Свойства бериллия

МИНОБРНАУКИ РОССИИ 
         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат по теме: «Свойства  металлов»

 

Вариант № 1

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

 

Студент группы  Б01-722-1                                              .

 

Проверил: 
 
к.х.н., доцент                                                                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ижевск, 2013

 

План:

 

1)Электронная конфигурация атома.  Возможные степени окисления.

 

2)Нахождение в природе и получение  в свободном виде.

 

3)Физические и химические свойства.

 

4)Свойства соединений.

 

5)Сплавы. Применение металла и  его соединений.

 

6)Список литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

4 Be Бериллий : 1s2 2s2
1s2	2s2
2	2

 

 

4 Be Бериллий - Степень окисления  0,+ IV

 

 

 

 

 

 

 

 

2) Нахождениев природе

Редкий металл– содержание Ве в земной коре 5 · 10-4% (как и соседние с ним литий и бор, относительно мало распространен в земной коре). Типичный литофильный элемент, характерный для кислых, субщелочных и щелочных магм. Не является рассеянным, так как входит в состав поверхностных залежей берилла в пегматитовых породах, которые последними закристаллизовались в гранитных куполах. Есть сообщения о гигантских бериллах длиной до 1 м и массой до нескольких тонн.

Известно 54собственно бериллиевых  минерала – из них наибольшее практическое значение имеет берилл 3BeO·Al2O3·6SiO2, который после обработки переводят в форму хлорида или фторида. Этот минерал имеет много окрашенных разновидностей: изумруд (около 2% Cr придают ему зеленый цвет),аквамарин (примесь Fe(II) обуславливает его голубую окраску), воробьевит (розового цвета из-за примесей соединений Mn(II)), а гелиодор (золотисто-желтый – ионы Fe(III)). Перспективны и частично используются фенакит 2BeO·SiO2, гельвин (Mn, Fe, Zn)4[BeSiO4]3S,хризоберилл BeAl2O4,бертрандит 4BeO·2SiO2·H2O.

Мировые природные ресурсы Ве оцениваются более чем в 80 тыс. т (по содержанию Ве), из которых около 65% сосредоточено в США (основное Ве сырье – бертрандитовая руда). Подтвержденные запасы – на месторождении Spur Mountain (шт. Юта),являющемся основным в мире источником Ве, на конец 2000 составили примерно 19тыс. т (по содержанию металла). Из других стран наибольшими запасами Ве обладают Китай, Россия и Казахстан. Во времена СССР Ве на территории России добывался на Малышевском (Свердловская область), Завитинском (Читинская область), Ермаковском (Бурятия), Пограничном (Приморский край) место рождениях .В связи с сокращением ВПК и прекращением строительства атомных электростанцийего добыча была прекращена на Малышевском и Ермаковском и значительно сокращена на Завитимском месторождениях. При этом значительная часть добываемого Ве продается за рубеж, в основном, в Европу и Японию.

Бериллий  в свободном виде серебристо-серый легкий металл. 

 

 

 

 

 

 

3)Физические свойства 

 

Бериллий  — хрупкий, но в то же время очень  твердый металл светло-серого цвета  с металлическим блеском. Бериллий имеет две кристаллические модификации: α-бериллий (низкотемпературная модификация) имеет гексагональную плотноупакованную решетку типа Mg (что приводит к анизотропии свойств) с параметрами a = 0,22866 нм, с = 0,35833 нм, z = 2; β-бериллий (высокотемпературная модификация) имеет кубическую объемно-центрированную решетку типа Fe с параметром a = 0,25515 нм. Температура перехода от α-модификации к β-модификации приблизительно 1 277 °С. Температура плавления элемента номер четыре (tпл) 1 285 °С, температура кипения (tкип) 2470° С. Бериллий один из самых легких элементов, его плотность в твердом состоянии всего 1,816 г/см3, даже такой легкий металл, как алюминий (плотность 2,7 г/см3), почти в полтора раза тяжелее бериллия. Причем в жидком состоянии плотность бериллия еще ниже (при 1 287 °С плотность равна 1,690 г/см3). Бериллий обладает наиболее высокой из всех металлов теплоемкостью — 1,80 кДж/(кг•К) или 0,43 ккал/(кг•°С), высокой теплопроводностью — 178 Вт/(м•К) или 0,45 кал/(см•сек•°С) при температуре 50 °С, низким электросопротивлением — 3,6-4,5 мкОм•см при комнатной температуре; коэффициент линейного расширения бериллия 10,3-131 (25—100 °С).

Как и у большинства других элементов, многие физические свойства бериллия зависят от качества и структуры  металла и заметно меняются с  температурой. Например, даже небольшие  количества посторонних примесей сильно охрупчивают бериллий. Механические свойства бериллия зависят от чистоты металла, величины зерна и текстуры, определяемой характером обработки. Бериллий плохо обрабатывается резанием и требует применения твердосплавного инструмента. По сравнению с другими легкими материалами бериллий обладает уникальным сочетанием физических и механических свойств. По удельной прочности и жесткости он превосходит все другие металлы, сохраняя эти преимущества до температур 500—600 °С. Модуль продольной упругости (модуль Юнга) для бериллия составляет 300 Гн/м2 или 3,104 кгс/мм2 (в 4 раза больший, чем у алюминия, в 2,5 раза превышающий соответствующий параметр титана, и на треть выше, чем у стали). Предел прочности бериллия при растяжении 200—550 Мн/м2 (20—55 кгс/мм2), удлинение 0,2—2 %. Обработка давлением приводит к определённой переориентации кристаллов бериллия, вследствие чего возникает анизотропия, становится возможным значительное улучшение свойств. Предел прочности в направлении вытяжки доходит до 400—800 Мн/м2 (40—80 кгс/мм2), предел текучести 250—600 Мн/м2 (25—60 кгс/мм2), а относительное удлинение до 4—12 %. Механические свойства в направлении, перпендикулярном вытяжке, почти не меняются. Как говорилось ранее — бериллий хрупкий металл — его ударная вязкость 10—50 кДж/м2 (0,1— 0,5 кгс∙м/см2). Температура перехода бериллия из хрупкого состояния в пластическое 200—400 °С. Твердость по Бринеллю для бериллия равна 1 060—1 320 МПа. Бериллий отличается высокими ядерными характеристиками — самое низкое среди металлов эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов и самое высокое поперечное сечение их рассеяния.

При огромном количестве достоинств, у  бериллия всё же есть несколько недостатков. Во-первых, это высокая стоимость  данного металла, связанная с  дефицитностью исходного сырья  и сложностью его переработки, во-вторых, у бериллия очень низкая хладноломкость. Ударная вязкость технического бериллия ниже 5 Дж/см2. И всё же, уникальная совокупность технических достоинств бериллия делает его незаменимым материалом в различных областях.

 

Химические свойства 

 

В химических соединениях бериллий двухвалентен (конфигурация внешнего электронного слоя 2s2). По своим химическим свойствам  бериллий в значительной степени  сходен с алюминием, находящимся  в третьем периоде и в третьей  группе периодической системы, то есть правее и ниже бериллия. Это явление, носящее название диагонального  сходства, наблюдается и у некоторых  других элементов, например, бор по многим химическим свойствам сходен с кремнием. Близость свойств бериллия и алюминия объясняется почти  одинаковым отношением заряда катиона  к его радиусу для ионов Be2+ и Al3+. Элемент номер четыре типично  амфотерен — обладает свойствами металла и неметалла, однако металлические  свойства преобладают. Компактный металлический  бериллий химически мало активен при комнатной температуре — не окисляется на воздухе (до температуры 600 °С), не взаимодействует с горячей и холодной водой, а также водяным паром благодаря образованию на его поверхности защитной пленки оксида бериллия ВеО, придающей бериллию матовый цвет. Однако при нагревании выше температуры 800 °С быстро окисляется. Оксид бериллия BeO встречается в природе в виде редкого минерала — бромеллита. Бериллий легко растворяется в соляной (HCl), разбавленной серной (H2SO4), плавиковой кислотах, слабо реагирует с концентрированной серной и разбавленной азотной при нагревании (HNO3) кислотами и не реагирует с концентрированной азотной — в последнем случае кислота пассивирует металл. В водных растворах щелочей бериллий тоже растворяется с выделением водорода и образованием гидроксобериллатов:

Be + 2NaOH + 2H2O → Na2[Be(OH)4] + H2↑

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

Be + 2NaOH → Na2BeO2 + H2↑

Металлический бериллий быстро растворяется в водном растворе бифторида аммония NH4HF2. Эта реакция имеет технологическое значение для получения безводного BeF2 и очистки бериллия:

Be + 2NH4HF2 → (NH4)2[BeF4] + H2↑

При взаимодействии бериллия с азотом и  аммиаком при 500-900° С получается нитрид Be3N2. При комнатной температуре бериллий реагирует с фтором, а при нагреве с прочими галогенами (образуя галогениды, типа ВеНаl2) и сероводородом. Из галогенидов бериллия наибольшее значение имеют его фторид (BeF2) и хлорид (BeCl2), используемые в процессе переработки бериллиевых руд. С углеродом при 1 700—2 100 °С бериллий образует карбид Ве2С, с фосфором выше 750 °С — фосфид Ве3Р2. В вакууме выше 700 °С бериллий восстанавливает КОН, при 270 °С — ВаО, при 1075° C — MgO, при 1 400 °С — ТiO2 до соответствующих металлов и при 270 °C — SiCl4 до Si. С водородом бериллий практически не реагирует во всем диапазоне температур, однако косвенным путем восстановлением хлорида бериллия с помощью LiAlH4 получен гидрид бериллия (ВеН2), это вещество устойчиво до 240 °С, затем при нагревании оно начинает выделять водород. При высоких температурах элемент №4 взаимодействует с большинством металлов, образуя бериллиды. В жидком состоянии бериллий растворяется во многих металлах (Zn, Al, Fe, Co, Cu, Ni и др.) исключением является магний. С алюминием и кремнием бериллий образует эвтектические сплавы. Твердые растворы элемент номер четыре образует лишь с немногими металлами, наиболее растворим в сплавах с медью (2,75 % по массе), хромом (1,7 %), никелем (2,7 %). Растворимость сильно уменьшается с понижением температуры, в результате чего сплавы, содержащие бериллий, способны к дисперсионному твердению. Растворимость примесных элементов в бериллии чрезвычайно мала.

Мелкодисперсный порошок бериллия сгорает в парах  серы, селена, теллура. При поджигании в атмосферном воздухе порошок  бериллия горит ярким пламенем, при  этом образуются оксид и нитрид. Расплавленный бериллий взаимодействует  с большинством оксидов, нитридов, сульфидов  и карбидов. Единственно пригодным  материалом тиглей для плавки бериллия служит оксид бериллия.

Соли  бериллия сильно гигроскопичны и  за небольшим исключением (фосфат, карбонат) хорошо растворимы в воде, их водные растворы вследствие гидролиза имеют  кислую реакцию. Известен ряд сложных  бериллийорганических соединений, гидролиз и окисление некоторых из них  протекают с взрывом.

 

 

4). Соединения бериллия. У бериллия, 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 бериллий почти всегда проявляет  координационное число 4, что важно  для аналитической химии.

Соли бериллия в воде быстро гидролизуются с образованием ряда гидроксокомплексов неопределенной структуры. Осаждение начинается при отношении OH– :Be2+ > 1. Дальнейшее добавление щелочи приводит к растворению осадка.

Гидрид бериллия ВеН₂ был впервые получен в 1951 восстановлением хлорида бериллия с помощью LiAlH4. Он представляет собой аморфное белое вещество. При нагревании до 250° С гидрид бериллия начинает выделять водород. Это соединение умеренно устойчиво в воздухе и воде, но быстро разлагается кислотами. Гидрид бериллия полимеризован за счет трехцентровых связей ВеНВе.

Галогениды бериллия. Безводные галогениды бериллия нельзя получить реакциями в водных растворах вследствие образования гидратов, таких как [Be(H2O)₄]F2, и гидролиза. Лучшим способом для получения фторида бериллия является термическое разложение (NH4)₂[BeF4], а хлорид бериллия удобно получать из оксида. Для этого действуют хлором на смесь оксида бериллия и углерода при 650–1000° С. Хлорид бериллия можно также синтезировать прямым высокотемпературным хлорированием металлического бериллия или его карбида. Эти же реакции используются для получения безводных бромида и иодида.

Фторид бериллия – стекловидный материал. Его структура состоит  из неупорядоченной сетки из атомов бериллия (КЧ 4), связанных мостиками  из атомов фтора, и похожа на структуру  кварцевого стекла. Выше 270° С фторид бериллия самопроизвольно кристаллизуется. Подобно кварцу, он существует в низкотемпературной a-форме, которая при 227° С переходит в b-форму. Кроме того, можно получить формы кристобалита и тридимита. Структурное сходство между BeF2 и SiO2 распространяется также на фторобериллаты (которые образуются при взаимодействии фторида бериллия с фторидами щелочных элементов и аммония) и силикаты.

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

Хлорид и другие галогениды бериллия можно рассматривать как  полиядерные комплексные соединения, в которых координационное число бериллия равно 4. В кристаллах хлорида бериллия есть бесконечные цепочки с мостиковыми атомами хлора

Даже при температуре  кипения (550° С) в газовой фазе содержится около 20% молекул димеров Be2Cl4.

Цепочечная структура  хлорида бериллия легко разрушается  слабыми лигандами, такими как диэтиловый эфир, с образованием молекулярных комплексов [BeL2Cl2]:

Более сильные доноры, такие  так вода или аммиак, дают ионные комплексы [BeL4]²⁺(Cl–) ₂. В присутствии избытка галогенид-ионов образуются галогенидные комплексы, например [BeF4]^2–.

Оксид бериллия BeO встречается в природе в виде редкого минерала бромеллита.

Непрокаленный оксид бериллия гигроскопичен, адсорбирует до 34% воды, а прокаленный при 1500° С – лишь 0,18%. Оксид бериллия, прокаленный не выше 500° С, легко взаимодействует с кислотами, труднее – с растворами щелочей, а прокаленный выше 727° С – лишь со фтороводородной кислотой, горячей концентрированной серной кислотой и расплавами щелочей. Оксид бериллия устойчив к воздействию расплавленных лития, натрия, калия, никеля и железа.

Оксид бериллия получают термическим  разложением сульфата или гидроксида бериллия выше 800° С. Продукт высокой  чистоты образуется при разложении основного ацетата [Be4O(OOCH3)₆] выше 600° С.

Оксид бериллия обладает очень  высокой теплопроводностью. При 100° С она составляет 209,3 Вт / (м К), что больше, чем у любых неметаллов и даже у некоторых металлов. Оксид бериллия сочетает высокую температуру плавления (2507° С) при с незначительным давлением пара при температуре ниже этой. Он служит в качестве химически стойкого и огнеупорного материала для изготовления тиглей, высокотемпературных изоляторов, труб, чехлов для термопар, специальной керамики. В инертной атмосфере или вакууме тигли из оксида бериллия могут применяться при температурах до 2000° С.

Хотя оксид бериллия часто  заменяют более дешевым и менее  токсичным нитридом алюминия, в этих случаях обычно наблюдается ухудшение  рабочих характеристик оборудования. Ожидают, что в более отдаленной перспективе продолжится стабильный рост потребления оксида бериллия, особенно в производстве компьютеров.

Гидроксид бериллия Be(OH)₂ осаждают из водных растворов солей бериллия аммиаком или гидроксидом натрия. Его растворимость в воде при комнатной температуре намного ниже, чем у его соседей по Периодической системе, и составляет всего лишь 3·10^–4 г л^–1. Гидроксид бериллия амфотерен, вступает в реакции как с кислотами, так и со щелочами с образованием солей, в которых бериллий входит в состав катиона или аниона, соответственно: