Общие сведения
Бериллий (лат. Beryllium) Be, химический элемент II группы Периодической системы Менделеева, атомный номер 4, атомная масса 9,0122; легкий светло-серый металл. Имеет один стабильный изотоп Be9. Открыт только в 1798 г. в виде окиси BeO, выделенной из минерала берилла Л. Вокленом. А вот его главный минерал — берилл, а также разновидности берилла — изумруд, аквамарин и гелиодор — были известны человечеству еще в глубокой древности как прекрасные драгоценные камни. Собственно говоря, французский ученый Волкелен и назвал химический элемент по имени минерала, который он исследовал.
Металлический бериллий впервые получили в 1828 г. Ф. Велер и А. Бюсси независимо друг от друга. Так как некоторые соли бериллия сладкого вкуса, его вначале называли “глициний” (от греч. Glykys — “сладкий”) или “глиций”.
Название Glicinium (знак GI) употребляется (наряду с бериллием) только во Франции. Применение бериллия началось в 1940-х гг., хотя его ценные свойства как компонента сплавов были обнаружены еще ранее, а замечательные ядерные — в начале 30-х гг. XX в.
Бериллий — редкий элемент, среднее содержание его в земной коре 10—4 %, по массе он — типичный литофильный элемент, характерный для кислых, субщелочных и щелочных магм. Известно около 40 минералов бериллия.
Из них наибольшее практическое значение имеет берилл, перспективны и частично используются фенакит, гельвин, хризоберилл, бертрандит.
Физические и химические свойства
Кристаллическая решетка бериллия гексагональная плотноупакованная с периодами а = 2,855 и с = 3,5840. Бериллий легче алюминия, его плотность 1847,7 кг/м3 (у Al около 2700 кг/м3), t пл 1284 °C, t кип 2450 °С.
Бериллий обладает наиболее высокой из всех металлов теплоемкостью, 1,80 кдж/(кгК) или 0,43 ккал/ (кг°С), высокой теплопроводностью, 178 вт/(мК) или 0,45 кал/(см сек°С) при 50 °С, низким электросопротивлением, 3,6—4,5 мком см при 20 °С; коэффициент линейного расширения 10,3—131 (25—100 °С).
Эти свойства зависят от качества и структуры металла и заметно меняются с температурой. Механические свойства зависят от чистоты металла, величины зерна и текстуры, определяемой характером обработки. Обработка давлением приводит к определенной ориентации кристаллов бериллия: возникает анизотропия, становится возможным значительное улучшение свойств. Механические свойства в направлении, перпендикулярном вытяжке, почти не меняются. Бериллий — хрупкий металл; его ударная вязкость 10—50 кдж/м2 (0,1—0,5 кгс.м/см2). Температура перехода из хрупкого состояния в пластическое 200—400 °С.
В химических соединениях бериллий двухвалентен (конфигурация внешних электронов 2S2). Обладает высокой химической активностью, но компактный металл устойчив на воздухе благодаря образованию тонкой и прочной пленки окиси BeO. При нагревании выше 800 °С быстро окисляется. С водой при температуре до 100 °С бериллий практически не взаимодействует. Легко растворяется в плавиковой, соляной, разбавленной серной кислотах, слабо реагирует с концентрированной серной и разбавленной азотной кислотами и не реагирует с концентрированной азотной. Растворяется в водных растворах щелочей, образуя соли бериллаты, например Na2BeO2. При комнатной температуре реагирует с фтором, а при повышенных — с другими галогенами и сероводородом. Взаимодействует с азотом при температуре выше 650 °С с образованием нитрида Be3N2 и при температуре выше 1200 °С с углеродом, образуя карбид Be2C. С водородом практически не реагирует во всем диапазоне температур. Гидрид бериллия получен при разложении бериллийорганических соединений и устойчив до 240 °С. При высоких температурах бериллий взаимодействует с большинством металлов, образуя бериллиды; с алюминием и кремнием дает эвтектические сплавы. Растворимость примесных элементов в бериллии чрезвычайно мала. Мелкодисперсный порошок бериллия сгорает в парах серы, селена, теллура. Расплавленный бериллий взаимодействует с большинством окислов, нитридов, сульфидов и карбидов. Единственно пригодным материалом тиглей для плавки бериллия служит бериллия окись.
Получение и применение
В промышленности металлический бериллий и его соединения получают переработкой берилла в гидроокись Be(OH)2 или сульфат BeSО4. По одному из способов измельченный берилл спекают с Na2SiF6, образующиеся фторбериллаты натрия Na2BeF4 и NaBeF3 выщелачивают из смеси водой; при добавлении к этому раствору NaOH в осадок выпадает Be(OH)2. По другому способу берилл спекают с известью или мелом, спек обрабатывают серной кислотой; образующийся BeSО4 выщелачивают водой и осаждают аммиаком Be(OH)2. Более полная очистка достигается многократной кристаллизацией BeSO4, из которого прокаливанием получают BeO. Известно также вскрытие берилла хлорированием или действием фосгена. Дальнейшая обработка ведется с целью получения BeF2 или BeCl2.
Металлический бериллий получают восстановлением BeF2 магнием при 900—1300 °С или электролизом BeCl2 в смеси с NaCI при 350 °С.
Полученный металл переплавляют в вакууме. Металл высокой чистоты получают дистилляцией в вакууме, а в небольших количествах — зонной плавкой; применяют также электролитическое рафинирование.
Из-за трудностей получения качественных отливок заготовки для изделий из бериллия готовят методами порошковой металлургии. Бериллий измельчают в порошок и подвергают горячему прессованию в вакууме при 1140—1180 °С. Прутки, трубы и другие профили получают выдавливанием при 800—1050 °С (горячее выдавливание) или при 400—500 °С (теплое выдавливание). Листы из бериллия получают прокаткой горячепрессованных заготовок или выдавленных полос при 760—840 °С. Применяют и другие виды обработки — ковку, штамповку, волочение. При механической обработке бериллия пользуются твердосплавным инструментом.
Сочетание малой атомной массы, малого сечения захвата тепловых нейтронов и удовлетворительной стойкости в условиях радиации делает бериллий одним из лучших материалов для изготовления замедлителей и отражателей нейтронов в атомных реакторах. В металле выгодно сочетаются малая плотность, высокий модуль упругости, прочность, теплопроводность. По удельной прочности бериллий превосходит все металлы. Благодаря этому в конце 1950-х — начале 1960-х гг. бериллий стали применять в авиационной, ракетной и космической технике и приборостроении. Однако его высокая хрупкость при комнатной температуре — главное препятствие к его широкому использованию как конструкционного материала.
Бериллий входит в состав сплавов на основе Al, Mg, Cu и других цветных металлов. Некоторые бериллиды тугоплавких металлов рассматриваются как перспективные конструкционные материалы в авиа- и ракетостроении. Бериллий применяется также для поверхностной бериллизации стали. Из бериллия изготовляют окна рентгеновских трубок, используя его высокую проницаемость для рентгеновских лучей (в 17 раз большую, чем у алюминия).
Широкое производство чистого бериллия началось после Второй мировой войны. Его переработка осложняется высокой токсичностью летучих соединений и пыли, содержащей бериллий, поэтому при работе с ним и его соединениями нужны специальные меры защиты.
Бериллий научились использовать только в середине ХХ в. “Металлом будущего” назвал бериллий академик А.Е. Ферсман. Сегодня он применяется в авиастроении, а также при высокотемпературных процессах (бериллий очень жаропрочен). Полезными свойствами обладает не только чистый бериллий, но и его сплавы, что особенно ценно. Драгоценные виды берилла — очень дорогие камни. Самый знаменитый из них — ярко-зеленый изумруд. Его место — в золотой оправе ювелирного кольца или в императорской короне. А обычный берилл — светло-зеленый или желтовато-зеленый кристалл в форме призмы, имеющий в поперечнике форму правильного шестиугольника. За особые технические качества бериллий получил название “чудо-металл”, а за коварную токсичность в ряде работ немецких авторов он именуется “чертов металл”. Объем потребляемого в промышленном производстве бериллия во всем мире постоянно увеличивается, соответственно возрастают число лиц, подвергающихся в производственных условиях воздействию бериллия, и опасность загрязнения окружающей среды.
Пыль и пары бериллия очень опасны и чреваты поражением легких и развитием системных осложнений. Благодаря его стойкости в отношении разрушения и “изнашивания” этот металл получил широкое применение в сплавах, изготовлении инструментария и в самолетостроении. Риск, связанный с использованием этого металла, был известен еще со Второй мировой войны. Бериллий использовался в люминесцентных лампах, а внезапный разрыв этих трубок способен нанести эпизодический, но ощутимый вред.
Использование бериллия в люминесцентной промышленности было прекращено прежде всего именно из-за бериллиоза.
