Химический Элемент Бериллий

Хотя вы, вероятно, многое узнали о периодической таблице за эти годы, вы, возможно, не очень хорошо знакомы с элементом бериллий. Бериллий - легкий, прочный металл стального цвета. Он также довольно хрупкий, что означает, что он легко ломается под напряжением, но имеет тенденцию не деформироваться до момента разрушения (подобно стеклу или керамике). Бериллий встречается в природе в более чем 100 различных минералах и имеет широкий спектр применений в современном мире. Читайте дальше, чтобы узнать больше об элементе бериллий!

Десять интересных и забавных фактов о бериллии
Соединенные Штаты являются крупнейшим в мире производителем бериллия, в 2021 году было добыто около 170 метрических тонн. Китай является вторым по величине в мире производителем бериллия с 70 метрическими тоннами, добытыми в 2021 году.
В 1932 году английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон, проводя эксперимент с бериллием.
Космический телескоп Джеймса Уэбба, запущенный в декабре 2021 года и расположенный почти в миллионе миль от Земли, содержит зеркала, изготовленные из бериллия.
Аквамарин и изумруд являются наиболее ценными формами берилла, минерала, содержащего бериллий, с химической формулой Be3Al2(SiO3)6.
Комитет по правилам Формулы-1 (F1) запретил компоненты двигателя из бериллия в 2000 году. Это произошло в основном из-за токсичности металла, но также и из-за его дороговизны (поскольку его использование может послужить несправедливым преимуществом для команд с более высоким бюджетом).
По оценкам, содержание бериллия в земной коре составляет 2,8 миллиграмма на килограмм, а в океане - 5,6 ? 10-6 миллиграммов на литр.
Жесткость (т.Е. Модуль упругости) бериллия примерно в 4 раза больше, чем у алюминия, в 2,5 раза больше, чем у титана, и в 1,5 раза больше, чем у стали. Бериллий также имеет наибольшее отношение жесткости к весу из всех металлов.
Из-за своего химического сходства с магнием бериллий может вытеснять магний из ферментов в организме человека. Обычно это приводит к сбоям в работе ферментов и потенциально может привести к тяжелым последствиям.
В некоторых стоматологических материалах (таких как коронки, мостовидные протезы и каркасы частичных зубных протезов) используются сплавы, содержащие бериллий, для улучшения отливаемости и прочности соединения.
Бериллий часто играет важную роль на ядерных установках. Он служит отражателем нейтронов в реакторах деления и материалом, обращенным к плазме, в термоядерных реакторах.
Бериллиевые зеркала космического телескопа Джеймса Уэбба
Основное зеркало космического телескопа Джеймса Уэбба, состоящее из 18 шестиугольных зеркальных сегментов, изготовленных из позолоченного бериллия.

Бериллий в периодической таблице
Элемент бериллий имеет символ Be и атомный номер 4, что означает, что в ядре атома бериллия 4 протона. Кроме того, нейтральный атом бериллия имеет четыре электрона, расположенных вне ядра. Хотя бериллий имеет 12 различных изотопов, бериллий-9 является его единственным стабильным изотопом, содержащим 5 нейтронов в своем ядре.

Принадлежащий ко 2-й группе периодической таблицы, бериллий классифицируется как щелочноземельный металл, наряду с элементами магнием, кальцием, стронцием, барием и радием. Он расположен в периоде 2, непосредственно справа от лития, и занимает s-блок, в который входят щелочные металлы, щелочноземельные металлы и неметаллические водород и гелий. Бериллий имеет два валентных электрона и электронную конфигурацию 1s 2 2s 2, которую можно сократить до [He] 2s 2. Он также имеет значение электроотрицательности 1,57 по шкале Полинга.

Является ли бериллий токсичным?
Воздействие бериллия (а также его соединений и сплавов) может вызвать серьезные проблемы со здоровьем. Те, кто подвергается воздействию, как правило, при вдыхании пыли или паров бериллия, подвержены риску развития хронического заболевания легких, известного как бериллиоз. Это состояние чаще всего поражает людей, работающих в отраслях, где бериллий добывается или перерабатывается. Бериллий также считается канцерогенным для человека, поскольку он связан с повышенным риском развития рака легких. В последние годы корпорации начали принимать серьезные меры предосторожности для ограничения воздействия бериллия и обеспечения безопасности своих работников.

Сплавы бериллия
Большая часть коммерчески производимого бериллия используется в сплавах с другими металлическими элементами (такими как медь, алюминий, никель и железо). В сочетании с неблагородными металлами (которые более распространены, легче извлекаются и стоят дешевле) бериллий может оказать значительное влияние на свойства получаемых сплавов. Наиболее широко используемым бериллийсодержащим сплавом является бериллиевая медь, которая обычно содержит всего 0,5-3,0% бериллия (по весу). Бериллиевая медь обладает уникальным сочетанием прочности, проводимости, твердости, коррозионной стойкости, формуемости и немагнитных / неискрящих свойств, что делает ее весьма полезной для производителей в различных отраслях промышленности.

Применение бериллия в современном мире
Для чего используется бериллий?
Благодаря своим уникальным и желательным свойствам бериллий имеет, казалось бы, бесчисленное количество применений в современном мире. Ниже более подробно описаны некоторые из наиболее заметных применений элемента.

Бериллий в аэрокосмической и оборонной промышленности
Аэрокосмическая и оборонная промышленность обычно используют металлический бериллий в качестве легкого конструкционного компонента для высокоскоростных самолетов, космических аппаратов, управляемых ракет и спутников. Например, в военных истребителях чистый бериллий снижает общий вес, позволяя самолетам быстро развивать высокие скорости и повышая их маневренность. Бериллий также используется в тормозных системах самолетов из-за его твердости, высокой температуры плавления и способности отводить тепло. Он также широко используется в гироскопах, акселерометрах и компьютерных компонентах инерциальных систем наведения для обеспечения точной работы в экстремальных условиях. Министерство обороны США даже классифицирует бериллий как стратегический и критически важный материал из-за его использования в продуктах, которые считаются жизненно важными для национальной безопасности.

Бериллий в рентгеновских трубках
Одним из основных компонентов системы рентгеновской визуализации является рентгеновская трубка, которая преобразует электрическую энергию в рентгеновские лучи, которые создают внутренние изображения человеческого тела. В рентгеновских трубках обычно используется тонкая бериллиевая фольга в качестве окон излучения для детекторов рентгеновского излучения. Из-за своей низкой плотности и низкой атомной массы бериллий обладает очень низким поглощением рентгеновских лучей. В результате он пропускает рентгеновские лучи, а также обладает достаточной прочностью для поддержания вакуума (т.Е. Свободного пространства), необходимого для работы рентгеновской трубки. Другим металлом, используемым для входных окон детекторов рентгеновских трубок, является алюминий; однако производители часто предпочитают бериллий, потому что он менее хрупкий и гораздо более проницаемый для рентгеновских лучей.

Где находится бериллий?
Хотя более 100 различных минералов содержат бериллий, большинство из этих минералов чрезвычайно редки или, по крайней мере, очень редки. Двумя наиболее распространенными минералами, содержащими бериллий, являются берилл и бертрандит. Эти минералы встречаются по всему миру в таких странах, как Соединенные Штаты, Китай, Индия, Аргентина, Бразилия, Россия и Мадагаскар. Соединенные Штаты на сегодняшний день являются крупнейшим в мире производителем бериллиевых рудников, а горный округ Спор (расположенный в округе Джуаб, штат Юта) в настоящее время является крупнейшим поставщиком бериллия в Соединенных Штатах.

Берилл и бертрандит
Два наиболее распространенных минерала, содержащих бериллий: берилл (слева) и бертрандит (справа).
Когда и как был открыт бериллий?
В 1798 году французский минералог Рене Жюст Хауи обнаружил, что кристаллическая структура драгоценного изумруда идентична структуре обычного минерала берилла. В результате он попросил химика Луи Николаса Воклена провести химический анализ. Воклен смог доказать, что изумруд и берилл имеют одинаковый химический состав. Кроме того, он обнаружил новое вещество (оксид бериллия) и понял, что это вещество содержит неизвестный элемент. Из-за его сладкого вкуса элементу первоначально дали название глюциний (происходит от греческого слова glykys, что означает “сладкий”).

В 1828 году немецкий химик Фридрих Велер и французский химик Антуан Бюсси смогли выделить чистый бериллий путем взаимодействия металлического калия с хлоридом бериллия, как показано в следующем химическом уравнении: BeCl2 + 2 K > 2 KCl + Be. Велеру не понравилось название глюциний, и вместо этого он предпочел бериллий (производное от berrylos, греческого слова, обозначающего берилл). Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) выбрал бериллий в качестве названия элемента в 1949 году и официально утвердил это решение в 1957 году.

Химия бериллия – соединения, реакции, степени окисления
Химические свойства бериллия
Бериллий является наименее реакционноспособным щелочноземельным металлом; он имеет наименьший атомный радиус и самую высокую энергию ионизации из всех элементов группы 2. Поверхность металлического бериллия образует оксидный пассивирующий слой, который защищает его от дальнейшего окисления или коррозии при нормальных условиях. Бериллий легко растворяется в неокисляющих кислотах (таких как HCl или разбавленный H2SO4) и щелочных растворах; однако он нерастворим в воде. Кроме того, бериллий и алюминий проявляют сходные свойства из-за их диагонального соотношения в периодической таблице.

Соединения бериллия
В отличие от других щелочноземельных металлов, бериллий обычно образует ковалентные соединения (а не ионные соединения) из-за высокой поляризационной способности иона Be2 +. Соединения бериллия часто бесцветны и могут быть довольно токсичными. Ниже более подробно описаны некоторые из наиболее распространенных соединений бериллия.

Оксид бериллия
Оксид бериллия, широко известный как бериллий, имеет химическую формулу BeO и представляет собой белое аморфное твердое вещество в чистом виде. Соединение первоначально называлось глюцина (из-за его сладкого вкуса) и встречается в природе как минерал бромеллит. Он амфотерный, что означает, что он может действовать либо как кислота, либо как основание. Бериллий уникален тем, что сочетает в себе превосходные электроизоляционные свойства (например, диэлектрическую прочность и удельное сопротивление) с высокой теплопроводностью. Кроме того, его высокая температура плавления 2507 ? (4545 ?) привела к его использованию в качестве огнеупорного материала. Оксид бериллия можно получить путем дегидратации гидроксида бериллия, прокаливания карбоната бериллия или воспламенения металлического бериллия газообразным кислородом (как показано в реакциях ниже).

Be(OH) 2 > BeO + H2o

Beco3 > BeO + CO2

2 Be + O2 > 2 BeO

Хлорид бериллия
Хлорид бериллия имеет химическую формулу BeCl2 и представляет собой бесцветное кристаллическое твердое вещество. BeCl 2 легко притягивает воду из окружающей среды и поэтому считается гигроскопичным соединением. Он также хорошо растворяется во многих полярных растворителях. BeCl 2 катализирует реакции Фриделя-Крафтса и используется в качестве сырья при электролитической экстракции бериллия. Металлический бериллий может вступать в реакцию с хлором или разбавленной соляной кислотой для получения хлорида бериллия. Кроме того, хлорид бериллия может быть получен путем карботермического восстановления оксида бериллия в присутствии хлора. Ниже приведены сбалансированные химические уравнения для этих трех методов синтеза.

Be + Cl2 > BeCl2

Be + 2HCl > BeCl2 + H2

BeO + Cl2 + C > BeCl2 + CO

Фторид бериллия
Фторид бериллия имеет химическую формулу BeF 2 и представляет собой стекловидное твердое вещество без запаха. Это соединение бериллия с наиболее ионным характером (из-за того, что фтор является наиболее электроотрицательным элементом). Как и хлорид бериллия, BeF 2 гигроскопичен и хорошо растворим в воде. Фторид бериллия служит промежуточным продуктом при производстве бериллия и бериллиевых сплавов. Он также используется в ядерных реакторах, производстве стекла и рентгеновской кристаллографии белка.

Фторид бериллия может быть получен из гидроксида бериллия с помощью следующего двухстадийного процесса. Во-первых, гидроксид бериллия вступает в реакцию с бифторидом аммония с образованием фторида бериллия аммония (также называемого тетрафторбериллием аммония). Затем тетрафторбериллат аммония термически разлагается с образованием фторида бериллия. Реакции, участвующие в этом процессе, показаны ниже.

Шаг 1: Be(OH) 2 + 2 (NH4) HF2 > (NH4)2 BeF 4 + 2 H2o

Шаг 2: (NH4)2 BeF 4 > 2 NH3 + 2 HF + BeF 2

Гидроксид бериллия
Гидроксид бериллия имеет химическую формулу Be (OH) 2 и представляет собой белое кристаллическое вещество. Хотя другие гидроксиды группы 2 (например, гидроксид кальция и гидроксид магния) являются основными, гидроксид бериллия является амфотерным и растворяется как в кислотах, так и в щелочах. Чистый гидроксид бериллия встречается в природе в виде редких минералов бехоита и клинобехоита. Be(OH) 2 синтезируется в качестве побочного продукта при извлечении бериллия из его основных руд. Кроме того, гидроксид бериллия обезвоживается при температуре 400 ? с образованием оксида бериллия.

Выделение бериллия
Металлический бериллий чаще всего извлекается из двух руд: берилла и бертрандита. Берилловая руда содержит примерно 2-4% бериллия, в то время как бертрандитовая руда обычно содержит менее 0,5% бериллия. Процессы рафинирования берилла и бертрандита очень похожи и могут выполняться вместе. Однако из-за его повышенной твердости берилл необходимо сначала расплавить в электродуговой печи и погрузить в бассейн с водой, чтобы получить мелкий порошок, известный как фритта.

Фритту и измельченную бертрандитовую руду сначала обрабатывают серной кислотой для получения водорастворимого сульфата. Раствор сульфата, содержащий бериллий, проходит ряд стадий экстракции, которые удаляют железо, алюминий и другие примеси. Полученный бериллиевый концентрат обрабатывают карбонатом аммония и нагревают, что приводит к осаждению гидроксида бериллия. Затем гидроксид бериллия растворяют в растворе бифторида аммония и нагревают до образования фторида бериллия. Наконец, магний восстанавливает фторид бериллия до чистого металлического бериллия.

Степени окисления бериллия
Степень окисления (также известная как число окисления) элемента относится к общему числу электронов, которые один из его атомов приобрел или потерял, чтобы образовать химическую связь с другим атомом. Как и у всех щелочноземельных металлов, преобладающая степень окисления бериллия составляет +2.

Физические свойства бериллия
Бериллий - это легкий металл стального цвета, очень прочный, но в то же время довольно хрупкий. Он обладает высокой теплоемкостью, низкой плотностью, исключительной жесткостью, отличной электрической и теплопроводностью и немагнитными свойствами. Ниже перечислены некоторые из наиболее заметных свойств элемента бериллий.

Символ: Быть
Температура плавления: 1287 ? (2349 ?)
Температура кипения: 2469 ? (4476 ?)
Плотность: 1,85 г/см3
Атомный вес: 9,012 ед
Атомный номер: 4
Электроотрицательность (шкала Полинга): 1,57
Классификация: Щелочноземельный металл
Естественное содержание в земной коре: 2,8 промилле (0,00028%)
Конфигурация электронной оболочки: 1s 2 2s 2 или [He] 2s 2
Изотопы: Элемент бериллий имеет 12 изотопов (5 Be, 6 Be, 7 Be, 8 Be, 9 Be, 10 Be, 11 Be, 12 Be, 13 Be, 14 Be, 15 Be и 16 Be). Его единственным стабильным изотопом является 9 Be, в то время как остальные радиоактивны.
Встречается в природе в следующих минералах: берилл, бертрандит, хризоберилл, фенакит, гадолинит, гердерит и другие.
Токсичность: Бериллий и его соединения очень токсичны. Международное агентство по изучению рака (IARC) классифицирует их как канцерогены группы 1.

Где я могу купить бериллий?
Если вы ищете образец элемента бериллий, вы можете приобрести его в Luciteria Science. Это стоит 7,50 долларов за 1 грамм 99,95% чистого бериллия, содержащегося в бутылке с этикеткой. Кроме того, вы можете купить 10 граммов бериллия за 29,00 долларов, 100 граммов бериллия за 275,00 долларов или 1 килограмм бериллия за 2650,00 долларов. Эти цены не включают стоимость доставки и обработки.