Бериллий
Соединения бериллия в виде драгоценных камней были из-
вестны еще в древности. С давних пор люди искали и разраба-
тывали месторождения аквамаринов, изумрудов и бериллов. Есть
свидетельства о том, что еще во времена Египетских фараонов
разрабатывавлись изумрудные прииски в Аравийской пустыни.
Но только в конце 18 века химики заподозрили, что в бер-
риллах есть какой-то новый не известный элемент. В 1798 году
французский химик Воклен выделил из берилла окись "La terree
du beril", отличавшуюся от окиси алюминия. Эта окись прида-
вала солям сладкий вкус, не образовывала квасцов, растворя-
лась в растворе карбоната аммония и не осаждалась оксалатом
или тартратом калия. Металлический бериллий был впервые по-
лучен в 1828 году известным немецким ученым Велером и однов-
ременно французким ученным Блюссеном, который получил поро-
шок металлического бериллия востановлением хлористого берил-
лия металическим калием.
Промышленное получение бериллия началось только в 20-х
годах нашего столетия. До сороковых годов масштабы произ-
водства и применения бериллия были не велики. Однако с отк-
рытием свойств бериллия, обусловивших его использование в
атомной энергетике спрос на него сильно возрос. Что в свою
очередь стало причиной широкого развития исследовательских и
геолого-разведочных работ в этой области.
1. Химические и химико-физические свойства
бериллия
Бериллий (Be) - имеет атомный номер 4 и атомный вес
9.0122. Он находится во втором периоде периодической системы
и возглавляет главную подгруппу 2 группы, в которую также
входят магний, кальций, стронций, барий и радий. Электронная
структура атома бериллия 1s 2s. На внешней оболчке он имеет
два электрона, что является характерным для элементов этой
группы. Электронная структура внешней оболочки иона каждого
из этих элементов с зарядом +2 соответствует электронной
структуре инертного газа с атомным номером на две единицы
меньше номера рассматриваемого элемента. Бериллий вещество
серо-стального цвета; при комнатной температуре металличес-
кий бериллий имеет плотно упакованную гексагональную решет-
ку, подобную решетке магния.
Атомный (металлический) радиус бериллия равен 1.13 А.
Увеличение массы и заряда ядра при сохраненнии конфигурации
электронных оболочек служит причиной резкого уменьшения
атомного и ионного радиусов бериллия по сравнению с соседним
литием. После отрыва валентных электронов атом бериллия об-
разует ион типа благородных газов, и несет, подобно литию,
всего одну электронную оболочку, но характеризуется значи-
тельно меньшими размерами и компактностью. Истинный ионный
радиус бериллия - 0,34 А является наименьшим среди металлов.
Потенциалы ионизации у бериллия равны (соответсвенно для
первого, второго, третьего и четвертого электронов) I1-9,28;
I2-18,12; I3-153,1; I4-216,6 эВ. На кривой потенциалов иона-
зации бериллий занимает одно из верхних мест. Последнее со-
- 2 -
ответсвует его малому радиусу и характеризует бериллий как
элемент не особенно охотно отдающий свои электроны, что в
первую очередь определяет степень химической активности эле-
мента. Этот же фактор имеет решающее значение в образование
того или иного типа химической связи при соединение бериллия
с другими элементами. С точки зрения электроотрицательности
бериллий наряду с алюминием может расматриваться как типич-
ный переходный элемент между электроположительными атомами
металлов, легко отдающих свои электроны, и типичными комп-
лексообразователями, имеющими тенденцию к образованию кова-
лентной связи.
В нейтральных растворах гидроокилы бериллия дисоциируют
по схеме:
2+ _ + 2-
Be + OH = Be(OH) = H BeO = 2H + [BeO ]
2 2 2 2
В щелочных растворах, содержащих атомы щелочных элемен-
тов, осуществляется возможность возникновения более прочной
ковалентной связи между анионом и атомом амфотерного элемен-
та. Происходит образование комплекса, прочность которого в
первую очередь определяется концентрацией элементов с низким
значением электроотрицательности, то есть щелочей. Бериллий
в этих условиях ведет себя как комплексообразователь.
В кислых растворах, характеризующихся высокой концентра-
цией водородного иона, элементы с низким значение электроот-
рицательности, подобные бериллию, могут находится в форме
свободных, положительно заряженных ионов, т.е. являются ка-
тионами.
Свойства основности элемента, как известно характеризу-
ются также велечиной ионого потенциала w/r, выражающего
энергию силового поля иона. Как и следовало ожидать, малень-
кий ион бериллия отличается большой величиной ионого потен-
циала, равной 5,88.
Таким образом, по характеру своих химических свойств,
всецело определяемых особенностями строения электронных обо-
лочек атома, бериллий относится к типичным амфотерным эле-
ментам.
Металлический бериллий растворяется в соляной и разбав-
ленной азотной кислоте, а также в водных растворах гидрооки-
сей натрия и калия с выделением водорода и образованием бе-
риллатов c общей формулой М Ве О .
Наибольший интерес с точки зрения возможной точки зрения
возможной роли в природных процессах представляют галоидные
и карбонатные соединения. Фтористый и хлористый бериллий
представляет собой устойчивые соединения, очень хорошо раст-
воримые в воде. Оба они легкоплавки (температура плавления
фтористого бериллия 577, хлористого бериллия 405) и относи-
тельно легко сублимируются. В то же время нейтральный карбо-
нат бериллия почти нерастворим в воде и является весьма неп-
рочным соединением.
В слабо щелочной и кислой среде в присутствии определен-
ного количества электроположительных атомов щелочных метал-
ловы характерным для бериллия является образование комплек-
сов типа:
- 3 -
При этом все комплексы бериллия являются малопрочными
соединениями, которые могут существовать только в определен-
ных интервалах щелочности растворов.
Таким образом на основании общего обзора химических
свойств бериллия могут быть сделаны следующие предваритель-
ные выводы, характеризующие возможную роль различных соеди-
нений бериллия в геохимической истории этого элемента.
1) в условиях существенно кислой среды при низкой кон-
центрации в растворах электроположительных атомов щелочей
бериллий, вероятнее всего, может мигрировать в форме прек-
расно растворимых и легко-летучих галоидных соединений -
фторидов и хлоридов;
2) в слабокислой и щелочной средах в присутствии дроста-
точного количества электроположительных атомов щелочей миг-
рация бериллия может осуществляться в форме разлчных комп-
лексных бериллатов, обладающих разной устойчивостью в заваи-
симости от характера среды;
3) существенно щелочная среда в некоторых случаях также
может способствовать миграции бериллия в форме бериллатов
или карбонатбериллатов, легко распадающихся при понижении
щелочности раствора;
4) миграция растворимых в воде соединений бериллия может
осуществляться как в истинных, так и в надкритических раст-
ворах, поскольку соединения, растворимые в жидкой воде, лег-
ко растворяются и в надкритической фазе воды, давая ненасы-
щенные такими соединениями растворы;
Заканчивая характеристику отдельных свойств бериллия, без
внимательного анализа которых вряд ли возжможно правильно
представить его минералогию и понять особенности поведения в
природных процессах, необходимо отметить, что свойства мно-
гих соединений бериллия, интересных в геохимическом отноше-
нии, изучены совершенно недостаточно.
2. Распространение и минералогия бериллия
Бериллий несмотря на малый ионный номер относится к ред-
ким элементам. Содержание его в земной коре оценивается в
настящее время от 6*10^-4 до 2*10^-4. Такую малую распрост-
раненность Ве объясняют его способностью взаимодействовать с
протонами и нейтронами высоких энергии. В пользу этого объ-
яснения говорит тот факт, что бериллия мало в атмосфере
солнца и звезд, а в межзвездном пространстве, где условия
для ядерных реакции неблагоприятны его количество резко воз-
растает. Но наряду с процессом непрерывного распада его ато-
мов, также в результате многочисленных ядерных реакциим идет
процесс новообразования его изотопов.
.
- 4 -
Бериллий имеет только один устойчивый изотоп, но кроме
него также известны изотопы с массой 7,8,9,10.
Изотопы бериллия Таблица 1
┌────────────────┬───────────────┬──────────────────┐
│ Изотопы │ Масса │ Период │
│ │ │ полураспада │
├────────────────┼───────────────┼──────────────────┤
│ Ве- 7 │ 7.0192 │ 52.9 дня │
│ Ве- 8 │ 8.0078 │ < 5*10^-14 сек │
│ Ве- 9 │ 9.0150 │ стабилен │
│ Ве- 10 │ 10.0168 │ 2.7*10^6 лет │
└────────────────┴───────────────┴──────────────────┘
Содержание изотопов бериллия в метероритах потверждают
гипотезу космической дефицитности бериллия. Но в отдельных
метеоритах отмечается содержание бериллия близкое к его
среднему содержанию в земной коре.
Для вывода среднего содержания бериллия в земной коре
был использовано большое