БЕРИЛІЙ

Beryllium

4 Берилій
Be 9,0122
1s22s2
Берилій утворює просту речовину берилій – Be.

 

 

 

 

 

Берилій.

 

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ.

Луї Ніколя Воклен

(1763–1829)

 

Мінерали, що містять берилій (дорогоцінні камені), - берил, смарагд, аквамарин тощо - відомі з глибокої давнини. Деякі з них добувалися на Синайському півострові ще в XVII в. до н. е.

 

Дельта Нілу та Сінайський півострів (фотографія із космосу).

 

У Стокгольмському папірусі (III ст.) Описуються способи виготовлення підроблених каменів. Назва берил зустрічається у грецьких і латинських (Beryll) античних письменників і в давньоруських творах, наприклад в "Изборнике Святослава" 1073 р., де берил фігурує під назвою вірулліон. Дослідження хімічного складу дорогоцінних мінералів цієї групи почалося, лише в кінці XVIII ст. з настанням хіміко-аналітичного періоду. Перші аналізи (Клапрот, Біндгейм тощо) не виявили в берилі нічого особливого. В кінці XVIII ст. відомий мінералог абат Гаюї звернув увагу на повну схожість кристалічної будови берилу з Лімож і смарагду з Перу. Вокелен провів хімічний аналіз обох мінералів (1797) і виявив в обох нову землю, відмінну від алюміни. Отримавши солі нової землі, він встановив, що деякі з них мають солодкий смак, чому і назвав нову землю глюціна (Glucina) від грец. - Солодкий. Новий елемент, що міститься в цій землі, було названо відповідно глюціній (Glucinium). Ця назва вживалося у Франції в XIX в., існував навіть символ - Gl. Клапрот, будучи противником найменування нових елементів по випадкових властивостями їх сполук, запропонував іменувати глюціній Берилієм (Beryllium), вказавши, що солодким смаком володіють сполуки й інших елементів. Металічний берилій був вперше отриманий Велером і Буссе в 1728 р. шляхом відновлення берилій хлориду металічним калієм.

BeCl2 + 2K → 2KCl + Be

Слід відзначити видатні дослідження російського хіміка І. В. Авдєєва стосовно атомної маси та складу берилій оксиду (1842). Авдєєв встановив атомну масу берилію 9,26 (суч. 9,0122), тоді як Берцелиус приймав її значення рівним 13,5, і правильну формулу оксиду.

Металічний берилій був отриманий в 1828 році Ф. Велером в Німеччині і незалежно від нього А. Бюссі у Франції. Проте внаслідок наявності домішок його не вдавалося виплавити. Лише у 1898 році французький хімік П. Лебо, піддавши електролізу подвійний флуорид калію і берилію, отримав достатньо чисті металічні кристали берилію.

Фрідріх Велер

(1800–1882)

Антуан Александр Брутус Бюссі

(1794–1882)

 

Про походження назви мінералу берил, від якого утворено слово берилій, існує кілька версій. А. М. Васильєв (по Діргарту) наводить таку думку філологів: латинське і грецьке назви берилу можуть бути співставлені з пракрітським veluriya і санскритським vaidurya. Останнє є назвою деякого каменю і походить від слова vidura (дуже далеко), що, мабуть, означає якусь країну або гору. Мюллер запропонував інше пояснення: vaidurya походить від первісного vaidarya або vaidalya, а останнє від vidala (кішка). Інакше кажучи, vaidurya означає приблизно "котяче око". Рай вказує, що в санскриті топаз, сапфір і корал вважалися котячим оком. Третє пояснення дає Ліппман, який вважає, що слово берил позначало якусь північну країну (звідки надходили дорогоцінні камені) або народ. В іншому місці Ліппман зазначає, що Микола Кузанський писав, що німецьке Brille (очки) походить від варварською-латинського berillus. Нарешті, Лемері, пояснюючи слово берил (Beryllus), вказує, що Berillus, або Verillus, означає "чоловічий камінь".

Назва "берил", ймовірно, в перекладі з санскриту वैडूर्य Vaidurya-, який має походження дравідійське,  може бути виведена з назви сучасного міста Белур (Веллуру) в Південній Індії, неподалік Мадраса; з давніх часів в Індії були відомі родовища смарагдів.

 

 

Місто Белур в Індії (карта з сайту maps.google.com.ua).

 

ПОШИРЕННЯ У ПРИРОДІ.

Ізотоп 8Be не зустрычаэться у природі, оскільки є дуже нестабільним і має період напіврозпаду 10-18 с. Стабільним є 9Be. Крім 9Be в природі зустрічаються радіоактивні ізотопи 7Be і 10Be.

Середній вміст берилію в земній корі 3,8 г/т. Основна маса берилію в магматичних породах пов'язана з плагіоклазами, де берилій заміщає кремній. Проте найбільші його концентрації характерні для деяких темнокольорових мінералів і мусковіту (десятки, рідше сотні г/т). Якщо в лужних породах берилій майже повністю розсіюється, то при формуванні кислих гірських порід він може накопичуватися в постмагматичних продуктах - пегматитах і пневматоліто-гідротермальних тілах. У кислих пегматитах освіта значних скупчень берилію пов'язано з процесами альбітізаціі і мусковітізаціі. У пегматитах берилій утворює власні мінерали, але частина його (бл. 10%) знаходиться в ізоморфної формі в породоутворюючих і другорядних мінералах (Мікроклін, альбіт, кварц, слюда, тощо). В лужних пегматитах берилій встановлюється в невеликих кількостях у складі рідкісних мінералів: евдідіміта, чкаловіта, анальціма і лейкофана, де він входить в аніонну групу. Постмагматичні розчини виносять берилій з магми у вигляді флуоровмісних еманацій і комплексних сполук в асоціації з вольфрамом, оловом, молібденом і літієм.

Вміст берилію в морській воді надзвичайно низька - 6.10 -7 мг/л.

Відомо більше 30 власне берилієвих мінералів, але тільки 6 з них вважаються більш-менш поширеними: берил (Al2Be3Si6O18), хризоберил (Al2BeO4), бертрандит(Be4Si2O7(OH)2), фенакіт(Be2SiO4 ), гельвін (Ме4[BeSiO4]3S, де Ме — Mn, Fe, Zn.), даналіт (Fe2+4Be3(SiO4)3S). Промислове значення має в основному берил.

 

Різновиди берилу.

Берил - подвійний силікат берилію та алюмінію; зустрічається у вигляді призматичних кристалів, іноді великих (окремі кристали досягають довжини 6 м при вазі 10-12 кг). Колір залежить від домішок, найчастіше жовтуватий, зеленуватий, блакитний, буруватий. Деякі з різновидів берилу відносяться до коштовних каменів.

 

                          

Різновиди хризоберилу.

 

Бертрандит.

 

 

Фенакіт.

 

Даналіт.

 

Різновиди берилу вважаються дорогоцінними каменями: аквамарин - блакитний, зеленувато-блакитний, блакитно-зелений; смарагд - густо-зелений, яскраво-зелений; гелиодор - жовтий; відомі ряд інших різновидів берилу, що розрізняються забарвленням (темно-сині, рожеві, червоні, блідо-блакитні, безбарвні та ін.) Колір берилу надають домішки різних елементів.

 

Аквамарин.

 

Оброблений аквамарин.

 

Смарагд.

 

ПРО СМАРАГДИ ...

 

Родовища мінералів берилію присутні на території Бразилії, Аргентини, Африки, Індії, Росії (Бурятія, Сибір) та ін.

 

ОДЕРЖАННЯ.

Добування берилію з його природних мінералів (в основному берилу) включає декілька стадій, при цьому особливо важливо відокремити берилій від схожого за властивостями і супутнього берилію в мінералах алюмінію. Можна, наприклад, сплавити берил з гексафлуоросилікатом натрію Na2SiF6.

В результаті сплаву утворюються кріоліт Na3AlF6 — погано розчинна у воді сполука, а також розчинний у воді флуороберилат натрію Na2[BeF4]. Його далі вилуговують водою. Для глибшого очищення берилію від алюмінію застосовують обробку отриманого розчину карбонатом амонію (NH4)2CO3. При цьому алюміній осідає у вигляді гідроксиду Al(OH)3, а берилій залишається в розчині у вигляді розчинного комплексу (NH4)2[Be(CO3)2]. Цей комплекс потім розкладають до оксиду берилію ВеО при прожаренні.

Інший метод очищення берилію від алюмінію базується на тому, що оксиацетат берилію Be4O(CH3COO)6, на відміну від оксиацетату алюмінію [Al3O(CH3COO]+CH3COO-, має молекулярну будову і легко переганяється при нагріванні.

Відомий також спосіб переробки берилу, в якому спочатку берил обробляють концентрованою сірчаною кислотою при температурі 300 °C, а потім сплав вилуговують водою. Сульфати алюмінію і берилію при цьому переходять в розчин. Після додавання до розчину сульфату калію K2SO4 алюміній видаляють з розчину у вигляді алюмокалієвого галуну KAl(SO4) 2·12H2O. Подальше очищення берилію від алюмінію проводять так само, як і в попередньому методі.

Нарешті, відомий і такий спосіб переробки берилу. Вихідний мінерал спочатку сплавляють з поташем K2CO3. При цьому утворюються берилат K2BeO2 і алюмінат калію KAlO2.

Після вилуговування водою отриманий розчин підкислюють сірчаною кислотою. В результаті в осад випадає кремнієва кислота. З фільтрату далі вилучають алюмокалієвий галун, після чого в розчині з катіонів залишаються тільки йони Ве2+. З отриманого тим або іншим способом берилій оксиду ВеО потім отримують флуорид, з якого магнійтермічним методом відновлюють металевий берилій.

BeF2 + Mg → MgF2 + Be

Існує й такий спосіб переробки берилу. Роздрібнений берил змішують з вуглецем (сажею) і прожарюють у струмені хлору:

Be3Al2(SiO3)6 + 18С + 18Cl2 = 3BeCl2 + Al2Cl6 + 6SіCl4 + 18CO

При цьому леткі хлориди Силіцію, Алюмінію і Феруму вилітають, а берилій хлорид залишається.

Металевий берилій можна приготувати також електролізом розплаву BeCl2 і NaCl при температурах біля 300 °C. Раніше берилій отримували електролізом розплаву флуороберилату барію Ba[BeF4].

Для новітньої техніки й особливо для ядерної енергетики потрібний берилій надзвичайно високої чистоти. Глибоку очистку берилію здійснюють різними методами. Найосновніші з них: перегонка берилію у вакуумі, анодне рафінування і зонна плавка в електронно-променевих печах.

 

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ.

Берилій являє собою сріблясто-сірий твердий метал, крихкий при кімнатній температурі. Він має виняткову жорсткість при згині і досить високу температуру плавлення. Модуль пружності берилію приблизно на 50% більше, ніж у сталі. Поєднання цього модуля і відносно низькою густиною призводить до незвично високої швидкості поширення звуку у берилії - близько 12,9 км/с в умовах навколишнього середовища. Іншими важливими властивостями є висока теплоємність (1925 Дж · кг-1 · К-1) і теплопровідності (216 Вт · м-1 · К-1), що робить берилій металом з найкращими характеристиками розсіювання тепла на одиницю ваги.

На повітрі активно покривається стійкою оксидною плівкою BeO.

 

Берилій покритий оксидною плівкою.

 

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ.

Для берилію характерна тільки один ступінь окиснення +2. Відповідний гідроксид амфотерний, причому як основні (з утворенням Be2+), так і кислотні (з утворенням [Be(OH)4]2-] властивості виражені слабо.

За багатьма хімічними властивостями берилій схожий більше на алюміній, ніж на магній (прояв "діагональної подібності").

Металічний берилій має відносно низьку реакційну здатність при кімнатній температурі. У компактному вигляді він не реагує з водою і водяною парою навіть при температурі червоного розжарювання і не окиснюється повітрям до 600 °C. Порошок берилію при підпалюванні горить яскравим полум'ям, при цьому утворюються оксид і нітрид.

2Be + O2 = 2BeO

3Be + N2 = Be3N2

Галогени реагують з берилієм при температурі вище 600 °C, а халькогени вимагають ще більш високої температури. Аміак взаємодіє з берилієм при температурі вище 1200 °C з утворенням нітриду Be3N2, а вуглець дає карбід Ве2С при 1700 °C. З воднем берилій безпосередньо не реагує.

Be + Cl2 = BeCl2

Be + S =BeS

2Be + C = Be2C

Берилій легко розчиняється в розбавлених водних розчинах кислот (соляної, сірчаної, азотної), проте холодна концентрована азотна кислота пасивує метал.

Be + 2HCl = BeCl2 + H2

Реакція берилію з водними розчинами лугів супроводжується виділенням водню і утворенням гідроксоберілатів:

Be + 2NaOH(р) + 2H2O = Na2[Be(OH)4] + H2

При проведенні реакції з розплавом лугу при 400-500 °C утворюються діоксоберіллати:

Be + 2NaOH(ж) = Na2BeO2 + H2

 

ВИКОРИСТАННЯ.

Берилій переважно використовують як легуючу добавку до різних сплавів. Добавка берилію значно підвищує твердість і міцність сплавів, корозійну стійкість поверхонь виготовлених з цих сплавів виробів. У техніці досить широко поширені берилієві бронзи типу BeB (пружинні контакти). Добавка 0,5% берилію в сталь дозволяє виготовити пружини, які пружинять навіть розпечені до червона.

 

Плоскогубці з берилієвюї бронзи (не створюють іскр).

 

Завдяки малу атомному номеру і дуже низькому поглинанню рентгенівських променів, найдавнішим й досі одним з найбільш важливих застосувань берилію у якості вікон для рентгенівських трубок.

 

Квадратна берилієва жерсть встановлена в сталевий корпус, який буде використовуватися як вікно між вакуумною камерою і рентгенівським мікроскопом. Берилій має високу прозорість для рентгенівських променів.

 

В атомних реакторах з берилію виготовляють відбивачі нейтронів, його використовують як уповільнювач нейтронів. У сумішах з деякими α-радіоактивними нуклідами берилій використовують у ампульних нейтронних джерелах, так як при взаємодії ядер берилію-9 і α-частинок виникають нейтрони:

9Ве + α → n + 12C.

 

Берилієва мішень, яка "перетворює" пучок протонів на пучок нейтронів.

 

Берилій оксид є найбільш теплопровідним з усіх оксидів і використовується як високотеплопровідний високотемпературний ізолятор, і вогнетривкий матеріал (тиглі), а крім того разом з металічним берилієм використовується в атомній техніці як більш ефективний сповільнювач і відбивач нейтронів ніж чистий берилій, крім того берилій оксид в суміші з окисом урану застосовується в якості досить ефективного ядерного палива. Берилій фторид в сплаві з літій фторидом застосовується як теплоносій і розчинник солей урану, плутонію, торію у високотемпературних рідкосольових атомних реакторах. Фторид берилію використовується в атомній техніці для варіння скла, яке використовують для регулювання невеликих потоків нейтронів. Найбільш технологічний і якісний склад такого скла (BeF2 − 60 %, PuF4 − 4 %, AlF3 − 10 %, MgF2 − 10 %, CaF2 − 16 %). Цей склад наочно показує один із прикладів застосування сполук плутонію в якості конструкційного матеріалу (часткове).

У лазерної техніці застосовують берилій алюмінат для виготовлення твердотільних випромінювачів (стрижнів, пластин).

Берилієві дзеркала становлять особливий інтерес. Велика площа дзеркал, часто зі стільниковою структурою підтримки, які використовуються, наприклад, в метеорологічних супутниках, де мала вага і довгострокова стабільність розмірів мають вирішальне значення. Менші берилієві дзеркала використовують в оптичних системах наведення і управління вогнем, наприклад, в бойових танках німецького виробництва Leopard 1 і Leopard 2.

У виробництві гальм для аерокосмічної техніки, теплових екранів і систем наведення з берилієм не може конкурувати практично жоден конструкційний матеріал. Конструкційні матеріали на основі берилію володіють одночасно і легкістю, і міцністю, і стійкістю до високих температур. Будучи в 1,5 рази легше алюмінію, ці сплави в той же час міцніше багатьох спеціальних сталей. Налагоджено виробництво берилідів, котрі застосовуються як конструкційні матеріали для двигунів і обшивки ракет і літаків, а також в атомній техніці.

 

Берилієва деталь гіроскопа.

 

Оксіліквіт на основі берилію - одна з найпотужніших вибухових речовин, відомих на сьогоднішній день. Застосовується при вибухових роботах у гірничій справі.

Варто відзначити високу токсичність і високу вартість металічного берилію, і у зв'язку із цим докладено значних зусиль для виявлення берилієвмісних палив, котрі мають значно меншу загальну токсичність і вартість. Однією з таких сполук берилію є берилій гідрид .

Оксид берилію застосовується як дуже важливий вогнетривкий матеріал в особливих  випадках. Вважається одним з кращих вогнетривких матеріалів.

 

Оксид берилію 99,9% (вогнетривкий виріб).

 

Біологічна роль та фізіологічна дія

Близько 35 мкг берилію міститься в людському тілі.

В живих організмах берилій не несе будь-якої значимої біологічної функції. Однак берилій може заміщати магній в деяких ферментах, що призводить до порушення їх роботи. Щоденне надходження берилію в організм людини з їжею становить близько 0,01 мг.

Берилій отруйний: летючі (і розчинні) сполуки берилію, в тому числі і пил, що містить сполуки берилію, високотоксичні. Для повітря ГДК в перерахунку на берилій становить 0,001 мг/м3. Берилій має яскраво виражену алергічну і канцерогенну дію. Вдихання атмосферного повітря, що містить берилій, призводить до тяжкого захворювання органів дихання - бериліозу. Хвороба супроводжується подразненням і запаленням дихальних шляхів, у легенях виникає безліч незагойних ран, носовими кровотечами, утруднюється дихання.

 Потрапивши на шкіру та слизові оболонки, сполуки берилію спричинюють запальні процеси. Берилій, що надходить до організму разом з їжею чи водою, згубно діє на ферменти, а також вилучає фосфат-іони з кісток і тим самим ослаблює їх. Отруєння берилієм розвивається повільно і нерідко дає про себе знати тільки через кілька років (навіть через десять) і може призвести до смерті. Тому берилій за його підступну й згубну дію на живі організми назвали «повзучою смертю».

 

ОСОБЛИВОСТІ РОБОТИ З БЕРИЛІЄМ.

 

СОЛОДКА ОТРУТА.