Бериллий

4 Литий ← Бериллий → Бор 4Be
Внешний вид простого вещества
Свойства атома
Имя, символ, номер	Бериллий/Beryllium (Be), 4
Группа, период, блок	2 (устар. IIA), 2, S-элементы
Атомная масса (молярная масса)	9,012182 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	${\ce {1s^2 2s^2}}$
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	0, +2
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)
Теплота плавления	12,21 кДж/моль
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)

4	Бериллий
Be 9,0122
2s2

Бери́ллий (химический символ — Be, от лат. Beryllium) — химический элемент второй группы второго периода с атомным номером 4 и атомной массой 9,01218 в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. В природе встречается только один стабильный нуклид⁹Be. Электронная конфигурация атома бериллия составляет ${\ce {1s^2 2s^2}}$. Атомный радиус 0,113 нм, радиус иона ${\ce {Be^2+}}$- 0,034 нм. В химических соединениях элемент проявляет степень окисления +2 (валентность II). Энергии последовательных ионизаций атома Be составляют 9,3227 и 18,211 эВ. Значение электроотрицательности по Полингу равно 1,57. В свободной форме бериллий представляет собой серебристо-серый лёгкий металл.

История открытия

Бериллий был обнаружен французским химиком Луи Никола де Вокленом в 1798 году в виде берилловой земли (оксида ${\ce {BeO}}$) во время его исследований химического состава драгоценных камней, таких как берилл и изумруд. Металлический бериллий был впервые получен в 1828 году Фридрихом Вёлером в Германии и независимо от него А. Бюсси во Франции, однако из-за примесей его не удавалось полностью очистить. Фридрих Вёлер не только дал ему современное имя, он ещё выделил реакцией замещения из хлорида металлическим калием.

${\ce {BeCl2 +2K -> 2KCl + Be}}$

Только в 1898 году французский химик П. Лебо смог получить достаточно чистые металлические кристаллы бериллия путём электролиза двойного фторида калия и бериллия. Из-за сладкого вкуса растворимых в воде соединений бериллия элемент сначала был назван «глюциний» (от греческого слова glykys — сладкий).

Нахождение в природе

Бериллий относится к редким элементам; его содержание в земной коре составляет 2,6·10⁻⁴ % по массе. В морской воде содержится до 6·10⁻⁷ мг/л бериллия. Основные природные минералы, содержащие бериллий, включают берилл ${\ce {Be3Al2(SiO3)6}}$ фенакит ${\ce {Be2SiO4}}$, бертрандит ${\ce {Be4Si2O8*H2O}}$ и гельвин ${\ce {Mn4[BeSiO4] 3S}}$. Окрашенные разновидности берилла, в которых присутствуют катионы других металлов, являются прозрачными, их считают драгоценными камнями, такими как зелёный изумруд, голубой аквамарин, гелиодор и морганит. Их также умеют синтезировать искусственно.

Получение

Бериллий извлекают из руд несколькими методами:

Метод сернокислотной обработки включает в себя обработку рудного концентрата с помощью ${\ce {Na2CO3}}$ или ${\ce {CaCO3}}$, спекание полученного спёка концентрированной ${\ce {H2SO4}}$при температуре примерно 300 °C. Затем к получившимся сульфатам бериллия и алюминия добавляется сульфат калия. В результате образуются плохорастворимые кристаллы алюмокалиевых квасцов ${\ce {KAl(SO4)2*12H2O}}$. Раствор затем обрабатывается ${\ce {NaOH}}$, что приводит к образованию ${\ce {Be(OH)2}}$ при кипячении.

Метод фторирования основан на нагревании концентрата с ${\ce {Na2SiF6}}$, который при этом разлагается с выделением летучего ${\ce {SiF4}}$(что ограничивает использование этого метода). Это приводит к образованию растворимого в воде тетрафторобериллата натрия ${\ce {Na2BeF4}}$, в отличие от криолита ${\ce {Na3AlF6}}$, образующегося из алюминия. ${\ce {Be(OH)2}}$ осаждается из раствора ${\ce {Na2BeF4}}$с помощью ${\ce {NaOH}}$. Для дальнейшей очистки бериллия используют растворимый карбонатный комплекс бериллия ${\ce {(NH4)2Be(CO3)2}}$ или оксоацетат бериллия ${\ce {Be(OH)2}}$ переводят в ${\ce {BeF2}}$или ${\ce {BeCl2}}$ путём сублимации. Металлический бериллий получают восстановлением ${\ce {BeF2}}$магнием при температуре около 1300 °C или электролизом расплава смеси хлоридов бериллия и натрия. Для очистки бериллия применяют вакуумную дистилляцию или зонную плавку.

Химические и физические свойства

Конфигурация внешней электронной оболочки атома бериллия ${\ce {2s2}}$: Бериллий проявляет степень окисления +2, иногда +1; его электроотрицательность по Полингу составляет 1,57, атомный радиус — 113,3 пм, а радиус иона Be2+ — 30 пм (с координационным числом 3). Энергия ионизации Be0→ Be+→ Be2+ составляет 899,4 и 1757,1 кДж/моль. Стандартный электродный потенциал пары Be2+/Be в водном растворе равен −1,847 В.

Бериллий — серебристо-белый твёрдый, хрупкий металл с температурой плавления 1287 °C и температурой кипения 2471 °C. Он образует стабильную α-Be с гексагональной решёткой при температуре до 1250 °C, а выше 1250 °C — β-Be с кубической объёмно-центрированной решёткой. При температуре 293 K его плотность составляет 1847,7 кг/м³, электрическое сопротивление — 4·10⁻⁸ Ом·м, при 300 K теплопроводность — 200 Вт/(м·K). Бериллий является диамагнитным, его удельная магнитная восприимчивость составляет 1,3·10⁻⁸ м³/кг. Механические свойства бериллия сильно зависят от его чистоты и процесса термической обработки. Бериллий не реагирует с воздухом и водой даже при высоких температурах, поскольку на его поверхности образуется плотная плёнка оксида ${\ce {BeO}}$. Однако при повышенных температурах окисляется. При взаимодействии с галогенами формирует галогениды, включая важный фторид ${\ce {BeF2}}$; с азотом или аммиаком образуется нитрид ${\ce {Be3N2}}$при температуре выше 600 °C; c углеродом при температуре выше 1700 °C образуется карбид ${\ce {Be2C}}$. Бериллий также реагирует с разбавленными и концентрированными кислотами, а в перегретом состоянии — с азотной кислотой. Его соли сильных кислот растворимы в воде, и при их обработке аммиаком образуется амфотерный гидроксид ${\ce {Be(OH)2}}$. Взаимодействуя с растворами карбоновых кислот, образуются оксосоли, например оксалоацетат ${\ce {Be4O(OOCH3)6}}$. С растворами щелочей бериллий формирует бериллаты ${\ce {M2Be(OH)4}}$, а с расплавами — ${\ce {M2 BeO2}}$. При высоких температурах он восстанавливает оксиды и галогениды многих металлов до соответствующего металла. В жидком состоянии бериллий способен растворять различные металлы, образуя с ними твёрдые растворы и интерметаллиды. Летучие и растворимые соединения бериллия, пыль, содержащая бериллий или его соединения, являются очень токсичными и обладают аллергическим и канцерогенным действием. Пары и пыль, содержащие бериллий, могут вызывать заболевание легких, известное как бериллиоз.

Применение

Металлический бериллий обладает высокой проницаемостью для рентгеновских лучей, что позволяет использовать его для изготовления «окон» в рентгеновских установках. В атомных реакторах бериллий выполняет роль замедлителя и отражателя нейтронов, а также служит источником нейтронов, которые испускаются под воздействием альфа-частиц и гамма-излучения. Бериллий находит широкое применение в приборостроении, авиационной и космической промышленности, главным образом в виде сплавов с другими металлами, такими как медь, магний и алюминий. Бериллий и его сплавы имеют широкий спектр применения, выходящий за рамки космической и ускорительной техники. Бериллиевая бронза, представляющая собой сплав меди и бериллия (0,2-3 % бериллия), используется для производства искробезопасных инструментов. Гаечные ключи или молотки из бериллиевой бронзы не дают искр при резких ударах, что позволяет использовать их при работе во взрывоопасных средах. Благодаря уникальной упругости, бериллий идеален для изготовления практически «вечных» пружин. Насыщение поверхности стальных изделий бериллием (бериллизация) повышает их коррозионную стойкость. Добавление бериллия значительно улучшает твёрдость и прочность сплавов. В смесях с некоторыми альфа радиоактивными нуклидами бериллий используется в ампульных источниках нейтронов, так как взаимодействие ядер бериллия-9 с альфа частицами порождает нейтроны.

Токсичность

Бериллий не имеет никакой биологической роли в живых организмах. Обычно его содержание в организме человека (весом 70 кг) составляет 0,036 мг, и ежедневное потребление с пищей составляет около 0,01 мг. Летучие и растворимые соединения бериллия, а также пыль, содержащая его, очень токсичны. Бериллий замещает магний в ферментах и обладает ярко выраженным аллергическим и канцерогенным действием.. Его наличие в атмосферном воздухе может вызвать тяжёлое заболевание легких, известное как бериллиоз. Эти заболевания могут проявиться спустя 10-15 лет после контакта с бериллием. Соли бериллия в концентрации 10-6 моль/л специфически ингибируют щелочную фосфатазу и другие ферменты. Экспериментальные исследования показывают, что бериллий изменяет обмен белков, что может привести к нарушению функции ферментов и развитию аутоиммунных реакций. Концентрация бериллия в воздухе на рабочем месте обычно составляет 0,001 мг/мг. Для определения бериллия используются луминесцентные или спектрографические методы. Отравление бериллием зависит от размера частиц: пары и дым более опасны и могут повредить глубокие дыхательные пути. Соединения бериллия могут нарушать проницаемость клеток, вызывая отёк, некроз и разрастание соединительной ткани.

Лечение интоксикации растворимыми соединениями бериллия у больных проводится с учётом принципов профессиональных отравлений: этиологического, патогенетического и симптоматического. В первую очередь необходимо немедленно прекратить контакт с вредным веществом: пострадавшего выводят из помещения с газами, удаляют загрязнённую одежду и очищают кожу. При лёгких случаях интоксикации, вызванных прямым раздражением растворимых соединений бериллия (например, хлоридов, сульфатов, фторидов) слизистых оболочек, конъюнктивы и дыхательных путей, рекомендуется проводить аэрозольтерапию в виде щелочных ингаляций (2 % раствор бикарбоната натрия) ежедневно в течение 10-15 дней, прополоскать конъюнктиву 2 % раствором бикарбоната натрия и затем закапывать 10 % раствор сульфацила натрия в глаза; осуществлять симптоматическую терапию (противокашлевые средства, средства от спазмов). При тяжёлой степени острой интоксикации (например, капиллярный бронхит, бронхиолит) рекомендуется проведение ингаляций карбогена; применение бронхолитических, противовоспалительных препаратов, антибактериальных средств и антигистаминных препаратов. Если различные средства от бронхоспазма не действуют в эффективность, рекомендуется использование препаратов, воздействующих на воспалительный процесс.

Профилактика должна в первую очередь быть направлена на герметизацию производственных процессов, правильную организацию системы вентиляции в помещениях, а также очистку выбросов вентиляции. Важно применять средства индивидуальной защиты, такие как спецодежда, респираторы и другие, проводить предварительные медицинские осмотры работников перед началом работы и регулярные медицинские обследования. При диагностике бериллиоза необходимо сразу прекратить дальнейший контакт с бериллием, независимо от степени тяжести заболевания. Положительная реакция на кожной пробе с солями бериллия, указывающая на чувствительность организма к бериллию, также является противопоказанием к дальнейшему воздействию этого вещества. Не рекомендуется продолжение контакта с бериллием и его соединениями после острой интоксикации этими веществами, даже при полном выздоровлении, так как может произойти чувствительность к этим веществам.

Бериллий играет важную роль в судебно-медицинской практике при расследовании в основном случаев производственных отравлений. Лихорадочный синдром, похожий на симптомы литейной лихорадки, имеет экспертное значение. При вскрытии умершего обнаруживают плотные узелки, эмфизему в легких, а также расширение и гипертрофию правого сердца, а в печени — набухание, некроз и жировое изменение. Количество бериллия в лёгких у погибших может достигать до 78 мкг на грамм ткани, в печени, регионарных лимфатических узлах, ноках и рёбрах — до 138 мкг на 100 граммов ткани. Для судебно-химических исследований проводится обнаружение и определение бериллия в органах при помощи спектральных или химических методов. Химическое исследование проводится после экстракции с бериллоном II.