Что такое бериллий и для чего он нужен
БЕРИЛЛИЙ — металл настоящего и будущего
Бериллий — металл удивительный. Скромный (долго прятался в «тени» алюминия и его соединений); уже обнаруженный, был объявлен непригодным к использованию. Хотя гениальный Ферсман назвал «скромника» металлом будущего.
История
Алюминий и бериллий — близнецы по свойствам. Даже сейчас с современными приборами и методами сложно отличить этих «братьев». Удивительно, что Луи Воклену в конце XVIII удалось открыть новый окисел. Через 30 лет получили некоторое количество нового металла, сильно загрязненного примесями.
А 70 лет спустя методом электролиза получили чистый продукт. На этом история с поиском и выделением чистого бериллия прекратилась. Ведь о нем сказали, что «практического применения не имеет».
Свойства
Бериллий (Beryllium, в формулах Be) — щелочноземельный металл, в таблице Менделеева имеет атомный № 4.
Имеет один стабильный изотоп 9Be.
| Свойства атома | |
|---|---|
| Название, символ, номер | Бери́ллий / Beryllium (Be), 4 |
| Атомная масса (молярная масса) | 9,012182(3)[1] а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [ He ] 2s² |
| Радиус атома | 112 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 90 пм |
| Радиус иона | 35 (+2e) пм |
| Электроотрицательность | 1,57 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | −1,69 В |
| Степени окисления | +2 ; 0 |
| Энергия ионизации (первый электрон) | 898,8 (9,32) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность (при н. у.) | 1,848 г/см³ |
| Температура плавления | 1551 K (1278 °C, 2332 °F) |
| Температура кипения | 3243 K (2970 °C, 5378 °F) |
| Уд. теплота плавления | 12,21 кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 309 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 16,44[2] Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 5,0 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | гексагональная |
| Параметры решётки | a=2,286 Å; c=3,584 Å |
| Отношение c/a | 1,567 |
| Температура Дебая | 1000 K |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 201 Вт/(м·К) |
| Номер CAS | 7440-41-7 |
Минералы, добыча
Месторождениями бериллиевых минералов обладают:
В России добычу этих минералов можно производить в Свердловской области и Бурятии.
В природе около 30 бериллийсодержащих минералов:
Россия утратила сырьевую и производственную независимость в производстве бериллиевых концентратов.
Производство
Способы получения чистого бериллия предполагают использование сложных и грязных процессов.
На мировом рынке три страны с полным циклом производства:
Применение
Чистый бериллий имеет стратегическое значение.
Применение этого легкого металла оправдано в аэрокосмической, электронной промышленности, в медицине и ВПК.
Бериллий применяют для:
Плюсы и минусы
| Достоинства | Недостатки |
| Относится к самым легким и прочным элементам | Хрупкость металла |
| Самое низкое (среди металлов) сечение захвата нейтронов, высокое значение их отражения | Вредность, токсичность бериллия и его пыли |
Бериллиевая бронза не искрит; редкое качество, используют для работы в шахтах.
Цена металлического бериллия зависит от продавца: от 7 070 до 10 800 рублей за килограмм.
Стоимость соединений (рублей за килограмм):
Мне 42 года и я специалист в области минералогии. Здесь на сайте я делюсь информацией про камни и их свойства — задавайте вопросы и пишите комментарии!
Бериллий: свойства и опасности
Бериллий — серый металл, который прочнее стали и легче алюминия. Его физические свойства, такие как большая прочность, высокая температура плавления, отличная термическая стабильность и проводимость, отражательная способность и проницаемость рентгеновскими лучами, делают его незаменимым материалом в аэрокосмической, телекоммуникационной, информационной, оборонной, медицинской и ядерной отраслях промышленности. Основными минералами, добываемыми для производства бериллия, являются бертрандит и берилл.
Бериллий используется в трех формах: как чистый металл, как окись бериллия, и чаще всего как сплав с медью, алюминием, магнием или никелем. Оксид бериллия известен своей высокой теплоемкостью и является важным компонентом некоторого чувствительного электронного оборудования. Сплавы бериллия делятся на два типа: с высоким содержанием бериллия (до 30% бериллия) и с низким содержанием бериллия (2-3% бериллия). Медно-бериллиевый сплав обычно используется для изготовления втулок, подшипников и пружин. Бериллий также встречается в качестве следового металла в шлаках и летучей золе.
Ваши работники могут вдыхать загрязнители воздуха? Закажите измерения чтобы обезопасить их и соответствовать законодательству.
Почему бериллий представляет опасность для работников?
Работники отраслей, где присутствует бериллий, могут подвергаться воздействию бериллия при вдыхании или контакте с ним в воздухе или на поверхностях. Вдыхание или контакт с бериллием может вызвать иммунную реакцию, в результате которой человек становится чувствительным к бериллию.
Лица с сенсибилизацией к бериллу подвергаются риску развития заболевания легких, называемого хронической бериллиевой болезнью (ХББ), если они вдыхают переносимый по воздуху бериллий после того, как они стали сенсибилизированными. У работников, подвергающихся воздействию бериллия, могут также развиться другие неблагоприятные последствия для здоровья, такие как острая бериллиевая болезнь и рак легких.
Что такое бериллиевая болезнь?
Вызванное бериллием заболевание легких (Бериллиоз)может возникнуть при вдыхании бериллиевой пыли или паров. Существует 2 типа бериллиевой болезни — острая и хроническая:
Острая бериллиевая болезнь сегодня встречается очень редко. Действующие правила техники безопасности на рабочем месте предотвращают выброс в воздух огромных количеств бериллия, вызывающих острую бериллиевую болезнь.
Хроническая бериллиевая болезнь (ХББ, бериллиоз) ассоциируется с вдыханием порошка или паров бериллия (хотя вдыхание бериллия не всегда приводит к ХББ). Обычно человек, работающий с бериллием, получает сенсибилизацию к бериллу или ХББ. Сенсибилизация похожа на аллергию; при аллергии или сенсибилизации организм негативно реагирует на это конкретное вещество. Чувствительность к бериллию и ХББ может развиться вскоре после воздействия или через много (30-40) лет.
При контакте с твердым бериллием нет угрозы для здоровья, однако, как твердая, так и порошкообразная формы могут вызвать раздражение, если они соприкасаются с поврежденной кожей.
Каковы симптомы бериллиоза?
На ранних стадиях заболевания симптомы практически не проявляются. Когда у человека начинает развиваться ХББ, в легких возникает воспаление (отек), потому что они реагируют на инородный предмет. Типичной реакцией легких на воздействие бериллия является образование скоплений клеток, известных как гранулемы, которые в конечном итоге могут вызвать рубцы в легких. Это рубцевание, в свою очередь, снижает способность легких функционировать. Со временем реакция воспаления продолжается, и в конечном счете могут появиться следующие симптомы:
Бериллий. Свойства бериллия. Применение бериллия
Изначально, бериллий звали глюцинием. С греческого переводится, как «сладкий». То, что кристаллы металла на вкус напоминают конфеты, впервые заметил Поль Лебо.
Французскому химику удалось синтезировать агрегаты бериллия в конце 19-го века. Помог метод электролиза. В металлической же форме элемент был получен еще в 1828-ом немцем Фридрихом Веллером. В таблице Менделеева бериллий встал на 4-е место и прослыл веществом с удивительными свойствами. Сладостью они не ограничиваются.
Химические и физические свойства бериллия
Формула бериллия отличается всего 4-мя электронами. Это не удивительно, учитывая место элемента в таблице Менделеева. Удивительно, что все они находятся на s-орбитах. Не остается свободных позиций для новых электронов.
Поэтому, бериллий – элемент, не желающий вступать в химические реакции. Исключения металл делает для веществ, способных отобрать, заместить его собственные электроны. На это, к примеру, способен галоген.
Бериллий – металл. Однако, у него есть и ковалентные связи. Это значит, что в атоме бериллия перекрываются, обобщаются некоторые пары электронных облаков, что характерно для неметаллов. Такая двойственность сказывается на механических параметрах вещества. Материал одновременно хрупкий и твердый.
Отличается бериллий и легкостью. Плотность металла всего 1,848 граммов на кубический сантиметр. Ниже планка лишь у некоторых щелочных металлов. Сходясь с ними в плотности, бериллий выгодно выделяется устойчивостью к коррозии.
От нее элемент спасает пленка в доли миллиметра толщиной. Это оксид бериллия. Он образуется на воздухе за 1,5-2 часа. В итоге блокируется доступ кислорода к металлу, и он сохраняет все первозданные характеристики.
Радуют и прочность бериллия. Проволока диаметром всего в 1 миллиметр способна держать навесу взрослого мужчину. Для сравнения, аналогичная нить алюминия рвется при нагрузке в 12 килограммов.
Бериллий, свойства которого обсуждаются, почти не теряет прочности при нагреве. Если довести температуру до 400-от градусов, «сила» металла ослабеет лишь вдвое. Дюралюминий, к примеру, становится менее прочным в 5 раз.
По идее, температура размягчения бериллия должна быть около 400-от по шкале Цельсия. Но, 4-ый элемент попал в список относительно тугоплавких, уступив, к примеру, железу лишь 300 градусов.
Сияние красиво, но опасно для здоровья. Бериллий ядовит. Попадая в организм, металл замещает костный магний. Начинается бериллиоз. Его острая форма выражается отеком легких, сухим кашлем. Бывают летальные случаи.
Влияние на живые ткани – один из немногих недостатков бериллия. Достоинств больше. Они служат человечеству, в частности, в сфере тяжелой промышленности. Итак, настало время изучить, как применяется 4-ый элемент таблицы Менделеева.
Применение бериллия
Кроме атомной техники соединения бериллия, сплавы на его основе пригождаются в авиастроении и космонавтике. Из 4-го металла делают тепловые экраны и системы наведения. Элемент нужен и для ракетного топлива, а так же, обшивки кораблей. Их корпуса делают из бериллиевых бронз.
По свойствам они превосходят легированные стали. Достаточно прибавить к меди всего 1-3% 4-го элемента, чтобы довести до максимума разрывную прочность. Со временем она не теряется. Другие же сплавы с годами устают, их эксплуатационные параметры снижаются.
Все это пригождается в производстве пружин, подшипников, рессоров, амортизаторов, шестерней. Эксперты утверждают, что в современном самолете присутствует больше 1 000 деталей именно из бериллиевой бронзы.
Хлорид бериллия необходим медикам. Они используют вещество при диагностике туберкулеза и вообще в рентгенотехническом оборудовании. 4-ый элемент – один из немногих, не взаимодействующих с лучами рентгеновского спектра.
Ядро бериллия, его атомы почти невесомы. Это позволяет пропускать в 17 раз больше мягких лучей, чем, к примеру, пропускает алюминий аналогичной толщины. Поэтому, окошки рентгеновских трубок делают именно из бериллия.
Добыча бериллия
Металл извлекают из руд. Измельченный бериллий спекают с известью, фторсиликатном натрия и мелом. Полученную смесь проводят через несколько химических реакций до получения гидроокиси 4-го элемента. В процессе участвует кислота.
Бериллия очистка трудоемка. Гидроокись требует прокаливания до состояния оксида. Его, в свою очередь, переводят в хлорид или же фторид. Из них-то путем электролиза и добывают металлический бериллий. Используют, так же, метод восстановления магнием.
Получение бериллия – это десятки перегонок и очисток. Избавится, главным образом, нужно от оксида металла. Вещество делает бериллий чрезмерно хрупким, непригодным для промышленного использования.
Процесс добычи 4-го элемента осложняется и его редкостью. На тонну земной коры приходится меньше 4-х граммов бериллия. Общемировые запасы оцениваются всего в 80 000 тонн. Ежегодно из недр извлекают около 300-от из них. Объем добычи постепенно растет.
Больше всего элемента в щелочных, богатых кремнеземом, породах. Их почти нет на Востоке. Это единственный регион, не добывающий бериллий. Больше всего металла в США, в частности, штате Юта. Богаты 4-ым элементом и Центральная Африка, Бразилия, Россия. На них приходятся 50% мировых запасов бериллия.
Цена бериллия
На бериллий цена обусловлена не только его редкостью, но и сложностью производства. В итоге, стоимость килограмма доходит до нескольких сотен долларов США.
На биржах цветных металлов торгуют фунтами. Английская мера веса равна примерно 450-ти граммам. За этот объем просят почти 230 условных единиц. Соответственно, килограмм оценивают чуть ли не в 500 долларов.
Цена сырья приближается к запросам ювелиров за ограненные кристаллы. Они, кстати, могут быть материалом для добычи бериллия. Но, естественно, никто не пускает изумруды на переплавку, пока в природе есть залежи руд, содержащих 4-ый элемент. Как правило, он сопутствует алюминию. Так что, если удалось найти руды последнего, наверняка, удастся обнаружить в них и бериллий.
История открытия и свойства металла бериллий
Бериллий — металл светло-серого цвета, отличающийся повышенной хрупкостью. Он находится в периодической таблице Менделеева под 4 номером. Это хрупкий металл светло-серого цвета. Он применяется в разных сферах деятельности. Его часто используют в ядерной энергетике.
Химический элемент бериллий
История открытия
Металл был открыт в 1798 году благодаря работам известного французского химика Луи Никола Воклена. Ученый назвал новый элемент глюцинием. Большой вклад в изучение этого металла внес известный русский химик Иван Авдеев. Он изучал природные соединения, минералы, которые содержат это вещество.
Выведение бериллия в чистом виде произошло в 1828 году. Открытие произвел французский химик Антуан Бюсси. Практически одновременно с ним, но независимо от его работ, этот элемент получил немецкий химик Фридрих Велер. Получить чистый бериллий получилось у Поля Лебо в 1898 году. Он добился успеха благодаря электролизу расплавленных солей этого элемента.
Свое наименование элемент получил от минерала, в котором он содержится в большем количестве, — берилла. Первое название «глюциний или глиций» появилось из-за того что соединения этого элемента при растворении в воде давали сладковатый привкус.
Запасы и месторождения
Основная масса бериллия находится в магматических породах, в которых он замещает кремний. Металл присутствует в мусковитах, темноцветных минералах. В щелочных породах он практически полностью рассеивается.
Металл содержится более чем в 30 минералах. Шесть из них встречаются достаточно часто. К ним относятся — фенакит, бертрандит, хризоберилл, даналит, гельвин, берилл.
Добыча и промышленное получение
Добыча начинается с разработки карьеров. Процесс промышленного получения состоит из нескольких этапов:
Альтернативные способы получения:
При использовании таких способов получения бериллий подвергают дополнительной обработке — зонной плавке, электронному рафинированию или дистилляции в вакууме.
Минерал берилл (Фото: Instagram / chemicator)
Свойства и характеристики
Бериллий имеет уникальные свойства, которые выделяют его среди других металлов. От них зависят сферы применения материала.
Физические
При нормальном состоянии бериллий — хрупкий металл светло-серого цвета.
Химические
Химические свойства металла:
Степени окисления — +1 или +2. По химическим характеристикам его можно сравнить с алюминием. Металлический бериллий при комнатной температуре практически не вступает в реакции с другими веществами.
Механические
Механические свойства этого металла зависят от наличия сторонних примесей, легирующих добавок, методов обработки, которые применялись при его получении, величины зерен.
Показатель пластичности начинает повышаться при нагревании до 200°.
Где используется бериллий?
Основное направление применения бериллия — легирование металлических сплавов. Этот компонент повышает прочность, твердость, коррозийную стойкость металлов.
Влияние на организм
Бериллий содержится в тканях разных представителей фауны, флоры. При небольшом содержании металл безвреден для организма. Если внутренние органы, системы функционируют в нормальном режиме, большая часть этого металла выводится из организма с мочой. Около 30% оседает в костях, 8% — в почках, печени.
Вредной является пыль бериллия, которая образуется при его добыче, промышленном получении. Чтобы избежать отравления бериллием, нужно использовать защитный костюм, респиратор и очки.
Сплавы
Сплавы на основе бериллия начали получать популярность с 1950 годов. Его содержание в смеси с другими компонентами могло составлять от 5 до 80%. Для повышения пластичности к нему добавляют магний, медь или алюминий.
Бериллий — опасный токсичный металл, пыль которого может вызвать тяжелые заболевания дыхательных путей. Если при его добыче и переработке использовать защитные костюмы, можно свести негативное влияние к нулю. Металл используется в разных направлениях промышленности.
Бериллий – полезные свойства, уникальность и опасность металла
Это вещество соперничает с алюминием, сталями, благородными металлами.
Бериллий приходит на Землю из Космоса. Им покрыты зеркала телескопов, он есть в Большом адронном коллайдере.
Что представляет собой
Бериллий – элемент №4 таблицы Менделеева. Сероватый металл легок, с приглушенным блеском.
Имеет в составе один стабильный изотоп Ве-9.
Его материалом служит вещество межзвездных скоплений. Доставляется на Землю лучами из глубин Космоса.
Проблемы классификации
Бериллий относится к щелочноземельным металлам. Однако с классификацией определились не сразу.
По химическим свойствам его легко отличить от остальных металлов этой группы. Он не реагирует с водой, его гидроксид – не щелочь.
Однако сегодня, согласно номенклатуре Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), все элементы второй группы таблицы Менделеева, а значит и бериллий, считаются щелочноземельными металлами.
Как был открыт
К открытию элемента причастны европейские химики, физик и русский ученый:
Интересна история названия элемента. За сладкий вкус растворяемых водой соединений его окрестили глицинием. Бериллием его предложили именовать химики Мартин Клапрот (Германия) и Андерс Экеберг (Швеция).
Термин «берилл» восходит к названию индийского города Белур в окрестностях Мадраса. Здесь веками добывали ювелирную разновидность берилла – изумруд.
Формы нахождения в природе
В природе металл представлен россыпями и коренными залежами минералов.
Таких минералов три десятка, из них половина – силикаты, еще четверть – фосфаты. Самые известные – берилл, фенакит, хризоберилл.
Тонна земной коры содержит 3,8 г бериллия (щелочные породы – до 70 г). Литр морской воды – 0,000006 мг.
Попадаются кристаллы с габаритами в несколько метров и тонн. Их добывают из пегматитов.
На особом счету драгоценные разновидности берилла – аквамарин, изумруд, гелиодор. Голубой, зеленый, желтый цвет создают примеси других элементов в составе.
Месторождения
Месторождения бериллиевых руд распределены по планете. Наибольшие запасы – в обеих Америках (США, Бразилия, Аргентина), Африке, Казахстане, России.
Источники сырья в России – Бурятия, Свердловская, Мурманская области.
Физико-химические характеристики
Бериллий – необычный металл. С изменением температуры кристаллическая структура его решетки меняется с гексагональной на кубическую.
Бериллий, чистота более 99%, поликристаллический фрагмент
Ученые выявили уникальные физические и химические свойства элемента:
Твердость средняя (5,5 по Моосу), но это больше, чем у других «легких» металлов.
| Свойства атома | |
|---|---|
| Название, символ, номер | Бери́ллий / Beryllium (Be), 4 |
| Атомная масса (молярная масса) | 9,012182(3) а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [ He ] 2s² |
| Радиус атома | 112 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 90 пм |
| Радиус иона | 35 (+2e) пм |
| Электроотрицательность | 1,57 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | −1,69 В |
| Степени окисления | +2 ; 0 |
| Энергия ионизации (первый электрон) | 898,8 (9,32) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность (при н. у.) | 1,848 г/см³ |
| Температура плавления | 1551 K (1278 °C, 2332 °F) |
| Температура кипения | 3243 K (2970 °C, 5378 °F) |
| Уд. теплота плавления | 12,21 кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 309 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 16,44 Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 5,0 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | гексагональная |
| Параметры решётки | a=2,286 Å; c=3,584 Å |
| Отношение c/a | 1,567 |
| Температура Дебая | 1000 K |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 201 Вт/(м·К) |
| Номер CAS | 7440-41-7 |
На воздухе металл покрывается оксидным щитом-пленкой. Поэтому химическая активность запускается только при высоких температурах.
Технология получения
Бериллиевую руду доставляют на обогатительную фабрику.
Здесь получают соли вещества:
Переработка руды налажена в США, КНР, Казахстане, России.
Глобальный объем производства бериллия – 260-310 тонн ежегодно.
Обработка бериллия проблематична, опасна для здоровья, поэтому главные способы производства – точное литье и порошковая металлургия. Размолотый металл спрессовывают, создавая форму по заданным параметрам либо универсальную заготовку (труба, пруток).
Обработку затрудняет хрупкость. Этот недостаток устранили в 1970-х годах, выяснив, что пластичен чистый бериллий.
Где используется
Две трети бериллия либо соединений забирает промышленность. Каждый сегмент использует нужные для себя достоинства вещества. Самые красивые находки достаются ювелирам и коллекционерам.
Металлургия
Первые в цепочке потребителей руды – металлурги. Добавка микродоз бериллия к сталям и сплавам повышает их утилитарные характеристики: прочность, твердость, невосприимчивость к ржавчине.
Шар из металлического бериллия
Особо популярна бериллиевая бронза (рандоль). Идет на диски, пружины, другие комплектующие, работающие в экстремальных условиях.
Всего 0,5% бериллия в составе сплава на порядки увеличивает количество рабочих циклов изделия, предотвращает искрение. Внешне сплав неотличим от благородного металла, за что назван «цыганским золотом».
Другие отрасли
Продукцию металлургов закупают производители оборудования для разных сфер:
ФАКТ! Из бериллия сделан «трубопровод» Большого адронного коллайдера. Им покрыты зеркала телескопов Хаббла, Спитцера, Уэбба, работающих в открытом космосе.
На российском рынке представлены разные продукты из металла.
Цена определяется видом продукции (руб./ кг):
Такой же расклад на мировом рынке.
Опасность
Роль вещества для биологических систем невелика. Однако металл скапливается в почках, способен вытеснить из скелета магний.
Каждый день в организм человека с пищей поступает 0,01 мг бериллия.
Металлический бериллий нетоксичен. Опасность исходит от пыли, порошка, растворимых, летучих соединений. Они провоцируют аллергию и онкологию.
Особо ощущают вредность металла работники, занятые на добыче и обогатительных предприятиях. Их профессиональное заболевание – бериллиоз. То есть поражение дыхательной системы (особенно легких).
По стандартам РФ, кубометр воздуха не должен содержать более 0,001 мг бериллия.