Щелочноземельные металлы, подготовка к ЕГЭ по химии

Акустика

Ввиду своей легкости и высокой твёрдости бериллий успешно применяется в качестве материала для электродинамических громкоговорителей. Однако, его высокая стоимость, трудность обработки (из-за хрупкости) и токсичность (при несоблюдении технологии обработки) делают возможным применение динамиков с бериллием только в дорогих профессиональных аудиосистемах.

Большой Адронный Коллайдер

В точках столкновения пучков на Большом Адронном Коллайдере (БАК) вакуумная труба сделана из бериллия. Он одновременно практически не взаимодействует с частицами, произведенными в столкновениях (которые регистрируют детекторы), но при этом достаточно прочен.

Аэрокосмическая техника

Основная статья: Аэрокосмическая техника

В производстве тепловых экранов и систем наведения с бериллием не может конкурировать практически ни один конструкционный материал. Конструкционные материалы на основе бериллия обладают одновременно и лёгкостью, и прочностью, и стойкостью к высоким температурам.

Бериллий кислород → оксид бериллия

Биологическая роль и физиологическое действие

В живых организмах бериллий не несёт какой-либо значимой биологической функции. Однако бериллий может замещать магний в некоторых ферментах, что приводит к нарушению их работы. Ежедневное поступление бериллия в организм человека с пищей составляет около 0,01 мг.

Летучие (и растворимые) соединения бериллия, в том числе и пыль, содержащая соединения бериллия, высокотоксичны. Для воздуха ПДК в пересчёте на бериллий составляет 0,001 мг/м³. Бериллий обладает ярко выраженным аллергическим и канцерогенным действием. Вдыхание атмосферного воздуха, содержащего бериллий, приводит к тяжёлому заболеванию органов дыхания — бериллиозу.

Гидроксиды щелочноземельных металлов

Проявляют основные свойства, за исключением гидроксида бериллия — амфотерного гидроксида.

Другие приложения

Низкая плотность оксида бериллия вызвала интерес в аэрокосмической и военной промышленности, поскольку он может представлять собой вариант с малым весом в ракетных двигателях и бронежилетах.

Наконец, недавно был применен в качестве огнеупорного материала в плавки металла в металлургической промышленности.

Жесткость воды

Жесткостью воды называют совокупность свойств воды, зависящую от присутствия в ней преимущественно солей кальция и магния: гидрокарбонатов,
сульфатов и хлоридов.

Различают временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную) жесткость.

Вероятно, вы часто устраняете жесткость воды у себя дома, осмелюсь предположить — каждый день. Временная жесткость воды устраняется
обычным кипячением воды в чайнике, и известь на его стенках — CaCO3 — бесспорное доказательство устранения жесткости:

Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ CO2 H2O

Также временную жесткость можно устранить, добавив Na2CO3 в воду:

Ca(HCO3)2 Na2CO3 → CaCO3↓ NaHCO3

С постоянной жесткостью бороться кипячением бесполезно: сульфаты и хлориды не выпадут в осадок при кипячении. Постоянную
жесткость воды устраняют добавлением в воду Na2CO3:

CaCl2 Na2CO3 → CaCO3↓ NaCl

MgSO4 Na2CO3 H2O → [Mg(OH)]2CO3↓ CO2↑ Na2SO4

Жесткость воды можно определить с помощью различных тестов. Чрезмерно высокая жесткость воды приводит к быстрому образованию накипи на стенках
котлов, труб, чайника.

Изотопы бериллия

Основная статья: Изотопы бериллия

Природный бериллий состоит из единственного изотопа 9Be. Все остальные изотопы бериллия (их известно 11, исключая стабильный 9Be) нестабильны. Наиболее долгоживущих из них два: 10Be с периодом полураспада около 1,4 млн лет и 7Be с периодом полураспада 53 дня.

История

Открыт в 1798 году французским химиком Луи Никола Вокленом, который назвал его глюцинием. Современное название элемент получил по предложению химиков немца Клапрота и шведа Экеберга.

Большую работу по установлению состава соединений бериллия и его минералов провёл русский химик Иван Авдеев. Именно он доказал, что оксид бериллия имеет состав BeO, а не Be2O3, как считалось ранее.

В свободном виде бериллий был выделен в 1828 году французским химиком Антуаном Бюсси и независимо от него немецким химиком Фридрихом Вёлером. Чистый металлический бериллий был получен в 1898 году французским физиком Полем Лебо с помощью электролиза расплавленных солей.

Лазерные материалы

Основная статья: Лазерные материалы

В лазерной технике находит применение алюминат бериллия для изготовления твердотельных излучателей (стержней, пластин).

Легирование сплавов

Бериллий в основном используют как легирующую добавку к различным сплавам. Добавка бериллия значительно повышает твёрдость и прочность сплавов, коррозионную устойчивость поверхностей, изготовленных из этих сплавов изделий. В технике довольно широко распространены бериллиевые бронзы типа BeB (пружинные контакты).

Добавка 0,5 % бериллия в сталь позволяет изготовить пружины, которые остаются упругими до температуры красного каления. Эти пружины способны выдерживать миллиарды циклов значительной по величине нагрузки. Кроме того, бериллиевая бронза не искрится при ударе о камень или металл. Один из сплавов носит собственное название рандоль. Благодаря его сходству с золотом рандоль называют «цыганским золотом».

Месторождения

Месторождения минералов бериллия присутствуют на территории Бразилии, Аргентины, Африки, Индии, Казахстана, России (Ермаковское месторождение в Бурятии, Малышевское месторождение в Свердловской области, пегматиты восточной и юго-восточной части Мурманской области) и др.

Нахождение в природе

Среднее содержание бериллия в земной коре 3,8 г/т и увеличивается от ультраосновных (0,2 г/т) к кислым (5 г/т) и щелочным (70 г/т) породам. Основная масса бериллия в магматических породах связана с плагиоклазами, где бериллий замещает кремний. Однако наибольшие его концентрации характерны для некоторых тёмноцветных минералов и мусковита (десятки, реже сотни г/т).

Если в щелочных породах бериллий почти полностью рассеивается, то при формировании кислых горных пород он может накапливаться в постмагматических продуктах постколлизионных и анорогенных гранитоидов — пегматитах и пневматолито-гидротермальных телах.

В кислых пегматитах образование значительных скоплений бериллия связано с процессами альбитизации и мусковитизации. В пегматитах бериллий образует собственные минералы, но часть его (ок. 10 %) находится в изоморфной форме в породообразующих и второстепенных минералах (микроклине, альбите, кварце, слюдах, и др.).

В щелочных пегматитах бериллий устанавливается в небольших количествах в составе редких минералов: эвдидимита, чкаловита, анальцима и лейкофана, где он входит в анионную группу. Постмагматические растворы выносят бериллий из магмы в виде фторсодержащих эманаций и комплексных соединений в ассоциации с вольфрамом, оловом, молибденом и литием.

Содержание бериллия в морской воде чрезвычайно низкое — 6⋅10−7 мг/л.

Известно более 30 собственно бериллиевых минералов, но только 6 из них считаются более-менее распространёнными: берилл, хризоберилл, бертрандит, фенакит, гельвин, даналит. Промышленное значение имеет в основном берилл, в России (Республика Бурятия) разрабатывается фенакит-бертрандитовое Ермаковское месторождение.

Разновидности берилла считаются драгоценными камнями: аквамарин — голубой, зеленовато-голубой, голубовато-зелёный; изумруд — густо-зелёный, ярко-зелёный; гелиодор — жёлтый; известны ряд других разновидностей берилла, различающихся окраской (темно-синие, розовые, красные, бледно-голубые, бесцветные и др.). Цвет бериллу придают примеси различных элементов.

Общая характеристика

От Be к Ra (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств,
реакционная способность. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns2:

• Be — 2s²
• Mg — 3s²
• Ca — 4s²
• Sr — 5s²
• Ba — 6s²
• Ra — 7s²

Оксиды щелочноземельных металлов

Имеют общую формулу RO, например: MgO, CaO, BaO.

Оптические свойства

Благодаря своим кристаллическим свойствам оксид бериллия используется для нанесения прозрачного материала для ультрафиолета в некоторых плоских экранах и фотоэлектрических элементах.

Точно так же могут быть получены кристаллы очень высокого качества, поэтому эти свойства улучшаются в зависимости от используемого производственного процесса.

Получение

В виде простого вещества в XIX веке бериллий получали действием калия на безводный хлорид бериллия:

 BeCl₂ 2K ⟶ Be 2KCl

В настоящее время бериллий получают, восстанавливая фторид бериллия магнием:

 BeF₂ Mg ⟶ Be MgF₂, либо электролизом расплава смеси хлоридов бериллия и натрия. Исходные соли бериллия выделяют при переработке бериллиевой руды.

Природные соединения

В природе щелочноземельные металлы встречаются в виде следующих соединений:

• Be — BeO*Al₂O₃*6SiO₂ — берилл
• Mg — MgCO₃ — магнезит, MgO*Al₂O₃ — шпинель, 2MgO*SiO₂ — оливин
• Ca — CaCO₃ — мел, мрамор, известняк, кальцит, CaSO₄*2H₂O — гипс, CaF₂ — флюорит

Производство и применение

По состоянию на 2000 год основными производителями бериллия являлись: США (с большим отрывом), а также Китай, Казахстан. В 2022 году произвела первый образец бериллия и Россия. В России планируется строительство нового комбината по производству бериллия к 2022 году На долю остальных стран приходилось менее 1 % мировой добычи. Всего в мире производится 300 тонн бериллия в год (2022 год).

Происхождение бериллия

В процессах как первичного, так и звёздного нуклеосинтеза рождаются лишь лёгкие нестабильные изотопы бериллия. Стабильный изотоп  9Be может появиться как в звёздах, так и в межзвёздной среде в результате распада более тяжелых ядер, бомбардируемых космическими лучами.

Происхождение названия

Название бериллия произошло от названия минерала берилла (др.-греч. βήρυλλος) (силикат бериллия и алюминия, Be3Al2Si6O18), которое восходит к названию города Белур (Веллуру)

в Южной Индии, недалеко от Мадраса; с древних времён в Индии были известны месторождения изумрудов — разновидности берилла. Из-за сладкого вкуса растворимых в воде соединений бериллия элемент вначале называли «глиций» (др.-греч. γλυκύς — сладкий).

Ракетное топливо

Основная статья: Ракетное топливо

Стоит отметить высокую токсичность и высокую стоимость металлического бериллия, и в связи с этим приложены значительные усилия для выявления бериллийсодержащих топлив, имеющих значительно меньшую общую токсичность и стоимость. Одним из таких соединений бериллия является гидрид бериллия.

Рентгенотехника

Основная статья: Рентгенотехника

Бериллий слабо поглощает рентгеновское излучение, поэтому из него изготавливают окошки рентгеновских трубок (через которые излучение выходит наружу) и окошки рентгеновских и широкодиапазонных гамма-детекторов, через которые излучение проникает в детектор.

Риск для здоровья

Оксид бериллия — это соединение, с которым необходимо обращаться с большой осторожностью, поскольку оно в первую очередь обладает канцерогенными свойствами, которые связаны с постоянным вдыханием пыли или паров этого материала.

Мелкие частицы в этих оксидных фазах прилипают к легким и могут привести к образованию опухолей или заболеванию, известному как бериллиоз.

Бериллиоз — это заболевание со средней смертностью, которое вызывает неэффективное дыхание, кашель, потерю веса и лихорадку, а также образование гранулем в легких или других пораженных органах.

Прямой контакт оксида бериллия с кожей представляет опасность для здоровья, поскольку он вызывает коррозию и раздражение, а также может вызвать повреждение поверхности кожи и слизистых оболочек. При работе с этим материалом, особенно в виде порошка, необходимо защищать дыхательные пути и руки.

Свойства

Оксид бериллия встречается в природе как бромеллит, белый минерал, обнаруженный в некоторых сложных марганцево-железных месторождениях, но чаще всего встречается в его синтетической форме: белое аморфное твердое вещество, которое встречается в виде порошка. .

Кроме того, примеси, захваченные в процессе производства, придают образцу оксида различные цвета.

Его температура плавления составляет 2507 ºC, температура кипения — 3900 ºC, а плотность составляет 3,01 г / см.3.

Точно так же его химическая стабильность значительно высока, реагирует только с водяным паром при температурах, близких к 1000 ºC, и он может противостоять процессам восстановления углерода и атакам расплавленных металлов при высоких температурах.

Кроме того, его механическая прочность приличная, и ее можно улучшить с помощью конструкции и изготовления, пригодных для коммерческого использования.

Теплопроводность

Оксид бериллия имеет большое преимущество с точки зрения теплопроводности: он известен как второй лучший теплопроводный материал среди неметаллов, уступая только алмазу, значительно более дорогому и редкому материалу.

Что касается металлов, только медь и серебро передают тепло за счет теплопроводности лучше, чем оксид бериллия, что делает его очень желательным материалом.

Благодаря отличным теплопроводным свойствам это вещество использовалось в производстве огнеупорных материалов.

Физические свойства

Бериллий — относительно твёрдый (5,5 баллов по Моосу), но хрупкий металл серебристо-белого цвета. Достаточно твердый металл (5,5 по Моосу), превосходящий по твердости другие легкие металлы (алюминий, магний). Имеет высокий модуль упругости — 300 ГПа (у сталей — 200—210 ГПа).

Химическая структура

Молекула оксида бериллия (также называемого «Берилия») Он состоит из атома бериллия и атома кислорода, оба координированных в тетраэдрической ориентации, и кристаллизуется в гексагональные кристаллические структуры, называемые вюрцитами.

Эти кристаллы обладают тетраэдрическими центрами, которые заняты Be2 я2-. При высоких температурах структура оксида бериллия становится тетрагональной.

Получение оксида бериллия достигается тремя способами: прокаливанием карбоната бериллия, дегидратацией гидроксида бериллия или воспламенением металлического бериллия. Оксид бериллия, образующийся при высоких температурах, по своей природе инертен, но может растворяться в различных соединениях.

BeCO3 Тепло → BeO CO2 (Прокаливание)

Будь (ОН)2 → BeO H2О (обезвоживание)

2 Be O2 → 2 BeO (зажигание)

Наконец, оксид бериллия может испаряться, и в этом состоянии он будет в форме двухатомных молекул.

Химические свойства

Для бериллия характерны две степени окисления 1 и 2. Гидроксид бериллия (II) амфотерен, причём как основные (с образованием Be2 ), так и кислотные (с образованием [Be(OH)4]2−) свойства выражены слабо. Степень окисления 1 у бериллия была получена при исследовании процессов испарения бериллия в вакууме в тиглях из оксида бериллия BeO с образованием летучего оксида Be2O в результате сопропорционирования BeO Be = Be2O.

По многим химическим свойствам бериллий больше похож на алюминий, чем на находящийся непосредственно под ним в таблице Менделеева магний (проявление «диагонального сходства»).

Металлический бериллий относительно мало реакционноспособен при комнатной температуре. В компактном виде он не реагирует с водой и водяным паром даже при температуре красного каления и не окисляется воздухом до 600 °C. Порошок бериллия при поджигании горит ярким пламенем, при этом образуются оксид и нитрид.

Галогены реагируют с бериллием при температуре выше 600 °C, а халькогены требуют ещё более высокой температуры. Аммиак взаимодействует с бериллием при температуре выше 1200 °C с образованием нитрида Be3N2, а углерод даёт карбид Ве2С при 1700 °C. С водородом бериллий непосредственно не реагирует.

Бериллий легко растворяется в разбавленных водных растворах кислот (соляной, серной, азотной), однако холодная концентрированная азотная кислота пассивирует металл. Реакция бериллия с водными растворами щелочей сопровождается выделением водорода и образованием гидроксобериллатов:

 Be 2NaOH 2H₂O → Na₂[Be(OH)₄] H₂↑

При проведении реакции с расплавом щелочи при 400—500 °C образуются бериллаты:

 Be 2NaOH → Na₂BeO₂ H₂↑

Электронные заявки

Способность передавать тепло на высоком уровне и его хорошее электрическое сопротивление сделали оксид бериллия очень полезным в качестве радиатора.

Его использование было подтверждено в схемах в компьютерах большой емкости, а также в оборудовании, которое работает с большими токами электричества.

Оксид бериллия прозрачен для рентгеновских лучей и микроволн, поэтому он используется в окнах против этих типов излучения, а также в антеннах, системах связи и микроволновых печах.

Электропроводность

Оксид бериллия является чрезвычайно стабильным керамическим материалом и, следовательно, имеет довольно высокое электрическое сопротивление, что делает его одним из лучших электроизоляционных материалов наряду с оксидом алюминия.

Из-за этого этот материал обычно используется для специализированного высокочастотного электрооборудования.

Ядерная энергетика

Основная статья: Ядерная энергетика

В атомных реакторах из бериллия изготовляют отражатели нейтронов, его используют как замедлитель нейтронов. В смесях с некоторыми α-радиоактивными нуклидами бериллий используют в ампульных нейтронных источниках, так как при взаимодействии ядер бериллия-9 и α-частиц возникают нейтроны: 9Be α → n 12C.

Оксид бериллия наряду с металлическим бериллием служит в атомной технике как более эффективный замедлитель и отражатель нейтронов, чем чистый бериллий. Кроме того, оксид бериллия в смеси с окисью урана применяется в качестве очень эффективного ядерного топлива.

Фторид бериллия используется в атомной технике для варки стекла, применяемого для регулирования небольших потоков нейтронов. Самый технологичный и качественный состав такого стекла − (BeF2 — 60 %, PuF4 — 4 %,AlF3 — 10 %, MgF2 — 10 %, CaF2 — 16 %).

Ядерные приложения

Его способность замедлять нейтроны и сохранять свою структуру при радиационной бомбардировке привела к тому, что оксид бериллия используется в строительстве ядерных реакторов, а также может применяться в высокотемпературных реакторах с газовым охлаждением.