Бериллий

Бериллий ( Be ) — легкий металл светло-серого цвета. Название элемен­та происходит от греческого «берилл». Открыт в 1798 г. французским химиком Л. Вокленом в минерале этого названия. Впервые бериллий получен в 1828 г. независимо друг от друга Веллером и Бюсси путем восстановления хлорида бериллия калием. В 1898 г. Лебо удалось по­лучить более чистый металл электролизом расплава, содержащего фто­риды калия и бериллия. Начало промышленного производства металла относится к 30—40 гг. XX в.

Содержание берилия в земной коре 6-10^-4% (по массе).

Известно около 40 минералов, содержащих бериллий. Наиболее рас­пространенные: берилл (~14% ВеО), хризоберилл (до 20% ВеО), бертраидит (до 42 % ВеО), фенокит (46 % ВеО), гельвин (13,6 % ВеО), барилид (15 % ВеО), эвклаз (17 % ВеО).

Бериллиевые концентраты перерабатывают в оксид или гидроксид бериллия, из которых получают фторид или хлорид бериллия. Металли­ческий бериллий получают либо восстановлением фторида бериллия маг­нием, либо электролизом из хлоридного электролита.

При первом способе бериллий содержит 0,05—0,1 % Fe ; 0,02— 0,03 % АЮ; 0,01—0,03 % Si ; 0,01—0,02 % Мп; 0,03—0,05 % Mg ; 0,003—0,005 % Си; 0,003—0,005 % Ni ; при втором после вакуумного пе­реплава 0,007 % Fe ; 0,003 % Al ; 0,02—0,03% Si ; 0,003 % Ni ; 0,002 Се; 0,002 % Си; 0,03 % Са.

Для получения бериллия более высокой чистоты его подвергают дис­тилляции в вакууме, зонной плавке и электролитическому рафинирова­нию. В нашей стране разработан способ получения высокочистого (>99,9%) и ультрамелкозернистого (<10мкм) металлического берил­лия, обладающего высокой технологичностью. Заготовки получают ме­тодами порошковой металлургии — горячим прессованием порошков при 1140—1180°С, полуфабрикаты и изделия — выдавливанием.

Бериллиевый прокат выпускают в виде прутков, труб и листов. Го-рячепрессованные прутки выпускают диаметром от 20 до 200 мм, дли­ной до 1800 мм. Временное сопротивление разрыву прутков, отожжен­ных при 800 ±20°С в течение двух часов, составляет 550—700 МПа, относительное удлинение >5 %. Трубы поставляются длиной до 1800 мм, наружным диаметром от 100 до 260 мм с толщиной стенки от 10 до 50 мм. Механические свойства такие же, как и в случае прутков. Плас­тины выпускаются толщиной от 0,8 до 1,0 мм, шириной 12 мм при дли­не от 20 до 54 мм.

Листы поставляются толщиной от 2 до 12 мм, шириной 300—700 мм, длиной 400—1000 мм. Временное сопротивление разрыву горячекатаных и отожженных листов равно 400—500 МПа, относительное удлинение >4%.

Бериллий и его соединения весьма токсичны. Особенно опасны его летучие соединения, а также образующаяся при обработке пыль, вызы­вающие кожные заболевания и заболевания органов дыхания (берил-лиоз).

Средняя концентрация бериллия в воздухе не должна превышать 2 мкг/м³, а вблизи предприятия 0,10 мкг/м³. При всех операциях при работе с сухими порошками должна быть обеспечена полная герметиза­ция с небольшим разрежением (26,6*10^-4 МПа). Процессы должны быть автоматизированы. Пары, газы и другие отходы обрабатываются для очистки их от бериллийсодержащих веществ. Работающие с бериллием должны быть обеспечены спецодеждой и бельем, которое следует менять два раза в неделю, респираторами-«лепестками» и очками.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 4, атомная масса 9,013 а. е.м, атомный объем 4,89*10^-6 м³/моль. Атомный радиус 0,113 им, ионный радиус 0,034 нм. Потенциалы ионизации J (э B ) : 9,32 и 18,21. Электроот­рицательность 1,5. Кристаллическая решетка гексагональная плотноупа-кованная с периодами а=0,22860 нм и с=0,35840 нм; с/а— 1,5671; ми­нимальное межатомное расстояние 0,222 им; координационное число 6; 6 конфигурация внешних электронов 2 s ² . Энергия кристаллической ре­шетки 321,6 мкДж/кмоль. При 1254°С гексагональная а-модификация переходит в кубическую В Период решетки В-модификации при 1254 "С равен 0,25515 нм, а при 1280 °С — 0,25543 нм. При этом скачкообразно изменяется удельный объем и резко увеличивается электрическое сопро­тивление. В природе изотопы бериллия не обнаружены.

Химические свойства

Нормальный электродный потенциал реакции Be —2е<±Ве²+ ф₀ = —1,7 В. В соединениях проявляет степень окисления +2.

При обычных температурах и до 600 °С бериллий устойчив на воз­духе, так как покрывается тонкой пленкой ВеО; при 700 °С начинается окисление и с 800—1000°С этот процесс протекает довольно быстро. С водой бериллий практически не реагирует.

Выше 650 °С бериллий взаимодействует с азотом, образуя нитрид BeN ₂ , который может также образоваться при взаимодействии порошко­образного элемента с аммиаком (1000 °С) и с цианом (800 °С). Водород до точки плавления не реагирует с бериллием, однако при термическом разложении (2000°С) бериллийорганических соединений образуется ВеН₂. С углеродом бериллий образует карбиды Ве₂С и ВеС₂. При горе­нии порошка бериллия в кислороде образуется ВеО, В сухом кислороде при давлении в несколько десятков мегапаскалей бериллий стоек до 650 °С, во влажном кислороде и водяном паре — до 600 °С, в углекис­лом газе — до 700 °С.

Бериллий реагирует с серной и соляной кислотами, а также с разбав­ленной азотной кислотой, в то время как концентрированная азотная кислота практически не воздействует на бериллий. При взаимодействии с растворами щелочей выделяется водород.

С фтором бериллий образует фторид BeF 2, с хлором — хлорид ВеС1₂, с бромом — бромид ВеI₂, с иодидом — иодид ВеI₂.

При взаимодействии с фосфором и мышьяком образуются фосфид^г и арсениды. С серой бериллий образует сульфид бериллия BeS . Боль­шинство солей бериллия, в том числе и сульфат, хорошо растворимы в воде.

В расплавленном состоянии бериллий растворяет почти все металлы. В расплавленных литии, натрии и калии он устойчив до 600 °С, при бо­лее высоких температурах начинает растворяться. При высоких темпе­ратурах взаимодействует с большинством металлов, образуя берилли-ды. При взаимодействии с алюминием, кремнием дает эвтектики. Раство­римость примесных элементов мала.

Электрохимический эквивалент 0,046 мг/Кл.

Технологические свойства

При комнатной температуре бериллий хрупок. Изделия из бериллия по­лучают выдавливанием, прессованием, прокаткой, ковкой и штамповкой в горячем состоянии. Прутки, трубы и профили получают горячим вы­давливанием в защитных оболочках из низкоуглеродистой стали. Горя­чее прессование проводят при 500—1Ю0°С; при 510 °С требуется давле­ние 39,4 МПа, а при 1100°С — 0,5— 1 МПа. Тонкие листы и фольгу тол­щиной до 0,02 мм получают теплой прокаткой с промежуточными отжи­гами. Проволоку диаметром <0,03 мм получают волочением.

Области применения

Малая плотность, высокая температура плавления, необычайно высокий модуль упругости, уникальная теплоемкость и высокие значения электри­ческой проводимости и теплопроводности обусловили использование бериллия в различных областях новой техники. В ядерной технике ои приобрел большое значение как замедлитель и отражатель тепловых нейтронов и как конструкционный материал. Широко применяется бе­риллий в точных приборах, в частности в системах наведения и управ­ления, авиационной технике, где от материала требуется высокая раз­мерная стабильность. Склонность к хрупкому разрушению, повышенная чувствительность к надрезу, недостаточная вязкость (вязкость разру­шения промышленных сортов бериллия Ki_c = 9,5:22 МПа*м½ анизо­тропия механических свойств, плохая свариваемость, токсичность и вы­сокая стоимость ограничивают применение бериллия.

Бериллий применяют для легирования различных сплавов. Алюми­ниевые сплавы с бериллием находят применение в авиационной и ракет­ной технике.

Медные сплавы, легированные бериллием, так называемые бериллие-вые бронзы, обладают высоким сопротивлением усталости и износу при высоких температурах; их используют для изготовления пружин, шасси самолетов, неискрящих инструментов.

В качестве огнеупорного материала для изготовления тиглей исполь­зуется оксид бериллия.