Бериллий — светло-серый металл второй группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Порядковый номер бериллия 4, атомная масса 9,01, температура плавления 1284 °С. Бериллий может существовать в двух полиморфных модификациях. Низкотемпературная модификация, существующая до 1250 °С, имеет гексагональную плотноупакованную решетку, высокотемпературная — решетку объемно-центрированного куба. Плотность бериллия 1845 кг/м 3 .
Комплекс физических, химических и механических свойств позволяет отнести бериллий к наиболее ценным конструкционным материалам.
Размеры атома бериллия малы (атомный диаметр 0,226 нм). Даже небольшие количества примесей сильно охрупчивают бериллий. Пластичный бериллий, содержащий не более 10 –4 % примесей, получают электролизом хлоридных расплавов с последующей зонной плавкой. Многократное повторение зонной плавки (до 8 проходов) позволяет получать особо чистый бериллий с чрезвычайно высокой пластичностью (δ = 140 %). Введение в очищенный бериллий всего 0,001 % Si приводит к охрупчиванию металла.
Бериллий. Очень легкий и дорогой металл!
Для производства компактного бериллия в виде заготовок применяют методы порошковой металлургии. В безокислительной среде бериллий измельчают в порошок и подвергают горячему прессованию в вакууме. Чем мельче зерна порошка, тем выше прочностные и пластические свойства металла. Бериллий и его соединения в виде порошков, пыли и паров остро токсичны, они вызывают расстройство дыхания и дерматиты, поэтому при работе с ними прибегают к специальным методам защиты. Вместе с тем обработанные детали из бериллия вполне безопасны.
Для предотвращения взаимодействия с воздухом горячепрессованные заготовки бериллия помещают в стальные оболочки, нагревают до температуры 800–1100 °С и в таком виде проводят обработку давлением. Прокаткой производят листовой бериллий — основной вид продукции, используемый в ракетной технике. Трубы и прутки получают теплым (400–500 °С) или горячим (900–1 100 °С) выдавливанием. Степень обжатия при выдавливании 5:1 и более. Выдавливанием получают заготовки не только круглого или квадратного сечения, но и более сложного профиля.
Бериллий плохо обрабатывается резанием и требует применения твердосплавного инструмента. Соединения бериллия получают пайкой и дуговой сваркой в аргоне или вакууме.
Механические свойства бериллия зависят от чистоты металла, технологии производства, размера зерна. После горячего прессования при исходной крупности порошка менее 70 мкм σв = 240–300 МПа, δ = 1–2 %. Свойства горячевыдавленного бериллия значительно выше — σв = 500–700 МПа и δ = 7–10 %. Деформированные полуфабрикаты имеют развитую текстуру деформации, вызывающую сильную анизотропию свойств.
По сравнению с другими легкими материалами бериллий обладает уникальным сочетанием физических и механических свойств. По удельной прочности и жесткости он превосходит все другие металлы (табл. 15.1).
Благодаря высокому значению модуля упругости (Е = 300 ГПа) и низкой плотности, бериллий по удельной жесткости превосходит все известные материалы, сохраняя это преимущество до 500–600 °С (рис. 15.2).
Бериллий — НЕВЕРОЯТНО ЛЕГКИЙ И ТОКСИЧНЫЙ МЕТАЛЛ!
Удельная прочность и жесткость материалов
γ, (кг/м 3 ) ∙
∙ 10 –3
Магниевый сплав МА10
Алюминиевый сплав В95
Титановый сплав ВТ6
Бериллий отличается высокой электро- и теплопроводностью, приближающейся к теплопроводности алюминия, а по удельной теплоемкости [≈ 2500 Дж/(кг × град)] превосходит все остальные металлы. Бериллий стоек к коррозии. Подобно алюминию, при взаимодействии бериллия с воздухом на поверхности его образуется тонкая оксидная пленка, защищающая металл от действия кислорода даже при высокой температуре. Лишь при температуре выше 700 °С обнаруживаются заметные признаки коррозии, а при 1200 °С металлический бериллий сгорает, превращаясь в белый порошок оксида бериллия.
Бериллий имеет высокие ядерные характеристики — самое низкое среди металлов эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов и самое высокое поперечное сечение их рассеяния.
Недостатками бериллия является высокая стоимость, обусловленная дефицитностью исходного сырья и сложностью его переработки, а также низкая хладостойкость. Ударная вязкость технического бериллия ниже 5 Дж/см 2 .
Несмотря на эти недостатки, уникальная совокупность технических преимуществ позволяет относить бериллий к числу выдающихся аэрокосмических материалов.
СПЛАВЫ БЕРИЛЛИЯ
Главная сложность при легировании бериллия состоит в малых размерах его атомов, в результате чего большинство элементов при растворении сильно искажают кристаллическую решетку, сообщая сплаву повышенную хрупкость. Легирование возможно лишь теми элементами, которые образуют с бериллием механические смеси с минимальной взаимной растворимостью.
Серьезный недостаток бериллия, заключающийся в низкой ударной вязкости и хладноломкости, может быть преодолен использованием сплавов с алюминием. Из диаграммы состояния Al—Be видно, что эти элементы практически взаимно нерастворимы (рис. 15.3). В таких сплавах эвтектического типа твердые частицы бериллия равномерно распределены в пластичной алюминиевой матрице.
Сплавы содержат 24–43 % алюминия, остальное — бериллий. Фирмой «Локхид» (США) разработан сплав, содержащий 62 % бериллия, названный локеллоем. Сплавы Be—Al имеют структуру, состоящую из мягкой пластичной эвтектики и твердых хрупких включений первичного бериллия.
Эти сплавы сочетают высокую жесткость, прочность и малую плотность, характерные для бериллия, с пластичностью алюминия (рис. 15.4). Благодаря пластичности матрицы снижается концентрация напряжений у частиц бериллиевой фазы и уменьшается опасность образования трещин, что позволяет использовать сплавы в условиях более сложного напряженного состояния.
Для получения бериллиево-алюминиевых сплавов также используют методы порошковой металлургии. Деформацию осуществляют выдавливанием с последующей ковкой и штамповкой в оболочках. Механические свойства труб из локеллоя (Be + 38 % Al) при комнатной температуре: σв = 600 МПа, σ0,2 = 570 МПа, δ = 1 %.
Для увеличения прочности сплавы Be—Al дополнительно легируют магнием и серебром — элементами, растворимыми в алюминиевой фазе. В этом случае матрица представляет собой более прочный и вязкий сплав Al—Mg или Al—Ag.
Пластичную матрицу можно получить, используя композицию Be—Ag, содержащую до 60 % серебра. Сплавы с серебром дополнительно легируют литием и лантаном.
За исключением сплавов с пластичной матрицей, легирование другими элементами не устраняет хладноломкость бериллия. Максимальную пластичность имеет бериллий высокой чистоты.
Широкое распространение получили сплавы меди с 2–5 % бериллия, так называемые бериллиевые бронзы. В России широко применяется бериллиевая бронза БрБ2 с 2 % Be. Из диаграммы состояния (рис. 15.5) видно, что этот сплав дисперсионно-твердеющий и может упрочняться закалкой с последующим старением.
Закалка с 800 °С фиксирует пересыщенный α–твердый раствор, из которого в процессе старения при 300–350 °С выделяются дисперсные частицы CuBe, образуя регулярную, так называемую квазипериодическую структуру (рис. 15.6). После закалки свойства бериллиевой бронзы БрБ2: σв = 500 МПа, δ = 30 %, после старения —
σв = 1200 МПа, δ = 4 %.
Бериллиевые бронзы обладают высокими упругими свойствами. Их используют для изготовления пружин, сохраняющих упругость в широком интервале температур, в том числе в криогенных условиях. Они хорошо сопротивляются усталости и коррозии.
Бериллиевые бронзы немагнитны и не искрят при ударе. Из них изготавливают инструменты для работы во взрывоопасных средах — шахтах, газовых заводах, где нельзя использовать обычные стали.
Литейные бериллиевые сплавы (ЛБС), состав которых приведен в табл. 15.2, используют для деталей корпусов оснований, рам, кронштейнов и др. Бериллиевые сплавы характеризуются высокими значениями теплоемкости, которые в 1,6 раза выше, чем у сплавов алюминия.
Теплопроводность и температуропроводность сплавов лишь незначительно уступает литейным алюминиевым сплавам.
Совокупность теплофизических характеристик бериллиевых сплавов в целом выгодно отличает их от других материалов (например, силуминов) и определяет высокую размерную стабильность в условиях возникновения температурных градиентов при эксплуатации изделий.
Коррозионная стойкость бериллиевых сплавов находится на высоком уровне. Анодная оксидированная пленка на поверхности и лакокрасочные покрытия дополнительно обеспечивают надежную защиту сплавов ЛБС от коррозии.
Механические свойства литейных бериллиевых сплавов при комнатной температуре приведены в табл. 15.3, а свойства при различных температурах испытания — в табл. 15.4.
Химические составы (%, остальное — Be) литейных бериллиевых сплавов
Источник: atex-tools.ru
Бериллий. Ядовитый, но космический металл
Сегодня, как вы уже, наверное, догадались друзья мои, мы поговорим о химическом элементе, который носит красивое, журчащее словно чистый ручеёк, бегущий между камнями, имя. Это бериллий.
Активный бериллий
Элемент, который интересует нас сегодня, имеет четыре протона в ядре. И, следовательно, четыре электрона. Если, конечно, он не ионизирован. Из этих четырёх электронов два заполняют первую оболочку и два находятся во второй.
Бериллий не так реактивен, как литий, поскольку в ходе химической реакции ему нужно избавиться от двух электронов, а не от одного. Кстати, это означает, что степень окисления бериллия равна +2. То есть у него два «лишних» электрона. Такую же конфигурацию внешней электронной оболочки имеет и рассматриваемый нами недавно стронций .
Это означает, что бериллий всё же очень активен. Поэтому вы, друзья мои, вероятно никогда не видели бериллий в чистом виде. Да что там. Я искренне надеюсь, что вы никогда его не видели. Потому что это весьма опасно. Просто поверьте на слово: бериллий является металлом.
И внешне он выглядит как обыкновенный металл. Серый и блестящий.
Единственный стабильный изотоп бериллия имеет в ядре пять нейтронов. То есть состоит оно всего из девяти нуклонов. Сравните эту цифру с количеством нуклонов в других типичных металлах. Например, ядро атома железа имеет 56 нуклонов. Это означает, что бериллий очень лёгкий металл.
И, к тому же, достаточно мягкий. Кроме того, на воздухе его поверхность довольно быстро окисляется, хотя после образования тонкого слоя оксида внутренняя часть металла оказывается защищена от воздуха.
Бериллий был обнаружен относительно давно, потому что на Земле его очень много во многих соединениях. В основном они содержатся в горных породах. В 17 и 18 веках химики изо всех сил пытались выделить различные химические элементы из всех соединений, которые попадали им в руки. И горные породы были самым удобным для этих работ материалом.
И вот свершилось очередное открытие: в 1798 году французский химик Луи Воклен открыл новый элемент в минерале берилле. И назвал его бериллий.
Источник: dzen.ru
Где используется бериллий
ХИМИЯ – это область чудес, в ней скрыто счастье человечества,
величайшие завоевания разума будут сделаны
именно в этой области.(М. ГОРЬКИЙ)
Таблица
Менделеева
Периодическая система химических элементов
Универсальная таблица растворимости
кислот, солей и оснований в воде
Коллекция таблиц к урокам по химии
Информационные и справочноинструктивные
- Главная
- для Ученика
- Химические элементы
Бериллий (Be)
Бериллий (Be) — химический элемент, располагающийся во 2 группе, во 2 периоде периодической системы Д.И.Менделеева, под 4 атомным номером. Имеет высокую рыночную стоимость.
История и происхождение названия
Мир узнал об этом элементе благодаря французскому химику Луи Никола Воклену. Первооткрыватель назвал элемент глюцинием (из-за сладковатого на вкус бериллия, растворенного в воде). Привычным нам названием элемент обязан химикам Клапроту и Экебергу. Состав соединений бериллия произвёл российский химик Авдеев Иван.
Свое имя бериллий получил от минерала бериллий, который имеет своими корнями город Белгур, расположенного на юге Индии, славящейся месторасположением изумрудов, являющихся одними из многочисленных видов бериллия.
Нахождение в природе
Бериллий находится в коре Земли в количестве 3,8 г/т, которое достигает своего максимума в щелочных породах. В морской воде элемент содержится в ничтожно малом количестве. Установлено около 30 минералов, содержащих бериллий, но лишь 6 получили известность. Применение в промышленности получил берилл. Известны виды берилла, которые относят к драгоценным: аквамарин, изумруд, гелиодор.
Цвет самого минерала обуславливается наличием других элементов.
Залежи бериллия имеются в России (Республика Бурятия, Свердловская и Мурманская области), Аргентине, Индии, Африке и Казахстане.
Физические и химические свойства
Бериллий по твердости превосходит такие металлы, как алюминий и магний. Хрупок, имеет серебристо-белый цвет. Модуль упругости бериллия выше, чем у стали, и составляет 300 ГПа. На воздухе на поверхности металла образуется устойчивая пленка оксида. Скорость звука в бериллии выше, чем в других металлах.
Ее значение — 12600 м/с.
Бериллий имеет 2 степени окисления; +1 и +2. Гидроокись бериллия (II) проявляет амфотерные свойства, выступая, либо, как слабое основание, либо, как слабая кислота.
По химическим свойствам схож с алюминием. Для повышения реакционной способности требуются высокие температуры: с галогенами — более 600 °C , с аммиаком — свыше 1200 °C, с углеродом — при 1700 °C. Бериллий растворим в водных растворах соляной, азотной и серной кислоты. Взаимодействует с водными растворами щелочей с образованием бериллатов. С водородом в реакцию не вступает.
Изотопы
Бериллий природного происхождения, имеет в составе один изотоп 9 Be. Другие изотопы бериллия (найдено 11, не считая стабильный 9 Be) находятся в нестабильном состоянии. Нестабильные изотопы получаются при нуклеосинтезе в звездах. Для образования стабильного изотопа бериллия необходим распад более весомых ядер, при условии бомбардировки их лучами из космоса.
Получение и производство
Современные способы получения бериллия — восстановление фторида бериллия при помощи магния или путем электролиза расплава хлоридов бериллия и натрия. Ранее бериллий производился воздействием калия на обезвоженный хлорид бериллия.
В 2012 г основными производителями бериллия были США и Китай, с 2014 г Россия начала переработку руды, содержащий бериллий. К 2016 г мировое производство бериллия достигло 300 тонн в год.
Применение
- легирование сплавов;
- рентгенотехника;
- ядерная и аэрокосмическая техника;
- лазерные материалы;
- ракетное топливо;
- огнеупорные материалы;
- акустика;
- астрономия.
Действие на организм человека
Бериллий обладает канцерогенными и аллергическими свойствами. При вдыхании вызывает болезнь органов дыхания (бериллиоз).
Источник: kardaeva.ru