Бериллий, химический элемент второй группы периодической системы с атомным номером 4, обладает и атомной массой 9 и химическим символом Be, представляет собой серый металл с выдающимися физическими свойствами. Прочнее стали и легче алюминия, бериллий обладает высокой температурой плавления, отличной термической стабильностью, а также проводимостью, отражательной способностью и проницаемостью рентгеновскими лучами. Эти уникальные характеристики делают его неотъемлемым материалом в различных отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая, телекоммуникационная, информационная, оборонная, медицинская и ядерная.
Основные минералы, используемые для добычи бериллия, включают бертрандит и берилл. Бериллий применяется в трех формах: в виде чистого металла, оксида бериллия и чаще всего в сплавах с медью, алюминием, магнием или никелем. Оксид бериллия, известный своей высокой теплоемкостью, является важным компонентом чувствительного электронного оборудования. Сплавы бериллия подразделяются на высокие (до 30% бериллия) и низкие (2-3% бериллия) содержания бериллия, при этом медно-бериллиевый сплав часто используется для изготовления втулок, подшипников и пружин. Бериллий также обнаруживается в шлаках и летучей золе в виде следового металла.
Название "бериллий" произошло от греческого слова "beryllos" (берилл). Этот блестящий, мягкий и самый легкий щелочно-земельный металл серебристо-белого цвета не взаимодействует с воздухом и водой, даже при высоких температурах. Естественные источники бериллия включают руды и минералы, такие как берилл, аквамарин и бертрандит.
Бериллий находит применение в различных областях, таких как сплавы с медью и никелем для улучшения их тепло- и электропроводности, а также в атомной, авиационной, космической промышленности, приборостроении и производстве люминесцентных ламп. Этот элемент также включен в состав ракетного топлива и применяется в медицине, особенно в рентгеновских установках. Бериллий, представляющий собой относительно твёрдый металл светло-серого цвета, выделяется своей чрезвычайной токсичностью, относясь к канцерогенам первой категории по МАИР.
История
Минералы бериллия, такие как аквамарин, изумруд, александрит и другие, использовались в ювелирном искусстве до нашей эры. Термин "берилл" встречается в греческих и латинских античных произведениях. В 1798 году французский химик Луи-Никола Воклен описал ранее неизвестное вещество – оксид бериллия, извлеченное из минерала берилла. Металлический бериллий был впервые получен в 1828 году Ф. Вёлером в Германии и А. Бюсси во Франции в результате восстановления хлорида бериллия калием.
Элемент был открыт в 1798 году Луи Никола Вокленом, который придал ему название глюциний. Впоследствии, благодаря предложению химиков Клапрота из Германии и Экеберга из Швеции, ему было присвоено современное название – бериллий. В исследованиях по составу соединений бериллия и его минералов роль сыграл русский химик Иван Авдеев. Он доказал, что оксид бериллия имеет состав BeO, а не Be2O3, как считалось ранее.
В чистом виде бериллий был выделен в 1828 году французским химиком Антуаном Бюсси и немецким химиком Фридрихом Вёлером. Полностью чистый металлический бериллий был получен в 1898 году французским физиком Полем Лебо с использованием электролиза расплавленных солей.
Происхождение названия
Название бериллия происходит от термина "берилл", который в свою очередь связан с минералом бериллом (силикат бериллия и алюминия, Be3Al2Si6O18). Этот термин имеет происхождение от названия города Белур (Веллуру) в Южной Индии, рядом с Мадрасом, где с древних времен были известны месторождения изумрудов — одной из разновидностей берилла. В Индии издавна известны месторождения изумрудов — одной из разновидностей берилла. Из-за сладкого вкуса растворимых в воде соединений бериллия элемент вначале называли "глиций" (др.-греч. γλυκύς — сладкий).
Нахождение в природе
Бериллий представляет собой относительно редкий элемент во Вселенной, поскольку не образуется в результате ядерных реакций в звездных недрах. Преимущественно бериллий образуется при взрыве сверхновых, где более тяжелые ядра расщепляются на легкие под воздействием быстрых частиц. В солнечной короне концентрация бериллия составляет 0,1 часть на миллиард. В земной коре содержание бериллия варьирует от 2 до 6 частей на миллион. Среднее содержание в земной коре составляет 3,8 г/т и увеличивается от ультраосновных (0,2 г/т) к кислым (5 г/т) и щелочным (70 г/т) породам. Большинство бериллия в магматических породах связано с плагиоклазами, где бериллий замещает кремний.
Наибольшие концентрации бериллия наблюдаются в некоторых минералах темного цвета и мусковите (десятки, реже сотни г/т). В щелочных породах бериллий, в основном, рассеивается, но при формировании кислых горных пород он может накапливаться в постмагматических продуктах постколлизионных и анорогенных гранитоидов, таких как пегматиты и пневматолито-гидротермальные тела. Бериллий образует собственные минералы в пегматитах, а также находится в изоморфной форме в породообразующих и второстепенных минералах (микроклине, альбит, кварц, слюда и др.). В щелочных пегматитах бериллий встречается в небольших количествах в составе редких минералов, таких как эвдидимит, чкаловит, анальцим и лейкофан.
Содержание бериллия в морской воде крайне низкое — 6⋅10−7 мг/л. В земной коре содержание бериллия составляет 6·10–4% по массе. Свободного бериллия в природе не встречается. Среди важных бериллиевых минералов, входящих в состав бериллиевых руд, можно выделить берилл (3BeO·Al2O3·6SiO2) и его разновидности, фенакит (2BeO·SiO2), бертрандит (4BeO·2SiO2·H2O), а также гельвин ((Mn,Fe,Zn)4[BeSiO4]3S).
Физические свойства
Бериллий представляет собой твёрдый металл (5,5 баллов по Моосу), превосходящий в твёрдости другие лёгкие металлы, такие как алюминий и магний, но является хрупким и имеет серебристо-белый цвет. Его модуль упругости составляет 300 ГПа (в то время как у сталей этот показатель варьирует в пределах 200—210 ГПа). На воздухе бериллий активно образует стойкую оксидную плёнку BeO. Скорость звука в бериллии очень высока — 12 600 м/с, что превышает этот показатель в 2—3 раза по сравнению с другими металлами. Бериллий обладает высокой теплопроводностью и высокой температурой плавления.
Химические свойства
Бериллий, химический элемент с атомным номером 4, проявляет разнообразие химических свойств. У него существуют две характерные степени окисления: 0 и +2. Гидроксид бериллия(II) обладает амфотерными свойствами, выражаясь как основные (образуя Be2+), так и кислотные (образуя [Be(OH)4]2−) свойства, хотя их проявление слабо. Также была выявлена степень окисления +1 в результате исследований процессов испарения бериллия в вакууме. Подобие в химических свойствах бериллия с алюминием, а не с находящимся под ним магнием, иллюстрирует явление "диагонального сходства" в таблице Менделеева.
Металлический бериллий обладает низкой реакционной способностью при комнатной температуре. В компактной форме он не взаимодействует с водой и водяным паром, даже при высоких температурах. Под действием огня порошок бериллия горит ярким пламенем, образуя оксид и нитрид. Взаимодействие с галогенами требует температур выше 600 °C, а с халькогенами – ещё более высоких температур. Аммиак реагирует с бериллием при высоких температурах, образуя нитрид Be3N2, в то время как углерод даёт карбид Be2C при 1700 °C. С водородом бериллий непосредственно не реагирует.
Бериллий легко растворяется в разбавленных водных растворах кислот (соляной, серной, азотной), однако холодная концентрированная азотная кислота пассивирует металл. Реакция бериллия с водными растворами щелочей сопровождается выделением водорода и формированием гидроксобериллатов. При взаимодействии с расплавом щёлочи формируются бериллаты.
Конфигурация внешней электронной оболочки атома бериллия – 2s2. В соединениях бериллий проявляет степени окисления +2, редко +1. Электроотрицательность по Полингу составляет 1,57. Атомный радиус 113,3 пм, радиус иона Be2+ – 30 пм с координационным числом 3. Энергия ионизации от Be0 до Be2+ равна 899,4 и 1757,1 кДж/моль. Стандартный электродный потенциал пары Be2+/Be в водном растворе составляет –1,847 В.
Бериллий представляет собой серебристо-белый твёрдый металл с температурой плавления 1287 °C и температурой кипения 2471 °C. Существует две структурные модификации: α-Be с гексагональной решёткой до 1250 °C и β-Be с кубической объёмно-центрированной решёткой выше 1250 °C. Механические свойства бериллия сильно зависят от чистоты и способа термической обработки. Этот металл не реагирует с воздухом и водой при температуре красного каления благодаря формированию на поверхности плотной плёнки оксида BeO. Однако при температуре выше 800 °C наблюдается окисление. С галогенами он образует галогениды, особенно важен фторид BeF2. С азотом формирует нитрид Be3N2, а с углеродом – карбид Be2C. Реакции с разбавленной и концентрированной соляной и серной кислотами сопровождаются образованием соответствующих солей. Бериллий также проявляет активность в высоких температурах, восстанавливая оксиды и галогениды многих металлов. В жидком состоянии он способен растворять многие металлы, образуя твёрдые растворы и интерметаллиды.
Однако важно отметить, что летучие и растворимые соединения бериллия, а также пыль, содержащая бериллий или его соединения, обладают высокой токсичностью, проявляя аллергическое и канцерогенное действие. Вдыхание паров и пыли бериллия может вызвать заболевание лёгких, известное как бериллиоз.
Аллотропные модификации
Существует 2 аллотропные модификации бериллия:
- α-бериллий с гексагональной плотноупакованной кристаллической решёткой,
- β-бериллий с кубической объёмно-центрированной кристаллической решёткой
Изотопы
Бериллий в природе представлен единственным стабильным изотопом 9Be. Все прочие изотопы бериллия (в их числе 11, за исключением стабильного 9Be) являются нестабильными. Среди них выделяются два наиболее долгоживущих: 10Be с периодом полураспада распада приблизительно 1,4 миллиона лет и 7Be с периодом полураспада в 53 дня.
Получение
Процесс извлечения бериллия из руд осуществляется разнообразными методами. Один из них – сернокислотный метод, включает в себя спекание рудного концентрата с использованием Na2CO3 или CaCO3, последующую обработку спека концентрированной H2SO4 при температуре примерно 300 °C. Образующиеся сульфаты бериллия и алюминия дополняют сульфатом калия, в результате чего образуются малорастворимые алюмокалиевые квасцы KAl(SO4)2·12H2O. Раствор подвергают обработке NaOH, при этом образуется Be(OH)2.
Другой метод – фторидный метод. В нем рудный концентрат спекается с Na2[SiF6], что приводит к разложению с выделением летучего SiF4. Образуется тетрафторобериллат натрия Na2[BeF4], растворимый в воде. Этот метод ограничивается летучестью SiF4. Следующим этапом является осаждение Be(OH)2 из раствора Na2[BeF4] при воздействии NaOH. Очистку бериллия проводят с использованием растворимого карбонатного комплекса бериллия (NH4)2[Be(CO3)2] или переводом Be(OH)2 в BeF2 либо BeCl2 через сублимацию оксоацетата бериллия. Металлический бериллий получают восстановлением BeF2 магнием при температуре около 1300 °C или электролизом расплава смеси хлоридов бериллия и натрия. Очистку завершают вакуумной дистилляцией или зонной плавкой.
Применение
Бериллий применяется в качестве добавки к различным сплавам с целью повышения их твёрдости и прочности, а также устойчивости к коррозии. В технических приложениях широко используются бериллиевые бронзы, такие как BeB (пружинные контакты). Примесь 0,5% бериллия в сталь позволяет создавать пружины, поддерживающие упругость до температуры красного каления, способные выдерживать миллиарды циклов значительной нагрузки. Бериллиевая бронза также не искрится при ударе о камень или металл. Один из сплавов, известный как рандоль, получил прозвище "цыганское золото" из-за своего сходства с золотом.
Бериллий применяется в рентгенотехнике для создания окошек рентгеновских трубок и гамма-детекторов, так как он слабо поглощает рентгеновское излучение. В области ядерной энергетики, бериллий используется в атомных реакторах для изготовления отражателей нейтронов и как замедлитель нейтронов. Бериллий также применяется в смесях с α-радиоактивными нуклидами в ампульных нейтронных источниках.
В атомной технике оксид бериллия, наряду с металлическим бериллием, используется в качестве замедлителя и отражателя нейтронов. Также оксид бериллия смешивается с оксидом урана для создания эффективного ядерного топлива. Фторид бериллия в сочетании с фторидом лития применяется в атомной технике для варки стекла, регулирующего потоки нейтронов.
В лазерной технике используется алюминат бериллия для создания твердотельных излучателей, таких как стержни и пластины. В аэрокосмической технике бериллий превосходит другие конструкционные материалы в производстве тепловых экранов и систем наведения, обладая лёгкостью, прочностью и устойчивостью к высоким температурам. Бериллий и его сплавы также используются в ракетостроении и атомной технике.
В области астрономии бериллиевые зеркала привлекают внимание, особенно для создания легких и стабильных зеркал, используемых в спутниках. Примером такого применения является первичное зеркало телескопа Джеймса Уэбба, состоящее из 18 сегментов, изготовленных из позолоченного бериллия. Оптика телескопа Спитцер также полностью изготовлена из металлического бериллия.
В контексте ракетного топлива отмечается высокая токсичность и стоимость металлического бериллия. Исследования направлены на поиск бериллийсодержащих топлив с более низкой токсичностью и стоимостью, таких как гидрид бериллия.
Оксид бериллия с содержанием 99,9% используется как огнеупорный материал с высокой теплопроводностью в лабораторных тиглях и других специальных случаях.
Бериллий, благодаря своей лёгкости и твёрдости, находит применение в электродинамических громкоговорителях, несмотря на ограничения, связанные с высокой стоимостью и токсичностью.
В точках столкновения пучков на Большом адронном коллайдере (БАК) вакуумные трубы изготовлены из бериллия для минимизации взаимодействия с частицами, производимыми в столкновениях.
Биологическая роль
Бериллий принадлежит к классу токсичных химических элементов, его воздействие на организм человека осуществляется через пищу или воздух. Суточное потребление бериллия составляет примерно 10-20 мкг, и его всасываемость в желудочно-кишечном тракте ограничена взаимодействием с фосфатами и образованием малорастворимых соединений. Общее содержание бериллия в организме человека варьирует от 0,4 до 40 мкг, и этот элемент присутствует в различных тканях, включая кровь, кости, мышцы и другие органы. Выведение бериллия из организма в основном происходит с мочой.
Физиологическая роль бериллия плохо изучена, однако известно, что он может влиять на фосфорно-кальциевый обмен и иммунный статус организма. Бериллий проявляет активность в различных биохимических превращениях, включая участие в метаболизме неорганических фосфатов.
Данные о токсической и летальной дозах бериллия для человека отсутствуют. Индикаторы элементного статуса бериллия оцениваются по уровню этого элемента в моче, волосах и плазме крови, а также концентрации магния в тех же образцах и содержанию сывороточных белков и аминокислот в моче.
Для подтверждения диагноза "хронический бериллиоз" используются различные тесты, включая определение содержания бериллия в биоптатах костной и легочной тканей, уровня иммуноглобулинов в сыворотке крови, оценку функции легких и клиренса мочевой кислоты.
Информации о пониженном содержании бериллия в организме нет. Повышенное содержание бериллия может быть обусловлено избыточным поступлением этого элемента, что может привести к образованию фосфата бериллия и разрушению костной ткани.
Бериллий считается токсичным, канцерогенным и мутагенным элементом. Ингаляция бериллия в концентрациях, превышающих предельно допустимые значения, вызывает патогенные эффекты, включая ингибирование активности ферментов и иммунотоксические свойства. Выявлены острые и хронические отравления бериллием, а также медленное выводение его соединений из организма.
Магний является антагонистом бериллия, образуя соединения с сходными физико-химическими характеристиками. Ингибирование магниевых ферментов при наличии бериллия объясняется их взаимозаменяемостью в соединениях.
Для предотвращения патологических эффектов контакта с бериллием в производственных условиях рекомендуется соблюдение правил техники безопасности и исключение воздействия раздражителей. Лечение бериллиоза включает применение препаратов, связывающих и выводящих ионы бериллия, препаратов магния, стероидов, бронходилататоров и иммуностимуляторов.