История открытия
Блестки металлического бериллия были получены в 1828 г. независимо Г. Велером и Л. Бюсси в результате реакции
2K+BeF2 = 2KF + Be, а спустя 70 лет А. Лебо электролизом расплава смеси солей фторидов бериллия и натрия получил бериллий со степенью чистоты 99,5—99,8%. Стали известны необычные свойства бериллия — его малая плотность наряду с высокими температурой плавления и твердостью.
Нахождение в природе
Бои гладиаторов в Риме во времена императора Нерона вызывали интерес зрителей не меньший, чем, например, олимпийские игры в наши дни. Наблюдать за боями гладиаторов Нерон любил, но был близорук. Очки же в ту пору известны не были. В наиболее напряженные моменты боя Нерон подносил к глазу прозрачный, особым образом отшлифованный, кристалл изумруда, имевший такую форму, что, глядя через него, удавалось видеть на расстоянии яснее. Крупные, прозрачные кристаллы изумруда очень красивы, но и очень редки. Поэтому в течение многих веков изумруд был самым дорогим из драгоценных камней. Мало кто, кроме Нерона, мог позволить себе роскошь пользоваться подобными «очками». Сравнительно недавно один известный французский минералог получил доступ к этой реликвии, хранящейся в Ватикане. Этот отшлифованный «оптический» изумруд оказался не изумрудом, а хризолитом (оливином). Так была разрушена многовековая легенда. Надо при этом отметить, что в состав хризолита входит элемент этой же II группы — магний. Изумруд — чистая разновидность минерала, носившего греческое название «бериллос». Так впоследствии появилось немецкое слово очки — «бриль». От «бериллос» (ясный, чистый) произошло, видимо, и слово бриллиант, как и само название элемента бериллий.
Берилл —сложный алюмосиликат бериллия, наиболее распространенный из минералов, содержащих бериллий. Этот минерал — единственное промышленное сырье для получения бериллия. Добывают берилл большей частью попутно, при разработке других минеральных месторождений. Известны и другие минералы бериллия — фенакит (Be2SiО4), хризоберилл, или александрит, герберит и другие, но ни один из них не имеет промышленного значения. «Бериллиевыми» минералами являются, как уже говорилось, изумруды, зеленая окраска которых связана с примесями солей хрома, аквамарины и другие драгоценные камни.
Сходство берилла с изумрудом было впервые отмечено в 50 г. н. э. римским естествоиспытателем Плинием-старшим. В конце XVIII столетия ученые вновь заинтересовались этим сходством уже на основе таких характеристик берилла и изумруда, как их твердость и плотность. Одинаковую химическую природу изумруда и берилла установил французский химик Луи-Николя Вокелен в 1798 г. Он пришел к заключению, что в состав этих минералов входит один и тот же, до того неизвестный, элемент, который был назван «глюцинием», от «глюциос» — сладкий. Такое название было предложено потому, что соли нового элемента имели сладковатый вкус. В России этот элемент назызали также глицием. Но так как сладковатый вкус имеют соли и некоторых других металлов, немецкий химик Г. Клапрот дал ему название «бериллий». Довольно долгое время использовались все три названия, но общепринятым стало все-таки название «бериллий».
Л. Вокелену не удалось получить бериллий в чистом виде, он получил оксид бериллия и различные соли бериллия, растворяя оксид бериллия в кислотах.
Получение
Промышленное производство бериллия началось после того, как в 30-х годах XX века было установлено, что даже малая добавка бериллия к меди резко повышает ее твердость. Эти сплавы, включающие всегда и третий металл, называют бериллиевыми бронзами. Об их применении будет рассказано ниже.
В зависимости от требований к продукту производства — металлическому бериллию, используют различные способы переработки исходного сырья — берилла.
Наибольшие количества бериллия получают в результате процесса, который называют сульфатным. Минерал берилл с серной кислотой (даже с горячей) реагирует очень медленно. Для того чтобы эта реакция проходила быстрее, минерал плавят (1650°С), а затем быстро охлаждают водой. При этом происходит не только затвердевание кусочков берилла, но и их растрескивание, подобно тому как растрескивается толстостенный стакан при наливании в него кипятка. Поверхность соприкосновения минерала с серной кислотой сильно увеличивается, и скорость реакции соответственно возрастает
3ВеО • А12O3 • 6SiO2+6H2SO4= = 3BeSO4+Al2(SO4)3+6SiO2 + 6H2O
После отделения кремнезема из раствора соли алюминия удаляют. Для этого к горячему раствору добавляют сульфат калия или аммония. При охлаждении раствора выпадают кристаллы алюмокалиевых или алюмоаммонийных квасцов KA1(SO4)2, NH4A1(SO4)2. Кристаллы отделяют, добавляют в раствор гидроксид натрия и осаждают гидроксид бериллия Ве(ОН)2, нагревая который получают его оксид. Восстановить оксид бериллия не просто. Связь в молекуле оксида бериллия очень прочная; из доступных восстановителей лишь кальций пригоден для этого процесса. Однако получить чистый бериллий в результате реакции
Са + ВеО = СаО + Ве
не удается, так как образуется устойчивый сплав, состава CaBe3. Поэтому наиболее широко используют метод восстановления не оксида, а фторида бериллия. При взаимодействии оксида бериллия с фтороводородной кислотой образуется фторид бериллия, который затем восстанавливают, сплавляя с магнием:
BeF2+Mg=Be+MgF2
Для получения чистого бериллия, используемого в атомной промышленности, применяют электролиз расплавов солей бериллия.
Физические свойства
Бериллий — металл светло-серого цвета, самый легкий (плотность 1,848 г/см3) из всех металлов, устойчивых на воздухе. Легче бериллия лишь щелочные металлы (за исключением цезия), а также магний и кальций, но все они на воздухе окисляются. Бериллий плавится при 1284°С, кипит при 2450°С. Будучи относительно тугоплавким и легким металлом, бериллий тверд и прочен. Прочность бериллия такова, что проволочка из него толщиной 1 мм выдерживает груз, равный массе взрослого человека. Такая же проволочка из алюминия разрывается при нагрузке 12 кг. Бериллий не теряет прочности при повышенных температурах. Так, широко' используемый и прочный сплав алюминия — дюралюмин при нагреве до 400°С становится в пять раз менее прочным, а бериллий — только в 2 раза. Упругость бериллия в 4 раза больше, чем у алюминия. Бериллием можно резать стекло, но такая твердость сильно затрудняет его механическую обработку. Как большинство очень твердых металлов, бериллий хрупок, т. е. прочность невелика при ударных нагрузках. Возможно все же, что это обстоятельство связано с недостаточной чистотой получаемого металла (например, хром тоже долгое время считался твердым и хрупким; лишь когда удалось получить сверхчистый металл, оказалось, что он довольно пластичен). Получить же достаточно чистый бериллий чрезвычайно трудно из-за его высокой активности. Изготовить изделия из бериллия тоже непросто: механическая обработка затруднена его твердостью и хрупкостью, а обычные методы получения изделий из металлов (плавка и литье) оказались для бериллия малопригодными, так как при застывании его расплава в нем образуются крупные зерна, трещины и раковины. Единственным пока приемлемым способом получения изделий из бериллия является метод порошковой металлургии — спекание мелких зерен металла под давлением.
Химические свойства
Бериллий — блестящий, светло-серый металл. В атмосфере кислорода или воздуха за 1,5—2 ч бериллий покрывается пленкой оксида, придающей ему матовый вид. Толщина пленки около миллионной доли сантиметра. Объем оксида бериллия больше объема металла бериллия. Поэтому пленка оксида бериллия образует сплошное защитное покрытие, не пропускающее кислород к поверхности металла (такие же оксидные пленки образуются и на поверхности магния или алюминия). При нагревании порошкообразного бериллия в атмосфере кислорода он, подобно магнию, сгорает, хотя и не столь бурно, как магний.
2Be + O2 = 2BeO
Лишь при образовании оксидов кальция и тория энергии выделяется больше, чем при образовании оксида бериллия. При нагревании бериллия в атмосфере азота до 600—700°С металл покрывается плотной, нерастворимой защитной пленкой нитрида бериллия:
3Be + N2=Be3N2
Образование сульфида бериллия, BeS, происходит при более низких температурах:
Be + S = BeS
Порошок бериллия реагирует с фтором при комнатной температуре, а при повышенных температурах и с хлором, бромом и иодом: Ве + Х2 = ВeХ2,
где X —галоген. Все галогениды бериллия хорошо растворимы в воде. В разбавленных кислотах бериллий быстро растворяется с выделением водорода. В подавляющем большинстве своих соединений бериллий двухвалентен.
Ни с холодной, ни с кипящей водой бериллий не взаимодействует. Вам известно, что эта реакция характерна для магния, кальция, стронция, бария и радия.
При нагревании бериллия в атмосфере водорода не удается получить гидрид бериллия, хотя это соединение и существует. В отличие от своих соседей по группе для образования гидрида бериллия бериллий должен прореагировать с атомарным водородом:
Ве+2Н = ВеН2
Удивительно то, что в растворе сульфата бериллия растворяется металлический магний и его оксид:
2BeSO4 + Mg+2Н2O = Н2 + MgSO4 + (ВеОН)2SO4,
2BeSO4+MgO+Н2O = MgSO4 + (ВеОН)2SO4
Такая же основная соль бериллия образуется и при растворении оксида бериллия в концентрированной серной кислоте.
Бериллий растворятся в щелочах с выделением водорода:
Be + 2NaOH = Na2BeO2+Н2↑
Реакция бериллия с водными растворами щелочей сопровождается выделением водорода и образованием гидроксобериллатов:
Be + 2NaOH + 2H2O = Na2[Be(OH)4] + H2↑
Изотопы
Изотоп 8Be отсутствует в природе, поскольку является крайне нестабильным и имеет период полураспада 10−18. Стабильным является 9Be. Кроме 9Be в природе встречаются радиоактивные изотопы 7Be и 10Be. На данный момент известны 12 изотопов бериллия.
Применение
Применение бериллия весьма широко, поэтому статья будет дополнена позднее
|