Бериллий: редкий элемент с большими возможностями
Итак, дата рождения бериллия — 1798 год. Но применение он нашёл только в 1932-м. Можно сказать, что именно тогда состоялось его «поступление на работу».
Бериллий относится к редким металлам. В среднем на тонну земного вещества приходится около 4,2 грамма бериллия — то есть всего несколько десятитысячных долей процента. Не так уж много. Но и не совсем мало, если сравнить, например, со свинцом, которого в земной коре примерно вдвое меньше. Тем не менее эти небольшие количества стоят того, чтобы за бериллием поохотиться. В природе он встречается главным образом как примесь в различных минералах, и лишь небольшая часть всего земного бериллия сосредоточена в собственных бериллиевых рудах. Название «берилл» восходит к латинскому, а затем к греческому слову, обозначавшему драгоценный сине-зелёный камень. Однако чистый берилл бесцветен. Его окраска определяется примесями. Берилл встречается во многих странах мира. Иногда образуются очень красивые зеленоватые кристаллы, причём размеры их могут быть поистине впечатляющими. Известны гигантские кристаллы берилла массой до тонны и длиной около девяти метров.
Бериллиевое сырьё имеется во многих странах мира. Наиболее крупные месторождения находятся в Бразилии и Аргентине. На их долю приходится примерно 40% добычи берилла. Значительные запасы бериллиевых руд найдены также в странах Африки и в Индии. Вплоть до последнего времени крупнозернистый берилл добывали вручную. В Бразилии таким кустарным способом и сейчас ежегодно добывается до 3000 тонн концентрата.
Удивительные свойства бериллия трудно перечислить. Этот металл одновременно сочетает лёгкость, прочность и теплостойкость. Бериллий серебристо-серого цвета. Он примерно в полтора раза легче алюминия и при этом отличается высокой прочностью. Бериллий чрезвычайно устойчив к коррозии. Подобно алюминию, он покрывается тонкой оксидной плёнкой, которая защищает его от дальнейшего воздействия кислорода. И лишь при температурах выше 800 °C происходит его интенсивное окисление. Есть у бериллия и ещё одно интересное свойство. Чистый бериллий очень твёрдый — настолько, что способен царапать стекло. Но при этом он хрупок.
Особенно ценны бериллиевые сплавы: они сохраняют свои свойства при высоких температурах — порядка 700–800 °C, продолжая работать в таких жёстких условиях.
Добавление небольших количеств бериллия к некоторым металлам придаёт получаемым сплавам свойства, которыми не обладали ни сам бериллий, ни исходные металлы. Хороший пример — бериллиевая бронза, сплав меди с небольшим количеством бериллия — от 2 до 3 процентов. По твёрдости она примерно вдвое превосходит нержавеющую сталь.
В отличие от чистого бериллия, бериллиевая бронза хорошо поддаётся механической обработке. Из неё можно изготавливать ленты толщиной всего до 0,1 миллиметра, обладающие при этом высокой прочностью на разрыв. Но есть у бериллиевых бронз ещё одна, совершенно примечательная особенность. Со временем большинство материалов, в том числе и металлы, «устают» — теряют прочность после многократных нагрузок. А у бериллиевых бронз всё происходит наоборот: при старении их прочность возрастает. Например, пружины, изготовленные из этого сплава, способны выдержать до 20 миллиардов (!) циклов нагрузки. Это действительно пружины, не знающие усталости, — практически вечные.
К тому же такие пружины немагнитны и не искрят при ударе о камень или металл, в отличие от стальных изделий.Это особенно важно при работе в шахтах и при открывании тары с воспламеняющимися веществами, когда случайная искра может стать причиной сильного взрыва. Одним из крупных потребителей бериллиевой бронзы стала авиационная промышленность. В современном тяжёлом самолёте насчитывается более тысячи деталей из этого сплава.
Из бериллиевой бронзы изготавливают и различные инструменты: зубила, головки молотков, шахтёрские кирки и другие изделия, для которых особенно важно сочетание прочности, износостойкости и отсутствия искрообразования.
Интересные свойства имеют бериллиды — интерметаллические соединения бериллия с танталом, ниобием, цирконием и другими тугоплавкими металлами.
Эти соединения обладают исключительной твёрдостью и высокой стойкостью к окислению. О возможностях бериллидов говорит уже один этот факт: они способны работать более десяти часов при температуре 1650 °C.
Но бериллий интересен не только своими техническими свойствами. Он сыграл важную роль и в истории развития представлений о строении атома.
В 1930 году было обнаружено, что при бомбардировке бериллия ядрами атомов гелия, то есть альфа-частицами, бериллий начинает испускать необычное излучение. Эти «лучи» обладали очень высокой проникающей способностью и проходили даже через слой свинца толщиной в несколько сантиметров. Спустя два года английский физик Джеймс Чедвик исследовал это излучение и установил, что частицы, из которых оно состоит, имеют массу, приблизительно равную массе протона, но не обладают электрическим зарядом.Так было открыто существование нейтрона — частицы, входящей в состав атомного ядра. Это открытие стало одним из важнейших шагов в понимании строения атома. И примечательно, что ключевую роль в нём сыграл именно бериллий.
Бериллий широко применяется в атомной технике. Дело в том, что этот элемент и его оксид способны рассеивать поток нейтронов, изменять направление их движения и замедлять их до таких скоростей, при которых ядерные реакции протекают более эффективно.
С развитием техники высотных полётов особое значение в ракетостроении приобрели сплавы магния, титана, алюминия и других металлов. И здесь бериллию тоже нашлось применение. Высокая теплопроводность бериллия — примерно в четыре раза выше, чем у стали, — его большая теплоёмкость и жаропрочность позволяют использовать бериллиевые материалы в теплозащитных конструкциях космических кораблей. Бериллий использовался и в теплозащите американского космического корабля Mercury. В частности, отдельные элементы внешней защиты капсулы «Friendship 7», на которой американский астронавт Джон Гленн в 1962 году совершил орбитальный полёт, были изготовлены из бериллия.
Благодаря способности сохранять высокую точность и стабильность размеров бериллиевые детали используют в гироскопах — приборах, входящих в системы ориентации и стабилизации ракет, космических кораблей и искусственных спутников Земли. Есть у бериллия ещё одно интересное свойство: при его горении выделяется очень много тепла — около 15 тысяч килокалорий на килограмм. Поэтому бериллий может использоваться как компонент высокоэнергетического ракетного топлива.
Чтобы увеличить долговечность и работоспособность машин и механизмов, часто упрочняют поверхность деталей. Это повышает их твёрдость и износостойкость, а значит, продлевает их «жизнь». Для этого деталь выдерживают в порошке бериллия при температуре 900–1000 °C. В результате её поверхность становится примерно вдвое твёрже, чем поверхность лучших сортов закалённой стали.
Бериллий сейчас стал незаменимым в рентгеноскопии для производства «окошек» рентгеновских трубок. Эта часть рентгеновских трубок, через которые пропускаются рентгеновские лучи. Почти все металлы задерживают рентгеновское излучение. А бериллий для него практически прозрачен. Поэтому рентгеновские лучи легко проходят через очень тонкую бериллиевую пластинку.
Ещё одно применение связано с оксидом бериллия. Его уже давно используют при производстве специальных видов стекла. Добавка оксида бериллия повышает плотность и твёрдость стекла, увеличивает его показатель преломления и химическую стойкость.С помощью оксида бериллия создают также специальные стёкла, которые хорошо пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи А стекловолокно, содержащее оксид бериллия, может использоваться в конструкциях ракет и подводных лодок.
Но сферы применения бериллия не ограничиваются «высокой» техникой. С изделиями из никель-бериллиевых сплавов, содержащих не более 1,5 процента бериллия, можно встретиться и в повседневной жизни.Из таких сплавов изготавливают хирургические инструменты, иглы для подкожных инъекций и даже литые металлические зубы. Оксид бериллия входит в состав некоторых материалов для пломбирования зубов — зубных цементов Интересно и применение сплава «элинвар», в состав которого входят никель, бериллий и вольфрам. В Швейцарии из него изготавливают часовые пружины.
А медно-бериллиевые сплавы в США использовали, например, для изготовления втулок в пишущем механизме шариковых ручек.
Оксид бериллия применяли также в люминесцентных лампах дневного света, где он участвовал в создании характерного желтовато-белого свечения.
И всё же, рассказывая о бериллии, нельзя не сказать ещё об одной его особенности.
Сам металл и многие его соединения требуют осторожного обращения, так как они токсичны. Поэтому работа с этим элементом требует строгого соблюдения правил безопасности. Бериллий — один из тех элементов, о которых можно сказать: маленькая доля в природе — огромное значение для человека. Да, бериллий — редкий элемент, но возможности его действительно велики».
Популярная библиотека химических элементов
Петр Рейнгольдович Таубе Евгений Иванович Руденко «От водорода до … ?»
