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.

Бериллий с точки зрения геолога

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.)

Три «но» бериллия

Эта глава не означает, что все предыдущее – только «теория». Но, к сожалению, факторы, ограничивающие применение бериллия, вполне реальны, и не учитывать их нельзя.

Это прежде всего хрупкость металла. Она намного усложняет процесс его механической обработки, затрудняет получение больших листов бериллия и сложных профилей, необходимых в тех или иных конструкциях. Предпринимаются упорные попытки устранить этот недостаток. Но, несмотря на некоторые успехи (изготовление металла высокой чистоты, различные технологические усовершенствования), получение пластичного бериллия продолжает оставаться трудной проблемой.

Второе – токсичность бериллия.

Тщательный контроль за чистотой воздуха, особые системы вентиляции, возможно большая автоматизация производства – все это позволяет успешно бороться с токсичностью элемента №4 и его соединений.

И наконец, третье и очень важное «но» бериллия – его высокая стоимость. Цена 1 кг бериллия в США сейчас около 150 долларов, т.е. бериллий в несколько раз дороже титана.

Однако рост потребления всегда приводит к технологическим усовершенствованиям, которые в свою очередь способствуют уменьшению издержек производства и цены. В будущем спрос на бериллий возрастет еще больше: ведь этот металл человечество начало применять чуть больше 40 лет назад. И, конечно, достоинства элемента №4 возьмут верх над его недостатками.

Из документов прошлого

Восьмидесятые годы прошлого века – время оживленных научных споров об атомном весе бериллия.

Д.И. Менделеев писал по этому поводу:

«Недоразумение длилось несколько лет. Не раз мне приходилось слышать о том, что вопрос об атомном весе бериллия грозит поколебать общность периодического закона, может потребовать глубоких в нем преобразований. В научном разноречии, касающемся бериллия, приняли участие многие силы, конечно, потому именно, что дело шло о предмете более многозначительном, чем атомность сравнительно редкого элемента; периодический закон разъяснялся в этих разноречиях, и взаимная связь элементов разных групп стала более очевидной, чем было когда-либо».

Долгое время главными противниками двух валентности бериллия были шведские химики профессора Л.Ф. Нильсон и О. Петерсон. В 1878 г. они опубликовали статью «О получении и валентности бериллия», в конце которой были такие слова: «...наше мнение об истинном атомном весе и химической природе этого металла противоречит так называемому периодическому закону, который Менделеев предначертал для всех элементов, а именно не только потому, что при Be = 13,8 металл этот едва ли может быть помещен в менделеевскую систему, но и потому, что тогда элемент с атомным весом 9,2, как это требует периодический закон, в системе отсутствовал бы и, по-видимому, еще должен быть открыт».

В защиту периодического закона выступил чешский химик Богуслав Браунер, считавший, что известный закон Дюлонга и Пти, которым пользовались шведские химики, имеет некоторые отступления в области малых атомных весов, к которой собственно и относится бериллий. Кроме того, Браунер советовал Нильсону и Петерсону определить плотность паров хлористого бериллия, считая, что количественное определение этой характеристики поможет точно установить принадлежность элемента к той или иной группе периодической системы. Когда шведские химики повторили свои опыты и проделали то, что советовал им Браунер, они убедились в правоте Менделеева. В статье, отражавшей результаты этой работы, Нильсон и Петерсон написали: «...мы должны отказаться от ранее защищавшегося нами мнения о том, что бериллий трехвалентный элемент... Одновременно мы признаем правильность периодического закона и в этом важном случае».

В 1884 г. Нильсон писал Менделееву: «...не могу не выразить Вам моего сердечного поздравления по поводу того, что и в этом случае, как и во многих других, система оправдала себя».

Позднее в одном из изданий «Основ химии» Д.И. Менделеев отметил, что «Нильсон и Петерсон – одни из главных защитников трехатомности бериллия... доставили опытные доказательства в пользу двухатомности бериллия и, громко высказав это, показали, что в науке истина, даже при разноречиях, одинаково дорога всем, хотя бы сперва и отрицалась теми, кто ее утвердил».

Драгоценные бериллы

Основной минерал бериллия – берилл относится, как известно, к полудрагоценным камням. Но когда говорят о четырех его разновидностях – изумруде, аквамарине, воробьевите и гелиодоре, то приставку «полу» отбрасывают. Изумруды, особенно весом больше 5 каратов, ценятся не меньше бриллиантов.

Чем отличаются эти камни от обычного берилла? Ведь формула их та же – Al₂Be₃(Si₆O₁₈). Но эта формула не учитывает примесей, которые, собственно, и превращают полудрагоценные камни в драгоценные. Аквамарин окрашен ионами двухвалентного железа, в изумруде (он же смарагд) кроме Fe²⁺ есть незначительная примесь окиси хрома. Розовый цвет воробьевита объясняется примесью соединений цезия, рубидия и двухвалентного марганца, а золотисто-желтый гелиодор окрашен ионами трехвалентного железа.

Бериллий в быту

Сферы применения бериллия не ограничиваются «высокой» техникой. С изделиями из никель-бериллиевых сплавов (содержание Be не превышает 1,5%) можно встретиться и в повседневной жизни. Из этих сплавов изготавливают хирургические инструменты, иглы для подкожных инъекций, литые металлические зубы. Из сплава «элинвар» (никель, бериллий, вольфрам) в Швейцарии делают пружины для часов. Медно-бериллиевый сплав в США используют для изготовления втулок пишущего механизма шариковых ручек.

Искусственные изумруды

Получить изумруды искусственным путем гораздо труднее, чем большинство других драгоценных камней. Главная причина в том, что берилл – сложное комплексное соединение. Однако ученые смогли имитировать природные условия, в которых происходило образование минерала: изумруды «рождаются» при очень высоком давлении (150 тыс. атм.) и высокой температуре (1550°C). Искусственные изумруды могут использоваться в электронике.

Бериллий и «атомная игла»

Теплоизоляционные свойства окиси бериллия могут пригодиться и при исследовании земных глубин. Так, существует проект взятия проб из мантии Земли с глубин до 32 км с помощью так называемой атомной иглы. Это миниатюрный атомный реактор диаметром всего 60 см. Реактор должен быть заключен в теплоизолирующий футляр из окиси бериллия с тяжелым вольфрамовым наконечником.

Принцип действия атомной иглы заключается в следующем: высокие температуры, создаваемые в реакторе (свыше 1100°C), вызовут плавление скальных пород и продвижение реактора к центру Земли. На глубине примерно 32 км тяжелое вольфрамовое острие должно отделиться, а реактор, став более легким, чем окружающие его породы, возьмет пробы с недостижимых пока глубин и «всплывет» на поверхность.

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.

Недоразумение с периодической системой

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 γλυμυς – 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.