lions-store.ru → Диеты звезд

Бериллий химическая формула. Бериллий: это что, и где его используют

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

История

Открыт в 1798 г. французским химиком Луи Никола Вокленом. Большую работу по установлению состава соединений бериллия и его минералов провёл русский химик И. В. Авдеев (1818-1865). Именно он доказал, что оксид бериллия имеет состав BeO, а не Be 2 O 3 , как считалось ранее.

Происхождение названия

Название бериллия произошло от названия минерала берилла (др.-греч. βήρυλλος beryllos) (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 «глюциний» (др.-греч. γλυκύς glykys - сладкий).

Нахождение в природе

Изотоп 8 Be отсутствует в природе, поскольку является крайне нестабильным и имеет период полураспада 10 -18 с. Стабильным является 9 Be. Кроме 9 Be в природе встречаются радиоактивные изотопы 7 Be и 10 Be.
Среднее содержание бериллия в земной коре 3,8 г/т и увеличивается от ультраосновных (0,2 г/т) к кислым (5 г/т) и щелочным (70 г/т) породам. Основная масса бериллия в магматических породах связана с плагиоклазами, где бериллий замещает кремний. Однако наибольшие его концентрации характерны для некоторых тёмноцветных минералов и мусковита (десятки, реже сотни г/т). Если в щелочных породах бериллий почти полностью рассеивается, то при формировании кислых горных пород он может накапливаться в постмагматических продуктах - пегматитах и пневматолито-гидротермальных телах. В кислых пегматитах образование значительных скоплений бериллия связано с процессами альбитизации и мусковитизации. В пегматитах бериллий образует собственные минералы, но часть его (ок. 10 %) находится в изоморфной форме в породообразующих и второстепенных минералах (микроклине, альбите, кварце, слюдах, и др.). В щелочных пегматитах бериллий устанавливается в небольших количествах в составе редких минералов: эвдидимита, чкаловита, анальцима и лейкофана, где он входит в анионную группу. Постмагматические растворы выносят бериллий из магмы в виде фторсодержащих эманаций и комплексных соединений в ассоциации с вольфрамом, оловом, молибденом и литием.
Содержание бериллия в морской воде чрезвычайно низкое - 6×10 -7 мг/л.
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-зеленый; изумруд - густо-зеленый, ярко-зеленый; гелиодор - желтый; известны ряд других разновидностей берилла, различающихся окраской (темно-синие, розовые, красные, бледно-голубые, бесцветные и др.). Цвет бериллу придают примеси различных элементов.
Месторождения минералов бериллия присутствуют на территории Бразилии, Аргентины, Африки, Индии, в России - Бурятии, Сибири и др.

Физические свойства

Бериллий - относительно твердый, но хрупкий металл серебристо-белого цвета. Имеет высокий модуль упругости - 300 ГПа (у сталей - 200-210 ГПа). На воздухе активно покрывается стойкой оксидной плёнкой BeO.

Химические свойства

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 еще более высокой температуры. Аммиак взаимодействует с бериллием при температуре выше 1200 °C с образованием нитрида Be 3 N 2 , а углерод дает 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:
Be + 2NaOH(р) + 2H 2 O = Na 2 + H 2
При проведении реакции с расплавом щелочи при 400-500 °C образуются диоксобериллаты:
Be + 2NaOH(ж) = Na 2 BeO 2 + H 2

«Бериллий и сплавы, содержащие бериллий. Свойства, применение в химической технологии»

Введение

Применяемые в промышленности и быту металлические изделия редко состоят из чистых металлов, примером является алюминиевая или медная проволока с процентным содержанием металла около 99,9%, в большинстве других случаев идет речь о сплавах. Сплавы – системы, состоящие из двух или нескольких металлов, а также из металлов и неметаллов, обладающие свойствами, присущими металлическому состоянию. Так, различные виды железа и стали содержат наряду с металлическими добавками незначительные количества углерода, которые оказывают решающее влияние на механическое и термическое поведение сплавов. Все сплавы имеют специальную маркировку, т. к. сплавы с одним названием (например, латунь) могут иметь разные массовые доли других металлов.

Для изготовления сплавов применяют различные металлы. Самое большое значение среди всех сплавов имеют стали различных составов. Для получения легированных сталей к железу, являющемуся главной составляющей сплава, добавляют кремний, медь, марганец, никель, хром, вольфрам, ванадий, молибден и другие компоненты.

В данной работе будут рассмотрены свойства и применение металла бериллия и содержащих бериллий сплавов.

Бериллий – светло-серый металл второй группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Порядковый номер 4, атомная масса 9,013. Символ Be (лат. Beryllium). Имеет 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. Открыт в 1798 в виде окиси BeO, выделенной из минерала берилла Л. Вокленом. Металлический Ве впервые получили в 1828 Ф. Вёлер и А. Бюсси независимо друг от друга. Так как некоторые соли Ве сладкого вкуса, его вначале называли «глюциний» (от греч. glykys – сладкий) или «глиций». Название Glicinium (знак GI) употребляется (наряду с Ве) только во Франции. Применение Ве началось в 40-х гг. 20 в., хотя его ценные свойства как компонента сплавов были обнаружены ещё ранее, а замечательные ядерные – в начале 30-х гг. 20 в.

Ве может существовать в двух полиморфных модификациях. Низкотемпературная модификация (α-Ве), существующая до 1250 °С, имеет гексагональную плотноупакованную решетку, высокотемпературная (β-Ве) – решетку объемно-центрированного куба.

Нахождение в природе

Редкий металл – содержание Ве в земной коре 5 · 10 -4 % (как и соседние с ним литий и бор, относительно мало распространен в земной коре). Типичный литофильный элемент, характерный для кислых, субщелочных и щелочных магм. 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 – из них наибольшее практическое значение имеет берилл 3BeO·Al 2 O 3 ·6SiO 2 , который после обработки переводят в форму хлорида или фторида. Этот минерал имеет много окрашенных разновидностей: изумруд (около 2% Cr придают ему зеленый цвет), аквамарин (примесь Fe(II) обуславливает его голубую окраску), воробьевит (розового цвета из-за примесей соединений Mn(II)), а гелиодор (золотисто-желтый – ионы Fe(III)). Перспективны и частично используются фенакит 2BeO·SiO 2 , гельвин (Mn, Fe, Zn) 4 3 S, хризоберилл BeAl 2 O 4 , бертрандит 4BeO·2SiO 2 ·H 2 O.

Мировые природные ресурсы Ве оцениваются более чем в 80 тыс. т (по содержанию Ве), из которых около 65% сосредоточено в США (основное Ве сырье – бертрандитовая руда). Подтвержденные запасы – на месторождении Spur Mountain (шт. Юта), являющемся основным в мире источником Ве, на конец 2000 составили примерно 19 тыс. т (по содержанию металла). Из других стран наибольшими запасами Ве обладают Китай, Россия и Казахстан. Во времена СССР Ве 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 Ве продается за рубеж, в основном, в Европу и Японию.

Физические свойства – по сравнению с другими легкими материалами бериллий обладает уникальным сочетанием физических и механических свойств.

Кристаллическая решётка Ве гексагональная плотноупакованная с периодами а = 2,855 Å и с= 3,5840 Å.

Плотность 1847,7 кг/м 3

Температура плавления 1551 °С

Температура кипения 3243 о С

Скрытая теплота плавления 250–275 кал/г (самая высокая среди всех металлов)

Коэффициент линейного расширения 10,3–131 (25–100 °С)

Модуль продольной упругости (модуль Юнга) 300ГН/м 2 (3.104 кг с/мм 2)

Предел прочности при растяжении 200–550 МН/м 2 (20–55 кг с/мм 2)

Предел текучести 250–600 МН/м 2 (25–60 кг с/мм 2)

Предел прочности в направлении вытяжки – до 400–800МН/м 2 (40–80 кг с/мм 2) Относительное удлинение – до 4–12%

Ударная вязкость 10–50 кДж/м 2 (0,1 – 0,5 кгс. м/см 2)

Температура перехода из хрупкого состояния в пластическое 200 – 400 °С

Твёрдость НВ 60–85 (для горячепрессованного Ве)

Теплоемкость для α-Ве 16,44 Дж/(моль К), для β-Ве – 30,0 Дж/(моль К)

Ве обладает: наиболее высокой из всех металлов удельной теплоёмкостью – 1,80 кДж/(кг. К) или 0,43 ккал/ (кг °С)

высокой теплопроводностью – 178 Вт/(м К) или 0,45 кал/см сек °С) (50 °С)

низким электросопротивлением – 3,6–4,5 мкОм см (20 °С)

Сравним некоторые свойства Ве с характеристиками других материалов.

Удельная прочность и жесткость материалов

Влияние температуры на удельный модуль упругости различных материалов

Свойства Ве зависят от качества и структуры металла и заметно меняются с температурой, механические – от чистоты металла, величины зерна и текстуры, определяемой характером обработки. Обработка давлением приводит к определённой ориентации кристаллов Ве, возникает анизотропия, становится возможным значительное улучшение свойств. Механические свойства в направлении, перпендикулярном вытяжке, почти не меняются. Ве – хрупкий металл (особенно литой) при комнатной температуре, что является главным препятствием к его широкому использованию в качестве конструкционного материала; к еще большей хрупкости материала приводит содержание даже незначительных примесей (например, введение в очищенный Ве всего 0,001% Si). Имеет низкую пластичность и хорошую коррозионную стойкость. Упругость паров Ве при температуре плавления очень мала.

Механические свойства Ве в литом и деформированном состояниях различаются в зависимости от направления проведения испытаний. Наилучшими механическими свойствами обладает Ве после тёплой обработки давлением, которая проводится при температурах ниже температуры рекристаллизации. Температура рекристаллизации Ве изменяется в пределах от 700 °С до 900 °С в зависимости от степени деформации и времени выдержки. Рекристаллизационный отжиг значительно повышает пластичность и уменьшает прочность Ве.

Отношение прочности к плотности у Be значительно выше, чем у авиационных сталей и сплавов на основе Ti и Al.

Важным специфическим свойством Ве является его высокая проницаемость для рентгеновских лучей, которая в 17 раз выше, чем у алюминия.

Высокие ядерные характеристики – самое низкое среди металлов эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов и самое высокое поперечное сечение их рассеяния.

Дает эвтектические сплавы с Al и Si. Растворимость примесных элементов в Ве чрезвычайно мала.

Химические свойства

Степени окисления +2 и +1 (последняя крайне неустойчива), конфигурация внешних электронов 2s 2 .

По химическим свойствам Be подобен Al. Сходство между этими элементами привело к существенному заблуждению относительно валентности и атомной массы Ве – долгое время Ве считали трехвалентным с относительной атомной массой 14 (что примерно равно утроенной массе одного эквивалента Ве 3 × 4,7); лишь через 70 лет после открытия Ве 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 Ве 2 × 4,7) легко размещается между Li и B.

Металлический Ве относительно мало реакционноспособен при комнатной температуре (например, устойчив к кислороду воздуха благодаря плёнке окиси, образующейся на его поверхности), в данных условиях взаимодействует с F 2 . В компактном виде не реагирует с водой и водяным паром даже при температуре красного каления и не окисляется воздухом до 600° С. При 1200 °С металлический Ве горит, превращаясь в белый порошок ВеО. Галогены реагируют с Ве при температуре выше 600° С, а халькогены требуют еще более высокой температуры. Компактный Ве интенсивно реагирует с N 2 при температурах более 1000 градусов, а в порошкообразном состоянии – при температурах более 500 о С. Аммиак взаимодействует с Ве при температуре выше 1200° С с образованием нитрида Be 3 N 2 , а углерод дает карбид Ве 2 С при 1700° С. С Н 2 Ве непосредственно не реагирует, и гидрид ВеН 2 получают косвенным путем (получен при разложении бериллийорганических соединений, устойчив до 240 °С).

Ве легко растворяется в разбавленных водных растворах кислот (соляной, серной, азотной, плавиковой), слабо реагирует с концентрированной серной и разбавленной азотной кислотами, однако холодная концентрированная азотная кислота пассивирует металл. Реакция Ве с водными растворами щелочей сопровождается выделением Н 2 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 Ве быстро растворяется в водном растворе NH 4 HF 2 . Эта реакция имеет технологическое значение для получения безводного BeF 2 и очистки Ве: Be + 2NH 4 HF 2 = (NH 4) 2 + H 2

Мелкодисперсный порошок Ве сгорает в парах S, Se, Te. Расплавленный Be взаимодействует с большинством окислов, нитридов, сульфидов и карбидов.

Соединения бериллия

У Ве, 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 Ве почти всегда проявляет координационное число 4, что важно для аналитической химии.

Соли Ве сильно гигроскопичны и за небольшим исключением (фосфат, карбонат) хорошо растворимы в воде, быстро гидролизуются с образованием ряда гидроксокомплексов неопределенной структуры, среда раствора кислая. Осаждение начинается при отношении OH – :Be 2+ > 1. Дальнейшее добавление щелочи приводит к растворению осадка.

Гидрид Ве ВеН 2 был впервые получен в 1951 восстановлением ВеCl 2 с помощью LiAlH 4 . Аморфное белое вещество, при нагревании до 250° С гидрид ВеН 2 выделять Н 2 . Это соединение умеренно устойчиво в воздухе и воде, но быстро разлагается кислотами. ВеН 2 полимеризован за счет трехцентровых связей ВеНВе.

BeHal : Безводные BeHalнельзя получить реакциями в водных растворах вследствие образования гидратов, таких как F 2 , и гидролиза. Лучшим способом для получения BeF 2 является термическое разложение (NH 4) 2 , а BeCl 2 удобно получать из оксида – для этого действуют Cl 2 на смесь BeO и СО 2 при 650–1000° С. BeCl 2 можно также синтезировать прямым высокотемпературным хлорированием металлического Ве или его карбида. Эти же реакции используются для получения безводных бромида и иодида.

BeF 2 – стекловидный материал, его структура состоит из неупорядоченной сетки из атомов Ве (КЧ 4), связанных мостиками из атомов F, и похожа на структуру кварцевого стекла. Выше 270° С BeF 2 самопроизвольно кристаллизуется. Подобно кварцу, он существует в низкотемпературной α-форме, которая при 227° С переходит в β-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 BeF 2 с фторидами щелочных элементов и аммония) и силикаты.

BeF 2 – компонент фторобериллатных стекол и солевой смеси, используемой в ядерных реакторах на расплавленных солях.

Хлорид и другие галогениды Ве можно рассматривать как полиядерные комплексные соединения, в которых координационное число Ве равно 4. В кристаллах BeCl 2 есть бесконечные цепочки с мостиковыми атомами Cl:

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

Цепочечная структура BeCl 2 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 Ве BeO встречается в природе в виде редкого минерала бромеллита.

Непрокаленный ВеО гигроскопичен, адсорбирует до 34% воды, а прокаленный при 1500° С – лишь 0,18%. ВеО, прокаленный не выше 500° С, легко взаимодействует с кислотами, труднее – с растворами щелочей, а прокаленный выше 727° С – лишь HF, горячей концентрированной серной кислотой и расплавами щелочей. BeO устойчив к воздействию расплавленных Li, Na, K, Ni и Fe.

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

BeO 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. ВеО 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 ВеО могут применяться при температурах до 2000° С.

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

Гидроксид бериллия Be(OH) 2 осаждают из водных растворов солей Ве аммиаком или NaOH. 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 . Be(OH) 2 – слабое амфотерное основание, вступает в реакции как с кислотами, так и со щелочами с образованием солей, в которых Be входит в состав катиона или аниона, соответственно:

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

Be(OH) 2 + 2OH – = 2–

(BeOH) 2 CO 3 – соединение переменного состава. Образуется при взаимодействии водных растворов солей Be с карбонатами натрия или аммония. При действии избытка растворимых карбонатов легко образует комплексные соединения, такие как (NH 4) 2 .

Карбоксилаты Be . Уникальность Be 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 Be с карбоновой кислотой. Структура таких соединений содержит центральный атом O, тетраэдрически окруженный четырьмя атомами Be. На шести ребрах этого тетраэдра есть шесть мостиковых ацетатных групп, расположенных таким образом, что каждый атом Be имеет тетраэдрическое окружение из четырех атомов O. 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 Be и свободной карбоновой кислоты.

Нитрат Be 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 BeO.

Основный нитрат имеет аналогичную карбоксилатам структуру с мостиковыми нитрогруппами. Это соединение образуется при растворении BeCl 2 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 .

Бериллийорганические соединения. Для Ве известны многочисленные соединения, содержащие связи Ве-С. 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 Ве. Он легко возгоняется при нагревании. В парах существует в виде димера или тримера.

Соединения R 2 Be самовоспламеняются на воздухе и в атмосфере СО 2 , бурно реагируют (некоторые со взрывом) с водой и спиртами, дают устойчивые комплексы с аминами, фосфинами, эфирами.

Синтезируют R 2 Be взаимодействием BeCl 2 с магнийорганическими соединениями в эфире или Ве с R 2 Hg. Для получения (C 6 H 5) 2 Be и (C 5 H 5) 2 Be используют реакцию BeCl 2 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 СО 2 .

Получение, производство, обработка

В промышленности Ве и его соединения получают переработкой берилла в гидроокись Be(OH) 2 или сульфат BeSO 4 .

1) фторидный способ: измельченный берилл спекают с Na 2 SiF 6 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 . Образующиеся фторбериллаты натрия Na 2 BeF 4 и NaBeF 3 выщелачивают из смеси водой. При добавлении к этому раствору NaOH (рН = 12) в осадок выпадает Be(OH) 2 .

2) сульфатный способ: берилл спекают при 750° С с известью или мелом (карбонатом Na или Ca), спек обрабатывают концентрированной горячей серной кислотой. На образовавшийся раствор BeSO 4 , Al 2 (SO 4) 3 и других металлов действуют (NH 4) 2 SO 4 – это приводит к выделению большей части Al в виде KAl(SO 4) 2 . Оставшийся раствор обрабатывают избытком NaOH, при этом образуется раствор, содержащий Na 2 и алюминаты Na; при кипячении этого раствора в результате разложения гидроксобериллата осаждается Be(OH) 2 (алюминаты остаются в растворе).

Известно также вскрытие берилла хлорированием или действием фосгена. Дальнейшая обработка ведётся с целью получения BeF 2 или BeCl 2 .

Металлический Ве получают восстановлением фторида магнием: BeF 2 + Mg = Be + MgF 2 , –при высокой температуре (900–1300 °С) или электролизом его хлорида в смеси с хлоридом натрия (350 о С). Полученный металл переплавляют в вакууме: металл высокой чистоты (до 99,98%.) получают дистилляцией, а в небольших количествах – зонной плавкой (пластичный бериллий, содержащий не более 10–4% примесей – многократное повторение зонной плавки (до 8 проходов) позволяет получать особо чистый Ве с чрезвычайно высокой пластичностью (δ = 140%)); применяют также электролитическое рафинирование. Из-за трудностей получения качественных отливок заготовки для изделий из Ве готовят методами порошковой металлургии. В безокислительной среде Ве измельчают в порошок и подвергают горячему прессованию в вакууме при 1140–1180 °С; чем мельче зерна порошка, тем выше прочностные и пластические свойства металла. Для предотвращения взаимодействия с воздухом горячепрессованные заготовки бериллия помещают в стальные оболочки, нагревают до температуры 800–1100 °С и в таком виде проводят обработку давлением. Прутки, трубы и др. профили получают выдавливанием при 800–1050 °С (горячее выдавливание) или при 400–500 °С (тёплое выдавливание). Листы из Ве (основной вид продукции, используемый в ракетной технике) получают прокаткой горячепрессованных заготовок или выдавленных полос при 760–840 °С. Степень обжатия при выдавливании 5:1 и более. Выдавливанием получают заготовки не только круглого или квадратного сечения, но и более сложного профиля.

Профили заготовок, выдавливаемых из бериллия

Свойства горячевыдавленного Ве значительно выше, чем свойства Ве после горячего прессования при исходной крупности порошка менее 70 мкм.

Применяют и др. виды обработки – ковку, штамповку, волочение. При механической обработке Ве пользуются твердосплавным инструментом (Ве плохо обрабатывается резанием).

Деформированные полуфабрикаты имеют развитую текстуру деформации, вызывающую сильную анизотропию свойств.

Получаемый Ве содержит в большом количестве кислород в виде окиси Ве (1–3%), а также другие примеси. Эти примеси, хотя и повышают прочность металла, но существенно снижают его пластичность, вызывая в сварных швах образование холодных трещин. Для обеспечения удовлетворительной свариваемости в техническом Ве ограничивается содержание вредных примесей до следующих количеств (в% по массе): ВеО до 0,3%; Fe до 0,04%; А1 до 0,02%; Si до 0,02%.

Увеличение содержания ВеО ухудшает формирование и повышает пористость швов. Однако и при наличии сравнительно небольшого количества примесей вследствие особенностей кристаллического строения (гексагональная решетка) Ве малопластичен, поскольку в его деформации участвует мало плоскостей скольжения. В этом отношении Ве уступает не только Al, но и Mg.

Для соединения деталей из Ве находит применение аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом и электроннолучевая сварка. Предпочтительны соединения с отбортовкой кромок. При сварке стыковых соединений требуется введение в ванну присадочной проволоки.

Сварку неплавящимся электродом в инертных газах – Ar, He и их смесях производят преимущественно в камерах с контролируемой атмосферой вольфрамовым электродом на переменном токе. Техника и сварочная аппаратура те же, что и при сварке Al.

В процессе сварки заметно вырастает зерно в околошовной зоне, прочность сварного соединения составляет 0,5–0,6 прочности основного металла.

Техника электроннолучевой сварки также близка к технике сварки алюминиевых сплавов. Однако высокое давление паров Be создает определенные трудности в обеспечении устойчивого сварочного процесса.

Переработка Ве осложняется острой токсичностью летучих соединений, порошков, пыли и паров, содержащих Ве, поэтому при работе с Ве и его соединениями нужны специальные меры защиты – вместе с тем обработанные детали из бериллия вполне безопасны.

Биологическая роль

Ве присутствует в тканях многих растений и животных. Содержание в почвах – от 2 10 -4 до 1 10 -3 %, в золе растений – около 2 10 -4 %. У животных Ве распределяется во всех органах и тканях, в золе костей содержится от 5,10 -4 до 7.10 -3 % Б. Около 50% усвоенного животным Ве выделяется с мочой, около 30% поглощается костями, 8% обнаружено в печени и почках. Плохо всасывается в желудочно-кишечном тракте, большинство его выводится через кишечник и в меньшей степени через почки. Из того количества Ве, которое усваивается организмом, существенная часть (до 30%) депонируется (откладывается) в костях, а остальное – в легких, лимфатических узлах, печени, сердечной мышце.

Биологическое значение Ве мало выяснено, оно определяется участием элемента в обмене Mg и Р в костной ткани (способность Be(II) замещать Mg в магниесодержащих ферментах за счет его более сильной координационной способности). Не относится к биологически важным, но повышенное содержание Ве опасно для здоровья. При избытке в рационе Ве, по-видимому, происходит связывание в кишечнике ионов фосфорной кислоты в неусвояемый фосфат Ве. Активность некоторых ферментов (щелочной фосфатазы, аденозинтрифосфатазы) тормозится малыми концентрациями Ве. Под влиянием Ве при недостатке фосфора развивается не излечиваемый витамином D бериллиевый рахит, встречаемый у животных в биогеохимических, богатых Ве.

Соединения Ве 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 Ве.

Поступление Ве с пищей и водой незначительно. Предельно допустимые концентрации Ве в воздухе ≤0,001 мг/м 3 .

бериллий элемент химический сплав

Сплавы бериллия, их свойства и применение

Главная сложность при легировании Ве состоит в малых размерах его атомов, в результате чего большинство элементов при растворении сильно искажают кристаллическую решетку, сообщая сплаву повышенную хрупкость. Легирование возможно лишь теми элементами, которые образуют с Ве механические смеси с минимальной взаимной растворимостью.

Серьезный недостаток Ве, заключающийся в низкой ударной вязкости и хладноломкости, может быть преодолен использованием сплавов с Al. Из диаграммы состояния Al–Be видно, что эти элементы практически взаимно нерастворимы.

Диаграмма состояния системы Al–Be

В таких сплавах эвтектического типа твердые частицы Be равномерно распределены в пластичной алюминиевой матрице. Сплавы содержат 24–43% Al, остальное – Be. Фирмой «Локхид» (США) разработан сплав, содержащий 62% Be, названный локеллоем. Сплавы Be–Al имеют структуру, состоящую из мягкой пластичной эвтектики и твердых хрупких включений первичного Be. Эти сплавы сочетают высокую жесткость, прочность и малую плотность, характерные для Be, с пластичностью Al.

Зависимость механических свойств сплавов Al–Be от содержания Be

Благодаря пластичности матрицы снижается концентрация напряжений у частиц Be фазы и уменьшается опасность образования трещин, что позволяет использовать сплавы в условиях более сложного напряженного состояния.

Для получения Be-Al сплавов также используют методы порошковой металлургии. Деформацию осуществляют выдавливанием с последующей ковкой и штамповкой в оболочках. Механические свойства труб из локеллоя (Be + 38% Al) при комнатной температуре: σв = 600 МПа, σ0,2 = 570 МПа, δ = 1%.

Для увеличения прочности сплавы Be–Al дополнительно легируют Mg и Ag– элементами, растворимыми в Al фазе. В этом случае матрица представляет собой более прочный и вязкий сплав Al–Mg или Al–Ag.

Al–Be, Al–Be–Mg сплавы удовлетворительно деформируются при 380 – 420 о С, имеют высокий модуль упругости, малую скорость роста усталостных трещин, высокий предел выносливости, износоустойчивы, высоко электро- и теплопроводны. Круг сфер их использования широк – от авиакосмической промышленности до производства компьютеров.

Пластичную матрицу можно получить, используя композицию Be–Ag, содержащую до 60% Ag. Сплавы с Ag дополнительно легируют Li и La.

За исключением сплавов с пластичной матрицей, легирование другими элементами не устраняет хладноломкость Be. Максимальную пластичность имеет Be высокой чистоты.

Широкое распространение получили сплавы Cu с 2–5% Be, так называемые Be бронзы. В России широко применяется Be бронза БрБ2 с 2% Be. Из диаграммы состояния видно, что этот сплав дисперсионно-твердеющий и может упрочняться закалкой с последующим старением.

Диаграмма состояния системы Cu–Be

Закалка с 800 °С фиксирует пересыщенный α–твердый раствор, из которого в процессе старения при 300–350 °С выделяются дисперсные частицы CuBe, образуя регулярную, так называемую квазипериодическую структуру.

Электронно-микроскопическое изображение бериллиевой бронзы после сгорания (регулярное расположение выделений)

После закалки свойства Be бронзы БрБ2: σв = 500 МПа, δ = 30%, после старения – σв = 1200 МПа, δ = 4%.

Be бронзы обладают высокими упругими свойствами. Их используют для изготовления пружин, сохраняющих упругость в широком интервале температур, в том числе в криогенных условиях. Они хорошо сопротивляются усталости и коррозии.

Bе бронзы немагнитны и не искрят при ударе. Из них изготавливают инструменты для работы во взрывоопасных средах – шахтах, газовых заводах, где нельзя использовать обычные стали (например, ручной инструмент в нефтяной промышленности).

Неискрящие и немагнитные инструменты Cu - Be сплава

Литейные Be сплавы (ЛБС), состав которых приведен в таблице «Химические составы (%, остальное – Be) литейных Be сплавов, используют для деталей корпусов оснований, рам, кронштейнов и др. Be сплавы характеризуются высокими значениями теплоемкости, которые в 1,6 раза выше, чем у сплавов Al. Теплопроводность и температуропроводность сплавов лишь незначительно уступает литейным Al сплавам.

Совокупность теплофизических характеристик Be сплавов в целом выгодно отличает их от других материалов (например, силуминов) и определяет высокую размерную стабильность в условиях возникновения температурных градиентов при эксплуатации изделий.

Коррозионная стойкость Be сплавов находится на высоком уровне. Анодная оксидированная пленка на поверхности и лакокрасочные покрытия дополнительно обеспечивают надежную защиту сплавов ЛБС от коррозии. При этом Ве бронзам присуща также высокая электропроводность.

Механические свойства литейных Be сплавов при комнатной температуре приведены в таблице «Механические свойства литейных Be сплавов», а свойства при различных температурах испытания – в таблице «Механические свойства Be сплавов при различных температурах».

Химические составы (%, остальное – Be) литейных бериллиевых сплавов

Сплав	Al	Ni	Mg	Cu	Zr, Sc, Y, Gd, РЗМ	Примеси, не более
Сплав	Al	Ni	Mg	Cu	Zr, Sc, Y, Gd, РЗМ	Si	Fe	Mn	Ti	O2
ЛБС-1	24–34	3–6	–	–	0,06–0,21*	0,1	0,15	0,1	0,05	0,1
ЛБС-2	36–24	3,5–4,5	0,6–0,8	–	0,03–0,12**	0,1	0,15	0,1	0,05	0,1
ЛБС-3	30–34	–	0,1–0,6	6–8	0,05–0,1	0,1	0,15	–	–	0,1

Механические свойства литейных бериллиевых сплавов

Свойство	ЛБС-1	ЛБС-2	ЛБС-3
σв, МПа	220–250	250–320	270–280
σ0,2, МПа	180–220	220–270	250–270
δ, %	2–3	2–3	1,1–1,3
ψ, %	2–3	2–3,5	–
KCU, МДж/м2	0,025–0,035	0,033–0,040	0,025–0,045
E, ГПа	200	200	200

Механические свойства бериллиевых сплавов при различных температурах

Свойство	Сплав	Температура испытаний, °С
Свойство	Сплав	–100	0	100	200	300	400
σв, МПа	ЛБС-1	255	225	186	147	112	–
σв, МПа	ЛБС-2	274	255	235	176	118	70
σ0,2, МПа	ЛБС-1	235	196	145	120	103	–
σ0,2, МПа	ЛБС-2	245	216	170	140	108	60
δ, %	ЛБС-1	2,8	2,4	2,5	2,5	1–2,4	–
δ, %	ЛБС-2	2,0	2,1	2,1	2,2	3,0	4,0

Деформированные Be сплавы обладают высокой жесткостью и низкой плотностью. Эти сплавы являются перспективными для использования в некоторых элементах самолетных двигателей. Для повышения жаропрочных свойств Be используется сложное последовательное легирование.

На первом этапе выбирают оптимальный бинарный сплав.

Механические свойства двойных сплавов (остальное – Be)

Из рассмотренных двойных систем сплавы системы Be–Ni характеризуются наиболее высокими механическими свойствами как при комнатной температуре, так и при 500 °С. Ni сплав, содержащий 2% Ве, используется также для высокотемпературных пружин, зажимов, мехов и электрических контактов.

Дальнейшее упрочнение осуществляется введением Ti, образующего высокопрочные интерметаллиды TiBe 12 .

Влияние Ti на прочность сплавов системы Be–Ni показано на графике.

бериллий элемент биологический сплав

Влияние Ti на прочность сплавов системы Be–Ni–Ti при 20 °С и в зависимости от содержания Ni: 1 – 4%; 2 – 6%; 3 – 8% (по И.Н. Фридляндеру)

На основе системы Be–Ni разработан сплав, имеющий марку ВБД-1 при изготовлении из литой заготовки и ВБД-1П при изготовлении из порошков со следующим химическим составом: (7,5–8,5%) Ni; (0,8–1,2%) Ti; остальное – Be.

Механические свойства сплава ВБД-1П приведены в таблице.

Механические свойства сплава ВБД-1П

Предел выносливости сплава ВБД-1П при 500 °С в два раза выше, чем у Ве; удельная жесткость (E/γ) при 20 °С ниже, а при 500 °С – на 10% выше, чем у Ве. Модуль упругости составляет 250 ГПа. Высокая жесткость сохраняется при температурах до 700 °С. Предел ползучести и длительная жаропрочность сплава ВБД-1П при 400 °С такие же, как у деформированного Ве при 300 °С.

Интерметаллические соединения Ве с Ta, Nb, Zr, и др. могут использоваться до температур ≈ 1650 o С и имеют исключительно высокую твердость и стойкость против окисления.

Одна из важнейших областей применения Ве бронз – это изготовление пружин, мембран, сильфонов, применяемых в точном приборостроении. Стоит отметить, что из-за высокой стоимости Ве эти бронзы используют лишь в изделиях небольшого сечения, имеющих особое значение.

Комплекс физических, химических и механических свойств позволяет отнести Ве к наиболее ценным конструкционным материалам, несмотря на ряд недостатков (хрупкость, хладноломкость). Высокие прочностные характеристики в сочетании с малой плотностью, относительно высокой температурой плавления, хорошей коррозионной стойкостью делают Ве и его соединения с тугоплавкими металлами в ряде случаев незаменимым конструкционным материалом для нужд авиационной, ракетной техники и в приборостроении. Находит достаточно широкое применение в конструкциях, к которым предъявляются требования высокой жесткости и легкости.

Еще несколько примеров применения Ве и его сплавов и соединений :

· Улучшение качества поверхности деталей машин и механизмов – для этого готовое изделие выдерживают в порошке Ве при 900–1000° С (бериллизация стали), и его поверхность делается тверже, чем у лучших сортов закаленной стали.

· Изготовление ядерных ректоров (Ве является одним из наиболее эффективных замедлителей и отражателей нейтронов из-за малого эффективного сечения захвата тепловых нейтронов и удовлетворительной стойкости в условиях радиации в сочетании с малой атомной массой), материал для окошек в рентгеновских трубках (Ве пропускает рентгеновские лучи в 17 раз лучше, чем Al и в 8 раз лучше, чем линдемановское стекло)

· Ве – интенсивный источник нейтронов при бомбардировке α-частицами, на этом свойстве основано использование Ве в нейтронных источниках на основе Ra, Po, Ac, Pu. Смесь соединений Ra и Ве долгое время использовалась как удобный лабораторный источник нейтронов, образующихся по ядерной реакции: 9Be + 4He = 12C + 1n. В 1932 при использовании именно этой смеси английским физиком Джеймсом Чедвиком был открыт нейтрон.

· Эффективный раскислитель в литейном деле.

· BeO обладает большой химической устойчивостью и теплопроводностью, сочетающейся с высоким электрическим сопротивлением и термостойкостью, что позволяет применять её в качестве огнеупорного материала для изготовления тиглей, футеровочных материалов, керамических покрытий и т.д.

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

· Ве и некоторые его соединения рассматриваются как перспективное твёрдое ракетное топливо с наиболее высокими удельными импульсами.

Подготовка Ве и его сплавов под гальванопокрытия (травление)

Подготовка деталей ведется следующим образом:

1. Обработка абразивом;

2. Погружение в 10 –15%-ный раствор H 2 SO 4 на 5 –10 с и на 2 – 5 мин в раствор NaOH (450 – 500 г./л) и ZnO (100–150 г./л);

3. Промывка в холодной воде;

4. Стравливание Zn в 30 –35%-ном растворе HNO 3;

5. Повторная промывка;

6. Цинкатная обработка и ударное меднение в электролите (в г/л): NaCu(CN) 2 – 35–40; NaCN (свободный) – 3 – 5; Na 2 CO 3 – 7–10. В первую минуту iк = 2,5 ÷ 3 А/дм 2 , в последующие 10 мин iк = 1,0 ÷1,5 А/дм 2 . Детали загружают под током.

В большинстве случаев детали из Ве обезжиривают в органических растворителях, а затем в щелочи. Для Ве бериллия используют щелочи или кислоты, а для активирования – 1%-ный (по массе) раствор H 2 SO 4 . Температура комнатная, время выдержки 15 – 30 с.

С целью улучшения сцепления необходим отжиг Ве деталей в Ar или обработка в вакууме, но следует учитывать диффузию металлов внутрь Ве и его сплавов. Зона диффузии для Ni покрытия становится заметной после 18-часового нагрева при 350–400 °С, а для Fe– при 500 – 550 °С. Поэтому последние рекомендуются в качестве покрытий при работе Be при повышенных температурах.

Литература

1. Популярная библиотека химических элементов. Водород–хром. М., Наука, 1971

2. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. М., Химия, 1992

3. Greenwood N.N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements, Oxford: Butterworth, 1997

4. Технология электрической сварки металлов т сплавов плавлением. Под ред. акад. Б.Е. Патона. М., Машиностроение, 1974

5. П.С. Мельников. Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении, 1979.

6. Ю.П. Солнцев. Материаловедение: учебник для вузов. СПб., Химиздат, 2004.

Бериллий - светло-серый, легкий, достаточно твердый, хрупкий металл. На воздухе покрывается оксидной пленкой.

Получение:

В виде простого вещества в XIX веке бериллий получали действием калия на безводный хлорид бериллия : BeCl2+2K=Be+2KCl.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, восстанавливаяфторид бериллиямагнием : BeF2+Mg=Be+MgF2,

либо электролизом расплава смеси хлоридов бериллия и натрия.

Химические свойства:

Для бериллия характерна только одна степень окисления +2. 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.

Пассивируется в холодной воде, концентрированных серной и азотной кислотах. Восстановитель, реагирует с кипящей водой, разбавленными кислотами, концентрированными щелочами, неметаллами, аммиаком, оксидами металлов, при нагревании сгорает в кислороде и на воздухе. С металлами бериллий образует интерметаллические соединения.

2Be + O 2 (900°С) = 2BeO

С водородом бериллий не реагирует даже при нагревании до 1000°C, зато он легко соединяется с галогенами, серой и углеродом.

Be + Hal 2 (нагр.) = 2BeHal 2 (7Be+2F→Be 7 F 2 ; 2Be+I 2 →2BeI)

3Be + C 2 H 2 = BeC 2 + H 2

Be + MgO = BeO + Mg

Взаимодействие с серой: 2Be+S→Be 2 S

Взаимодействие с азотом(N): 2Be+N 2 →2BeN

Бериллий хорошо растворяется во всех минеральных кислотах, кроме, как это ни странно, азотной. От нее как и от кислорода, бериллий защищен окисной пленкой.

Be + 2HCl(разб.) = BeCl 2 + H 2

3Be + 8HNO3(разб) = 3 Be(NO3)2 + 2 NO + 4 H2O

Со щелочами бериллий реагирует, образуя соли-бериллаты, подобные алюминатам. Многие из них имеют сладковатый вкус, но пробовать на язык их нельзя – почти все бериллаты ядовиты.

Be + 2NaOH(конц.) + H 2 O = Na 2 BeO 2 + H 2

Be + 2NaOH(расплав) = Na 2 + H 2

Взаимодействие с водой:

2Be+3H 2 O→2H 2 + ВеО + Ве(OH) 2

2Be + 3H 2 O(кип.) = BeO↓ + Be(OH) 2 ↓ + 2H 2

Бериллий склонен к образованию комплексных соединений при взаимодействии с водными растворами щелочей.

Взаимодействие с азотной кислотой:

Взаимодействие с растворами щелочей:

Be + 2KOH + 2H 2 O = K 2 + H 2

Производство и применение:

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. Рентгенотехника Бериллий слабо поглощает рентгеновское излучение , поэтому из него изготавливают окошки рентгеновских трубок Ядерная энергетика

В атомных реакторах из бериллия изготовляют отражатели нейтронов , его используют как замедлитель нейтронов . 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 материалРакетное 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 Он служит высокотеплопроводным высокотемпературным изолятором и огнеупорным материалом для лабораторных тиглей и в других специальных случаях.Акустика

Ввиду своей легкости и высокой твёрдости бериллий успешно применяется в качестве материала для электродинамических громкоговорителей . Биологическая роль и физиологическое действие:

В живых организмах бериллий не несёт какой-либо значимой биологической функции. Однако бериллий может замещать магний в некоторых ферментах , что приводит к нарушению их работы. Ежедневное поступление бериллия в организм человека с пищей составляет около 0,01 мг.

(на всякий случай)

Соединения бериллия (II). В кислых водных растворах ионы Ве 2+ находятся в виде прочных аква-комплексов [Ве(Н 2 О) 4 ] 2+ ; в сильно щелочных растворах – в виде ионов [Ве(ОН) 4 ] 2– .

Оксид ВеО – амфолит, при сплавлении взаимодействует и с основными, и с кислотными оксидами:

ВеО + SiО 2 = BeSiО 3 ; ВеО + Na 2 О = Na 2 BeО 2

При нагревании ВеО взаимодействует со щелочами и кислотами:

ВеО + 2HCl(конц.) = BeCl 2

ВеО + 2NaОН + Н 2 О = Na 2 [Ве(ОН) 4 ]

ВеО применяют в качестве химически стойкого и огнеупорного материала для изготовления тиглей и специальной керамики, а в атомной энергетике – как замедлитель и отражатель нейтронов.

Гидроксид Ве(ОН) 2 – полимерное соединение, и поэтому в воде не растворяется, амфолит.

Ве(ОН) 2 + 2NaОН(конц.) = Na 2 [Ве(ОН) 4 ]

ВеО + 2HCl + 3Н 2 О = [Ве(Н 2 О) 4 ]Cl 2

Амфотерностъ ВеНа1 2 наиболее отчетливо проявляется у фторида. Так, при нагревании BeF 2 с основными фторидами образуются фторобериллаты (другие галогенобериллаты не характерны): 2KF + BeF 2 = K 2

При взаимодействии BeF 2 с кислотными фторидами образуются соли бериллия:

BeF 2 + SiF 4 = Be

Гидрид ВеН 2 – сильный восстановитель; при его разложении водой выделяется водород: ВеН 2 + 2Н 2 О = Ве(ОН) 2 ↓ + Н 2

Большинство солей бериллия растворимо в воде, нерастворимы ВеСО 3 , Ве 3 (РО 4) 2 и некоторые другие. Для бериллия весьма характерны двойные соли – бериллаты со сложными лигандами, например:

Na 2 SО 4 + BeSО 4 = Na 2

(NH 4) 2 CО 3 + BeCО 3 = (NH 4) 2

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.

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