Реферат: Бериллий и сплавы, содержащие бериллий. Свойства, применение в химической технологии

Удельная прочность и жесткость материалов

Материал	σв, МПа	γ, (кг/м3) ∙10–3	σв /(γg), км	E /(γg), км
Магниевый сплав МА10	430	1,8	24	2,3
Алюминиевый сплав В95	700	2,9	21	2,4
Титановый сплав ВТ6	1500	4,5	22	2,6
Сталь 03Н18К9М5Т	1750	7,8	23	2,6
Бериллий	680	1,8	38	16,1

Влияние температуры на удельный модуль упругости различных материалов

Свойства Ве зависят от качества и структуры металла и заметно меняются с температурой, механические – от чистоты металла, величины зерна и текстуры, определяемой характером обработки. Обработка давлением приводит к определённой ориентации кристаллов Ве, возникает анизотропия, становится возможным значительное улучшение свойств. Механические свойства в направлении, перпендикулярном вытяжке, почти не меняются. Ве – хрупкий металл (особенно литой) при комнатной температуре, что является главным препятствием к его широкому использованию в качестве конструкционного материала; к еще большей хрупкости материала приводит содержание даже незначительных примесей (например, введение в очищенный Ве всего 0,001% Si). Имеет низкую пластичность и хорошую коррозионную стойкость. Упругость паров Ве при температуре плавления очень мала.

Механические свойства Ве в литом и деформированном состояниях различаются в зависимости от направления проведения испытаний. Наилучшими механическими свойствами обладает Ве после тёплой обработки давлением, которая проводится при температурах ниже температуры рекристаллизации. Температура рекристаллизации Ве изменяется в пределах от 700 °С до 900 °С в зависимости от степени деформации и времени выдержки. Рекристаллизационный отжиг значительно повышает пластичность и уменьшает прочность Ве.

Отношение прочности к плотности у Be значительно выше, чем у авиационных сталей и сплавов на основе Ti и Al.

Важным специфическим свойством Ве является его высокая проницаемость для рентгеновских лучей, которая в 17 раз выше, чем у алюминия.

Высокие ядерные характеристики – самое низкое среди металлов эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов и самое высокое поперечное сечение их рассеяния.

Дает эвтектические сплавы с Al и Si. Растворимость примесных элементов в Ве чрезвычайно мала.

Химические свойства

Степени окисления +2 и +1 (последняя крайне неустойчива), конфигурация внешних электронов 2s² .

По химическим свойствам Be подобен Al. Сходство между этими элементами привело к существенному заблуждению относительно валентности и атомной массы Ве – долгое время Ве считали трехвалентным с относительной атомной массой 14 (что примерно равно утроенной массе одного эквивалента Ве 3 × 4,7); лишь через 70 лет после открытия Ве русский ученый Д.И. Менделеев пришел к выводу, что в его периодической таблице места для такого элемента нет, а вот двухвалентный элемент с относительной атомной массой 9 (приблизительно равной удвоенной массе одного эквивалента Ве 2 × 4,7) легко размещается между Li и B.

Металлический Ве относительно мало реакционноспособен при комнатной температуре (например, устойчив к кислороду воздуха благодаря плёнке окиси, образующейся на его поверхности), в данных условиях взаимодействует с F₂ . В компактном виде не реагирует с водой и водяным паром даже при температуре красного каления и не окисляется воздухом до 600° С. При 1200 °С металлический Ве горит, превращаясь в белый порошок ВеО. Галогены реагируют с Ве при температуре выше 600° С, а халькогены требуют еще более высокой температуры. Компактный Ве интенсивно реагирует с N₂ при температурах более 1000 градусов, а в порошкообразном состоянии – при температурах более 500^о С. Аммиак взаимодействует с Ве при температуре выше 1200° С с образованием нитрида Be₃ N₂ , а углерод дает карбид Ве₂ С при 1700° С. С Н₂ Ве непосредственно не реагирует, и гидрид ВеН₂ получают косвенным путем (получен при разложении бериллийорганических соединений, устойчив до 240 °С).

Ве легко растворяется в разбавленных водных растворах кислот (соляной, серной, азотной, плавиковой), слабо реагирует с концентрированной серной и разбавленной азотной кислотами, однако холодная концентрированная азотная кислота пассивирует металл. Реакция Ве с водными растворами щелочей сопровождается выделением Н₂ и образованием гидроксобериллатов:

Be + 2NaOH_{( р )} + 2H₂ O = Na₂ [Be(OH)₄ ] + H₂

При проведении реакции с расплавом щелочи при 400–500° С образуются диоксобериллаты:

Be + 2NaOH_(ж) = Na₂ BeO₂ + H₂

Металлический Ве быстро растворяется в водном растворе NH₄ HF₂ . Эта реакция имеет технологическое значение для получения безводного BeF₂ и очистки Ве: Be + 2NH₄ HF₂ = (NH₄ )₂ [BeF₄ ] + H₂

Мелкодисперсный порошок Ве сгорает в парах S, Se, Te. Расплавленный Be взаимодействует с большинством окислов, нитридов, сульфидов и карбидов.

Соединения бериллия

У Ве, в отличие от других элементов 2 группы, нет соединений с преимущественно ионными связями, в то же время для него известны многочисленные координационные соединения, а также металлоорганические соединения, в которых часто образуются многоцентровые связи.

Вследствие малого размера атома Ве почти всегда проявляет координационное число 4, что важно для аналитической химии.

Соли Ве сильно гигроскопичны и за небольшим исключением (фосфат, карбонат) хорошо растворимы в воде, быстро гидролизуются с образованием ряда гидроксокомплексов неопределенной структуры, среда раствора кислая. Осаждение начинается при отношении OH^– :Be²⁺ > 1. Дальнейшее добавление щелочи приводит к растворению осадка.

Гидрид Ве ВеН₂ был впервые получен в 1951 восстановлением ВеCl₂ с помощью LiAlH₄ . Аморфное белое вещество, при нагревании до 250° С гидрид ВеН₂ выделять Н₂ . Это соединение умеренно устойчиво в воздухе и воде, но быстро разлагается кислотами. ВеН₂ полимеризован за счет трехцентровых связей ВеНВе.

BeHal : Безводные BeHalнельзя получить реакциями в водных растворах вследствие образования гидратов, таких как [Be(H₂ O)₄ ] F₂ , и гидролиза. Лучшим способом для получения BeF₂ является термическое разложение (NH₄ )₂ [BeF₄ ], а BeCl₂ удобно получать из оксида – для этого действуют Cl₂ на смесь BeO и СО₂ при 650–1000° С. BeCl₂ можно также синтезировать прямым высокотемпературным хлорированием металлического Ве или его карбида. Эти же реакции используются для получения безводных бромида и иодида.

BeF ₂ – стекловидный материал, его структура состоит из неупорядоченной сетки из атомов Ве (КЧ 4), связанных мостиками из атомов F, и похожа на структуру кварцевого стекла. Выше 270° С BeF₂ самопроизвольно кристаллизуется. Подобно кварцу, он существует в низкотемпературной α-форме, которая при 227° С переходит в β-форму, кроме того, можно получить формы кристобалита и тридимита. Структурное сходство между BeF₂ и SiO₂ распространяется также на фторобериллаты (которые образуются при взаимодействии BeF₂ с фторидами щелочных элементов и аммония) и силикаты.

BeF₂ – компонент фторобериллатных стекол и солевой смеси, используемой в ядерных реакторах на расплавленных солях.

Хлорид и другие галогениды Ве можно рассматривать как полиядерные комплексные соединения, в которых координационное число Ве равно 4. В кристаллах BeCl₂ есть бесконечные цепочки с мостиковыми атомами Cl: