Бериллий

Прежде всего несколько (их может быть гораздо больше!) ответов на вопрос: «Что может нам дать бериллий?»... Самолет, вес которого вдвое меньше обычного; ...ракетное топливо с наивысшим удельным импульсом; ...пружины, способные выдержать до 20 миллиардов (!) циклов нагрузки - пружины, не знающие усталости, практически вечные.

А в начале нашего века в справочниках и энциклопедиях о бериллии говорилось: «Практического применения не имеет». Открытый еще в конце XVIII в. бериллий 100 с лишним лет оставался «безработным» элементом, хотя химикам уже были известны его уникальные и очень полезные свойства. Для того чтобы эти свойства перестали быть «вещью в себе», требовался определенный уровень развития науки и техники. В 30-х годах академик А.Е. Ферсман называл бериллий металлом будущего. Сейчас о бериллии можно и должно говорить как о металле настоящего.

История элемента №4 началась с того, что его долго не могли открыть. Многие химики XVIII в. анализировали берилл (основной минерал бериллия), но никто из них не смог обнаружить в этом минерале нового элемента.

Даже современному химику, вооруженному фотометрическим, полярографическим, радиохимическим, спектральным, радиоактивационным и флуориметрическим методами анализа, нелегко выявить этот элемент, словно прячущийся за спину алюминия и его соединений, - настолько похожи их признаки. Первым исследователям бериллия приходилось, разумеется, гораздо труднее.

Но вот в 1798 г. французский химик Луи Никола Воклен, занимаясь сравнительным анализом берилла и изумруда, открыл в них неизвестный окисел - «землю». Она была очень похожа на окись алюминия (глинозем), однако Воклен заметил и отличия. Окисел растворялся в углекислом аммонии (а окись алюминия не растворяется); сернокислая соль нового элемента не образовывала квасцов с сернокислым калием (а сернокислая соль алюминия такие квасцы образует). Именно этой разницей в свойствах Воклен и воспользовался для разделения окислов алюминия и неизвестного элемента. Редакция журнала «Annales de chimie», опубликовавшего работу Воклена, предложила для открытой им «земли» название «глицина» (от греческого ?????? - сладкий) из-за сладкого вкуса ее солей. Однако известные химики М. Клапрот и А. Экеберг сочли это название неудачным, так как соли иттрия также имеют сладковатый вкус. В их работах «земля», открытая Вокленом, называется берилловой. Тем не менее, в научной литературе XIX в., вплоть до 60-х годов, элемент №4 сплошь и рядом называется «глицием», «глицинием» или «глюцинием». Ныне это название сохранилось только во Франции.

Интересно отметить, что с предложением называть элемент №4 бериллием еще в 1814 г. выступал харьковский профессор Ф.И. Гизе.

Окисел был получен, но еще долгое время никому не удавалось выделить бериллий в чистом виде. Только через 30 лет Ф. Вёлер и А. Бюсси получили немного порошкообразного металла действием металлического калия на хлористый бериллий, но металл этот содержал много примесей. Прошло еще почти 70 лет, прежде чем П. Лебо смог получить (в 1898 г.) чистый бериллий электролизом бериллиево-фтористого натрия.

Сходство бериллия с алюминием принесло немало хлопот и автору периодического закона Д.И. Менделееву. Именно из-за этого сходства в середине прошлого века бериллий считали трехвалентным элементом с атомным весом 13,8. Но, будучи помещен в таблице между углеродом и азотом, как того требовал его атомный вес, бериллий вносил полную путаницу в закономерное изменение свойств элементов. Это было серьезной угрозой периодическому закону. Однако Менделеев был уверен в правильности открытой им закономерности и доказывал, что атомный вес бериллия определен неверно, что бериллий должен быть не трехвалентным, а двухвалентным элементом «с магнезиальными свойствами». Исходя из этого, Менделеев поместил бериллий во вторую группу периодической системы вместе с двухвалентными щелочноземельными металлами, исправив его атомный вес на 9.

Первое подтверждение своих взглядов Менделеев нашел в одной из малоизвестных работ русского химика И.В. Авдеева, который считал, что окись бериллия химически подобна окиси магния. А в конце 70-х годов прошлого века шведские химики Ларе Фредерик Нильсон и Отто Петерсон (некогда бывшие самыми ярыми сторонниками мнения о трехвалентном бериллии), повторно определив атомный вес бериллия, нашли его равным 9,1.

Так бериллий, бывший первым камнем преткновения на пути периодического закона, только подтвердил его всеобщность. Благодаря периодическому закону стало более четким понятие о физической и химической сущности бериллия. Образно говоря, бериллий получил, наконец, свой «паспорт».

Сейчас бериллием интересуются люди многих профессий. В каждой из них - свой подход к элементу №4, своя «бериллиевая» проблематика.

Типично редкий элемент. На тонну земного вещества в среднем приходится лишь 4,2 г бериллия. Это, конечно, очень немного, но и не так уж мало, если вспомнить, например, что такого известного элемента как свинец, на Земле вдвое меньше, чем бериллия. Обычно бериллий встречается как незначительная примесь в различных минералах земной коры. И лишь ничтожная часть земного бериллия сконцентрирована в собственных бериллиевых минералах. Их известно более 30, но только шесть из них считаются более или менее распространенными (берилл, хризоберилл, бертрандит, фенакит, гельвин, даналит). А серьезное промышленное значение приобрел пока только один берилл, известный человеку с глубокой древности.

Бериллы встречаются в гранитных пегматитах, имеющихся почти во всех странах земного шара. Это красивые зеленоватые кристаллы, достигающие иногда очень больших размеров; известны бериллы-гиганты весом до тонны и длиной до 9 м.

К сожалению, пегматитовые месторождения очень малы, и добывать там берилл в широких промышленных масштабах не удается. Однако есть и другие источники бериллия, в которых его концентрация гораздо выше. Это так называемые пневмато-гидротермальные месторождения (т.е. месторождения, образовавшиеся в результате взаимодействия высокотемпературных паров и растворов с определенными типами горных пород).

Природный бериллий состоит из единственного устойчивого изотопа 9Be. Интересно, что бериллий - единственный элемент периодической системы, имеющий при четном номере всего один стабильный изотоп. Известны еще несколько нестабильных, радиоактивных изотопов бериллия. (О двух из них - 10Be и 7Be - будет сказано ниже.)

Свойства бериллия чаще всего именуются «удивительными», «чудесными» и т.п. Отчасти это справедливо, причем главная «удивительность» заключается в сочетании противоположных, иногда, казалось бы, взаимоисключающих свойств. Бериллий обладает одновременно и легкостью, и прочностью, и теплостойкостью. Этот металл серебристо-серого цвета в полтора раза легче алюминия и в то же время прочнее специальных сталей. Особенно важно, что бериллий и многие его сплавы не утрачивают полезных свойств при температуре 700...800°C и могут работать в таких условиях.

Чистый бериллий очень тверд - им можно резать стекло. К сожалению, твердости сопутствует хрупкость.

Бериллий очень устойчив против коррозии. Как и алюминий, он покрывается при взаимодействии с воздухом тонкой окисной пленкой, защищающей металл от действия кислорода даже при высоких температурах. Лишь за порогом 800°C идет окисление бериллия в массе, а при температуре 1200°C металлический бериллий сгорает, превращаясь в белый порошок BeO.

Бериллий легко образует сплавы со многими металлами, придавая им большую твердость, прочность, жаростойкость и коррозионную стойкость. Один из его сплавов - бериллиевая бронза - это материал, позволивший решить многие сложные технические задачи.

Бериллиевыми бронзами называют сплавы меди с 1...3% бериллия. В отличие от чистого бериллия они хорошо поддаются механической обработке, из них можно, например, изготовить ленты толщиной всего 0,1 мм. Разрывная прочность этих бронз больше, чем у многих легированных сталей. Еще одна примечательная деталь: с течением времени большинство материалов, в том числе и металлы, «устают» и теряют прочность. Бериллиевые бронзы - наоборот. При старении их прочность возрастает! Они немагнитные. Кроме того, они не искрят при ударе. Из них делают пружины, рессоры, амортизаторы, подшипники, шестерни и многие другие изделия, от которых требуются большая прочность, хорошая сопротивляемость усталости и коррозии, сохранение упругости в широком интервале температур, высокие электро- и теплопроводные характеристики. Одним из потребителей этого сплава стала авиационная промышленность: утверждают, что в современном тяжелом самолете насчитывается больше тысячи деталей из бериллиевой бронзы.

Добавки бериллия облагораживают сплавы на основе алюминия и магния. Это понятно: плотность бериллия всего 1,82 г/см3, а температура плавления - вдвое выше, чем у этих металлов. Самые небольшие количества бериллия (достаточно 0,005%) намного уменьшают потери магниевых сплавов от горения и окисления при плавке и литье. Одновременно улучшается качество отливок, значительно упрощается технология.

Выяснилось, что с помощью бериллия можно увеличивать прочность, жесткость и жаростойкость других металлов, не только вводя его в те или иные сплавы. Чтобы предотвратить быстрый износ стальных деталей, их иногда бериллизуют - насыщают их поверхность бериллием путем диффузии. Делается это так: стальную деталь опускают в бериллиевый порошок и выдерживают в нем при 900...1100°C в течение 10...15 часов. Поверхность детали покрывается твердым химическим соединением бериллия с железом и углеродом. Этот прочный панцирь толщиной всего 0,15...0,4мм придает деталям жаростойкость и устойчивость к морской воде и азотной кислоте.

Интересными свойствами отличаются и бериллиды - интерметаллические соединения бериллия с танталом, ниобием, цирконием и другими тугоплавкими металлами. Бериллиды обладают исключительной твердостью и стойкостью против окисления. Лучшей технической характеристикой бериллидов служит тот факт, что они могут проработать более 10 часов при температуре 1650°C.

В истории многих элементов есть особые вехи - открытия, после которых значение этих элементов неизмеримо возрастает. В истории бериллия таким событием стало открытие нейтрона.

В начале 30-х годов немецкие физики В. Боте и Г. Беккер, бомбардируя бериллий альфа частицами, заметили так называемое бериллиевое излучение - очень слабое, но чрезвычайно проникающее. Оно, как было доказано позже, оказалось потоком нейтронов. А еще позже это свойство бериллия легло в основу «нейтронных пушек» - источников нейтронов, применяемых в разных областях науки и техники.

Так было положено начало изучению атомной структуры бериллия. Выяснилось, что его отличают малое сечение захвата нейтронов и большое сечение их рассеяния. Иными словами, бериллий (а также его окись) рассеивает нейтроны, изменяет направление их движения и замедляет их скорость до таких величин, при которых цепная реакция может протекать более эффективно. Из всех твердых материалов бериллий считается лучшим замедлителем нейтронов.

Кроме того, бериллий может выполнять роль отражателя нейтронов: менять их направление, возвращать нейтроны в активную зону реактора, противодействовать их утечка. Бериллию свойственна также значительная радиационная стойкость, сохраняющаяся и при очень высокой температуре.

На всех этих свойствах основано применение бериллия в атомной технике - он один из самых необходимых ей элементов.

Замедлители и отражатели из бериллия и его окиси позволяют намного уменьшить размеры активной зоны реакторов, увеличить рабочую температуру и эффективнее использовать ядерное топливо. Поэтому, несмотря на высокую стоимость бериллия, его использование считают экономически оправданным, особенно в небольших энергетических реакторах для самолетов и морских судов.

Окись бериллия стала важным материалом для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) атомных реакторов. В твэлах особенно велика плотность нейтронного потока; в них - самая высокая температура, самые большие напряжения и все условия для коррозии. Поскольку уран коррозионно неустойчив и недостаточно прочен, его приходится защищать специальными оболочками, как правило, из BeO.

Большая теплопроводность (в 4 раза выше, чем у стали), большая теплоемкость и жаропрочность позволяют использовать бериллий и его соединения в теплозащитных конструкциях космических кораблей. Из бериллия была сделана внешняя тепловая защита капсулы космического корабля «Фрэндшип-7», на котором Джон Гленн первым из американских космонавтов совершил (после Юрия Гагарина и Германа Титова) орбитальный полет.

В еще большей мере космическую технику привлекают в бериллии легкость, прочность, жесткость, и особенно - необыкновенно высокое отношение прочности к весу. Поэтому бериллий и его сплавы все шире используются в космической, ракетной и авиационной технике.

В частности, благодаря способности сохранять высокую точность и стабильность размеров бериллиевые детали используют в гироскопах - приборах, входящих в систему ориентации и стабилизации ракет, космических кораблей и искусственных спутников Земли.

Элемент №4 применяется и в других областях современной техники, в том числе в радиоэлектронике. В частности, керамика на основе окиси бериллия стала материалом корпусов так называемых ламп бегущей волны - очень эффективных радиоламп, не утративших своего значения под натиском полупроводников.

Страницы: 1, 2