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 таблице Менделеева 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 алюминия 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 литием и магнием. 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 серебристый, 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, сплавы 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 меди 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 бронзе, 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 литье.
По аналогии действуют, так же, с составами на основе алюминия. Если же сочетать 4-ый металл с танталом или цирконием, 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 берилла, изумруда, александрита.
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.
Автор КакПросто!
Бериллий – это высокотоксичный твердый металл светло-серого цвета. Он имеет высокую стоимость, в основном из-за ограниченного количества месторождений и широкого применения этого химического элемента в производстве.
Бериллий был открыт в 1798 году и изначально носил название «глицин», а современное наименование получил много позже, по предложению Клапрота и Экеберга, немецкого и шведского ученых. В лаборатории металлический бериллий был выведен в 1898 году французом Лебо, который использовал для этого электролиз расплавленных солей. Основные месторождения бериллия находятся на территории Индии, Африки, Бразилии и Аргентины. В России также есть бериллиевые залежи — это знаменитое Ермаковское месторождение в Бурятии, которое было открыто в 1965 году. Здесь находятся единственные залежи бериллия на российской территории, которые можно задействовать в производстве.
Одно из основных применений бериллия – использование его как добавки к различным сплавам. Это увеличивает прочность металла, а в некоторых случаях подобный сплав просто необходим, например, для создания
пружин
, которые работают при высоких температурах.
Бериллий применяется для создания так называемой бериллиевой бронзы. Это сплав меди с добавлением одного-трех процентов бериллия. Такое соединение хорошо поддается механической обработке, и, в отличие от большинства металлов, бериллиевая бронза со временем не теряет своей прочности — она наоборот, только возрастает.
Бериллиевая бронза не магнитится и не искрит при ударах, ее использование в авиационной промышленности принимает весьма масштабный характер: из бериллиевой бронзы производится более тысячи деталей для современных тяжелых самолетов, в том числе тормоза и тепловые экраны с высокоточной системой наведения. Материалы из бериллия в полтора раза
легче алюминия
, но
прочнее сталичто делает
его идеальным материалом для ракетостроения и производства атомной техники. Также его удешевленная форма — гидрид бериллия, используется в некоторых типах ракетного топлива.
Открытие в тридцатых годах двадцатого века нейтрона, которое было сделано не без помощи бериллия, стало толчком для изучения атомной структуры этого металла. Выяснилось, что у него множество свойств, необходимых для работы в сфере ядерной энергетики, в том числе радиационная стойкость.
Но главным образом бериллий в атомной сфере используется как отражатель и замедлитель нейтронов, а оксид бериллия, смешанный с окисью урана, применяется в качестве эффективного ядерного топлива. Также фторид бериллия действует как
растворитель
некоторых веществ в ядерном реакторе, поэтому найти ему замену в современной атомной энергетике практически невозможно.
Распечатать
Где используется бериллий
История открытия бериллия начинается с XVIII столетия, в конце которого французский химик Л. Воклен пытался установить, чем схож по химическому составу ценный минерал бериллия с изумрудом. Из последнего минерала он и выделил оксид элемента BeO. Получить металлический бериллий удалось лишь 30 лет спустя в 1828 году. Пройдет еще семидесятилетие, прежде чем другой француз – Поль Лебо синтезирует чистые металлические кристаллы вещества посредством электролиза бериллия и двойного фторида калия. Ученый пошел далее, испытав кристаллический порошок на вкус, откуда и пошло изначальное название элемента – глюциний (glykуs – сладкий в переводе с греческого). Кстати, во Франции наименование бериллий – Be часто сопровождается Glicinium – Gl до сих пор.
Физические свойства бериллия
В свободном состоянии элемент представляет легкий металл серебристо-серого цвета. На воздухе бериллий приобретает матовый оттенок вследствие, быстрого образования поверхностной оксидной пленки. Строение атома бериллия включает четыре электрона, образующих конфигурацию 1s22s2. Параметры атомного и ионного радиусов Ве составляют 0.113, 0.034 нанометра, соответственно. Порядковый номер элемента в периодической таблице – 4. Атомная масса бериллия – 9.0122.
Фото бериллий
Элемент характеризуется плотностью 1.816 грамм на сантиметр кубический, и рядом критических температур:
плавления – 1278 0С;кипения – 2470 0С;фазового перехода от гексагональной к кубической решетке – 1277 0С.
Бериллий характеризуется наивысшей теплоемкостью, относительно других металлов, хорошей теплопроводностью и низким электрическим сопротивлением.
Химические свойства бериллия
Элемент 2-валентен. Его отличает высокая химическая активность. Устойчивости бериллия на воздухе способствует быстрое окисление: образование прочной поверхностной пленки ВеО, препятствует дальнейшим реакциям. Дальнейшее быстрое окисление металла происходит при нагревании свыше 800 0С. Взаимодействие металла с водой происходит только после достижения температуры ее кипения. Бериллий растворим в большинстве кислот, исключение составляет только концентрированная азотная. Также элемент растворяется в водных растворах щелочей, образуя соли бериллия.
Видео — Бериллий. Легкий и дорогой металл:
Взаимодействие Be с другими элементами происходит преимущественно при нагревании. Так, нитрид бериллия образуется при температуре свыше 650 0С в атмосфере азота. Взаимодействие Be с углеродом при 1200 0С и выше переводит металл в карбид бериллия. Более интересно происходит образование гидрида бериллия. Действительно сам металл не взаимодействует с водородом при любых температурах. Поэтому получить гидрид бериллия можно только вследствие разложения органических соединений, содержащих Be. Еще одна особенность, которой характеризуется гидрид бериллия – он устойчив только при температурах менее 240 0С.
Получение бериллия
Металлический Be получают из одноименного минерала – берилл. Для этого, исходное сырье перерабатывается в гидроксид или сульфат бериллия. В обоих случаях процедура проходит в несколько стадий. В частности, чтобы получить сульфат бериллия, исходный минерал спекается с известью. Полученное соединение впоследствии обрабатывается серной кислотой. На заключительной стадии образовавшийся сульфат бериллия выщелачивают водой и осаждают аммиаком.
Видео — Дороже Золота. Первый российский бериллий:
Альтернативные способы получения чистой формы металла, предусматривают вскрытие берилла, с последующей обработкой состава двумя способами, чтобы получить:
Фторид бериллия.Хлорид бериллия.
В первом случае, полученный фторид бериллия проходит процедуру восстановления магнием при температуре около 1000 0С. Во втором варианте, для выделения чистого металла производится электролиз хлорида бериллия в смеси с NaCl.
Завершающий этап – получение высокочистого металлического Be происходит различными способами:
дистилляция в вакууме;зонная плавка;электронное рафинирование.
Полученный металл измельчают до порошкообразного состояния и прессуют в вакууме при температуре около 1150 0С.
Трубная продукция, прутки и прочие виды профилей металла изготавливаются по технологии горячего и теплого выдавливания, тогда как листовой бериллий производится посредством прокатки. Ковки или волочения.
Применение бериллия
Как и для прочих металлов, востребованность бериллия связана с его физико-химическими свойствами. В частности, присущая элементу низкая величина сечения захвата тепловых нейтронов, а также его малая масса, делает металл перспективным для использования в атомных реакторах. Из него изготавливаются замедлители и отражатели нейтронов для этих установок.
Высокие параметры прочности и модуля упругости при низкой плотности элемента вызвали интерес к бериллию со стороны таких отраслей, как авиационная и космическая техника, ракетостроение. Единственное препятствие для широкого использования металла в качестве конструкционного материала связана с с хрупкостью Be при комнатной температуре. Тем не менее, легированные бериллием тугоплавкие металлы, – остаются перспективными конструкционными материалами в авиации и ракетостроении.
Высокая проницаемость рентгеновским излучением (превышает аналогичный параметр алюминия в 17раз) тоже нашла применение металлу. Из него производятся окна рентгеновских трубок. Наконец, еще одно использование бериллия связано с применением это соединений в качестве твердого ракетного топлива.
Детали из бериллиевой бронзы
Альтернативно, элемент имеет высокий потенциал как легирующая добавка к сплавам металлов. Бериллий даже в незначительных пропорциях способен существенно улучшать такие характеристики соединений, как твердость, прочность, устойчивость к коррозии. Одно из перспективных направлений легирования Be связано со сплавами меди. Внедрение элемента на уровне 3 – 6%, создает бериллиевые бронзы – материал, интенсивно используемый в производстве пружин с улучшенными характеристиками:
устойчивость;низкая механическая усталость;отсутствие искрения в результате ударов.
Используется бериллиевая бронза и как обшивка кораблей в космонавтике. Это обусловлено, тем, что данный сплав превосходит легированные стали по разрывной прочности. Дополнительный фактор в пользу бериллиевой бронзы – низкий уровень механической усталости в процессе эксплуатации.
Со временем открываются новые перспективы использования металла. Так, металлургическое применение бериллия связано с парой Be-Mg. Добавка 0,005% бериллия резко сокращает расход магния на испарение и окисление. В медицине применяется хлорид бериллия, как вещество для диагностики туберкулеза. Массовое потребление бериллии, как и рост цен на него, началось с середины прошлого века, что открыло другую важную деталь, связанную с переработкой этого металла.
Биологическое воздействие бериллия
Как элемент, Be присутствует в тканях большинства представителей флоры и фауны. Так, концентрация бериллия в почве составляет тысячные доли процента, для золы растений эта величина на порядок меньше. Относительно животных, Be равномерно распределен у них по тканям, с суммарной концентрацией, которая исчисляется в пределах от десятитысячных до тысячных долей процента. При нормально функционировании организма, половина бериллия выделяется с мочой. Оставшаяся часть элемента оседает в костях – 30%, печени и почках – по 8%.
Металлическая пыль бериллия — очень опасна для человека
Опасен ли бериллий?
Для человека вредны летучие соединения бериллия, его пыль. Как результат, переработка Be требует соблюдения определенных норм безопасности, в частности использование специальных мер защиты, чтобы избежать отравления бериллием.
Случай в истории СССР
В недалекие советские времена, а именно в 1990 году, в Казахской ССР на одном из металлургических предприятий (сейчас это АО УМЗ), которое работало с бериллием, произошел взрыв в бериллиевом цехе — вся опасная пыль и мелкая стружка поднялась в небо над городом Усть-Каменогорск. Превышение ПДК вредных веществ, как тогда зафиксировали, составило 14 000 раз.
Всего произошло около 5 взрывов, при этом в воздух поднялось 65 тонн мельчайшего бериллия. Как это все происходило и как боролись с катастрофой — читайте историю большого взрыва.
После взрыва люди боялись последствий, кто-то пророчил, что результат взрыва проявится через 15 лет — на нынешних детях, на беременных женщинах, какие именно тяжелые последствия ждут людей — никто толком не знал. И вот, прошло уже больше 26 лет — катастрофических изменений в жизни населения города не произошло, не считаю тех людей, кто оказался непосредственно в эпицентре взрыва, городу повезло — пыль осела и не распространилась воздуху.
Так сегодня выглядит территория завода АО «УМЗ» в котором и сейчас существует бериллиевый цех