Бериллий: это что, и где его используют?

Бериллий – это элемент второй группы 2-го периода таблицы Менделеева, имеющий атомный номер 4 и обозначающийся символом Ве. Он высокотоксичный и обладает множеством специфических свойств, которые обусловили его широкое применение во многих сферах. И сейчас будет рассказано как о характеристиках данного элемента, так и об его использовании.

Физические свойства

Выглядит данное вещество как светло-серый металл. Он относительно твердый, по шкале Мооса оценен в 5,5 баллов. Это значит, что его можно повредить лишь с усилием, и только чем-то острым. Он является одним из самых твердых металлов, существующих в чистом виде. По данному показателю его опережает иридий, осмий, вольфрам и уран.

Можно выделить следующие физические характеристики:

• Плотность – 1,848 г/см³.
• Молярный объем – 5,0 см³/моль.
• Температура плавления и кипения – 1278 °C и 2970 °C соответственно.
• Молярная теплоемкость – 16,44 Дж/(K•моль).
• Удельная теплота плавления и испарения – 12,21 и 309 кДж/моль соответственно.

Еще у этого металла высокий модуль упругости, составляющий 300 Гпа. Даже у сталей этот показатель равен 200-210 Гпа. Находясь на воздухе, он активно покрывается стойкой пленкой атмосферного оксида ВеО. Также стоит отметить, что в бериллии очень высокая скорость звука. Она равна 12 600 м/с. А это в два-три раза выше, чем в остальных металлах.

Хрупкость

Несмотря на свою впечатляющую твердость, бериллий – это очень хрупкий металл. Скорее всего, данное качество связано с присутствием в нем кислорода. Но эта особенность легко устраняется. Бериллий отправляют в вакуум на переплавку. В данном процессе обязательно участвует раскислитель (титан, например). В результате получается прочный металл с достаточной ковкостью.

Также хрупкость бериллия – это особенность, связанная с распространением в монокристаллах трещин. Учитывая данный факт, повысить пластичность металла можно посредством обработки, уменьшающей размер зерен и препятствующей их росту. Это свойство бериллия всегда устраняется, поскольку из-за него он крайне плохо сваривается и паяется. Кстати, хрупкость может и повыситься – для этого достаточно добавить в металл немного селена (неметалл, халькоген).

Химические особенности

Данный металл по целому ряду своих свойств похож на алюминий – это прослеживается даже в уравнениях реакций бериллия, которые, кстати, весьма специфичны. При комнатной температуре металл имеет низкую реакционную способность, а в компактном виде не взаимодействует даже с водой и паром.

Воздухом он окисляется до температуры 600 °C. Когда данный показатель превышается, то становятся возможными реакции с галогенами. А вот для взаимодействия с халькогенами необходимы еще более высокие температуры. С аммиаком, например, бериллий может вступить в реакцию, только если будет более 1200 °C. Вследствие этого образуется нитрид Be₃N₂. Но зато порошок данного вещества горит впечатляющим ярким пламенем. И при этом образуется нитрид и оксид.

Be(OH)2

Это гидроксид бериллия. При нормальных условиях он выглядит как гелеобразное вещество белого цвета, которое почти не растворяется в воде. Но зато этот процесс успешно происходит, когда он попадает в разбавленную минеральную кислоту. Вот так, кстати, выглядит реакция серной кислоты и гидроксида бериллия по формуле: Ве(ОН)₂ + H₂SO₄ → BeSO₄ + 2Н₂О. В результате, как можно видеть, образуется соль и вода. С щелочами оксид тоже взаимодействует. Выглядит это так: Ве(ОН)₂ + 2NaOH → Na₂Be(OH)₄.

Еще интересная реакция происходит при температурном воздействии. Если увеличить показатель до 140 °C, то вещество разложится на оксид и воду: Ве(ОН)₂ → ВеО + Н₂О. Кстати, получают гидроксид посредством обработки солей бериллия, которая происходит либо с участием щелочных металлов, либо в ходе гидролиза натрия. Также в данном процессе может участвовать фосфид металла.

BeSO4

Это сульфат бериллия. Это вещество представляет собой твердые кристаллы белого цвета. Его получают в результате взаимодействия серной кислоты и любой соли бериллия в воде. Сопровождается процесс выпариванием и последующей кристаллизацией получающегося в итоге продукта. Если нагреть гидрат до 400 °C, то получится разложить его на Н₂О и безводную соль. У BeSO₄ было весьма специфичное применение. Его смешивали с сульфатом радия (неорганическое вещество щелочноземельного радиоактивного металла) и использовали в атомных реакторах в качестве источника нейтронов. На сегодняшний день его нередко применяют в таком виде альтернативной медицины, как гомеопатия.

Ве(NO3)2

Это нитрат бериллия. Он является средней солью этого металла и азотной кислоты. Данное соединение может существовать лишь как кристаллогидраты различного состава. Безводных нитратов просто не существует. Вследствие добавления концентрированной азотной кислоты удается выделить из водного раствора тетрагидрат бериллия. Формула выглядит так: Ве(NO₃)₂•4Н₂О. Интересно, что кристаллы данного вещества расплываются на воздухе. А в результате реакций, проводимых в растворе с 54-процентным содержанием азотной кислоты, может образовываться тригидрат. Также с участием данных веществ можно образовать дигидрат.

Нитрат данного металла раньше активно использовался в производстве колпачков так называемых газокалильных ламп. Он идеально для этого подходил, ведь мог термически разлагаться, образовывая оксид. Но потом повсеместно начало распространяться электрическое освещение, и данная технология канула в лету, как и применение нитрата. Он, к слову, является токсичным, как и любые другие бериллиевые соединения. Более того, даже в малых количествах данное вещество – раздражитель, провоцирующий острую пневмонию.

Получение металла

В промышленности бериллий – это активно используемый металл, который нужно производить в большом количестве. Поэтому используется самый оперативный метод. Заключается он в переработке берилла (минерала, кольцевого силиката) в сульфат или гидроксид данного элемента. Металлический бериллий производят посредством восстановления фторида BeF₂ при помощи магния. Осуществляется данный процесс при температурном режиме в 900-1300 °С или другим методом – электролизом хлорида BeCl₂. В этой реакции участвует хлорид натрия (NaCl), а происходит все при температуре 350 °С.

Получаемое в итоге вещество отправляют на дистилляцию в вакуум. Результатом данного процесса становится металл высокой чистоты.

Металлопроизводство

В этой сфере активно применяется такой химический элемент, как бериллий. Он – эффективная легирующая добавка. Бериллий включают в состав сплавов для того, чтобы повысить их прочности и твердость. С присутствием данного металла они также обретают коррозионную устойчивость. Изделия, произведенные из сплавов с бериллием, очень долговечные и прочные. Какие, например? Яркий пример – пружинные контакты. Всего 0,5 % этого металла достаточно добавить в бронзу, из которой их делают. Пружины получаются крепкими и остаются упругими вплоть до температуры красного каления. Они, в отличие от изделий из любого другого сплава, выдерживают миллиарды циклов огромной нагрузки.

Аэрокосмические технологии

В производстве систем наведения и тепловых экранов ни один другой конструкционный металл не проявляет себя так, как бериллий. Ему в данной сфере нет равных. Этот металл добавляют в конструкционные материалы, чтобы они обрели легкость и при этом получили увеличенную стойкость к высоким температурам и прочность. Такие сплавы получаются в полтора раза легче алюминия и прочнее.

Еще в строении аэрокосмической техники используются бериллиды, являющиеся интерметаллическими соединениями данного вещества с другими металлами. Они очень твердые, имеют малую удельную плотность и поразительную устойчивость к температуре. Поэтому из бериллидов делают обшивки самолетов и ракет, используют их в производстве двигателей, систем наведения, тормозов. Даже сплавы титана по своим качествам проигрывают данным веществам. Кстати, немалому количеству бериллидов свойственны специфические ядерные характеристики. Именно поэтому их еще применяют в атомной энергетике (делают отражатели нейтронов, например).

Другие сферы применения

Помимо перечисленного, бериллий (точнее его алюминат) также используют в производстве твердотельных излучателей. Были выявлены и топлива, содержащие это вещество. Они являются менее токсичными и более дешевыми, чем все остальные. В частности, было обнаружено ракетное топливо с гидридом бериллия. Важно отметить, что уже упомянутый ранее оксид бериллия – самый теплопроводный из всех существующих. Поэтому его используют в качестве высокотемпературного изолятора и стойкого огнеупорного материала.

А еще бериллий является популярным веществом для изготовления электродинамических громкоговорителей. Ведь он твердый и легкий. Вот только из-за хрупкости, дорогостоящей обработки и токсичности динамики с этим металлом применяют лишь в профессиональных аудиосистемах. А некоторые производители, чтобы улучшить показатели своих продаж, заявляют об использовании этого металла в своей технике, даже если это не так.