Бери́ллий (химический символ — Be, от ) — химический элемент 2-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы второй группы, IIA) второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 4.
Как простое вещество бериллий — это хрупкий относительно твёрдый металл светло-серого цвета с характерным металлическим блеском. Чрезвычайно токсичен. Бериллий и его соединения являются канцерогенами, группа 1 по классификации МАИР.
История
Открыт в 1798 году французским химиком Луи Николя Вокленом, который назвал его глюцинием. Современное название элемент получил по предложению химиков немца Клапрота и шведа Экеберга.
Большую работу по установлению состава соединений бериллия и его минералов провёл русский химик Иван Авдеев. Именно он доказал, что оксид бериллия имеет состав BeO, а не Be2O3, как считалось ранее.
В свободном виде бериллий был выделен в 1828 году французским химиком Антуаном Бюсси и независимо от него немецким химиком Фридрихом Вёлером. Чистый металлический бериллий был получен в 1898 году французским физиком Полем Лебо с помощью электролиза расплавов солей.
Происхождение названия Название бериллия произошло от названия минерала берилла () (силикат бериллия и алюминия, Be3Al2Si6O18), 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 «глиций» ( — сладкий).
Происхождение бериллия В процессах как первичного, так и звёздного нуклеосинтеза рождаются лишь лёгкие нестабильные изотопы бериллия. Стабильный изотоп может появиться как в звёздах, так и в межзвёздной среде в результате распада более тяжелых ядер, бомбардируемых космическими лучами. В атмосфере Земли радиоактивный непрерывно образуется в результате расщепления ядер кислорода космическими лучами.
Нахождение в природе Во Вселенной бериллий относительно редкий элемент, потому что он не образуется в результате ядерных реакций в недрах звёзд. В основном бериллий образуется при взрыве сверхновых, в результате чего более тяжёлые ядра расщепляются на более лёгкие потоками быстрых частиц. На Солнце наблюдаемая концентрация бериллия составляет 0,1 части на миллиард. В земной коре бериллий имеет концентрацию от 2 до 6 частей на миллион. 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 минералов тёмного цвета 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 постколлизионных и анорогенных гранитоидов — 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 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 и бертрандит.
Разновидности берилла считаются драгоценными камнями: аквамарин — голубой, зеленовато-голубой, голубовато-зелёный; изумруд — густо-зелёный, ярко-зелёный; гелиодор — жёлтый; известны ряд других разновидностей берилла, различающихся окраской (тёмно-синие, розовые, красные, бледно-голубые, бесцветные и др.). Цвет бериллу придают примеси различных элементов.
Месторождения Месторождения минералов бериллия присутствуют на территории Бразилии, Аргентины, Африки, Индии, Казахстана, России (Ермаковское месторождение в Бурятии, Малышевское месторождение в Свердловской области, пегматиты восточной и юго-восточной части Мурманской области) и др. Бертрандит наиболее распространён в США, особенно в штате Юта.
Изотопы бериллия
Природный бериллий состоит из единственного изотопа 9Be. Все остальные изотопы бериллия (их известно 11, кроме стабильного 9Be) нестабильны. Наиболее долгоживущих из них два: 10Be с периодом полураспада около и 7Be с периодом полураспада Бериллий — Кругосвет.
Физические свойства
Бериллий — металл серебристо-белого цвета, обладающий относительно высокой твёрдостью (5,5 баллов по Моосу), что превосходит по твёрдости другие лёгкие металлы (алюминий, магний). Хрупок. Имеет высокий модуль упругости — 300 ГПа (у сталей — 200—210 ГПа). Скорость звука в бериллии очень высока — , что в 2—3 раза больше, чем в других металлах. Имеет высокую теплопроводность и высокую температуру плавления.
Химические свойства В большинстве соединений бериллий имеет степень окисления +2. Степень окисления +1 у бериллия была получена при исследовании процессов испарения бериллия в вакууме в тиглях из оксида бериллия ВеО с образованием летучего оксида Ве2O в результате сопропорционирования
Be + BeO -> Be2O.
Также степень окисления +1 известна в дибериллоцене Be2(C5H5)2.
Степень окисления 0 известна в соединении LMgBeC5(CH3)5, где L — комплексный диимидный лиганд.
В дибериллидах циркония и гафния (ZrBe2 и HfBe2) атомы бериллия имеют степень окисления −2 и образуют графитоподобные слои.
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 малореакционноспособен при комнатной температуре, т.к. на воздухе активно покрывается стойкой оксидной плёнкой BeO. 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 ещё более высокой температуры. Аммиак взаимодействует с бериллием при температуре выше 1200 °C с образованием нитрида Be3N2, а углерод даёт карбид Ве2С при 1700 °C. С водородом бериллий непосредственно не реагирует.
Бериллий легко растворяется в разбавленных водных растворах кислот (соляной, серной кислотами, а азотной кислотой при нагревании), при этом холодная концентрированная азотная кислота пассивирует металл.
Реакция бериллия с водными растворами щелочей сопровождается выделением водорода и образованием гидроксобериллатов:
Be + 2NaOH + 2H2O -> Na2[Be(OH)4] + H2.
При проведении реакции с расплавом щёлочи при 400—500 °C образуются бериллаты:
Be + 2NaOH -> Na2BeO2 + H2. Гидроксид бериллия(II) амфотерен, причём как основные (с образованием Be2+), так и кислотные (с образованием [Be(OH)4]2−) свойства выражены слабо. Получают осаждением аммиаком из водных солей бериллия.
Получение В виде простого вещества в XIX веке бериллий получали действием калия на безводный хлорид бериллия:
BeCl2 + 2K -> Be + 2KCl
В настоящее время бериллий получают, восстанавливая фторид бериллия магнием:
BeF2 + Mg -> Be + MgF2
либо электролизом расплава смеси хлоридов бериллия и натрия. Исходные соли бериллия выделяют при переработке бериллиевой руды.
Производство и применение По состоянию на 2012 год основными производителями бериллия являлись: США (с большим отрывом) и Китай. Кроме них бериллиевую руду перерабатывает также Казахстан. В 2014 году произвела первый образец бериллия и Россия. На долю остальных стран в 2012 году приходилось 4 % мировой добычи. Всего в мире производится 300 тонн бериллия в год (2016 год) — URL: https://sciam.ru/articles/details/strasti-po-berilliyu .
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. В технике довольно широко распространены бериллиевые бронзы типа BeB (пружинные контакты). Добавка 0,5 % бериллия в сталь позволяет изготовить пружины, которые остаются упругими до температуры красного каления. Эти пружины способны выдерживать миллиарды циклов значительной по величине нагрузки. Кроме того, бериллиевая бронза не искрится при ударе о камень или металл. Один из сплавов носит собственное название рандоль. Благодаря его сходству с золотом рандоль называют «цыганским золотом».
Рентгенотехника
Бериллий слабо поглощает рентгеновское излучение, поэтому из него изготавливают окошки рентгеновских трубок (через которые излучение выходит наружу) и окошки рентгеновских и широкодиапазонных гамма-детекторов, через которые излучение проникает в детектор.
Ядерная энергетика
В атомных реакторах из бериллия изготовляют отражатели нейтронов, его используют как замедлитель нейтронов. В смесях с некоторыми -радиоактивными нуклидами бериллий используют в ампульных нейтронных источниках, так как при взаимодействии ядер бериллия-9 и -частиц возникают нейтроны:
9Ве + → n + 12C.
Оксид бериллия наряду с металлическим бериллием служит в атомной технике как более эффективный замедлитель и отражатель нейтронов, чем чистый бериллий. По этой причине оксид бериллия в смеси с окисью урана применяется в качестве очень эффективного ядерного топлива. Фторид бериллия в сплаве с фторидом лития применяется в качестве теплоносителя и растворителя солей урана, плутония, тория в высокотемпературных жидкосолевых атомных реакторах.
Фторид бериллия используется в атомной технике для варки стекла, применяемого для регулирования небольших потоков нейтронов. Самый технологичный и качественный состав такого стекла − (BeF2 — 60 %, PuF4 — 4 %, AlF3 — 10 %, MgF2 — 10 %, CaF2 — 16 %). Этот состав наглядно показывает один из примеров применения соединений плутония в качестве конструкционного материала (частичное).
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 материал. Конструкционные материалы на основе бериллия обладают одновременно и лёгкостью, и прочностью, и стойкостью к высоким температурам. Будучи в 1,5 раза легче алюминия, эти сплавы в то же время прочнее многих специальных сталей. Налажено производство бериллидов, применяемых как конструкционные материалы для двигателей и обшивки ракет и самолётов, а также в атомной технике.
Бериллий и его сплавы применялись при конструировании оборудования используемого астронавтами программы «Аполлон», в частности контейнеров ловушек ядер инертных газов и теплозащитных экранов радиоизотопных энергетических установок SNAP-27.Д. Ю. Гольдовский — Программа «Аполлон». Часть II. Обзор по материалам открытой иностранной печати, опубликованным до 1 июня 1971 года. — ГОНТИ-1, 1971 г. — Стр. 110, 118.