Бериллий

Бериллий (лат. Beryllium), Ве, химический элемент II группы периодической системы, атомный номер 4, атомная масса 9,01218; относится к щелочноземельным металлам.

Химический символ элемента Be читается «бериллий». В природе встречается только один стабильный нуклид 9Be. Электронная конфигурация атома бериллия 1s22s2. Атомный радиус 0,113 нм, радиус иона Ве2+ — 0,034 нм. В соединениях проявляет только степень окисления +2 (валентность II). Энергии последовательной ионизации атома Ве равны 9,3227 и 18,211 эВ. Значение электроотрицательности по Полингу 1,57. В свободном виде — серебристо-серый легкий металл.

Свойства: металлический бериллий характеризуется высокой хрупкостью. Температура плавления 1278°C, температура кипения около 2470°C, плотность 1,816 кг/м3. До температуры 1277°C устойчив a-Ве (гексагональная решетка типа магния (Mg), параметры а = 0,22855 нм, с = 0,35833 нм), при температурах, предшествующих плавлению металла (1277-1288°C) — b-Ве с кубической решеткой.

Химические свойства бериллия во многом похожи на свойства магния (Mg) и, особенно, алюминия (Al). Близость свойств бериллия и алюминия объясняется почти одинаковым отношением заряда катиона к его радиусу для ионов Be2+ и Al3+.

На воздухе бериллий, как и алюминий, покрыт оксидной пленкой, придающей бериллию матовый цвет. Наличие оксидной пленки предохраняет металл от дальнейшего разрушения и обусловливает его невысокую химическую активность при комнатной температуре.

При нагревании бериллий сгорает на воздухе с образованием оксида BeO, реагирует с серой и азотом. С галогенами бериллий реагирует при обычной температуре или при слабом нагревании, например:

Be + Cl2 = ВеСl2

Все эти реакции сопровождаются выделением большого количества теплоты, так как прочность кристаллических решеток возникающих соединений (BeO, BeS, Be3N2, ВеСl2 и др.) довольно велика.

Благодаря образованию на поверхности прочной пленки оксида бериллий не реагирует с водой, хотя находится в ряду стандартных потенциалов значительно левее водорода. Как и алюминий, бериллий реагирует с кислотами и растворами щелочей:

Be + 2HCl = BeCl2 + H2,

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

Гидроксид бериллия Be(OH)2 — полимерное соединение, нерастворимое в воде. Оно проявляет амфотерные свойства:

Be(OH)2 + 2КOH = К2[Be(OH)4],

Be(OH)2 + 2HСl = BeСl2 + 2H2O.

В большинстве соединений бериллий проявляет координационное число 4. Например, в структуре твердого BeCl2 имеются цепочки с мостиковыми атомами хлора.

За счет образования прочных тетраэдрических анионов многие соединения бериллия вступают в реакции с солями других металлов:

BeF2 + 2KF = K2[BeF4]

С водородом (H) бериллий непосредственно не взаимодействует. Гидрид бериллия BeH2 — полимерное вещество, его получают реакцией.

BeCl2 + 2LiH = BeH2 + 2LiCl,проводимой в эфирном растворе.

Действием на гидроксид бериллия Be(OH)2 растворами карбоновых кислот или при упаривании растворов их бериллиевых солей получают оксисоли бериллия, например, оксиацетат Be4O(CH3COO)6. Эти соединения содержат тетраэдрическую группировку Be4O, по шести ребрам этого тетраэдра располагаются ацетатные группы. Такие соединения играют большую роль в процессах очистки бериллия, так как они не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях и легко возгоняются в вакууме.

История открытия: бериллий был открыт в 1798 году Л. Вокленом в виде берилловой земли (оксида ВеО), когда этот французский химик выяснял общие особенности химического состава драгоценных камней берилла (от греческого beryllos — берилл) и изумруда. Металлический бериллий был получен в 1828 г. Ф. Велером в Германии и независимо от него А. Бюсси во Франции. Однако из-за примесей его не удавалось сплавить. Лишь в 1898 г. французский химик П. Лебо, подвергнув электролизу двойной фторид калия и бериллия, получил достаточно чистые металлические кристаллы бериллия. Интересно, что из-за сладкого вкуса растворимых в воде соединений бериллия элемент вначале называли «глюциний» (от греческого glykys — сладкий).

Нахождение в природе: бериллий относится к редким элементам, его содержание в земной коре 2,6·10–4 % по массе. В морской воде содержится до 6·10–7 мг/л бериллия.

Основные природные минералы, содержащие бериллий: берилл Be3Al2(SiO3)6, фенакит Be2SiO4, бертрандит Be4Si2O8·H2O и гельвин (Mn,Fe,Zn)4[BeSiO4]3S. Окрашенные примесями катионов других металлов прозрачные разновидности берилла — драгоценные камни, например, зеленый изумруд, голубой аквамарин, гелиодер, воробьевит и другие. В настоящее время их научились синтезировать искусственно.

Получение соединений бериллия и металлического бериллия: извлечение бериллия из его природных минералов (в основном берилла) включает в себя несколько стадий, при этом особенно важно отделить бериллий от сходного по свойствам и сопутствующего бериллию в минералах алюминия (Al). Можно, например, сплавить берилл с гексафторосиликатом натрия Na2SiF6:

Be3Al2(SiO3)6 + 12Na2SiF6 = 6Na2SiO3 + 2Na3AlF6 + 3Na2[BeF4] + 12SiF4.

В результате сплавления образуются криолит Na3AlF6 — плохо растворимое в воде соединение, а также растворимый в воде фторобериллат натрия (Na) Na2[BeF4]. Его далее выщелачивают водой. Для более глубокой очистки бериллия от алюминия (Al) применяют обработку полученного раствора карбонатом аммония (NH4)2CO3. При этом алюминий оседает в виде гидроксида Al(OH)3, а бериллий остается в растворе в виде растворимого комплекса (NH4)2[Be(CO3)2]. Этот комплекс затем разлагают до оксида бериллия ВеО при прокаливании:

(NH4)2[Be(CO3)2] = BeO + 2CO2 + 2NH3 + H2O.

Другой метод очистки бериллия от алюминия основан на том, что оксиацетат бериллия Be4O(CH3COO)6, в отличие от оксиацатата алюминия [Al3O(CH3COO)]+CH3COO–, имеет молекулярное строение и легко возгоняется при нагревании.

Известен также способ переработки берилла, в котором сначала берилл обрабатывают концентрированной серной кислотой при температуре 300°C, а затем спек выщелачивают водой. Сульфаты алюминия (Al) и бериллия при этом переходят в раствор. После добавления к раствору сульфата калия (K) K2SO4 удается осадить алюминий (Al) из раствора в виде алюмокалиевых квасцов KAl(SO4)2·12H2O. Дальнейшую очистку бериллия от алюминия проводят так же, как и в предыдущем методе.

Наконец, известен и такой способ переработки берилла. Исходный минерал сначала сплавляют с поташем K2CO3. При этом образуются бериллат K2BeO2 и алюминат калия KAlO2:

Be3Al2(SiO3)6 + 10K2CO3 = 3K2BeO2 + 2KAlO2 + 6K2SiO3 + 10CO2

После выщелачивания водой полученный раствор подкисляют серной кислотой. В результате в осадок выпадает кремниевая кислота. Из фильтрата далее осаждают алюмокалиевые квасцы, после чего в растворе из катионов остаются только ионы Ве2+.

Из полученного тем или иным способом оксида бериллия ВеО затем получают фторид, из которого магнийтермическим методом восстанавливают металлический бериллий:

BeF2 + Mg = MgF2 + Be.

Металлический бериллий можно приготовить также электролизом расплава смеси BeCl2 и NaCl при температурах около 300°C. Раньше бериллий получали электролизом расплава фторобериллата бария Ba[BeF4]:

Ba[BeF4] = BaF2 + Be + F2.

Применение: бериллий в основном используют как легирующую добавку к различным сплавам. Добавка бериллия значительно повышает твердость и прочность сплавов, коррозионную устойчивость поверхностей изготовленных из этих сплавов изделий. Бериллий слабо поглощает рентгеновское излучение, поэтому из него изготавливают окошки рентгеновских трубок (через которые излучение выходит наружу). В атомных реакторах из бериллия изготовляют отражатели нейтронов, его используют как замедлитель нейтронов. В смесях с некоторыми a-радиоактивными нуклидами бериллий используют в ампульных нейтронных источниках, так как при взаимодействии ядер бериллия-9 и a-частиц возникают нейтроны: 9Ве(a, n)12C.

Физиологическое действие: в живых организмах бериллий, по-видимому, не несет никакой биологической функции. Его содержание в организме среднего человека (масса тела 70 кг) составляет 0,036 мг, ежедневное поступление с пищей — около 0,01 мг. Летучие и растворимые соединения бериллия, а также пыль, содержащая бериллий и его соединения, очень токсичны. Бериллий замещает в ферментах магний и обладает ярко выраженным аллергическим и канцерогенным действием. Его присутствие в атмосферном воздухе приводит к тяжелому заболеванию органов дыхания — бериллиозу. Следует отметить, что эти заболевания могут возникнуть через 10-15 лет после прекращения контакта с бериллием. Для воздуха ПДК в пересчете на бериллий составляет 0,001 мг/м3.