Бериллий

Бериллий — элемент главной подгруппы второй группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 4. Обозначается символом Be (лат. Beryllium ).

История открытия бериллия

История элемента №4 началась с того, что его долго не могли открыть. Многие химики XVIII в. анализировали берилл (основной минерал бериллия), но никто из них не смог обнаружить в этом минерале нового элемента.

Даже современному химику, вооруженному фотометрическим, полярографическим, радиохимическим, спектральным, радиоактивационным и флуориметрическим методами анализа, нелегко выявить этот элемент, словно прячущийся за спину алюминия и его соединений, – настолько похожи их признаки. Первым исследователям бериллия приходилось, разумеется, гораздо труднее.

Но вот в 1798 г. французский химик Луи Никола Воклен, занимаясь сравнительным анализом берилла и изумруда, открыл в них неизвестный окисел – «землю». Она была очень похожа на окись алюминия (глинозем), однако Воклен заметил и отличия. Окисел растворялся в углекислом аммонии (а окись алюминия не растворяется); сернокислая соль нового элемента не образовывала квасцов с сернокислым калием (а сернокислая соль алюминия такие квасцы образует). Именно этой разницей в свойствах Воклен и воспользовался для разделения окислов алюминия и неизвестного элемента. Редакция журнала «Annales de chimie», опубликовавшего работу Воклена, предложила для открытой им «земли» название «глицина» (от греческого ?????? – сладкий) из-за сладкого вкуса ее солей. Однако известные химики М. Клапрот и А. Экеберг сочли это название неудачным, так как соли иттрия также имеют сладковатый вкус. В их работах «земля», открытая Вокленом, называется берилловой. Тем не менее, в научной литературе XIX в. вплоть до 60-х годов, элемент №4 сплошь и рядом называется «глицием», «глицинием» или «глюцинием». Ныне это название сохранилось только во Франции.

Интересно отметить, что с предложением называть элемент №4 бериллием еще в 1814 г. выступал харьковский профессор Ф.И. Гизе.

Окисел был получен, но еще долгое время никому не удавалось выделить бериллий в чистом виде. Только через 30 лет Ф. Вёлер и А. Бюсси получили немного порошкообразного металла действием металлического калия на хлористый бериллий, но металл этот содержал много примесей. Прошло еще почти 70 лет, прежде чем П. Лебо смог получить (в 1898 г.) чистый бериллий электролизом бериллиево-фтористого натрия.


Сходство бериллия с алюминием принесло немало хлопот и автору периодического закона Д.И. Менделееву. Именно из-за этого сходства в середине прошлого века бериллий считали трехвалентным элементом с атомным весом 13,8. Но, будучи помещен в таблице между углеродом и азотом, как того требовал его атомный вес, бериллий вносил полную путаницу в закономерное изменение свойств элементов. Это было серьезной угрозой периодическому закону. Однако Менделеев был уверен в правильности открытой им закономерности и доказывал, что атомный вес бериллия определен неверно, что бериллий должен быть не трехвалентным, а двухвалентным элементом «с магнезиальными свойствами». Исходя из этого, Менделеев поместил бериллий во вторую группу периодической системы вместе с двухвалентными щелочноземельными металлами, исправив его атомный вес на 9.

Первое подтверждение своих взглядов Менделеев нашел в одной из малоизвестных работ русского химика И.В. Авдеева, который считал, что окись бериллия химически подобна окиси магния. А в конце 70-х годов прошлого века шведские химики Ларе Фредерик Нильсон и Отто Петерсон (некогда бывшие самыми ярыми сторонниками мнения о трехвалентном бериллии), повторно определив атомный вес бериллия, нашли его равным 9,1.

Так бериллий, бывший первым камнем преткновения на пути периодического закона, только подтвердил его всеобщность. Благодаря периодическому закону стало более четким понятие о физической и химической сущности бериллия.

Нахождениебериллияв природе

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. Это, конечно, очень немного, но и не так уж мало, если вспомнить, например, что такого известного элемента как свинец, на Земле вдвое меньше, чем бериллия.

Бериллы встречаются в гранитных пегматитах, имеющихся почти во всех странах земного шара. Это красивые зеленоватые кристаллы, достигающие иногда очень больших размеров; известны бериллы-гиганты весом до тонны и длиной до 9 м.

К сожалению, пегматитовые месторождения очень малы, и добывать там берилл в широких промышленных масштабах не удается. Однако есть и другие источники бериллия, в которых его концентрация гораздо выше. Это так называемые пневмато-гидротермальные месторождения (т.е. месторождения, образовавшиеся в результате взаимодействия высокотемпературных паров и растворов с определенными типами горных пород).

Основная масса бериллия в магматических породах связана с плагиоклазами, где бериллий замещает кремний. Однако наибольшие его концентрации характерны для некоторых тёмноцветных минералов 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 — 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. 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, в РФ (Республика Бурятия) разрабатывается фенакит-бертрандитовое Ермаковское месторождение.

Разновидности берилла считаются драгоценными камнями: аквамарин — голубой, зеленовато-голубой, голубовато-зеленый; изумруд — густо-зеленый, ярко-зеленый; гелиодор — желтый; известны ряд других разновидностей берилла, различающихся окраской (темно-синие, розовые, красные, бледно-голубые, бесцветные и др.). Цвет бериллу придают примеси различных элементов.

Физические свойствабериллия

Свойства бериллия чаще всего именуются «удивительными», «чудесными» и т.п. Отчасти это справедливо, причем главная «удивительность» заключается в сочетании противоположных, иногда, казалось бы, взаимоисключающих свойств. Бериллий обладает одновременно и легкостью, и прочностью, и теплостойкостью. Этот металл серебристо-серого цвета в полтора раза легче алюминия и в то же время прочнее специальных сталей. Особенно важно, что бериллий и многие его сплавы не утрачивают полезных свойств при температуре 700. 800°C и могут работать в таких условиях.

Чистый бериллий очень тверд – им можно резать стекло. К сожалению, твердости сопутствует хрупкость.

Бериллий очень устойчив против коррозии. Как и алюминий, он покрывается при взаимодействии с воздухом тонкой окисной пленкой, защищающей металл от действия кислорода даже при высоких температурах. Лишь за порогом 800°C идет окисление бериллия в массе, а при температуре 1200°C металлический бериллий сгорает, превращаясь в белый порошок BeO.

Кристаллическая решетка Бериллия гексагональная плотноупакованная с периодами а=2,855? и с = 3,5840?. Бериллий легче алюминия, его плотность 1847,7 кг/м 3 (у Аl около 2700 кг/м 3 ), tпл 1285°С, tкип 2470°С.

Бериллий обладает наиболее высокой из всех металлов теплоемкостью, 1,80 кДж/(кг·К) или 0,43 ккал/(кг·°С), высокой теплопроводностью, 178 Вт/(м·К) 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. Модуль продольной упругости (модуль Юнга) 300 Гн/м 2 (3·10 4 кгс/мм 2 ). Механические свойства Бериллия зависят от чистоты металла, величины зерна и текстуры, определяемой характером обработки. Предел прочности Бериллий при растяжении 200-550 Мн/м 2 (20-55 кгс/мм 2 ), удлинение 0,2-2%. Обработка давлением приводит к определенной ориентации кристаллов Бериллий, возникает анизотропия, становится возможным значит, улучшение свойств. Предел прочности в направлении вытяжки доходит до 400-800 Мн/м 2 (40-80 кгс/мм 2 ), предел текучести 250-600 Мн/м 2 (25-60 кгс/мм 2 ), а относительное удлинение до 4-12%. Механические свойства в направлении, перпендикулярном вытяжке, почти не меняются. Бериллий - хрупкий металл; его ударная вязкость 10-50 кДж/м 2 (0,1-0,5 кгс·м/см 2 ). Температура перехода Бериллия из хрупкого состояния в пластическое 200-400°С.

Химические свойствабериллия

Металлический бериллий относительно мало реакционноспособен при комнатной температуре. В компактном виде он не реагирует с водой и водяным паром даже при температуре красного каления и не окисляется воздухом до 600° С. Порошок бериллия при поджигании горит ярким пламенем, при этом образуются оксид и нитрид. Галогены реагируют с бериллием при температуре выше 600° С, а халькогены требуют еще более высокой температуры. Аммиак взаимодействует с бериллием при температуре выше 1200° С с образованием нитрида Be3 N2. а углерод дает карбид Ве2 С при 1700° С. С водородом бериллий непосредственно не реагирует.

Химические свойства бериллия во многом похожи на свойства магния (Mg) и, особенно, алюминия (Al). Близость свойств бериллия и алюминия объясняется почти одинаковым отношением заряда катиона к его радиусу для ионов Be 2+ и Al 3+ .

На воздухе бериллий, как и алюминий, покрыт оксидной пленкой, придающей бериллию матовый цвет. Наличие оксидной пленки предохраняет металл от дальнейшего разрушения и обусловливает его невысокую химическую активность при комнатной температуре.

При нагревании бериллий сгорает на воздухе с образованием оксида BeO, реагирует с серой и азотом. С галогенами бериллий реагирует при обычной температуре или при слабом нагревании, например:

Все эти реакции сопровождаются выделением большого количества теплоты, так как прочность кристаллических решеток возникающих соединений (BeO, BeS, Be3 N2. ВеСl2 и др.) довольно велика.

Благодаря образованию на поверхности прочной пленки оксида бериллий не реагирует с водой, хотя находится в ряду стандартных потенциалов значительно левее водорода. Как и алюминий, бериллий реагирует с кислотами и растворами щелочей:

Гидроксид бериллия Be(OH)2 — полимерное соединение, нерастворимое в воде. Оно проявляет амфотерные свойства:

В большинстве соединений бериллий проявляет координационное число 4. Например, в структуре твердого BeCl2 имеются цепочки с мостиковыми атомами хлора.

За счет образования прочных тетраэдрических анионов многие соединения бериллия вступают в реакции с солями других металлов:

С водородом (H) бериллий непосредственно не взаимодействует. Гидрид бериллия BeH2 — полимерное вещество, его получают реакцией.

проводимой в эфирном растворе.

Действием на гидроксид бериллия Be(OH)2 растворами карбоновых кислот или при упаривании растворов их бериллиевых солей получают оксисоли бериллия, например, оксиацетат Be4 O(CH3 COO)6. Эти соединения содержат тетраэдрическую группировку Be4 O, по шести ребрам этого тетраэдра располагаются ацетатные группы. Такие соединения играют большую роль в процессах очистки бериллия, так как они не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях и легко возгоняются в вакууме.

Извлечение металла из его природных минералов (в основном берилла) включает в себя несколько стадий, при этом особенно важно отделить бериллий от сходного по свойствам и сопутствующего бериллию в минералах алюминия (Al). Можно, например, сплавить берилл с гексафторосиликатом натрия Na2 SiF6 :

В результате сплавления образуются криолит Na3 AlF6 — плохо растворимое в воде соединение, а также растворимый в воде фторобериллат натрия (Na) Na2 [BeF4 ]. Его далее выщелачивают водой. Для более глубокой очистки бериллия от алюминия (Al) применяют обработку полученного раствора карбонатом аммония (NH4 )2 CO3. При этом алюминий оседает в виде гидроксида Al(OH)3. а бериллий остается в растворе в виде растворимого комплекса (NH4 )2 [Be(CO3 )2 ]. Этот комплекс затем разлагают до оксида бериллия ВеО при прокаливании:

Другой метод очистки бериллия от алюминия основан на том, что оксиацетат бериллия Be4 O(CH3 COO)6. в отличие от оксиацатата алюминия [Al3 O(CH3 COO)] + CH3 COO –. имеет молекулярное строение и легко возгоняется при нагревании.

Известен также способ переработки берилла, в котором сначала берилл обрабатывают концентрированной серной кислотой при температуре 300°C, а затем спек выщелачивают водой. Сульфаты алюминия (Al) и бериллия при этом переходят в раствор. После добавления к раствору сульфата калия (K) K2 SO4 удается осадить алюминий (Al) из раствора в виде алюмокалиевых квасцов KAl(SO4 )2 ·12H2 O. Дальнейшую очистку бериллия от алюминия проводят так же, как и в предыдущем методе.

Наконец, известен и такой способ переработки берилла. Исходный минерал сначала сплавляют с поташем K2 CO3. При этом образуются бериллат K2 BeO2 и алюминат калия KAlO2 :

После выщелачивания водой полученный раствор подкисляют серной кислотой. В результате в осадок выпадает кремниевая кислота. Из фильтрата далее осаждают алюмокалиевые квасцы, после чего в растворе из катионов остаются только ионы Ве 2+ .

Из полученного тем или иным способом оксида бериллия ВеО затем получают фторид, из которого магнийтермическим методом восстанавливают металлический бериллий:

Металлический бериллий можно приготовить также электролизом расплава смеси BeCl2 и NaCl при температурах около 300°C. Раньше бериллий получали электролизом расплава фторобериллата бария Ba[BeF4 ]:

Открытый еще в конце XVIII в. бериллий 100 с лишним лет оставался «безработным» элементом, хотя химикам уже были известны его уникальные и очень полезные свойства. Для того чтобы эти свойства перестали быть «вещью в себе», требовался определенный уровень развития науки и техники. В 30-х годах академик А.Е. Ферсман называл бериллий металлом будущего. Сейчас о бериллии можно и должно говорить как о металле настоящего.

Биологическая рольбериллияи его физиологическое действие

Бериллий присутствует в тканях многих растений и животных. Содержание Бериллия в почвах колеблется от 2·10 -4 до 1·10 -3 % ; в золе растений около 2·10 -4 %. У животных Бериллий распределяется во всех органах и тканях; в золе костей содержится от 5·10 -4 до 7·10 -3 % Бериллия. Около 50% усвоенного животным Бериллия выделяется с мочой, около 30% поглощается костями, 8% обнаружено в печени и почках.

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. Нормальное содержание бериллия в организме взрослого человека (при массе тела 60 кг) составляет 0,031 мг, ежедневное поступление с пищей — около 0,01 мг.

Бериллий — ядовит: Летучие (и растворимые) соединения бериллия, в том числе и пыль, содержащая соединения бериллия, высокотоксичны. Для воздуха ПДК в пересчёте на бериллий составляет 0,001 мг/м?. Бериллий обладает ярко выраженным аллергическим и канцерогенным действием. Вдыхание атмосферного воздуха содержащего бериллий приводит к тяжёлому заболеванию органов дыхания — бериллиозу.

Рекомендуем ознакомится: http://www.protown.ru