Берилій - Властивості хімічних елементів
Властивості дорогоцінних мінералів
Берилій(лат. Beryllium), Be, хемічний елемент II групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 4, атомна маса 9,0122; легкий світло-сірий метал. Має один стабільний ізотоп 9 Ве.
Історична довідка. Відкритий 1798 року як оксиду ВеО, виділеної з мінералу берила Л. Вокленом. Металевий Берилій вперше отримали в 1828 Ф. Велер і А. Бюссі незалежно один від одного. Так як деякі солі Берилію солодкого смаку, його спочатку називали "глюциній" (від грец. glykys - солодкий) або "гліцій". Назва Glicinium (знак Gl) вживається (поряд із Бериллієм) лише у Франції. Застосування Берилію почалося в 40-х роках 20 століття, хоча його цінні властивості як компонента сплавів виявили ще раніше, а чудові ядерні - на початку 30-х років 20 століття.
Фізичні властивості Берилію. Кристалічна решітка Берилія гексагональна щільноупакована з періодами а = 2,855 і с = 3,5840. Берилій легший за алюміній, його щільність 1847,7 кг/м 3 (у Аl близько 2700 кг/м 3 ), tпл 1285°С, tкіп 2470°С.
Бериліймає найбільш високу з усіх металів теплоємність, 1,80 кДж/(кг·К) або 0,43 ккал/(кг·°С), високу теплопровідність, 178 Вт/(м·К) або 0,45 кал/(см · сек · ° С) при 50 ° С, низьким електроопір, 3,6-4,5 мком · см при 20 ° С; коефіцієнт лінійного розширення 103-131 (25-100°С). Ці властивості залежать від якості та структури металу та помітно змінюються з температурою. Модуль поздовжньої пружності (модуль Юнга) 300 Гн/м 2 (3 10 4 кгс/мм 2 ). Механічні властивості Берилію залежать від чистоти металу, величини зерна та текстури, що визначається характером обробки. Межа міцності Берилій при розтягуванні 200-550 Мн/м2 (20-55 кгс/мм2), подовження 0,2-2%. Обробка тиском призводить до певної орієнтації кристалів Берилію, виникає анізотропія, стає можливим значить поліпшення властивостей. Межа міцності у напрямі витяжки сягає 400-800 Мн/м 2 (40-80 кгс/мм 2 ), межа плинності 250-600 Мн/м 2 (25-60 кгс/мм 2 ), а відносне подовження до 4-12 %. Механічні властивості у напрямку, перпендикулярному до витяжки, майже не змінюються. Берилій – тендітний метал; його ударна в'язкість 10-50 кДж/м 2 (0,1-0,5 кгс·м/см 2 ). Температура переходу Берилію з тендітного стану пластичний 200-400°С.
Хімічні властивості Берилію. У хімічних сполуках Берилій 2-валентний (конфігурація зовнішніх електронів 2s 2 ). Берилій має високу хімічну активність, але компактний метал стійкий на повітрі завдяки утворенню тонкої та міцної плівки оксиду ВеО. При нагріванні вище за 800°С швидко окислюється. З водою до 100 ° С Берилій практично не взаємодіє. Легко розчиняється в плавиковій, соляній, розведеній сірчаній кислотах, слабо реагує з концентрованою сірчаною та розведеною азотною кислотами та не реагує з концентрованою азотною.Розчиняється у водних розчинах лугів, утворюючи солі берилати, наприклад, Na2BeO2. При кімнатній температурі реагує з фтором, а при підвищених - з іншими галогенами та сірководнем. Взаємодіє з азотом при температурі вище 650°З утворенням нітриду Be3N2 і при температурі вище 1200°З вуглецем, утворюючи карбід Ве2С. З воднем практично не реагує у всьому діапазоні температур. Гідрид Берилію отриманий при розкладанні берилійорганічних сполук і стійкий до 240°С. При високих температурах Берил взаємодіє з більшістю металів, утворюючи берилліди; з алюмінієм та кремнієм дає евтектичні сплави. Розчинність домішкових елементів у Берилії надзвичайно мала. Дрібнодисперсний порошок Берилія згоряє в парах сірки, селену, телуру. Розплавлений Берилій взаємодіє з більшістю оксидів, нітридів, сульфідів та карбідів. Єдино придатним матеріалом тиглів для плавки Берилію є оксид берилію.
Гідрооксид Be(OH)2 – слабка основа з амфотерними властивостями. Солі Берилію сильно гігроскопічні і за невеликим винятком (фосфат, карбонат) добре розчиняються у воді, їх водні розчини внаслідок гідролізу мають кислу реакцію. Фторид BeF2 з фторидами лужних металів та амонію утворює фторберилати, наприклад Na2BeF4, що мають велике промислове значення. Відомий ряд складних берилійорганічних сполук, гідроліз та окислення деяких з них протікають із вибухом.
Отримання Берилію. У промисловості металевий Берилій та його сполуки отримують переробкою берила в гідрооксид Ве(ОН)2 або сульфат BeSO4. По одному зі способів, подрібнений берил спікають з Na2SiF6, фторберилати натрію Na2BeF4 і NaBeF3, що утворюються, вилуговують з суміші водою; при додаванні до цього розчину NaOH осад випадає Ве(ОН)2.Інакше, берил спікають з вапном або крейдою, спек обробляють сірчаною кислотою; BeSO4, що утворюється, вилуговують водою і осаджують аміаком Ве(ОН)2. Більш повне очищення досягається багаторазовою кристалізацією BeSO4, з якого прожарюванням отримують ВеО. Відомо також розтин берилу хлоруванням або дією фосгену. Подальша обробка ведеться з метою отримання BeF2 або ВеCl2.
Металевий Берилій отримують відновленням BeF2 магнієм при 900-1300°З електролізом ВеСl2 в суміші з NaCl при 350°С.
Отриманий метал переплавляють у вакуумі. Метал високої чистоти одержують дистиляцією у вакуумі, а в невеликих кількостях - зонною плавкою; застосовують також електролітичне рафінування.
Через труднощі отримання якісних виливків заготовки для виробів із Берилію готують методами порошкової металургії. Берилій подрібнюють на порошок і піддають гарячому пресуванню у вакуумі при 1140-1180°С. Прутки, труби та інші профілі отримують видавлюванням при 800-1050 ° С (гаряче видавлювання) або при 400-500 ° С (тепле видавлювання). Листи з Берилію одержують прокаткою гарячепресованих заготовок або видавлених смуг при 760-840°С. Застосовують та інші види обробки - кування, штампування, волочіння. При механічній обробці Берилії користуються твердосплавним інструментом.
Застосування Берилію. Поєднання малої атомної маси, малого перерізу захоплення теплових нейтронів (0,009 барн на атом) та задовільної стійкості в умовах радіації робить Берилій одним з кращих матеріалів для виготовлення сповільнювачів та відбивачів нейтронів в атомних реакторах. У Берилії вигідно поєднуються мала щільність, високий модуль пружності, міцність, теплопровідність. За питомою міцністю Берилій перевершує всі метали. Завдякицьому наприкінці 50 - початку 60-х років Берилій стали застосовувати в авіаційній, ракетній та космічній техніці та гіроприладобудуванні. Однак висока крихкість Берилію при кімнатній температурі – головна перешкода для його широкого використання як конструкційного матеріалу. Берилій входить до складу сплавів на основі Al, Mg, Cu та інших кольорових металів.
Деякі бериліди тугоплавких металів розглядаються як перспективні конструкційні матеріали в авіа- та ракетобудуванні. Берилій також застосовується для поверхневої берилізації сталі. З Берилію виготовляють вікна рентгенівських трубок, використовуючи його високу проникність для рентгенівських променів (17 разів більшу, ніж у алюмінію). Берилій застосовується в нейтронних джерелах на основі радію, полонію, актинія, плутонію, оскільки він має властивість інтенсивного випромінювання нейтронів при бомбардуванні α-частинками. Берилій та деякі його сполуки розглядаються як перспективне тверде ракетне паливо з найвищими питомими імпульсами.
Широке виробництво чистого Берилію почалося після Другої світової війни. Переробка Берилію ускладнюється високою токсичністю летких сполук та пилу, що містить Берилій, тому при роботі з Бериллієм та його сполуками потрібні спеціальні заходи захисту.
Берилій в організмі. Берилій присутній у тканинах багатьох рослин та тварин. Зміст Берилію в ґрунтах коливається від 2 · 10 -4 до 1 · 10 -3 %; у золі рослин близько 2·10 -4%. У тварин Берилій розподіляється у всіх органах та тканинах; у золі кісток міститься від 5·10 -4 до 7·10 -3 % Берилію. Близько 50% засвоєного твариною Берилія виділяється із сечею, близько 30% поглинається кістками, 8% виявлено у печінці та нирках. Біологічне значення Берилію мало з'ясовано; воно визначається участюБерилій в обміні Mg та Р у кістковій тканині. При надлишку в раціоні Берилію, мабуть, відбувається зв'язування в кишечнику іонів фосфорної кислоти в невловимий фосфат Берилію. Активність деяких ферментів (лужної фосфатази, аденозинтрифосфатази) гальмується малими концентраціями Берилію. Під впливом Берилію при нестачі фосфору розвивається бериллієвий рахіт, що не виліковується вітаміном D, що зустрічається у тварин у біогеохімічних провінціях, багатих Бериллієм.