Свойства бериллия

Be(OH)₂ + 2H₃O⁺ = Be²⁺ + 2H₂O

Be(OH)₂ + 2OH^– = [Be(OH)₄]^2–

Гидроксокарбонат бериллия – соединение переменного состава. Образуется при взаимодействии водных растворов солей бериллия с карбонатами натрия или аммония. При действии избытка растворимых карбонатов легко образует комплексные соединения, такие как (NH4)₂[Be(CO3)₂].

Карбоксилаты бериллия. Уникальность бериллия проявляется в образовании устойчивых летучих молекулярных оксид-карбоксилатов с общей формулой [OBe4(RCO2)₆], где R = H, Me, Et, Pr, Ph и т.д. Эти белые кристаллические вещества, типичным представителем которых является основный ацетат бериллия (R =CH3), хорошо растворимы в органических растворителях, включая алканы, и нерастворимы в воде и низших спиртах. Их можно получить простым кипячением гидроксида или оксида бериллия с карбоновой кислотой. Структура таких соединений содержит центральный атом кислорода, тетраэдрически окруженный четырьмя атомами бериллия. На шести ребрах этого тетраэдра есть шесть мостиковых ацетатных групп, расположенных таким образом, что каждый атом бериллия имеет тетраэдрическое окружение из четырех атомов кислорода. Ацетатное соединение [OBe4(MeCO2)₆] плавится при 285° С и кипит при 330° С. Оно устойчиво к нагреванию и окислению в нежестких условиях, медленно гидролизуется горячей водой, но быстро разлается минеральными кислотами с образованием соответствующей соли бериллия и свободной карбоновой кислоты.

Нитрат бериллия Be(NO3)₂ при обычных условиях существует в виде тетрагидрата. Он хорошо растворим в воде, гигроскопичен. При 60–100° С образуется гидроксонитрат переменного состава. При более высокой температуре он разлагается до оксида бериллия.

Основный нитрат [OBe4(NO3)₆] имеет аналогичную карбоксилатам структуру с мостиковыми нитрато-группами. Это соединение образуется при растворении хлорида бериллия в смеси N2O4 и этилацетата с образованием кристаллического сольвата [Be(NO3)₂^.2N2O4], который затем нагревают до 50° С, чтобы получить безводный нитрат Be(NO3)₂, быстро разлагающийся при 125° С на N2O4 и [OBe4(NO3)₆].

Бериллиеорганические соединения. Для бериллия известны многочисленные соединения, содержащие связи бериллий–углерод. Соединения состава ВеR2, где R – алкил, являются ковалентными и имеют полимерную структуру. Соединение (CH3)₂Be имеет цепочное строение с тетраэдрическим расположением метильных групп вокруг атома бериллия. Он легко возгоняется при нагревании. В парах существует в виде димера или тримера.

Соединения R2Be самовоспламеняются на воздухе и в атмосфере диоксида углерода, бурно реагируют с водой и спиртами, дают устойчивые комплексы с аминами, фосфинами, эфирами.

Синтезируют R2Be взаимодействием хлорида бериллия с магнийорганическими соединениями в эфире или металлического бериллия с R2Hg. Для получения (C6H5)₂Be и (C5H5)₂Be используют реакцию хлорида бериллия с соответствующими производными щелочных элементов.

Предполагают, что соединения состава RBeX (Х – галоген, OR, NH2, H) представляют собой R2Be.BeX2. Они менее реакционноспособны, в частности, на них не действует диоксид углерода.

Бериллийорганические соединения используют как катализаторы димеризации и полимеризации олефинов, а также для получения металлического бериллия высокой чистоты.

5) 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: σ_в = 600 МПа, σ_0,2 = 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: σ_в = 500 МПа, δ = 30 %, после старения —  
σ_в = 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 (рис. 15.7).

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.

Применение Бериллия:

  
По причине того, что бериллий в чистом виде был получен лишь в самом конце XIX века, он долгое время  не мог найти достойного применения. По этому в различных справочниках и энциклопедиях начала XX века о бериллии говорилось: «Практического применения не имеет». Для того чтобы уникальные свойства элемента номер четыре нашли своё применение, требовалось время — время для развития современного уровня технологий. И если в тридцатых годах XX века советский академик А.Е. Ферсман называл бериллий металлом будущего, то сейчас он может по праву называться металлом настоящего.

Огромное  количество бериллия расходуется в  качестве легирующей добавки к различным  сплавам на основе алюминия, никеля, магния, меди и других металлов. Такая  добавка обеспечивает высокую твердость, хорошую электрическую проводимость теплопроводность и прочность сплавов, коррозионную устойчивость поверхностей изделий изготовленных из этих сплавов. Наиболее известны и применяемы в  технике — бериллиевые бронзы (в США в 80-х годах до 80 % от производимого  бериллия) — сплавы меди с бериллием. Из них изготавливают многие изделия, от которых требуются большая  прочность, хорошая сопротивляемость усталости и коррозии, сохранение упругости в значительном интервале  температур, высокая электро- и теплопроводность. Одним из потребителей этого сплава является авиационная промышленность — подсчитано, что в современном  тяжелом самолете свыше тысячи деталей сделано из бериллиевой бронзы. Благодаря своим упругим свойствам бериллиевая бронза служит прекрасным пружинным материалом. Пружины из этого материала практически не знают усталости: они способны выдерживать до 20 миллионов циклов нагрузки, при том, что рессоры из обычной углеродистой стали выходят из строя уже после 800—850 циклов. Кроме того, бериллиевые бронзы не искрятся при ударе о металл или камень, по этой причине их используют для изготовления специального инструмента, применяемого на взрывоопасных работах — в шахтах, на пороховых заводах, нефтебазах. Добавки бериллия облагораживают и другие сплавы, например, на основе магния и алюминия: весьма малые количества бериллия (достаточно 0,005 %) намного уменьшают потери магниевых сплавов от горения и окисления при плавке и литье. Не менее интересными свойствами обладают и бериллиды — интерметаллические соединения бериллия с танталом, ниобием, цирконием и другими тугоплавкими металлами. Подобные соединения обладают исключительной твердостью и стойкостью против окисления, они могут проработать более десяти часов при температуре 1 650 °C. Перспективным считается получение сплавов бериллия с литием — они будут легче воды.

Повысить  жесткость, прочность и жаростойкость  других металлов можно и без введения бериллия в сплав. В таких случаях  используют бериллизацию — насыщение поверхности стальной детали бериллием путем диффузии. После чего поверхность детали покрывается твердым химическим соединением бериллия с железом и углеродом. Это прочное защитное покрытие толщиной всего 0,15...0,4 мм придает деталям жаростойкость и устойчивость к морской воде и азотной кислоте.

Сочетание малой атомной массы, малого сечения  захвата тепловых нейтронов (0,009 барн на атом), большого сечения их рассеивания и достаточной стойкости в условиях радиации делает бериллий одним из лучших материалов для изготовления замедлителей и отражателей нейтронов в атомных реакторах. Изготовление замедлителей и отражателей из бериллия и его окиси позволяет намного уменьшить АЗ реакторов, увеличить рабочую температуру и эффективнее использовать ядерное топливо. Из бериллия изготовляют окошки рентгеновских трубок, используя его высокую проницаемость для рентгеновских лучей (в 17 раз большую, чем у алюминия). В смесях с некоторыми α-радиоактивными нуклидами (радия, полония, актиния, плутония) бериллий используют в ампульных нейтронных источниках, так как он обладает свойством интенсивного излучения нейтронов при бомбардировке α-частицами.

Бериллий  и некоторые его соединения (в  виде раствора в жидком аммиаке, в  виде гидрида бериллия, раствора боргидрида бериллия в жидком аммиаке) рассматриваются как перспективное твёрдое ракетное топливо с наиболее высокими удельными импульсами. Соединения бериллия нашли не меньшее применение, чем сам металл: в лазерной технике используется алюминат бериллия при изготовлении твердотельных излучателей (стержней, пластин). Боргидрид бериллия и тонкодисперсный бериллиевый порошок пропитанные жидким кислородом либо окисью фтора, иногда применяются как особо мощные взрывчатые вещества (ВВ). Фторид бериллия используется в атомной технике для варки стекла применяемого для регулирования небольших потоков нейтронов. Множеством ценных свойств обладает окись бериллия — благодаря высокой огнеупорности (температура плавления 2 570 °С), значительной химической стойкости и большой теплопроводности этот материал используется для футеровки индукционных печей, изготовления тиглей для плавки различных металлов и сплавов. Оксид бериллия — основной материал для оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) атомных реакторов. Ведь именно в этих оболочках особенно велика плотность нейтронного потока и 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 оксида бериллия.