- Сплавы на основе бериллия
- Основные бериллиевые минералы
- Что представляет собой
- Где используется
- Другие отрасли
- Как был открыт
- Магнийтермическое восстановление фторида бериллия
- Месторождения бериллиевых руд
- Месторождения бериллия
- Металлотермические методы
- Минералы и руды бериллия
- Общие сведения
- Опасность
- Примечания
- Проблемы классификации
- Распространение в природе
- Свойства бериллия
- Технология получения
- Физико-химические характеристики
- Формы нахождения в природе
- Электролитическое производство бериллия
Сплавы на основе бериллия
Подавляющее большинство элементов периодической системы обладают ничтожной растворимостью в бериллии или практически не растворяются в нем. Заметной растворимостью в твердом бериллии при высоких температурах обладают такие элементы, как Co, Ni, Cu, Au, Pd.
Большой интерес представляют сплавы бериллия с 20…40 % алюминия. Эти сплавы отличаются высокими механическими и технологическими свойствами при плотности не намного большей, чем у бериллия. Они обрабатываются значительно легче, чем чистый бериллий. Бериллий образует с алюминием диаграмму состояния эвтектического типа практически без взаимной растворимости (рис. 1).
Структура сплавов бериллия с 20…40 % Al представлена хрупкими сравнительно твердыми частицами бериллия и мягкой высокопластичной алюминиевой фазой. Алюминиевая фаза и придает сплавам достаточно высокую технологичность и пластичность. Хотя алюминий и снижает модули упругости бериллия, они остаются достаточно высокими и составляют 220000…250000 МПа при 25…30 % Al, в связи с чем эти сплавы по удельному модулю упругости превосходят все конструкционные материалы.
В связи с открытием у бериллия полиморфизма были приняты попытки стабилизировать β-фазу при комнатной температуре. Бериллиевые сплавы со стабилизированной β-фазой благодаря ее кубической структуре должны обладать значительно большей пластичностью по сравнению с α-бериллием и сплавами на основе α-фазы.
Фаза β закалкой в воде в бериллиевых сплавах не фиксируется. В системах бериллия с никелем и кобальтом β-фазу удалось зафиксировать лишь сверхбыстрой закалкой при скоростях охлаждения порядка 10 6 град/с. Поэтому в настоящее время стабилизацию β-фазы для получения бериллиевых сплавов считают весьма проблематичной.
Основные бериллиевые минералы
Известно более 30 собственно бериллиевых минералов, но только 6 из них считаются сравнительно распространёнными и могут иметь промышленное значение. В первую очередь это берилл, а далее хризоберилл, бертрандит, фенакит, гельвин, даналит[2].
Что представляет собой
Бериллий – элемент №4 таблицы Менделеева. Сероватый металл легок, с приглушенным блеском.
Имеет в составе один стабильный изотоп Ве-9.
Его материалом служит вещество межзвездных скоплений. Доставляется на Землю лучами из глубин Космоса.
Международное обозначение и формула простого вещества – Be.
Где используется
Две трети бериллия либо соединений забирает промышленность. Каждый сегмент использует нужные для себя достоинства вещества. Самые красивые находки достаются ювелирам и коллекционерам.
Первые в цепочке потребителей руды – металлурги. Добавка микродоз бериллия к сталям и сплавам повышает их утилитарные характеристики: прочность, твердость, невосприимчивость к ржавчине.
Особо популярна бериллиевая бронза (рандоль). Идет на диски, пружины, другие комплектующие, работающие в экстремальных условиях.
Всего 0,5% бериллия в составе сплава на порядки увеличивает количество рабочих циклов изделия, предотвращает искрение. Внешне сплав неотличим от благородного металла, за что назван «цыганским золотом».
Другие отрасли
Продукцию металлургов закупают производители оборудования для разных сфер:
- В ядерной отрасли это отражатель, замедлитель, источник нейтронов (начинка реакторов АЭС). Оксид бериллия плюс уран – ядерное топливо с высоким КПД. Фторид – компонент стекла специального назначения.
- Аэрокосмическая техника. Металл в полтора раза легче алюминия, но прочнее стали. Также жаростоек, упруг, с хорошей теплопроводностью. Поэтому нашел применение как материал корпуса и конструкций ракет, самолетов, космических аппаратов. Недорогой, с пониженной токсичностью гидрид бериллия – основа ракетного топлива.
- Металл неуязвим для рентгеновских лучей, поэтому становится «оконцами» рентгеновских аппаратов, детекторов.
- Это также детали лазеров.
- Металл – третий по теплопроводности среди химических элементов. Используется как огнеупор, изолятор, материал тиглей и специальных сортов керамики.
- Динамики с бериллием – компонент аудиосистем класса люкс.
ФАКТ! Из бериллия сделан «трубопровод» Большого адронного коллайдера. Им покрыты зеркала телескопов Хаббла, Спитцера, Уэбба, работающих в открытом космосе.
Как был открыт
К открытию элемента причастны европейские химики, физик и русский ученый:
- Первооткрывателем стал французский химик Луи Николя Воклен. В 1798 он выделил из берилла оксид.
- Через тридцать лет его коллеги немец Франц Велер и француз Антуан Бюсси получили, каждый в своей лаборатории, свободный бериллий.
- Металлическая форма вещества – заслуга француза Поля Лебо. Физик применил электролиз к расплаву солей вещества.
- В России бериллий исследовал Иван Авдеев. Химик проанализировал состав бериллиевых минералов и соединений с Урала, доказав истинную валентность оксида металла.
Интересна история названия элемента. За сладкий вкус растворяемых водой соединений его окрестили глицинием. Бериллием его предложили именовать химики Мартин Клапрот (Германия) и Андерс Экеберг (Швеция).
Термин «берилл» восходит к названию индийского города Белур в окрестностях Мадраса. Здесь веками добывали ювелирную разновидность берилла – изумруд.
Магнийтермическое восстановление фторида бериллия
Это самый распространенный метод получения металлического бериллия. Реакция восстановления фторида бериллия магнием протекает быстро уже при температуре около 900 ºС, однако для разделения продуктов реакции они должны быть нагреты до 1300 ºС, т. е. выше температур плавления бериллия и фторида магния.
В процессе восстановления выделяется большое количество тепла, которое идет на испарение магния, что создает возможность выброса материала из зоны реакции. Указанные осложнения устраняют добавлением флюсов, на плавление которых это тепло и расходуется.
Наиболее целесообразным оказалось использовать в качестве флюса избыток BeF2, что исключает загрязнение металла посторонними добавками. Система MgF2 – BeF2 позволяет выбрать наиболее рациональный состав шлака. Хорошие результаты могут быть достигнуты при введении магния в количестве не более 75 % от стехиометрически необходимого.
При таком соотношении бериллий легко отделяется от шлака за счет растворения с поверхности частичек восстановленного металла оксидной пленки, мешающей их слиянию. Плотность шлака больше плотности бериллия, поэтому последний всплывает на поверхность ванны.
Восстановление ведут в графитовых тиглях, нагреваемых в индукционных печах. Расплавленный бериллий накапливается на поверхности шлака. При охлаждении тигля металл кристаллизуется раньше шлака, что позволяет извлекать слиток бериллия из расплава солей.
Шлак в расплавленном состоянии сливают из тигля в графитовую изложницу. Соли с поверхности слитка бериллия растворяют в воде. Фторид бериллия извлекают из шлака в процессе выщелачивания раствором фторида аммония. Получаемый раствор поступает на стадию производства фторида бериллия.
Нерастворимый осадок, состоящий из фторида магния, после переработки используют в качестве флюса в процессе восстановления. Частицы и куски восстановленного металла содержат 97 % Be, а также некоторое количество шлака и непрореагировавшего магния. Суммарное извлечение бериллия в процессе восстановления 96 %, продолжительность цикла 3,5 ч.
Месторождения бериллиевых руд
Основной производитель бериллиевой руды — США, на которые приходится порядка 90% добычи, остальные 10% добывается в Китае [3]. В России к значимым местам добычи бериллиевых руд относится Ермаковское месторождение в Бурятии и Малышевское месторождение в Свердловской области[4][5].
Месторождения бериллия
Бериллий — редкий, уникальный, легкий и устойчивый стратегический металл ограниченного производства, использующийся только в новой технике (атомной, аэроракетно-космической, машино- и приборостроительной) и имеющий большие перспективы в термоядерном синтезе, суперсплавах, оптоэлектронике и др. Мировое зарубежное производство в 1987 г. составило около 320 т, потребление 350 т металла; к 2000 г. намечалось удвоение потребностей. Цена металлического Be в 1988 г. была ~ 500 дол/кг. Общие запасы зарубежных стран оценивались в конце 80-х годов в ~ 1 млн т, а возможный мировой металлогенический потенциал — в 20 млн т. Технофильность Be относительно низкая — 2*10в6. Основным производителем его стали США, где в 1980 г. только из одного месторождения Спер-Маунтин добыли ~ 7 тыс. т концентрата, содержащего 11 % BeO.
В геолого-геохимической систематике месторождения Be находятся в лито- и литохалькофильной группах, в генетической — среди магматогенных пегматитовых, скарновых, грейзеновых, гидротермальных и остаточных месторождений. Бериллий — один из тех металлов, сырьевая база которых за последние десятилетия претерпела коренные изменения; в настоящее время вместо небольших (0,n — 20 т BeO) месторождений редкометальных гранитных пегматитов с бедными рудами (0,00n — 0,n % BeO), из которых берилл добывается попутно, открыты низкотемпературные гидротермально-метасоматические богатые и крупные собственные месторождения Be. Важно отметить, что возможность обнаружения гидротермальных концентраций Be, образующихся за счет его переноса фторсодержащими и углекислыми растворами, была предсказана А.А. Беусом.
К крупнейшим месторождениям Be относятся (запасы BeO, тыс. т и содержание BeO, %): Кинс-Маунтин, США (пегматиты, ≥120 и 0,3); Бао Виста, Бразилия (пегматиты, ≥40 и 0,2—0,3); Редскин шток, США (грейзены, ≥50 и 1); Спер-Маунтин, США (метасоматиты, ≥38 и 0,5—0,7).
В формационной и промышленно-парагенетической классификации Н.А. Солодова выделяется три группы формаций: две эндогенные с кислыми и щелочными породами и экзогенная.
В первую входят следующие формации (в скобках — содержание BeO, %): 1) гранитных пегматитов (ГЭ = 1*10в4 — 5*10в4) — микроклиновых (0,005—0,01), микроклин-альбитовых (0,04—0,05), альбитовых (0,08—0,25); 2) эпискарновых метасоматитов флюорит-шпинель-циннвальдитового состава с таафеитом, хризобериллом и сянхуалитом (до 0,3) и др.; 3) редкометальных грейзенов (ГЭ = 1*10в4—5-*10в4) с восьмью парагенетическими типами месторождений — кварц-молибденитовых, кварц-вольфрамитовых, кварц-касситеритовых с бериллом (0,1—0,4), олигоклаз-флогопитовых с бериллом и изумрудом (0,1—0,15) и др.; 4) редкометальных слюдисто-флюоритовых метасоматитов (ГЭ = 5*10в6) — пять типов с бериллом, фенакитом, хризобериллом, эвклазом, бромеллитом (до 1%).
Щелочная группа объединяет формации: 1) бериллиеносных флюоритовых метасоматитов (гидротермалитов), включающие семь типов, в том числе наиболее богатые (0,5—3,0% BeO) и очень крупные (до 150 тыс. т BeO) месторождения; 2) редкометальных щелочных метасоматитов — четыре типа с комплексными (TR, Zr, Be), иногда богатыми (0,1—3%) рудами и крупными (до 100 тыс. т) запасами; 3) редкометальных щелочных метасоматитов в связи с нефелин-альбит-калишпатовыми (миаскитовыми) массивами с аминовитом, лейкофаном (0,2—0,4%); 4) нефелин-калишпатовых (агпаитовых) массивов с чкаловитом, гакманитом (0,1—0,3%); 5) редкометальных фенитов с барилитом (0,3—0,5% BeO).
В экзогенной группе выделены две формации: бериллиеносная вулканогенно-осадочная, представленная монтмориллонитовыми глинами с бехоитом, гельбертрандитом и сферобертрандитом (0,3—3,0% BeO, запасы n*10 тыс. т), и редкометальных кор выветривания с касситеритом, танталатами, бериллом, с бедными (0,005—0,03% BeO) рудами и небольшими (0, n тыс. т), но высокорентабельными запасами.
Примерно такое же большое число типов месторождений Be выделено А.И. Гинзбургом, И.П. Заболотной, И.И. Куприяновой, Е.П. Шпановым и др. Особенно детально ими, а также И.Н. Говоровым, изучены различные типы гидротермально-метасоматических месторождений, для которых установлены главные геолого-геохимические факторы рудообразования. Учитывая высокую устойчивость фторидных и гидроксилфтористых комплексов Be (pH = 4—12), большую устойчивость К, чем Na комплексов, а также то, что растворы, связанные с субщелочными и щелочными гранитами, будут становиться кислыми при большем удалении от источника и при меньших температурах, чем растворы, связанные с аляскитами, сделан вывод о том, что с щелочными породами должны ассоциировать наиболее удаленные и низкотемпературные руды с фенакитом, бертрандитом, гельвином, барилитом, гадолинитом, с аляскитами — руды, содержащие берилл, хризоберилл, эвклаз, а с наиболее щелочными — руды с эвдидимитом, лейкофаном, мелинофаном, чкаловитом.
Образование бериллиевой минерализации обусловлено, помимо резкого подкисления растворов, распадом фторкомплексов Be и формированием флюорита, что возможно при наличии карбонатных пород и определяет комплексный флюорит-бериллиевый состав руд. Наиболее крупные и богатые месторождения Be связаны с субщелочными и щелочными гранитоидами, возникающими в зонах активизации относительно поднятых устойчивых блоков земной коры (щиты, срединные массивы, горсты); они приурочены к краевым частям предрудных поднятий, на стыке с наложенными впадинами. При этом, чем более древнюю консолидацию имеет поднятие, тем оно более перспективно. В связи с этим наиболее рудоносны мезо-кайнозойские зоны активизации стабильпых массивов докембрийского возраста.
Для гидротермально-метасоматических руд выявлена вертикальная зональность бериллиевой минерализации. Для месторождений, связанных с субщелочными гранитоидами, залегающими в карбонатных породах, она такова; лейкофан (мелинофан) → фенакит → бертрандит, для объектов, связанных с аляскитами: берилл → эвклаз → фенакит → бертрандит или хризоберилл.
Наибольший практический интерес имеют руды Be берграндитового (Спер-Маунтин, США и др.), флюорит-бертрандит-фенакитового, флюорит-слюдисто-бериллового типов и щелочных бериллиеносных метасоматитов. Эти месторождения по многим параметрам не уступают месторождениям Sn, W, Mo соответствующих типов.
Кроме собственных месторождений Be, он широко распространен в комплексных редкометальных рудах Mo, Sn W, Li, Zr и др.; в них Be может иметь попутное значение, особенно в связи с необходимостью экологической защиты окружающей среды от его токсикологического влияния.
В наиболее крупных месторождениях других металлов Be распределен следующим образом.
В Fe-Mn океанических конкрециях содержания его меняются от 1,3 до 24,5 г/т, в стандартном образце конкреций Атлантики среднее содержание составило ~5,6 г/т, генеральное среднее для конкреций Мирового океана принято 2,5 г/т, среднее для глубоководных океанических осадков 2,6 г/т.
В фосфоритах фоновые содержания Be обычно того же порядка — 1—10 г/т, однако в отдельных случаях превышают 50 г/т. Высокие содержания независимо от генезиса фосфоритов обычно встречаются в их континентальных окисленных разностях алюмофосфатного состава. По данным В.З. Близковского, Be может образовывать устойчивые Be-Ca фосфаты, изоструктурные с Al-Ca фосфатами, и в таких случаях его локальные концентрации могут достигать 0, п%. По В.Н. Холодову, осадочные фосфориты содержат повышенные количества Be по сравнению с вмещающими породами. Для Kapa-Tay содержания его таковы (г/т): кремнистые породы 1,0—1,6; карбонатные 2,3; гравелиты, песчаники, алевролиты 2,8; Fe-Mn руды 3,0; фосфориты 3,7. В морских фосфоритах содержание Be в целом нарастает к береговой зоне.
В бокситах Be встречается постоянно в количествах от 0,3 до 17 г/т. По В.А. Тенякову, для месторождений платформ его содержание составляет 0,3—4 г/т (х = 1,5 г/т). Это почти соответствует концентрации Be в исходных породах. Геосинклинальные бокситы относительно обогащены Be (1,6—15, в среднем 8 г/т). А.К. Гладковская с соавторами считают, что бокситы морского происхождения образовались за счет давсонитовой Na Al [(OH)2 CO3] минерализации. По А. К. Шаровой и другим исследователям, 1966 г., распределение Be в бокситах Вьетнама следующее (г/т): диаспор 3—6, бёмиг 3, магнитная фракция 0—3, гидрослюды 3. Для разных месторождений корреляционные связи Be меняются — в одних это Al, в других Fe.
Бериллий — типичный элемент каустобиолитов, иногда устанавливается в горючих сланцах и очень редко в нефтях. Сланцы морского происхождения содержат ≤1 г/т Be (Прибалтийские, Волжские и др.); по В.Р. Клер, концентрация его такова (г/т): в сланцах Болтышского месторождения ~1, в менилитовых сланцах Карнат ~10, в Байсунских 20, Кендырлыкских 10. Предварительная оценка среднего содержания для «черных» сланцев 3,6 г/т. Во всех случаях концентрации Be имеют вторичное происхождение и локальное распространение.
Для углей имеются генеральные оценки средних содержаний Be, которые колеблются от 0,9 до 5,6 г/т; по И.Д. Башаркевич с соавторами, эти оценки таковы (г/т): бурые угли 1,9, каменные 0,9; по Ф.Я. Сапрыкину — 5,6 (з. 37); по Э.Я. Юдович: бурые 3,2 (з. 26), каменные 1 (з. 22); по В.Р. Клер для России: 2,5 (з. 20). Для мира кларк Be в углях 1,2±0,4 г/т. При низких фоновых содержаниях Be в некоторых случаях были выявлены очень высокие его концентрации в низкомегаморфизованных углях — для США, по старым данным В. Кук (1938 г.) 1 — 10 кг на 1 г золы, для России — 0,0n — 0,n кг на 1 т угля при обратной корреляции Be — зольность. При этом отмечается эпигенетическое происхождение концентраций Be. Довольно часто содержание Be в углях самое низкое среди осадочных пород района. Например, это выявлено В.П. Сапрыкиным с соавторами для угленосной толщи C2 Донбасса: угли 2,6 г/т, вмещающие породы — от 4,2 (карбонатные) до 10,9 г/т (алевролиты).
Большинство исследователей считают, что Be входит в органическую составляющую углей и сходен с Ge. Ф.Я. Сапрыкин и другие исследователи отметили высокую подвижность Be в углях и установили его распределение по составляющим (г/т): гуминовые кислоты 0,3—1,2 (среднее 0,7), фульво- и органические кислоты 0,2—0,8 (0,5); в тех же веществах из вмещающих пород 0,2—0,5 (0,4). При перераспределении преобладает миграция Be в угли из вмещающих пород. Об этом, по Н.А. Григорьеву, свидетельствует увеличение его содержания от современных растений (среднее 0,4 г/т) к торфу (0,9 г/т) и ископаемым углям, а также от более молодых угольных бассейнов нашей страны к древним. По Ф.Я. Сапрыкину с соавторами (1975 г.), содержания Be в углях разного возраста таковы (г/т): палеогеновых и неогеновых 2,4, мезозойских 4,2, пермских 5,3, карбоновых 7,9. В некоторых случаях, по П. Зубовик с соавторами, до 50% Be в углях может быть связано с минеральной фракцией. Особенно типичен Be для некоторых германий-угольных синвулканических месторождений.
Бериллиеносность торфов более низкая, чем углей, — 0,1—5 г/т (средние фоновые содержания), среднее содержание в торфах нашей страны 0,9 г/т; наиболее низкие содержания (г/т) отмечаются в торфах низинного (0,1), переходного (0,2) и верхового типов (0,1). Для нефтей известно несколько определений, которые показали, что для Каспийского бассейна содержание его в сырой нефти оценивается в 4 г/т, а в золе — только в 0,7 г/т (вероятно, за счет улетучивания).
По единичным данным Г.А. Ботнева в нефтях Балтийской провинции установлено всего 0,01 г/т.
В осадочных железных рудах Be встречается спорадически и в незначительных концентрациях (≤4—20 г/т, по К. Краускопф, 1958 г.); более поздние данные подтвердили эти выводы). Низкие содержания бериллия типичны для железистых кварцитов; среднее для месторождений KMA 0,4 г/т. В других типах месторождений оно может быть повышенным. Это отмечалось для осадочных сидеритовых руд Глазовской синеклизы В.П. Наборщиковым и другими исследователями (среднее 15 г/т), для железистых фракций современных морских глинистых (9,8—18 г/т) и песчано-глинистых (до 8,7 г/т) отложений залива Пария-II Д. Херстом. Данные Н.А. Григорьева свидетельствуют, что в относительно молодых железорудных месторождениях Зауралья содержание выше, чем во вмещающих породах, и что основное количество бериллия заключено в минералах железа.
Металлотермические методы
Эти методы были испробованы по отношению к оксиду и галогенидам бериллия. Для восстановления оксида бериллия из обычно применяемых металлов пригоден лишь Ca. Однако продукт восстановления загрязняется кальцием вследствие образования соединения CaBe13.
Неудачна и попытка использовать для восстановления Ti и Zr. В данном случае реакция проходит в твердой фазе (температуры плавления компонентов очень высоки), поэтому выход во многом зависит от степени контактирования BeO с восстановителем, в связи с чем брикетирование производили под давлением 101 МПа.
Для восстановления фторида и хлорида бериллия применимы все обычные металлы-восстановители. Из упомянутых галогенидов менее пригоден BeCl2 . Его труднее обезводить, процесс восстановления можно проводить лишь ниже 550 ºС (температура кипения BeCl2).
Фторид бериллия (Ткип =1327 ºС) позволяет вести процесс с получением расплавленного бериллия, образующего корольки металла. Из восстановителей наиболее подходит магний, так как щелочные металлы, например Na, обладают низкой температурой кипения, кроме того, в процессе восстановления образуется соединение NaF · BeF2, которое далее не восстанавливается натрием, что существенно снижает выход бериллия.
Минералы и руды бериллия
28.04.2023
Бериллий сравнительно широко распространен в земной коре, где его весовое содержание достигает примерно 6*10в-4%.
В природе известно более двадцати минералов, содержащих бериллий. Сведения о некоторых наиболее распространенных минералах приведены в табл. 8.
Из числа бериллиевых минералов практическое значение имеют только три: берилл, фенакит и хризоберилл; промышленную ценность имеет только берилл.
Этот минерал представляет собой силикат бериллия и алюминия и содержит приблизительно 14% BeO, 19% Al2Oa и 67% SiO2. Чистые разновидности берилла являются драгоценными камнями — изумрудом и аквамарином.
Берилл в месторождениях обычно не концентрируется в количествах настолько больших, чтобы его разработка могла оказаться достаточно экономичной при условии добычи только самого берилла. Наоборот, последний, как правило, добывают в качестве попутного продукта при добыче полевого шпата из пегматитов, при разработке слюдяных месторождений, при извлечении литиевых минералов из сподуме новых или лепидолитовых руд и т. д.
До настоящего времени промышленный спрос, удовлетворяется главным образом концентратами кускового (штуфного) берилла, получаемого ручной рудоразборкой.
Промышленные сорта бериллового концентрата содержат обычно от 10 до 12% окиси бериллия. Концентраты с содержанием более 12% окиси бериллия получаются редко; обычно же содержание окиси бериллия в концентрате лежит в пределах от 9 до 11%. Другими составляющими концентрата являются окись алюминия (17—19%), кремнезем (64—70%) и небольшое количество других окислов. Основные сопутствующие минералы в берилловом концентрате представлены полевым шпатом, кварцем и слюдой.
В настоящее время в России, а также в некоторых зарубежных странах разработаны экономичные методы флотационного обогащения бериллсодержащих руд, в ближайшем будущем можно ожидать широкого их применения для получения концентратов в промышленном масштабе
Основными поставщиками бериллового концентрата в капиталистических странах являются Южно Африканская Республика, Южная Родезия, Бразилия и Индия. Небольшие количества берилла производят также Британская Восточная Африка, Марокко, Мозамбик, Португалия и Канада В США основные месторождения берилла сосредоточены в штатах Колорадо, Мэйн, Нью-Хэмпшир и Южная Дакота Отдельные еще неразведанные месторождения берилла имеются в Канаде.
Общие сведения
Бериллиевыми рудами называют природные минералы включающие бериллий, обычно в виде оксида — ВеО. Интересно, что указанную формулу оксида установил российский химик И. В. Авдеев (1818—1865). До его работ предполагалось, что она имеет вид Be2O3[1].
Опасность
Роль вещества для биологических систем невелика. Однако металл скапливается в почках, способен вытеснить из скелета магний.
Каждый день в организм человека с пищей поступает 0,01 мг бериллия.
Металлический бериллий нетоксичен. Опасность исходит от пыли, порошка, растворимых, летучих соединений. Они провоцируют аллергию и онкологию.
Особо ощущают вредность металла работники, занятые на добыче и обогатительных предприятиях. Их профессиональное заболевание – бериллиоз. То есть поражение дыхательной системы (особенно легких).
По стандартам РФ, кубометр воздуха не должен содержать более 0,001 мг бериллия.
Примечания
При написании этой статьи использовался материал из издания «Казахстан. Национальная энциклопедия» (1998—2007), предоставленного редакцией «Қазақ энциклопедиясы» по лицензии Creative CommonsBY-SA 3.0 Unported.
Как только страница обновилась в Википедии она обновляется в Вики 2.Обычно почти сразу, изредка в течении часа.
Проблемы классификации
Бериллий относится к щелочноземельным металлам. Однако с классификацией определились не сразу.
По химическим свойствам его легко отличить от остальных металлов этой группы. Он не реагирует с водой, его гидроксид – не щелочь.
Однако сегодня, согласно номенклатуре Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), все элементы второй группы таблицы Менделеева, а значит и бериллий, считаются щелочноземельными металлами.
Распространение в природе
Среднее содержание бериллия в земной коре 3,8 г/т и увеличивается от ультраосновных (0,2 г/т) к кислым (5 г/т) и щелочным (70 г/т) породам. Содержание этого металла в промышленно значимых месторождениях лежит в диапазоне от 0,05—0,09 до 0,7 %[2].
Основная масса бериллия в магматических породах связана с плагиоклазами, где бериллий замещает кремний. Однако наибольшие его концентрации характерны для некоторых тёмноцветных минералов и мусковита (десятки, реже сотни г/т).
Если в щелочных породах бериллий почти полностью рассеивается, то при формировании кислых горных пород он может накапливаться в постмагматических продуктах — пегматитах и пневматолито-гидротермальных телах. В кислых пегматитах образование значительных скоплений бериллия связано с процессами альбитизации и мусковитизации.
В пегматитах бериллий образует собственные минералы, но часть его (ок. 10 %) находится в изоморфной форме в породообразующих и второстепенных минералах (микроклине, альбите, кварце, слюдах, и др.). В щелочных пегматитах бериллий устанавливается в небольших количествах в составе редких минералов: эвдидимита, чкаловита, анальцима и лейкофана, где он входит в анионную группу.
Свойства бериллия
Порядковый номер бериллия 4, его атомная масса 9,013. Бериллий относится ко II группе периодической системы Д.И. Менделеева. Это металл серого цвета, по внешнему виду напоминающий сталь.
Бериллий плавится при температуре 1287 ºС и кипит при 2450 ºС. У него обнаружены две полиморфные модификации с температурой аллотропического превращения 1254 ºС. Низкотемпературная модификация бериллия (α-Be) при 18 ºС имеет гексагональную решетку с параметрами а = 0,22856 нм, с = 0,35832 нм, с/а = 1,5677.
У бериллия очень небольшой атомный диаметр – 0,226 нм. Плотность при 20 ºС составляет 0,848 г/см3, что лишь незначительно больше плотности самого легкого конструкционного материала – магния. Бериллий отличается очень высокой скрытой теплотой плавления, равной примерно 1625 Дж/г.
Для расплавления стали нужно в 3,3 раза меньше тепла. Скрытая теплота испарения бериллия необычно высока (34,4 кДж/г), в несколько раз больше, чем у других металлов (в расчете на единицу массы). Удельная теплоемкость бериллия в 2,5 раза превышает теплоемкость алюминия и в 8 раз больше, чем у стали.
По электро- и теплопроводности бериллий уступает лишь серебру, меди, золоту и алюминию. У бериллия самая высокая среди всех элементов (за исключением углерода) температура Дебая (1463 К). Коэффициент линейного расширения бериллия примерно такой же, как у железа.
При комнатной температуре бериллий устойчив в сухой атмосфере, но во влажном воздухе медленно окисляется. При нагреве в воздушной атмосфере до температур примерно 600 ºС окисление бериллия незначительно. Металлический бериллий непосредственно реагирует с азотом при температурах выше 700 ºС с образованием нитрида Be3N2, отличающегося высокой твердостью.
Бериллий не вытесняет водород из воды, так как на его поверхности образуется плотная оксидная пленка. В перегретой воде при 300 ºС технический бериллий разрушается через двое суток. Бериллий стоек в расплавах лития до 593 ºС, в ртути – до 315 ºС, в висмуте и свинце – до 673 ºС.
Технология получения
Бериллиевую руду доставляют на обогатительную фабрику.
Здесь получают соли вещества:
Переработка руды налажена в США, КНР, Казахстане, России.
Глобальный объем производства бериллия – 260-310 тонн ежегодно.
Обработка бериллия проблематична, опасна для здоровья, поэтому главные способы производства – точное литье и порошковая металлургия. Размолотый металл спрессовывают, создавая форму по заданным параметрам либо универсальную заготовку (труба, пруток).
Обработку затрудняет хрупкость. Этот недостаток устранили в 1970-х годах, выяснив, что пластичен чистый бериллий.
Физико-химические характеристики
Бериллий – необычный металл. С изменением температуры кристаллическая структура его решетки меняется с гексагональной на кубическую.
Ученые выявили уникальные физические и химические свойства элемента:
- Высшая среди металлов теплоемкость, звукопроницаемость.
- Высокая теплопроводность.
- Малое электрическое сопротивление.
- Порог упругости выше, чем у сталей.
Твердость средняя (5,5 по Моосу), но это больше, чем у других «легких» металлов.
| Свойства атома | |
|---|---|
| Название, символ, номер | Бери́ллий / Beryllium (Be), 4 |
| Атомная масса (молярная масса) | 9,012182(3) а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [ He ] 2s² |
| Радиус атома | 112 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 90 пм |
| Радиус иона | 35 ( 2e) пм |
| Электроотрицательность | 1,57 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | −1,69 В |
| Степени окисления | 2 ; 0 |
| Энергия ионизации (первый электрон) | 898,8 (9,32) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность (при н. у.) | 1,848 г/см³ |
| Температура плавления | 1551 K (1278 °C, 2332 °F) |
| Температура кипения | 3243 K (2970 °C, 5378 °F) |
| Уд. теплота плавления | 12,21 кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 309 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 16,44 Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 5,0 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | гексагональная |
| Параметры решётки | a=2,286 Å; c=3,584 Å |
| Отношение c/a | 1,567 |
| Температура Дебая | 1000 K |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 201 Вт/(м·К) |
| Номер CAS | 7440-41-7 |
На воздухе металл покрывается оксидным щитом-пленкой. Поэтому химическая активность запускается только при высоких температурах.
Формы нахождения в природе
В природе металл представлен россыпями и коренными залежами минералов.
Таких минералов три десятка, из них половина – силикаты, еще четверть – фосфаты. Самые известные – берилл, фенакит, хризоберилл.
Тонна земной коры содержит 3,8 г бериллия (щелочные породы – до 70 г). Литр морской воды – 0,000006 мг.
Попадаются кристаллы с габаритами в несколько метров и тонн. Их добывают из пегматитов.
На особом счету драгоценные разновидности берилла – аквамарин, изумруд, гелиодор. Голубой, зеленый, желтый цвет создают примеси других элементов в составе.
Электролитическое производство бериллия
Бериллий не может быть получен электролизом водных растворов его солей, так как имеет высокий отрицательный электродный потенциал, поэтому при электролизе на катоде выделяется водород. Электролитическое производство можно осуществить, используя расплавы солей, в частности расплавы галогенидов бериллия.
Однако их расплавы не проводят ток, поэтому электролиз возможен лишь в присутствии второго компонента, обладающего достаточной электропроводностью и более высоким по сравнению с галогенидами бериллия напряжением разложения. Этими свойствами обладают галогениды щелочных металлов.
Соответствующий состав электролита в принципе допускает использование и хлоридной, и фторидной ванн. Но высокая температура плавления BeF2 (800 ºС) обусловливает проведение высокотемпературного процесса. Это влечет за собой конструктивные затруднения и способствует окислению выделяющегося металла.
Предпочитают низкотемпературный электролиз из ванны, содержащей хлориды бериллия и натрия. Оптимальный состав электролита был найден в результате изучения плавкости в системе BeCl2 – NaCl. В системе обнаружены низкотемпературная эвтектика (215 ºС)
Электролиз проводят в сварных никелевых ваннах, снабженных электрическим нагревателем. Анод изготовляют из плотного графита, что снижает выкрашивание анода с поверхности и тем самым уменьшает возможность загрязнения электролита. Катодом служит сама никелевая ванна.
В этом случае по окончании электролиза электролит перекачивают в другую ванну, а металл вычерпывают перфорированным ковшом. На некоторых предприятиях применяют съемные катоды в виде перфорированных никелевых ящиков, вставляемых в ванны. Ванну и катод перед электролизом бериллируют для уменьшения загрязнения никелем.
Электролитический бериллий чище металлотермического. Это объясняется тем, что и электролиз, и предшествующее ему хлорирование BeO – рафинирующие операции. Указанное преимущество делает электролитический метод конкурентоспособным, несмотря на значительно меньший выход металла.
