khimie.ru

Бериллий — один из самых легких металлов, который в периодической системе элементов размещается под номером 4. Еще в 30-х годах академик А. Е. Ферсман назвал его металлом будущего. Теперь это металл нашего настоящего. Строительство сверхскоростных самолетов и ракет, космических кораблей и ядерных реакторов, металлургия, машиностроение и радиоэлектроника ‒ вот далеко не полный перечень использования бериллия и его соединений.

История этого замечательного металла началась в 1798 г., когда французский химик Луи Никола Вокелен открыл его в виде «сладкой земли» (ВеО), исследуя драгоценный камень изумруд. Первоначальное название бериллия — «глициний», «сладкозем» — указывали на то, что его соли имеют сладкий вкус. Лишь через 100 лет ученым удалось добыть чистый металл, а затем прошло еще 34 года, пока он нашел практическое применение. В 1932 г. английский физик Дж. Чедвик, облучая бериллиевые пластинки альфа-частицами, заметил, что при этом возникают стабильные ядра углерода-12 и вылетают новые частицы, лишенные любого заряда. Так был открыт нейтрон. Это открытие сделало возможным решение проблемы расщепления атомного ядра и освобождение энергии неслыханной силы.

Бериллий — металл серебристого цвета, очень легкий (плотность его 1,86), прочный и жаростойкий. Температура его плавления — 1350 °С, а по прочности он не уступает специальным сталям. Как и его «химический родственник» алюминий, бериллий на воздухе покрывается плотной пленкой оксида, которая спасает металл от дальнейшего окисления. Чистый бериллий достаточно жесткий — он режет стекло. Но, несмотря на свою высокую прочность, при температурах бериллий становится хрупким. Чтобы помочь этому горю, его легируют хромом, марганцем, железом, кобальтом, никелем, медью.

Наибольшее распространение в технике получили сплавы бериллия с медью — так называемые бериллиевые бронзы, содержащие всего 0,5-3% бериллия. Такие бронзы своей прочностью значительно превосходят сталь, они не реагируют на магнит, а от удара не искрят. Именно благодаря последней свойства из них изготавливают отбойные молотки и различное оборудование для работы в шахтах, на пороховых заводах и мельницах, где всего одна искра может вызвать чудовищную катастрофу. Интересно, что большинство материалов со временем «стареют» и теряют свою прочность. И бериллиевые бронзы лишены этого недостатка. Вследствие старения, а также нагрев их прочность, наоборот, растет. Это сразу оценили конструкторы, и из бериллиевой бронзы стали производить наиболее важные детали и механизмы. Пружина, изготовленная из бериллиевой бронзы, практически вечная, ведь она способна выдержать до 20 миллиардов цикловых нагрузок. Только в современном тяжелом самолете насчитывается около тысячи различных деталей, сделанных из бериллиевой бронзы.

Бериллий прекрасно зарекомендовал себя и в ядерной энергетике. Этим он обязан своим уникальным ядерным свойствам. Ядра бериллия имеют малую массу и совсем не впитывают нейтронов. Быстрые нейтроны, возникающие в активной зоне реактора в результате расщепления ядерного топлива, соударяясь с маленькими ядрами бериллия, отдают им значительную часть своей энергии, тормозятся и превращаются в медленные (тепловые) нейтроны. Следовательно, бериллий, а также его оксид — хорошие замедлители нейтронов и в этом значительно превосходят такие широко известные замедлители, как графит и тяжелую воду. Кроме того, бериллий прекрасно отражает нейтроны, то есть возвращает их в активную зону, а это позволяет значительно уменьшить ее размеры. Поэтому бериллиевые отражатели устанавливают в атомных реакторах.

Если же учесть и легкость бериллия, то становится понятным его назначение как важного конструкционного материала в реакторах для атомных ледоколов и подводных лодок. А свойство его излучать нейтроны при бомбардировке альфа-частицами используется для изготовления радий-бериллиевых и полоний-бериллиевых источников нейтронов.

В недалеком будущем бериллий, как и его сосед по периодической системе — литий, станет термоядерным горючим в искусственных солнцах, ибо при чрезвычайно высоких температурах он под влиянием ядер водорода способен превращаться в ядра гелия, освобождая при этом колоссальную энергию. Но этот вопрос пока не решен.

Бериллий полностью прозрачен для рентгеновских и гамма-лучей. Это дает возможность изготавливать из него «окошки» для рентгеновских трубок и счетчиков Гейгера-Мюллера.

Потребителями бериллия стали реактивная авиация, ракетная техника и космонавтика. Благодаря таким качествам бериллия, как высокие удельная прочность, жаростойкость, теплопроводность и теплоемкость, конструкторы применяют его для изготовления стержней, труб и листов для авиационной, ракетной и ядерной техники, а также тормозных дисков колес самолетов, узлов компрессоров газотурбинных двигателей, деталей гироскопов.

Оксид бериллия ВеО пригоден для изготовления огнеупорных материалов. Это соединение имеет высокую температуру плавления (2570 °С) и теплопроводность, большую теплоту испарения. Благодаря этим свойствам материалы из оксида бериллия применяют при выплавке некоторых чистых ценных металлов, в том числе и бериллия, как защитные покрытия, а также в ядерной технике как отражатели нейтронов.

Изделия из очень чистого оксида бериллия, который добывают термическим разложением основного ацетата бериллия ВеОВе₃(СН₃СОО)₆, ‒ добрые электроизоляторы даже при очень высоких температурах.

Бериллий ‒ довольно редкий и распыленный металл. В одной тонне земных пород его содержится в среднем до 3,5 г. Основная масса бериллия распылена в гранитных пегматитах, сиенитов и других породах. Но часто встречаются и собственные бериллиевые минералы, которых геологи насчитывают около 30. Это в основном алюмосиликаты и силикаты бериллия. Для извлечения бериллия используют преимущественно берилл 3ВеО∙А1₂О₃ 6SiO₂ ‒ наиболее распространенный минерал, известный людям с глубокой древности. Разновидности берилла, окрашенные примесями некоторых металлов, ‒ драгоценные камни. Замечательные зеленые изумруды издавна ценятся дороже алмазов. Чрезвычайно красивые цвета морской воды аквамарин, золотисто-желтый гелиодор и розовый морганит … И все же самый ценный среди них изумруд. Им украшали себя цари и церковные владыки, ему поклонялись как божеству … Древний греческий историк Геродот отмечает, что у скифов в крупнейшей почете среди всех самоцветов были изумруды. Наряду с другими драгоценными камнями изумруды сияли в гетманской булаве Богдана Хмельницкого.

Изъятие берилла из различных пород ведется пока вручную. Но в последнее время для этого начали вводить и метод флотации. Добытый берилл подвергают сложной химической переработке, которая сводится в основном к отделению алюминия, железа и кремния от бериллия. Конечная цель ‒ выделение чистого оксида бериллия, который затем превращают в хлорид или фторид.

Для новейшей техники и особенно для ядерной энергетики требуется бериллий чрезвычайно высокой чистоты. Глубокую очистку бериллия осуществляют различными методами. Самые главные из них; перегонка бериллия в вакууме, анодное рафинирования и зонная плавка в электроннолучевых печах. Интересно отметить, что плавление и очистку бериллия осуществляют в тиглях из оксида бериллия. Такие же тигли используют и для плавления ядерного топлива ‒ урана и плутония, а также америция, поскольку оксид бериллия практически не взаимодействует с названными металлами.

Когда началось интенсивное добывание бериллия, оказалось, что он и его соединения опасны для организма человека. При вдыхании пыли, содержащей маленькие частички бериллия или его соединений, развивается тяжелая болезнь — бериллиоз. Происходит раздражение и воспаление дыхательных путей, в легких возникает множество незаживающих ран, часто случаются носовые кровотечения, затрудняется дыхание.

Попав на кожу и слизистые оболочки, соединения бериллия вызывают воспалительные процессы. Бериллий, который поступает в организм вместе с пищей или водой, действует губительно на ферменты, а также изымает фосфат-ионы из костей и тем самым их ослабляет. Отравление бериллием развивается медленно и нередко дает о себе знать лишь через несколько лет (даже через десять) и может привести к смерти. Вот почему бериллий за его коварное и пагубное воздействие на живые организмы назвали «ползучей смертью».

Поскольку бериллий и его соединения ядовиты, то при работе с ними следует уделять большое внимание технике безопасности. Содержание бериллия в атмосфере должно быть ограниченным. Так, по американским нормам концентрация бериллия в атмосфере предприятия не должна превышать 2 мкг/м³. Для этого в производственных помещениях создается мощная вентиляция, аппараты и установки герметизированы, рабочие работают в специальных защитных костюмах.

Можно надеяться, что в недалеком будущем сферы применения этого ценного металла и его соединений значительно расширятся, ведь, по сути, бериллий ‒ еще очень «молодой» металл.