Бериллий

Бери́ллий (химический символ — Be, от лат. Beryllium) — 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<ref name="ХЭ" />, группа 1 по классификации МАИР<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

История

Файл:Louis Nicolas Vauquelin.jpg

Воклен, Луи Николя

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<ref>Шаблон:Книга</ref>.

Происхождение названия

Название бериллия произошло от названия минерала берилла (Шаблон:Lang-grc) (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» (Шаблон:Lang-grc — сладкий)<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Происхождение бериллия

В процессах как первичного, так и звёздного нуклеосинтеза рождаются лишь лёгкие нестабильные изотопы бериллия. Стабильный изотоп <math>\mathrm{{}^9Be}</math> может появиться как в звёздах, так и в межзвёздной среде в результате распада более тяжелых ядер, бомбардируемых космическими лучами<ref>Шаблон:Книга</ref>. В атмосфере Земли радиоактивный <math>\mathrm{{}^{10}Be}</math> непрерывно образуется в результате расщепления ядер кислорода космическими лучами<ref name="Emsley">Шаблон:Cite book</ref>.

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<ref>Шаблон:Cite web</ref>. В земной коре бериллий имеет концентрацию от 2 до 6 частей на миллион<ref name="Merck">Шаблон:Cite book</ref>. 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 — 6Шаблон:E мг/л<ref>Шаблон:Книга</ref>.

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<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Бертрандит наиболее распространён в США, особенно в штате Юта.

Изотопы бериллия

Шаблон:Main 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 Шаблон:Nobr и ⁷Be с периодом полураспада Шаблон:Nobr<ref name="kr">Бериллий Шаблон:Wayback — Кругосвет</ref>.

Физические свойства

Файл:BERYLLIUM - KUGEL 1.JPG

Шар из бериллия

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 — Шаблон:Nobr, 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<ref>Шаблон:Книга</ref>

<chem>Be + BeO -> Be2O</chem>.

Также степень окисления +1 известна в дибериллоцене Be₂(C₅H₅)₂<ref>Шаблон:Cite journal</ref>.

Степень окисления 0 известна в соединении LMgBeC₅(CH₃)₅, где L — комплексный диимидный лиганд<ref>Шаблон:Cite journal</ref>.

В дибериллидах циркония и гафния (ZrBe₂ и HfBe₂) атомы бериллия имеют степень окисления −2 и образуют графитоподобные слои<ref>Шаблон:Cite journal</ref>.

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<ref name="ХЭ" />.

Бериллий легко растворяется в разбавленных водных растворах кислот (соляной, серной кислотами, а азотной кислотой при нагревании), при этом холодная концентрированная азотная кислота пассивирует металл<ref name="ХЭ" />.

Реакция бериллия с водными растворами щелочей сопровождается выделением водорода и образованием гидроксобериллатов:

<chem>Be + 2NaOH + 2H2O -> Na2[Be(OH)4] + H2</chem>.

При проведении реакции с расплавом щёлочи при 400—500 °C образуются бериллаты:

<chem>Be + 2NaOH -> Na2BeO2 + H2</chem>.

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<ref name="ХЭ" />:

<chem>BeCl2 + 2K -> Be + 2KCl</chem>

В настоящее время бериллий получают, восстанавливая фторид бериллия магнием<ref name="ХЭ" />:

<chem>BeF2 + Mg -> Be + MgF2</chem>

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<ref>Шаблон:Cite web</ref>. В 2014 году произвела первый образец бериллия и Россия<ref>Шаблон:Cite web</ref>. На долю остальных стран в 2012 году приходилось 4 % мировой добычи. Всего в мире производится 300 тонн бериллия в год (2016 год)<ref name = "Chum">Шаблон:Статья — URL: https://sciam.ru/articles/details/strasti-po-berilliyu Шаблон:Wayback</ref>.

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»<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Рентгенотехника

Шаблон:Main 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

Шаблон:Main В атомных реакторах из бериллия изготовляют отражатели нейтронов, его используют как замедлитель нейтронов. В смесях с некоторыми Шаблон:Math-радиоактивными нуклидами бериллий используют в ампульных нейтронных источниках, так как при взаимодействии ядер бериллия-9 и Шаблон:Math-частиц возникают нейтроны:

⁹Ве + Шаблон:Math → 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

Шаблон:Main В лазерной технике находит применение алюминат бериллия для изготовления твердотельных излучателей (стержней, пластин).

Аэрокосмическая техника

Шаблон:Main 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.<ref>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.</ref>

Особый интерес представляют для астрономов бериллиевые зеркала<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Зеркала большой площади, часто с сотовой опорной конструкцией, используются, например, в метеорологических спутниках, где малый вес и долговременная стабильность размеров имеют решающее значение. Первичное зеркало космического телескопа Джеймса Уэбба состоит из 18 шестиугольных сегментов, изготовленных из позолоченного бериллия<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>. Поскольку телескоп будет работать при температуре 33 К, такое зеркало способно выдерживать экстремальные холода лучше, чем стекло. Бериллий сжимается и деформируется меньше чем стекло и остается более однородным при таких температурах. По той же причине оптика космического телескопа Спитцер полностью построена из металлического бериллия<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Ракетное топливо

Шаблон:Main Стоит отметить высокую токсичность и высокую стоимость металлического бериллия, и в связи с этим приложены значительные усилия для выявления бериллийсодержащих топлив, имеющих значительно меньшую общую токсичность и стоимость. Одним из таких соединений бериллия является гидрид бериллия.

Огнеупорные материалы

Файл:Оксид бериллия 99,9 %.jpg

Оксид бериллия 99,9 % (изделие)

Оксид бериллия является наиболее теплопроводным из всех оксидов, его теплопроводность при комнатной температуре выше, чем у большинства металлов и почти всех неметаллов (кроме алмаза и карбида кремния). Он служит высокотеплопроводным высокотемпературным изолятором и огнеупорным материалом для лабораторных тиглей и в других специальных случаях.

Акустика

Ввиду своей лёгкости и высокой твёрдости бериллий успешно применяется в качестве материала для электродинамических громкоговорителей. Однако, его высокая стоимость, сложность обработки (из-за хрупкости) и токсичность (при несоблюдении технологии обработки) ограничивают применение динамиков с бериллием дорогими профессиональными аудиосистемами<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Из-за высокой эффективности бериллия в акустике некоторые производители, с целью улучшения продаж, заявляют, что в их продукции используется бериллий, хотя это не соответствует действительности<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Большой адронный коллайдер

В точках столкновения пучков на Большом адронном коллайдере (БАК) вакуумная труба сделана из бериллия. Он одновременно практически не взаимодействует с частицами, произведёнными в столкновениях (которые регистрируют детекторы), но при этом достаточно прочен.

Биологическая роль и физиологическое действие

Ежедневное поступление бериллия в организм человека с пищей составляет около 0,01 мг. В живых организмах бериллий не несёт какой-либо значимой биологической функции. Однако бериллий может замещать магний в некоторых ферментах, что приводит к нарушению их работы.

Бериллий фитотоксичен, что связано с угнетением действия фосфатаз уже при содержании 2–16 мг/л, что проявляется в виде недоразвитых корней и чахлых листьев<ref name="Филов">Шаблон:Статья</ref>. Для гидробионтов ЛДШаблон:Sub находится в диапазоне концентраций 15–32 мг/л<ref name="Филов" />.

Токсическое действие бериллия связано с его проникновением в ядра клеток, что вызывает генные мутации, хромосомные аберрации и сестринский хроматидный обмен<ref name="Филов" />. Также ионы бериллия участвуют в конкурентных реакциях с ионами магния, кальция, марганца, что приводит к блокированию активации ими ферментов<ref name="Филов" />.

Летучие (и растворимые) соединения бериллия, в том числе и пыль, содержащая соединения бериллия, высокотоксичны для людей. Для воздуха ПДК в пересчёте на бериллий составляет Шаблон:Nobr. Бериллий обладает ярко выраженным аллергическим и канцерогенным действием. Вдыхание атмосферного воздуха, содержащего бериллий, приводит к тяжёлому заболеванию органов дыхания — бериллиозу<ref>Шаблон:Cite book</ref><ref name="БМЭ-3изд-ТОМ-32">Шаблон:БМЭ3</ref>. При этом отсутствует влияние бериллия на репродуктивную функцию и развитие плода<ref name="Филов" />.

См. также

• Шаблон:Cl
• Рандоль
• Сварка бериллия

Литература

• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга

Ссылки

• Бериллий на Webelements
• Бериллий в Популярной библиотеке химических элементов
• Шаблон:Cite web

	1	2															3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
1
2
3
4
5
6
7