия . С 1998 по 2000 годы команда McLaren Formula One использовала двигатели Mercedes-Benz с поршнями из бериллиево-алюминиевого сплава. Использование компонентов бериллиевого двигателя было запрещено после протеста Scuderia Ferrari. Смешивание около 2,0% бериллия в меди привело к образованию сплава под названием бериллиевая медь, который в шесть раз сильнее, чем медь в отдельности. Бериллиевые сплавы имеют многочисленные применения из-за того, что сочетают в себе эластичность, высокую электропроводность и теплопроводность, высокую прочность и твердость, немагнитные свойства, а также хорошую стойкость к коррозии и сопротивление прочности. Эти применения включают в себя неискрящие инструменты, которые используются вблизи легковоспламеняющихся газов (бериллиевый никель), в пружинах и мембранах (бериллиевый никель и железо бериллия), используемых в хирургических инструментах и высокотемпературных устройствах. Менее 50 частей на миллион бериллия, легированного жидким магнием, приводят к значительному повышению стойкости к окислению и снижению воспламеняемости. Высокая эластичная жесткость бериллия привела к его широкому использованию в прецизионных измерительных приборах, например, в системах инерциального наведения и в опорных механизмах для оптических систем. Бериллиево-медные сплавы также применялись в качестве отвердителя в «пистолетах Джейсона», которые использовались для отделения краски от корпусов кораблей . Бериллий также использовался для консолей в высокопроизводительных патронах-картриджах, где его предельная жесткость и низкая плотность позволили снизить вес отслеживания до 1 грамма, но все же отслеживать высокочастотные каналы с минимальными искажениями. Раннее крупное применение бериллия – в тормозах для военных самолетов из-за его твердости, высокой температуры плавления и исключительной способности рассеивать тепло. Из-за экологических соображений, бериллий заменили другими материалами. Для снижения затрат, бериллий может быть легирован значительным количеством алюминия, в результате чего образуется сплав AlBeMet (торговое название). Эта смесь дешевле, чем чистый бериллий, и сохраняет при этом многие полезные свойства бериллия.
Зеркала
Бериллиевые зеркала представляют особый интерес. Зеркала большой площади, часто с сотовой опорной конструкцией, используются, например, в метеорологических спутниках, где малая масса и долговременная пространственная стабильность являются критическими факторами. Меньшие бериллиевые зеркала используются в оптических системах наведения и в системах управления огнем, например, в немецких танках Leopard 1 и Leopard 2. В этих системах требуется очень быстрое перемещение зеркала, что также требует низкую массу и высокую жесткость. Обычно бериллиевое зеркало имеет жесткое никелевое покрытие, которое легче отполировать до более тонкого оптического покрытия, чем бериллий. Однако, в некоторых применениях бериллиевая заготовка полируется без какого-либо покрытия. Это особенно применимо к криогенной работе, когда рассогласование теплового расширения может привести к искривлению покрытия. Космический телескоп Джеймса Уэбба будет иметь 18 гексагональных сегментов бериллия в его зеркалах. Поскольку этот телескоп столкнется с температурой 33 К, зеркало делается из позолоченного бериллия, способного справляться с экстремальным холодом лучше, чем стекло. Бериллий сжимается и деформируется меньше, чем стекло, и остается более однородным при таких температурах. По этой же причине, оптика космического телескопа Спитцера полностью построена из бериллиевого металла.
Магнитные применения
Бериллий немагнитен. Поэтому инструменты, изготовленные из материалов на основе бериллия, используются морскими или военными командами для уничтожения боеприпасов для работы на морских минах или вблизи них, поскольку эти мины обычно имеют магнитные взрыватели. Они также обнаружены в ремонтных и строительных материалах вблизи приборов для магнитно-резонансной томографии (МРТ) из-за генерируемых больших магнитных полей. В области радиосвязи и мощных (обычно военных) радаров, ручные инструменты из бериллия используются для настройки высокомагнитных клистронов, магнетронов, бегущих волновых трубок и т. д., которые используются для создания высоких уровней мощности СВЧ в передатчиках.
Ядерные применения
Тонкие пластины, или фольга из бериллия, иногда используются в конструкциях ядерного оружия как самый внешний слой плутониевых ям на первичных этапах создания термоядерных бомб, помещенных вокруг делящегося материала. Эти слои бериллия являются хорошими «толкателями» для имплозии плутония-239, а также хорошими нейтронными отражателями, точно так же, как и в ядерных реакторах с бериллием. Бериллий также широко используется в некоторых источниках нейтронов в лабораторных устройствах, в которых требуется относительно мало нейтронов (вместо того, чтобы использовать ядерный реактор или генератор нейтронов с ускорителем на основе частиц). С этой целью, бериллий-9 бомбардируется энергичными альфа-частицами из радиоизотопа, такого как полоний-210, радий-226, плутоний-238 или америций-241. В ядерной реакции, которая имеет место, ядро бериллия превращается в углерод-12, испускается один свободный нейтрон, перемещаясь примерно в том же направлении, что и альфа-частица. Такие ранние атомные бомбы использовались в таких источниках нейтронов бериллиевого типа, которые назывались нейтронными инициаторами типа «еж». Источники нейтронов, в которых бериллий бомбардируется гамма-излучением из радиоизотопа гамма-распада, также используются для создания лабораторных нейтронов. Бериллий также используется для изготовления топлива для реакторов CANDU. Топливные элементы имеют небольшие придатки с сопротивлением, припаянные к оболочке топлива, с использованием процесса индукционной пайки с использованием Be в качестве материала для пайки наполнителем. Подшипниковые накладки припаяны, чтобы предотвратить попадание пучка топлива в контакт с напорной трубой, а межэлементные распорные подушки спаяны для предотвращения контакта элементов. Бериллий также используется в совместной европейской исследовательской лаборатории по ядерному синтезу Torus, и он будет использоваться в более продвинутом ITER для изучения компонентов, которые сталкиваются с плазмой. Бериллий также был предложен в качестве материала оболочки для стержней ядерного топлива из-за его хорошей комбинации механических, химических и ядерных свойств. Фтористый берилл является одной из составных солей смеси эвтектических солей FLiBe, которая используется в качестве растворителя, замедлителя и хладагента во многих гипотетических проектах реактора с расплавленной солью, включая жидкий фторидный ториевый реактор (LFTR).
Акустика
Низкий вес и высокая жесткость бериллия делают его полезным в качестве материала для высокочастотных динамиков. Поскольку бериллий является дорогостоящим (во много раз дороже титана), трудно формируется из-за его хрупкости, и является токсичным при неправильном использовании, бериллиевые высокочастотные динамики используются только домами высокого класса, профессиональными аудиосистемами и публичными адресными приложениями. Некоторые высококачественные продукты были обманным образом заявлены как изготовленные из этого материала. В некоторых высококачественных картриджах для фонографов использовались кантилеверы из бериллия для улучшения отслеживания за счет уменьшения массы.
Электроника
Бериллий является примесью p-типа в составных полупроводниках III-V. Он широко используется в таких материалах, как GaAs, AlGaAs, InGaAs и InAlAs, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) . Поперечно-прокатанный лист из бериллия является отличной конструкционной поддержкой для печатных плат в технологии поверхностного монтажа. В критических электронных приложениях, бериллий является как структурной опорой, так и теплоотводом. Такое применение также требует коэффициент теплового расширения, который хорошо согласуется с подложками из оксида алюминия и полиимида. Композиции «E-Materials» из бериллий-бериллиевого оксида были специально разработаны для этих электронных приложений и имеют дополнительное преимущество в том, что коэффициент теплового расширения может быть адаптирован к различным материалам субстрата. Оксид бериллия полезен для многих применений, которые требуют комбинированных свойств электрического изолятора и отличного теплопроводника с высокой прочностью и твердостью и очень высокой температурой плавления. Оксид бериллия часто используется в качестве опорной пластины изолятора в высокомощных транзисторах в радиочастотных передатчиках для телекоммуникаций. Оксид бериллия также изучается для использования в повышении теплопроводности гранул ядерного топлива на основе урана. Соединения бериллия использовались в люминесцентных лампах, но это использование было прекращено из-за болезни бериллиоза, которая развилась у рабочих, которые делали эти трубки.
Здравоохранение
Безопасность и гигиена труда
Бериллий представляет собой проблему безопасности для рабочих, имеющих дело с этим элементом. Воздействие бериллия на рабочем месте может привести к иммунологической реакции сенсибилизации и со временем может вызвать хроническое заболевание бериллия. Национальный институт безопасности и гигиены труда (NIOSH) в США исследует эти эффекты в сотрудничестве с крупным производителем бериллиевых продуктов. Целью этих исследований является предотвращение сенсибилизации путем разработки лучшего понимания рабочих процессов и воздействий, которые могут представлять потенциальный риск для работников, а также разработка эффективных мер вмешательства, которые уменьшат риск неблагоприятного воздействия бериллия на здоровье. Национальный институт охраны труда также проводит генетические исследования по вопросам сенсибилизации, независимо от этого сотрудничества. Руководство по аналитическим методам Национального института охраны труда содержит методы измерения профессионального облучения бериллием.
Меры предосторожности
В теле человека, в среднем, содержится около 35 микрограммов бериллия, количество, которое не считается вредным. Бериллий химически подобен магнию и поэтому может вытеснять его из ферментов, что приводит к их неисправности. Поскольку Be2 + представляет собой сильно заряженный и маленький ион, он может легко проникать во многие ткани и клетки, где он специфически нацеливается на ядра клеток, ингибируя многие ферменты, в том числе, используемые для синтеза ДНК. Его токсичность усугубляется тем фактом, что организм не имеет средств для контроля уровней бериллия, и попав в организм, бериллий не может быть удален оттуда. Хронический бериллиоз – легочное и системное гранулематозное заболевание, вызванное вдыханием пыли или паров, загрязненных бериллием; либо путем попадания большого количества бериллия в течение короткого времени, либо небольшого количества в течение длительного времени. Развитие симптомов этого заболевания может занять до пяти лет; около трети пациентов, страдающих бериллиозом, умирают, а оставшиеся в живых остаются инвалидами. Международное агентство по изучению рака (МАИР) причисляет соединения бериллия и бериллий к канцерогенам категории 1. В США, Администрация по безопасности и гигиене труда (OSHA) назначила допустимый предел воздействия бериллия (PEL) на рабочем месте со средневзвешенным временем (TWA) 0,002 мг / м3 и постоянным пределом воздействия 0,005 мг / м3 в течение 30 минут с максимальным пиковым пределом 0,025 мг / м3. Национальный институт безопасности и гигиены труда (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) с постоянным показателем 0,0005 мг / м3. Значение IDLH (количество, немедленно опасное для жизни и здоровья) составляет 4 мг / м3. Токсичность тонкоизмельченного бериллия (пыль или порошок, в основном встречающиеся в промышленных условиях, где бериллий производится или обрабатывается) очень хорошо задокументирована. Твердый бериллиевый металл не связан с теми же опасностями, что и аэрозольная пыль, но любая опасность, связанная с физическим контактом, плохо задокументирована. Работники, занимающиеся обработкой готовых изделий из бериллия, обычно советуют обрабатывать их перчатками, как в качестве меры предосторожности, так и потому, что многие, если не большинство применений бериллия, не могут переносить остатки контакта с кожей, такие как отпечатки пальцев. Кратковременная болезнь бериллия в виде химического пневмонита впервые была представлена в Европе в 1933 году и в Соединенных Штатах в 1943 году. Опрос показал, что около 5% рабочих на заводах, производящих флуоресцентные лампы в 1949 году в Соединенных Штатах, страдали от болезней, связанных с бериллием. Хронический бериллиоз во многом похож на саркоидоз, а дифференциальный диагноз часто бывает затруднителен. Бериллиоз был причиной смерти некоторых ранних работников в области разработки ядерного оружия, таких как Герберт Л. Андерсон. Бериллий может быть обнаружен в угольном шлаке. Когда из этого шлака делают абразивный реактор для струйной краски и когда с его поверхности формируется ржавчина, бериллий может стать источником вредного воздействия.
БЕРИЛЛИЙ, Be (лат. Beryllium * а. berillium; н. Beryllium; ф. beryllium; и. berilio), — химический элемент II группы периодической системы Менделеева, атомный номер 4, атомная масса 9,0122. Имеет один стабильный изотоп 9 Ве. Открыт в 1798 французским химиком Л. Вокленом в виде оксида ВеО, выделенного из . Металлический бериллий независимо друг от друга получили в 1828 немецкий химик Ф. Вёлер и французский химик А. Бюсси.
Свойства бериллия
Бериллий — лёгкий светло-серый металл. Кристаллическая структура а-Be (269-1254°С) гексагональная; Я-Be (1254-1284°С) — объёмноцентрированная, кубическая. 1844 кг/м 3 , t плавления 1287°С, t кипения 2507°С. Обладает наиболее высокой из всех металлов теплоёмкостью 1,80 кДж/кг. К, высокой теплопроводностью 178 Вт/м. К при 50°С, низким удельным электрическим сопротивлением (3,6-4,5) . 10 Ом. м при 20°С; коэффициентом термического линейного расширения 10,3-13,1 . 10 -6 град -1 (25- 100°С). Бериллий — хрупкий металл; ударная 10-50 кДж/м 2 . Бериллий обладает малым поперечным сечением захвата тепловых нейтронов.
Химические свойства бериллия
Бериллий — типичный амфотерный элемент с высокой химической активностью; компактный бериллий устойчив на воздухе благодаря образованию плёнки ВеО; степень окисления берилля +2.
Соединения бериллия
При нагревании соединяется с , галогенами и другими неметаллами. С кислородом образует оксид ВеО, с азотом — нитрид Be 3 N 2 , с — карбид Ве 2 С, с — сульфид BeS. Растворим в щелочах (с образованием гидрооксобериллатов) и большинстве кислот. При высоких температурах бериллий взаимодействует с большинством металлов, образуя бериллиды. Расплавленный бериллий взаимодействует с оксидами, нитридами, сульфидами, карбидами. Из соединений бериллий наибольшее промышленное значение имеют ВеО, Ве(ОН) 2 , фторбериллаты, например Na 2 BeF 4 и др. Летучие соединения бериллий и пыль, содержащая бериллий и его соединения, токсичны.
Бериллий — редкий (кларк 6.10 -4 %), типично литофильный элемент, характерный для кислых и щелочных пород. Из 55 собственных минералов бериллий 50% принадлежит к силикатам и бериллийсиликатам, 24% — к фосфатам, 10% — к окислам, остальные — к , . Близость потенциалов ионизации определяет сродство бериллия и цинка в щелочной среде, так что они одновременно находятся в некоторых , а также входят в состав одного и того же минерала — . В нейтральных и кислых средах пути миграции бериллия и цинка резко расходятся. Некоторое рассеивание бериллия в горных породах определяется его химическим сходством с Al и Si. Особенно близки эти элементы в виде тетраэдрических группировок ВеО 4 6- , AlO 4 5- и SiO 4 4- . В гранитах проявляется большее сродство бериллия к , а в щелочных породах — к . Т. к. энергетически более выгодно замещение Аl 3+ IV на Ве 2+ IV, чем Si 4+ IV на Ве 2+ IV, то изоморфное рассеивание бериллия в щелочных породах, как правило, выше, чем в кислых. Геохимическая миграция бериллия связана с , с которым он образует весьма устойчивые комплексы BeF 4 2- , BeF 3 1- , BeF 2 0 , BeF 1+ . При повышении температуры и щёлочности эти комплексы легко гидролизуются до соединений Be(OH)F 0 , Be(OH) 2 F 1- , в виде которых бериллий мигрирует.
Об основных генетических типах месторождений бериллия и схемы обогащения см. в ст. Бериллиевые руды. В промышленности металлический бериллий получают термическим восстановлением BeF 2 магнием, бериллий высокой чистоты — переплавкой в вакууме и вакуумной дистилляцией.
Применение бериллия
Бериллий и его соединения применяют в технике (свыше 70% общего потребления металла) как легирующую добавку к сплавам на основе Cu, Ni, Zn, Al, Pb и других цветных металлов. В ядерной технике Be и ВеО используют в качестве отражателей и замедлителей нейтронов, а также в качестве источника нейтронов. Малая плотность, высокая прочность и жаростойкость, большой модуль упругости и хорошая теплопроводность позволяют применять бериллий и его сплавы как конструкционный материал в авиа-, ракетостроении и космической технике. Сплавы бериллия и оксида бериллия отвечают требованиям прочности и коррозионной устойчивости в качестве материалов для оболочек твэлов. Бериллий служит для изготовления окон рентгеновских трубок, нанесения твёрдого диффузионного слоя на поверхность стали (бериллизация), в качестве присадок к ракетному топливу. Потребителем Be и ВеО являются также электротехника и радиоэлектроника; ВеО используют как материал корпусов, теплоотводов и изоляторов полупроводниковых приборов. Благодаря высокой огнеупорности, инертности по отношению к большинству расплавленных металлов и солей оксид бериллий применяется для изготовления тиглей и специальной керамики.
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
| Задание | Напишите формулы кислородных соединений (оксидов) следующих элементов: а) бериллия (II); б) кремния (IV); в) калия (I); г) мышьяка (V). |
| Ответ | Известно, что валентность кислорода в соединениях всегда равна II. Для того, чтобы составить формулу вещества (оксида) нужно осуществить следующую последовательность действий. Сначала записываем химические знаки элементов, входящих в состав сложного вещества и ставим над знаком каждого элемента валентность римской цифрой:
Находим наименьшее кратное чисел единиц валентностей: а) (II×II) = 4;б) (IV×II) = 8; в) (I×II) = 2; г) (V×II) = 10. Разделим наименьшее общее кратное на число единиц валентности каждого элемента в отдельности (полученные частные и будут индексами в формуле): а) 4/2 = 2 и 4/2 = 2, следовательно, формула оксида BeO; б) 8/4 = 2 и 8/2 = 4, следовательно, формула оксида SiO 2 ; в) 2/1 = 2 и 2/2 = 1, следовательно, формула оксида K 2 O; г) 10/5 = 2 и 10/2 = 5, следовательно, формула оксида As 2 O 5 . |