Бериллий

Бериллий (лат. Beryllium), Be, химический элемент II группы периодической системы Менделеева, атомный номер 4, атомная масса 9,0122; лёгкий светло-серый металл. Имеет один стабильный изотоп ⁹Be. Открыт в 1798 в виде окиси BeO, выделенной из минерала берилла Л. Вокленом. Металлический Б. впервые получили в 1828 Ф. Вёлер и А. Бюсси независимо друг от друга. Т. к. некоторые соли Б. сладкого вкуса, его вначале называли "глюциний" (от греч. glykys - сладкий) или "глиций". Название Glicinium (знак GI) употребляется (наряду с Б.) только во Франции. Применение Б. началось в 40-х гг. 20 в., хотя его ценные свойства как компонента сплавов были обнаружены ещё ранее, а замечательные ядерные - в начале 30-х гг. 20 в.

Б. - редкий элемент, среднее содержание его в земной коре 6 10^-4% по массе. Б. - типичный литофильный элемент, характерный для кислых, субщелочных и щелочных магм. Известно около 40 минералов Б. Из них наибольшее практическое значение имеет берилл, перспективны и частично используются фенакит, гельвин, хризоберилл, бертрандит (см. Бериллиевые руды).

Физические и химические свойства. Кристаллическая решётка Б. гексагональная плотноупакованная с периодами а = 2,855 ?и с= 3,5840 . Б. легче алюминия, его плотность 1847,7 кг/м³ (у Al около 2700 кг/м³), t_лл 1284?C, t_kип 2450?С.

Б. обладает наиболее высокой из всех металлов теплоёмкостью, 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) 300Гн/м² (3^.10⁴ кгс/мм²). Механические свойства Б. зависят от чистоты металла, величины зерна и текстуры, определяемой характером обработки. Предел прочности Б. при растяжении 200-550 Мн/м² (20-55 кгс/мм²), удлинение 0,2-2%. Обработка давлением приводит к определённой ориентации кристаллов Б., возникает анизотропия, становится возможным значительное улучшение свойств. Предел прочности в направлении вытяжки доходит до 400-800Мн/м²(40-80 кгс/мм²), предел текучести 250-600 Мн/м² (25-60 кгс/мм²), а относительное удлинение до 4-12%. Механические свойства в направлении, перпендикулярном вытяжке, почти не меняются. Б. - хрупкий металл; его ударная вязкость 10-50 кдж/м² (0,1- 0,5 кгс^.’м/см²). Температура перехода Б. из хрупкого состояния в пластическое 200- 400 ?С.
В химических соединениях Б. 2-валентен (конфигурация внешних электронов 2s²). Б. обладает высокой химической активностью, но компактный металл устойчив на воздухе благодаря образованию тонкой и прочной плёнки окиси BeO. При нагревании выше 800 ?С быстро окисляется. С водой до 100?С Б. практически не взаимодействует. Легко растворяется в плавиковой, соляной, разбавленной серной кислотах, слабо реагирует с концентрированной серной и разбавленной азотной кислотами и не реагирует с концентрированной азотной. Растворяется в водных растворах щелочей, образуя соли бериллаты, например Na₂BeO₂. При комнатной температуре реагирует с фтором, а при повышенных - с др. галогенами и сероводородом. Взаимодействует с азотом при температуре выше 650 ?С с образованием нитрида Be₃N₂ и при температуре выше 1200?С с углеродом, образуя карбид Be₂C. С водородом практически не реагирует во всём диапазоне температур. Гидрид Б. получен при разложении бериллийорганических соединений и устойчив до 240?С. При высоких температурах Б. взаимодействует с большинством металлов, образуя бериллиды; с алюминием и кремнием даёт эвтектические сплавы. Растворимость примесных элементов в Б. чрезвычайно мала. Мелкодисперсный порошок Б. сгорает в парах серы, селена, теллура. Расплавленный Б. взаимодействует с большинством окислов, нитридов, сульфидов и карбидов. Единственно пригодным материалом тиглей для плавки Б. служит бериллия окись.
Гидроокись Be (OH)₂ - слабое основание с амфотерными свойствами. Соли Б. сильно гигроскопичны и за небольшим исключением (фосфат, карбонат) хорошо растворимы в воде, их водные растворы вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Фторид BeF₂ с фторидами щелочных металлов и аммония образует фторбериллаты, например Na₂BeF₄, имеющие большое промышленное значение. Известен ряд сложных бериллийорганических соединений, гидролиз и окисление некоторых из них протекают со взрывом.
Получение и применение. В промышленности металлический Б. и его соединения получают переработкой берилла в гидроокись Be (OH)₂ или сульфат BeS0₄. По одному из способов, измельченный берилл спекают с Na₂SiF₆, образующиеся фторбериллаты натрия Na₂BeF₄ и NaBeF₃ выщелачивают из смеси водой; при добавлении к этому раствору NaOH в осадок выпадает Be (OH)₂. По другому способу, берилл спекают с известью или мелом, спек обрабатывают серной кислотой; образующийся BeS0₄ выщелачивают водой и осаждают аммиаком Be (OH)₂. Более полная очистка достигается многократной кристаллизацией BeSO₄, из которого прокаливанием получают BeO. Известно также вскрытие берилла хлорированием или действием фосгена. Дальнейшая обработка ведётся с целью получения BeF₂ или BeCl₂.
Металлический Б. получают восстановлением BeF₂ магнием при 900-1300?С или электролизом BeCl₂ в смеси с NaCI при 350?С.
Полученный металл переплавляют в вакууме. Металл высокой чистоты получают дистилляцией в вакууме, а в небольших количествах - зонной плавкой; применяют также электролитическое рафинирование.
Из-за трудностей получения качественных отливок заготовки для изделий из Б. готовят методами порошковой металлургии. Б. измельчают в порошок и подвергают горячему прессованию в вакууме при 1140-1180?С. Прутки, трубы и др. профили получают выдавливанием при 800-1050?С (горячее выдавливание) или при 400-500 ?С (тёплое выдавливание). Листы из Б. получают прокаткой горячепрессованных заготовок или выдавленных полос при 760-840?С. Применяют и др. виды обработки - ковку, штамповку, волочение. При механической обработке Б. пользуются твердосплавным инструментом.
Сочетание малой атомной массы, малого сечения захвата тепловых нейтронов (0,009 барн на атом) и удовлетворительной стойкости в условиях радиации делает Б. одним из лучших материалов для изготовления замедлителей и отражателей нейтронов в атомных реакторах. В Б. выгодно сочетаются малая плотность, высокий модуль упругости, прочность, теплопроводность. По удельной прочности Б. превосходит все металлы. Благодаря этому в конце 50 - начале 60-х гг. Б. стали применять в авиационной, ракетной и космической технике и гироприборостроении. Однако высокая хрупкость Б. при комнатной температуре - главное препятствие к его широкому использованию как конструкционного материала.
Б. входит в состав сплавов на основе Al, Mg, Cu и др. цветных металлов (см. Алюминиевые сплавы, Магниевые сплавы, Медные сплавы).
Некоторые бериллиды тугоплавких металлов рассматриваются как перспективные конструкционные материалы в авиа- и ракетостроении. Б. применяется также для поверхностной бериллизации стали. Из Б. изготовляют окна рентгеновских трубок, используя его высокую проницаемость для рентгеновских лучей (в 17 раз большую, чем у алюминия). Б. применяется в нейтронных источниках на основе радия, полония, актиния, плутония, т.к. он обладает свойством интенсивного излучения нейтронов при бомбардировке a-частицами. Б. и некоторые его соединения рассматриваются как перспективное твёрдое ракетное топливо с наиболее высокими удельными импульсами.
Широкое производство чистого Б. началось после 2-й мировой войны. Переработка Б. осложняется высокой токсичностью летучих соединений и пыли, содержащей Б., поэтому при работе с Б. и его соединениями нужны специальные меры защиты.
Бериллий в организме. Б. присутствует в тканях многих растений и животных. Содержание Б. в почвах колеблется от 2’10^-4 до 1’10^-3%; в золе растений около 2’10^-4%. У животных Б. распределяется во всех органах и тканях; в золе костей содержится от 5^.10^-4 до 7^.10^-3% Б. Около 50% усвоенного животным Б. выделяется с мочой, около 30% поглощается костями, 8% обнаружено в печени и почках. Биологическое значение Б. мало выяснено; оно определяется участием Б. в обмене Mg и Р в костной ткани. При избытке в рационе Б., по-видимому, происходит связывание в кишечнике ионов фосфорной кислоты в неусвояемый фосфат Б. Активность некоторых ферментов (щелочной фосфатазы, аденозинтрифосфатазы) тормозится малыми концентрациями Б. Под влиянием Б. при недостатке фосфора развивается не излечиваемый витамином D бериллиевый рахит, встречаемый у животных в биогеохимических провинциях, богатых Б.
Лит.: Бериллий, под ред. Д. Уайта, Дж. Бёрка, пер. с англ., М., 1960; Дарвин Дж., Баддери Дж., Бериллий, пер. с англ., М., 1962; Силина Г. Ф., Зарембо Ю. И., Бертина Л. Э., Бериллий, химическая технология и металлургия, М., 1960; Папиров И. И., Тихинский Г. Ф., Физическое металловедение бериллия, М., 1968; Эверест Д., Химия бериллия, пер. с англ., М., 1968; Химия и технология редких и рассеянных элементов, т. 2, М., 1969; Самсонов Г. В., Химия бериллидов, "Успехи химии", 1966, т. 35, в. 5, с. 779; Гагарин В. В., Бериллий как конструкционный материал атомной энергетики, "Атомная техника за рубежом", 1969, ?3, с.9; Ижванов Л. А. [и др.], Бериллий - новый конструкционный металл, "Металловедение и термическая обработка металлов", 1969, ?2, с. 24; Коган Б. И., Капустинская К. А., Бериллий в современной технике, "Цветные металлы", 1967, ? 7, с. 105.
? Б. М. Булычев, Л. А. Ижванов, В. В. Ковальский.