Бериллий элементы. Бериллий. Свойства бериллия. Применение бериллия
Бериллий является элементом второго периода и относится к щелочноземельным металлам, из-за чего обладает высокой токсичностью. Он находится во второй группе таблицы Менделеева , его атомный номер 4. Латинское название Beryllium происходит от латинского обозначения берилла - основного минерала, из которого получают бериллий. В свою очередь «берилл» восходит к греческому βήρυλλος, что означает приблизительно следующее: «драгоценный цвета морской воды камень». Бериллий редко встречается в природе, в чистом виде представляет собой хрупкий твёрдый металл светло-серебристого оттенка. Вследствие трудоемкой добычи из природных минералов, бериллий имеет высокую стоимость, сравнимую с ценами на серебро и золото . Он также входит в состав таких драгоценных камней как зеленые изумруды и аквамарины. Минералы бериллия могут очень сильно отличаться по цвету: от розовых и красных до бледно-голубых и темно-синих оттенков.
Исторические факты
В 1798 году впервые французским фармацевтом Луи-Николя Вокленом был получен бериллий в виде оксида BeO, так называемой, берилловой земли. Однако в виде металла, его смогли синтезировать только спустя 30 лет французский химик Антуан Бюсси и автономно от него немец Фридрих Вёлер . По причине низкой чистоты бериллий не получалось внести в другие сплавы до тех пор, пока в 1898 году во Франции химик Пол Лебо с помощью электролиза фторидов кальция и бериллия, получил его кристаллы требуемой чистоты. Немаловажное значение в исследовании бериллия сыграл и наш соотечественник Иван Авдеев, живший в XIX веке. Он вел исследования в области определения химического содержания минералов бериллия и других содержащих его веществ. В результате Авдеев обнаружил, что правильная формула оксида бериллия - это BeO, а не Be 2 O 3 , как думали раньше.
Ещё один интересный исторический факт связан с периодом Второй мировой войны, когда все действовавшие месторождения минералов бериллия были подконтрольны США. Германия остро нуждалась в этом сырье для производства бронзы с добавлением бериллия, использующейся в изготовлении деталей для автоматических авиационных пулеметов. Для этого немцы были вынуждены обратиться за помощью к нейтральной Швейцарии, с помощью которой бериллиевая бронза ввозилась контрабандно. До сегодняшнего дня США остаются неоспоримыми лидерами в добыче бериллия.
Химические свойства бериллия
Бериллий является двухвалентным элементом. Благодаря своей высокой химической активности он легко растворяется в различных кислотах. В их числе: соляная, плавиковая, разбавленная серная кислоты. Однако с разбавленной азотной и концентрированной серной кислотами реагирует слабо. При этом он устойчив в воздухе из-за образования тонкой и устойчивой пленки оксида BeO. С водой бериллий практически никак не реагирует, пока ее температура не достигнет 100⁰C. В нормальных условиях взаимодействует со фтором , а при более высокой температуре и с другими галогенами. Его свойства похожи на магний Mg и алюминий Al, причём к последнему бериллий намного ближе, несмотря на то, что магний находится прямо под ним в таблице Менделеева. Общие свойства бериллия и алюминия объясняются практически идентичным соотношением заряда в ядре и радиуса катиона для ионов Be 2+ и Al 3+ . Бериллий может вступать в реакцию также с большим числом металлов при достаточно высоких температурах, в этом случае образуются так называемые бериллиды.
Где применяется бериллий
Бериллий имеет широкую область применения. Пожалуй, одной из самых важных и старых сфер применения является изготовление рентгеновских трубок. Благодаря низкому уровню поглощения рентгеновского излучения из бериллия изготавливают специальные окошки, пропускающие излучение в детектор.
Также бериллий используется в качестве легирующей добавки к разнообразным материалам для повышения прочности и коррозионной устойчивости металлических поверхностей. Достаточно широкое распространение получили бериллиевые бронзы, используемые в пружинах. Добавление бериллия позволяет во много раз увеличить количество рабочих циклов, а кроме того детали из бериллиевой бронзы не искрятся при взаимодействии с камнем или металлом.
Особенное место бериллий занимает в атомной энергетике. Он используется при изготовлении нейтронных отражателей, замедляющих свободные нейтроны. Такую же функцию выполняют и его оксиды. Кроме этого, различные смеси окиси урана с бериллием используются для создания высокоэффективного ядерного топлива.
Специальные сплавы, изготовленные на основе бериллия, широко применяются в аэрокосмической отрасли при производстве обшивки для ракет и самолетов. Такие материалы обладают более надежными характеристиками по сравнению с алюминием, но при этом гораздо легче большинства конструкционных стальных сплавов.
- До своего нынешнего названия элемент бериллий именовался как «глюциний», что в переводе с греческого glykys означало «сладкий». Такое наименование обусловлено тем, что растворенные соединения бериллия придавали воде сладкий привкус.
- Помимо высокой токсичности, бериллий является аллергеном, а также может вызывать рак. Вдыхание его паров приводит к несовместимым с жизнью заболеваниям органов дыхания, такими как «бериллиоз».
- Благодаря высокой твердости и чрезвычайной легкости бериллий используется как материал для профессиональных громкоговорителей. Однако его высокая цена и потенциальная токсичность при неправильной обработке не позволяют вывести такие аудиосистемы на массового потребителя.
- В своей фантастической повести «Ловушка для простаков» Айзек Азимов неоднократно упоминает бериллиевую пыль и ее влияние на человеческий организм, которое в свою очередь является важным моментом сюжета в произведении.
Бериллий - это элемент второй группы 2-го периода таблицы Менделеева, имеющий атомный номер 4 и обозначающийся символом Ве. Он высокотоксичный и обладает множеством специфических свойств, которые обусловили его широкое применение во многих сферах. И сейчас будет рассказано как о характеристиках данного элемента, так и об его использовании.
Физические свойства
Выглядит данное вещество как светло-серый металл. Он относительно твердый, по оценен в 5,5 баллов. Это значит, что его можно повредить лишь с усилием, и только чем-то острым. Он является одним из самых твердых металлов, существующих в чистом виде. По данному показателю его опережает иридий, осмий, вольфрам и уран.
Можно выделить следующие физические характеристики:
- Плотность - 1,848 г/см³.
- Молярный объем - 5,0 см³/моль.
- Температура плавления и кипения - 1278 °C и 2970 °C соответственно.
- Молярная теплоемкость - 16,44 Дж/(K.моль).
- Удельная теплота плавления и испарения - 12,21 и 309 кДж/моль соответственно.
Еще у этого металла высокий составляющий 300 Гпа. Даже у сталей этот показатель равен 200-210 Гпа. Находясь на воздухе, он активно покрывается стойкой пленкой атмосферного оксида ВеО. Также стоит отметить, что в бериллии очень высокая скорость звука. Она равна 12 600 м/с. А это в два-три раза выше, чем в остальных металлах.
Хрупкость
Несмотря на свою впечатляющую твердость, бериллий - это очень хрупкий металл. Скорее всего, данное качество связано с присутствием в нем кислорода. Но эта особенность легко устраняется. Бериллий отправляют в вакуум на переплавку. В данном процессе обязательно участвует раскислитель (титан, например). В результате получается прочный металл с достаточной ковкостью.
Также хрупкость бериллия - это особенность, связанная с распространением в монокристаллах трещин. Учитывая данный факт, повысить пластичность металла можно посредством обработки, уменьшающей размер зерен и препятствующей их росту. Это свойство бериллия всегда устраняется, поскольку из-за него он крайне плохо сваривается и паяется. Кстати, хрупкость может и повыситься - для этого достаточно добавить в металл немного селена (неметалл, халькоген).
Химические особенности
Данный металл по целому ряду своих свойств похож на алюминий - это прослеживается даже в уравнениях реакций бериллия, которые, кстати, весьма специфичны. При комнатной температуре металл имеет низкую реакционную способность, а в компактном виде не взаимодействует даже с водой и паром.
Воздухом он окисляется до температуры 600 °C. Когда данный показатель превышается, то становятся возможными реакции с галогенами. А вот для взаимодействия с халькогенами необходимы еще более высокие температуры. С аммиаком, например, бериллий может вступить в реакцию, только если будет более 1200 °C. Вследствие этого образуется нитрид Be 3 N 2 . Но зато порошок данного вещества горит впечатляющим ярким пламенем. И при этом образуется нитрид и оксид.
Be(OH)2
Это гидроксид бериллия. При нормальных условиях он выглядит как гелеобразное вещество белого цвета, которое почти не растворяется в воде. Но зато этот процесс успешно происходит, когда он попадает в разбавленную минеральную кислоту. Вот так, кстати, выглядит реакция серной кислоты и гидроксида бериллия по формуле: Ве(ОН) 2 + H 2 SO 4 → BeSO 4 + 2Н 2 О. В результате, как можно видеть, образуется соль и вода. С щелочами оксид тоже взаимодействует. Выглядит это так: Ве(ОН) 2 + 2NaOH → Na 2 Be(OH) 4 .
Еще интересная реакция происходит при температурном воздействии. Если увеличить показатель до 140 °C, то вещество разложится на оксид и воду: Ве(ОН) 2 → ВеО + Н 2 О. Кстати, получают гидроксид посредством обработки солей бериллия, которая происходит либо с участием щелочных металлов, либо в ходе гидролиза натрия. Также в данном процессе может участвовать фосфид металла.
BeSO4
Это сульфат бериллия. Это вещество представляет собой твердые кристаллы белого цвета. Его получают в результате взаимодействия серной кислоты и любой соли бериллия в воде. Сопровождается процесс выпариванием и последующей кристаллизацией получающегося в итоге продукта. Если нагреть гидрат до 400 °C, то получится разложить его на Н 2 О и безводную соль. У BeSO 4 было весьма специфичное применение. Его смешивали с сульфатом радия (неорганическое вещество щелочноземельного радиоактивного металла) и использовали в атомных реакторах в качестве источника нейтронов. На сегодняшний день его нередко применяют в таком виде альтернативной медицины, как гомеопатия.
Ве(NO3)2
Это нитрат бериллия. Он является средней солью этого металла и азотной кислоты. Данное соединение может существовать лишь как кристаллогидраты различного состава. Безводных нитратов просто не существует. Вследствие добавления концентрированной азотной кислоты удается выделить из водного раствора тетрагидрат бериллия. Формула выглядит так: Ве(NO 3) 2 .4Н 2 О. Интересно, что кристаллы данного вещества расплываются на воздухе. А в результате реакций, проводимых в растворе с 54-процентным содержанием азотной кислоты, может образовываться тригидрат. Также с участием данных веществ можно образовать дигидрат.
Нитрат данного металла раньше активно использовался в производстве колпачков так называемых газокалильных ламп. Он идеально для этого подходил, ведь мог термически разлагаться, образовывая оксид. Но потом повсеместно начало распространяться электрическое освещение, и данная технология канула в лету, как и применение нитрата. Он, к слову, является токсичным, как и любые другие бериллиевые соединения. Более того, даже в малых количествах данное вещество - раздражитель, провоцирующий острую пневмонию.
Получение металла
В промышленности бериллий - это активно используемый металл, который нужно производить в большом количестве. Поэтому используется самый оперативный метод. Заключается он в переработке берилла (минерала, кольцевого силиката) в сульфат или гидроксид данного элемента. Металлический бериллий производят посредством восстановления фторида BeF 2 при помощи магния. Осуществляется данный процесс при температурном режиме в 900-1300 °С или другим методом - электролизом хлорида BeCl 2 . В этой реакции участвует хлорид натрия (NaCl), а происходит все при температуре 350 °С.
Получаемое в итоге вещество отправляют на дистилляцию в вакуум. Результатом данного процесса становится металл высокой чистоты.
Металлопроизводство
В этой сфере активно применяется такой химический элемент, как бериллий. Он - эффективная легирующая добавка. Бериллий включают в состав сплавов для того, чтобы повысить их прочности и твердость. С присутствием данного металла они также обретают коррозионную устойчивость. Изделия, произведенные из сплавов с бериллием, очень долговечные и прочные. Какие, например? Яркий пример - пружинные контакты. Всего 0,5 % этого металла достаточно добавить в бронзу, из которой их делают. Пружины получаются крепкими и остаются упругими вплоть до температуры красного каления. Они, в отличие от изделий из любого другого сплава, выдерживают миллиарды циклов огромной нагрузки.
Аэрокосмические технологии
В производстве систем наведения и тепловых экранов ни один другой конструкционный металл не проявляет себя так, как бериллий. Ему в данной сфере нет равных. Этот металл добавляют в конструкционные материалы, чтобы они обрели легкость и при этом получили увеличенную стойкость к высоким температурам и прочность. Такие сплавы получаются в полтора раза легче алюминия и прочнее.
Еще в строении аэрокосмической техники используются бериллиды, являющиеся интерметаллическими соединениями данного вещества с другими металлами. Они очень твердые, имеют малую удельную плотность и поразительную устойчивость к температуре. Поэтому из бериллидов делают обшивки самолетов и ракет, используют их в производстве двигателей, систем наведения, тормозов. Даже сплавы титана по своим качествам проигрывают данным веществам. Кстати, немалому количеству бериллидов свойственны специфические ядерные характеристики. Именно поэтому их еще применяют в атомной энергетике (делают отражатели нейтронов, например).
Другие сферы применения
Помимо перечисленного, бериллий (точнее его алюминат) также используют в производстве твердотельных излучателей. Были выявлены и топлива, содержащие это вещество. Они являются менее токсичными и более дешевыми, чем все остальные. В частности, было обнаружено ракетное топливо с гидридом бериллия. Важно отметить, что уже упомянутый ранее оксид бериллия - самый теплопроводный из всех существующих. Поэтому его используют в качестве высокотемпературного изолятора и стойкого огнеупорного материала.
А еще бериллий является популярным веществом для изготовления электродинамических громкоговорителей. Ведь он твердый и легкий. Вот только из-за хрупкости, дорогостоящей обработки и токсичности динамики с этим металлом применяют лишь в профессиональных аудиосистемах. А некоторые производители, чтобы улучшить показатели своих продаж, заявляют об использовании этого металла в своей технике, даже если это не так.
Бериллий относят к группе металлов. И, несмотря на то, что в природе он довольно редкое явление, его часто используют в промышленности. Кто знает, возможно, без него не осуществилась бы давняя мечта человечества — полёт в космос, ведь этот серебристо-серый металл практически незаменим в строении ракет и в аэрокосмической отрасли.
В поисках названия — от Велура до Берилловой земли
Несложно догадаться, что свое наименование бериллий получил от минерала берилла. Но что известно о происхождении корня слова — «берилл»? Предполагается, что название минерала связано с торговым городом Велур на юге Индии, в окрестностях которого было найдено месторождение изумрудов — разновидностей берилла. Берилл означает «кристалл», «жемчуг», или «отбелить, становиться бледным».
В 1798 известный французский химик Луи Никола Воклен выявил в минерале берилле окись неизвестного ранее металла бериллия. Его работа была опубликована в научном журнале. Редактор издания решил дать элементу название «глицина» (с древнегреческого. «глюциний» означает сладкий), так как при растворении в воде его соединения принимали сладковатый вкус. Однако немецкому химику Мартину Клапроту и шведскому минералогу Андерсу Экебергу такое название хим.элемента пришлось не по душе, и приведя в аргумент то, что у солей иттрия также сладкий вкус и дали свое название элементу – «берриловая земля».
Тем не менее, примерно до середины 19 века бериллий все равно называли «глицинием» или «глюцинием». Стоит отметить, что в выявлении этого элемента оставлен и русский след. Русский горный инженер И. В. Авдеев в ходе своих исследований выявил точный состав соединений бериллия. Данные этого ученого пригодилось Дмитрию Менделееву при составлении знаменитой Периодической таблицы, в ней Менделеев отнес бериллий ко 2-ой группе элементов.
Еще один важный факт — Вокленом металл был выделен не в чистом виде, а лишь в виде оксида ВеО, а беспримесный бериллий получили лишь в 1828 году.
Насколько опасен бериллий для организма человека
Бериллий , в отличие от своего минерала бериллонита, для магов, литотерапевтов и астрологов не представляет никакого интереса. Все дело в ядовитых качествах элемента, из-за которых человеку попросту опасно работать с ним без использования специальных приборов.
Известно, что в организм человека с пищей и водой бериллий поступает в малых количествах, в основном он присутствует в томатах и листовом салате.
Преимущественно бериллий попадает в организм человека ингаляционно, через органы дыхания в виде дыма и пара. Поэтому люди, чья работа сопряжена с частым вдыханием пыли, содержащей бериллий, рискуют приобрести такое профессиональное заболевание как бериллиоз (саркоидоз легких). Печальная статистика гласит, что из 100 отравлений бериллием, 10 случаев заканчивались летальным исходом для человека. Первый случай со смертельным исходом был зафиксирован в 1930 году, тогда в воздухе на 1 кубический метр было всего 25 мг бериллия.
При чрезмерной насыщенности бериллия в пище может произойти процесс, вследствие чего разовьется неизлечимый бериллиевый рахит. От него страдают животные, чья область обитания попадает под провинции, богатые бериллием.
Агентство по охране окружающей среды США заявило, что преимущественно поступление элемента в среду обитания и деятельности человека происходит через сжигание каменного угля. Чаще всего он загрязняет почву, поступление его в воду невелико.
В ходе исследований, проведенных Международным агентством по изучению рака, и связанных с влиянием бериллия на здоровье человека, этот химический элемент причислен к потенциально канцерогенным веществам.
Где применяется бериллий
Наибольшие запасы бериллия находятся в США, преимущественно в Юте, кроме того залежи бериллия имеются в Бразилии и России. Бериллий используют для надобностей оборонной промышленности. К примеру, этот металл применяют в производстве реакторов для атомных подлодок, кораблей — в электронном, оптическом и спутниковом оборудовании.
Находят применение бериллию в атомной отрасли. Распространено использование этого металла в нефтедобывающей и газовой промышленностях, а также в изготовлении компьютеров. Может быть использован бериллий для изготовления медицинского оборудования, в частности для ренгтен-аппаратов.
Пик частого применения бериллия в производстве самолетов выпал на 40-ые, военные годы, так как во время Второй Мировой выросла необходимость в быстром и высококачественном изготовлении боевых воздушных кораблей.
Кроме того бериллий незаменим при изготовлении тормозов для аэрокосмического оборудования, тепловых экранов.
Материалы, созданные на основе бериллия, ценны множеством свойств: они и легки, и прочны, и стойки к высоким температурам.
