Бериллий в природе. География месторождений бериллия

История

Происхождение названия

Название бериллия произошло от названия минерала берилла (др.-греч. βήρυλλος ) (силикат бериллия и алюминия, Be 3 Al 2 Si 6 O 18), которое восходит к названию города Белур (Веллуру) в Южной Индии , недалеко от Мадраса ; с древних времён в Индии были известны месторождения изумрудов - разновидности берилла. Из-за сладкого вкуса растворимых в воде соединений бериллия элемент вначале называли «глиций» (др.-греч. γλυκύς - сладкий).

Нахождение в природе

Среднее содержание бериллия в земной коре 3,8 г/т и увеличивается от ультраосновных (0,2 г/т) к кислым (5 г/т) и щелочным (70 г/т) породам. Основная масса бериллия в магматических породах связана с плагиоклазами , где бериллий замещает кремний . Однако наибольшие его концентрации характерны для некоторых тёмноцветных минералов и мусковита (десятки, реже сотни г/т). Если в щелочных породах бериллий почти полностью рассеивается, то при формировании кислых горных пород он может накапливаться в постмагматических продуктах постколлизионных и анорогенных гранитоидов - пегматитах и пневматолито-гидротермальных телах. В кислых пегматитах образование значительных скоплений бериллия связано с процессами альбитизации и мусковитизации. В пегматитах бериллий образует собственные минералы, но часть его (ок. 10 %) находится в изоморфной форме в породообразующих и второстепенных минералах (микроклине, альбите, кварце, слюдах, и др.). В щелочных пегматитах бериллий устанавливается в небольших количествах в составе редких минералов: эвдидимита, чкаловита, анальцима и лейкофана, где он входит в анионную группу. Постмагматические растворы выносят бериллий из магмы в виде фторсодержащих эманаций и комплексных соединений в ассоциации с вольфрамом , оловом , молибденом и литием .

Известно более 30 собственно бериллиевых минералов, но только 6 из них считаются более-менее распространёнными: берилл , хризоберилл , бертрандит , фенакит , гельвин , даналит . Промышленное значение имеет в основном берилл, в России (Республика Бурятия) разрабатывается фенакит-бертрандитовое Ермаковское месторождение .

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

Месторождения

Месторождения минералов бериллия присутствуют на территории Бразилии , Аргентины , Африки , Индии , Казахстана , России (Ермаковское месторождение в Бурятии , Малышевское месторождение в Свердловской области) и др .

Физические свойства

Бериллий - относительно твёрдый (5,5 баллов по Моосу), но хрупкий металл серебристо-белого цвета. Один из самых твёрдых металлов в чистом виде (уступает только иридию , осмию , вольфраму и урану). Имеет высокий модуль упругости - 300 ГПа (у сталей - 200-210 ГПа). На воздухе активно покрывается стойкой оксидной плёнкой BeO . Скорость звука в бериллии очень высока - 12 600 м/с , что в 2-3 раза больше, чем в других металлах.

Химические свойства

Для бериллия характерны две степени окисления +1 и +2. Гидроксид бериллия (II) амфотерен, причём как основные (с образованием Be 2+), так и кислотные (с образованием 2−) свойства выражены слабо. Степень окисления +1 у бериллия была получена при исследование процессов испарения бериллия в вакууме в тиглях из оксида бериллия ВеО с образованием летучего оксида Ве 2 O в результате сопропорционирования ВеО + Be = Ве 2 O .

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

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

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

B e + 2 N a O H + 2 H 2 O → N a 2 [ B e (O H) 4 ] + H 2 {\displaystyle {\mathsf {Be+2NaOH+2H_{2}O\rightarrow Na_{2}+H_{2}\uparrow }}}

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

B e + 2 N a O H → N a 2 B e O 2 + H 2 {\displaystyle {\mathsf {Be+2NaOH\rightarrow Na_{2}BeO_{2}+H_{2}\uparrow }}}

Изотопы бериллия

Природный бериллий состоит из единственного изотопа 9 Be. Все остальные изотопы бериллия (их известно 11, исключая стабильный 9 Be) нестабильны. Наиболее долгоживущих из них два: 10 Be с периодом полураспада около 1,4 млн лет и 7 Be с периодом полураспада 53 дня .

Происхождение бериллия

Получение

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

B e C l 2 + 2 K ⟶ B e + 2 K C l {\displaystyle {\mathsf {BeCl_{2}+2K\longrightarrow Be+2KCl}}}

В настоящее время бериллий получают, восстанавливая фторид бериллия магнием :

B e F 2 + M g ⟶ B e + M g F 2 {\displaystyle {\mathsf {BeF_{2}+Mg\longrightarrow Be+MgF_{2}}}} ,

Производство и применение

По состоянию на 2000 год основными производителями бериллия являлись: США (с большим отрывом), а также Китай, Казахстан. В 2014 году произвела первый образец бериллия и Россия . В России планируется строительство нового комбината по производству бериллия к 2019 году На долю остальных стран приходилось менее 1 % мировой добычи . Всего в мире производится 300 тонн бериллия в год (2016 год) .

Легирование сплавов

Бериллий в основном используют как легирующую добавку к различным сплавам. Добавка бериллия значительно повышает твёрдость и прочность сплавов, коррозионную устойчивость поверхностей, изготовленных из этих сплавов изделий. В технике довольно широко распространены бериллиевые бронзы типа BeB (пружинные контакты). Добавка 0,5 % бериллия в сталь позволяет изготовить пружины, которые остаются упругими до температуры красного каления. Эти пружины способны выдерживать миллиарды циклов значительной по величине нагрузки. Кроме того, бериллиевая бронза не искрится при ударе о камень или металл. Один из сплавов носит собственное название рандоль . Благодаря его сходству с золотом рандоль называют «цыганским золотом» .

Рентгенотехника

Фторид бериллия используется в атомной технике для варки стекла, применяемого для регулирования небольших потоков нейтронов. Самый технологичный и качественный состав такого стекла − (BeF 2 - 60 %, PuF 4 - 4 %,AlF 3 - 10 %, MgF 2 - 10 %, CaF 2 - 16 %). Этот состав наглядно показывает один из примеров применения соединений плутония в качестве конструкционного материала (частичное).

Лазерные материалы

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

Аэрокосмическая техника

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

Ракетное топливо

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

Огнеупорные материалы

Большой Адронный Коллайдер

В точках столкновения пучков на Большом Адронном Коллайдере (БАК) вакуумная труба сделана из бериллия. Он одновременно практически не взаимодействует с частицами, произведенными в столкновениях (которые регистрируют детекторы), но при этом достаточно прочен.

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

BeK 2 F 4 + 2Na = 2KF + 2NaF + Ве.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Химические и физические свойства бериллия

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Применение бериллия

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Добыча бериллия

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

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

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

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

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

Цена бериллия

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

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

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

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

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):

Всего	356
США	255
КНР	55
Россия	40
Казахстан	4
Прочие страны	2

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