Бериллий

Бериллий является химическим элементом с символом Be и атомным номером 4. Это относительно редкий элемент во Вселенной, обычно встречающийся как продукт расщепления больших атомных ядер, столкнувшихся с космическими лучами. В сердцевинах звезд бериллий истощается, поскольку он слит и создает большие элементы. Это двухвалентный элемент, который встречается естественным образом только в сочетании с другими элементами в минералах. Известные драгоценные камни, содержащие бериллий, включают берилл (аквамарин, изумруд) и хризоберил. В качестве свободного элемента, бериллий представляет собой прочный, легкий и хрупкий щелочноземельный металл стального цвета. Бериллий улучшает многие физические свойства других веществ при добавлении в качестве легирующего элемента в алюминий, медь (особенно сплав бериллиевой меди), железо и никель ¹⁾. Бериллий не образует оксидов до тех пор, пока он не достигнет очень высоких температур. Инструменты из бериллиевых медных сплавов сильны и тверды и не создают искр при ударе о поверхность стали. В структурных применениях, сочетание высокой изгибной жесткости, термической стабильности, теплопроводности и низкой плотности (в 1,85 раза больше, чем у воды), делает бериллиевый металл желательным аэрокосмическим материалом для компонентов летательных аппаратов, ракет, космических аппаратов и спутников. Из-за низкой плотности и атомной массы, бериллий относительно прозрачен для рентгеновских лучей и других форм ионизирующего излучения; поэтому он является наиболее распространенным материалом остекления для рентгеновского оборудования и компонентов детекторов частиц. Высокая теплопроводность оксида бериллия и бериллия привели к их использованию в приборах для регулирования температуры. Коммерческое использование бериллия требует наличия надлежащего оборудования для контроля пыли и промышленного контроля в любое время из-за токсичности ингаляционной пыли, содержащей бериллий, которая может вызвать хроническое опасное для жизни аллергическое заболевание у некоторых людей, называемое бериллиозом.

Бериллий является твердым металлом стального цвета, который является хрупким при комнатной температуре и имеет плотноупакованную гексагональную кристаллическую структуру. Он имеет исключительную жесткость (модуль Юнга 287 ГПа) и достаточно высокую температуру плавления. Модуль эластичности бериллия примерно на 50% больше, чем у стали. Сочетание этого модуля и относительно низкой плотности приводит к необычайно высокой скорости звука в бериллии – около 12,9 км / с при комнатных условиях. Другими значимыми свойствами бериллия являются высокая удельная теплоемкость (1925 Дж · кг-1 · К-1) и теплопроводность (216 Вт · м-1 · К-1), которые делают бериллий металлом с лучшими характеристиками теплоотдачи на единицу массы. В сочетании с относительно низким коэффициентом линейного теплового расширения (11,4 × 10-6 К-1), эти характеристики приводят к уникальной устойчивости бериллия в условиях тепловой нагрузки ²⁾.

Естественно встречающийся бериллий, за исключением небольшого загрязнения космогенными радиоизотопами, представляет собой изотопически чистый бериллий-9, который имеет ядерный спин 3/2. Бериллий имеет большое сечение рассеяния для нейтронов с высокой энергией, около 6 амбар для энергий выше примерно 10 кэВ. Поэтому он работает как нейтронный отражатель и замедлитель нейтронов, эффективно замедляя нейтроны до диапазона тепловой энергии ниже 0,03 эВ, где полное сечение, по меньшей мере, на порядок ниже – точное значение сильно зависит от чистоты и размера кристаллитов в материале. Единственный изначальный изотоп бериллия 9Be также подвергается (n, 2n) нейтронной реакции с энергиями нейтронов более 1,9 МэВ, производя 8Be, который почти сразу разрывается на две альфа-частицы. Таким образом, для нейтронов с высокой энергией, бериллий является нейтронным множителем, который высвобождает больше нейтронов, чем поглощает. Эта ядерная реакция: ³⁾

• 94Be + N → 2 (42He) + 2n

Нейтроны высвобождаются, когда ядра бериллия поражаются энергичными альфа-частицами, производящими ядерную реакцию

• 94Be + 42He → 126C + N

где 42He является альфа-частицей и 126C является ядром углерода-12. Бериллий также высвобождает нейтроны при бомбардировке гамма-лучами. Таким образом, природный бериллий, бомбардируемый альфа-или гамма из подходящего радиоизотопа, является ключевым компонентом большинства источников нейтронов ядерной реакции с радиоактивным изотопом для лабораторного производства свободных нейтронов. Небольшое количество трития высвобождается, когда ядра 94Be поглощают нейтроны с низкой энергией в трехступенчатой ядерной реакции

• 94Be + N → 42He + 62He, 62He → 63Li + Β-, 63Li + N → 42He + 31H

Обратите внимание, что 62He имеет период полураспада всего 0,8 секунды, β- представляет собой электрон и 63Li имеет высокое сечение поглощения нейтронов. Тритий представляет собой радиоизотоп, вызывающий озабоченность в плане отходов ядерных реакторов ⁴⁾. В качестве металла, бериллий прозрачен для большинства длин волн рентгеновских лучей и гамма-лучей, что делает его полезным для выходных окон рентгеновских трубок и других подобных устройств.

В звездах создаются как стабильные, так и неустойчивые изотопы бериллия, но радиоизотопы недолговечны. Считается, что большая часть стабильного бериллия во Вселенной была первоначально создана в межзвездной среде, когда космические лучи индуцировали деление в более тяжелых элементах, обнаруженных в межзвездном газе и пыли ⁵⁾. Изначальный бериллий содержит только один стабильный изотоп, 9Be, и поэтому бериллий является моноизотопическим элементом. Радиоактивный космогенный 10Be образуется в атмосфере Земли путем расщепления кислорода космическими лучами. 10Be накапливается на поверхности почвы, где его относительно длительный период полураспада (1,36 млн. лет) позволяет этому элементу длительно пребывать в этом состоянии перед распадом на бор-10. Таким образом, 10Be и его дочерние продукты используются для изучения естественной эрозии почв, почвообразования и развития латеритных почв, а также для измерения изменений солнечной активности и возраста ледяных ядер ⁶⁾. Производство 10Be обратно пропорционально солнечной активности, поскольку увеличение солнечного ветра в периоды высокой солнечной активности уменьшает поток галактических космических лучей, достигающих Земли. Ядерные взрывы также образуют 10Be путем реакции быстрых нейтронов с 13C в двуокиси углерода в воздухе. Это один из показателей прошлой активности на объектах ядерного оружия. Изотоп 7Be (период полураспада 53 дня) также космогенен и показывает атмосферное обилие, связанное с солнечными пятнами, подобно 10Be. 8Be имеет очень короткий период полураспада, около 7 × 10-17 с, что способствует его значительной космологической роли, поскольку элементы, более тяжелые, чем бериллий, не могли быть получены путем ядерного синтеза в Большом взрыве. Это связано с отсутствием достаточного времени в течение фазы нуклеосинтеза Большого взрыва для получения углерода путем слияния ядер 4He и очень низких концентраций доступного бериллия-8. Британский астроном сэр Фред Хойл впервые показал, что энергетические уровни 8Be и 12C позволяют получать углерод путем так называемого процесса тройной альфа в звездах, содержащих гелий, где доступно больше времени нуклеосинтеза. Этот процесс позволяет производить углерод в звездах, но не в Большом взрыве. Таким образом, углерод, созданный звездами (основа углеродной жизни), является компонентом в элементах газа и пыли, выброшенных звездами асимптотической ветви гигантов и сверхновых (см. также нуклеосинтез Большого взрыва), а также создание всех других элементов с атомными номерами больше, чем у углерода. ⁷⁾ 2s-электроны бериллия могут способствовать химическому связыванию. Поэтому, когда 7Be распадается при захвате L-электронов, это делается путем взятия электронов из их атомных орбиталей, которые могут участвовать в склеивании. Это приводит к тому, что его скорость затухания зависит в измеряемой степени от ее химического окружения – редкое явление при распаде ядер. Самый короткоживущий из известных изотопов бериллия – 13Be, который распадается за счет нейтронного излучения. Он имеет период полураспада 2,7 × 10-21 с. 6Be также очень короткоживущий с периодом полураспада 5,0 × 10-21 с. Известно, что экзотические изотопы 11Be и 14Be обладают ядерным ореолом ⁸⁾. Это явление можно понять, так как ядра 11Be и 14Be имеют соответственно 1 и 4 нейтрона, вращающихся практически вне классической модели Ферми.

Солнце имеет концентрацию бериллия 0,1 частей на миллиард (чнмрд). Бериллий имеет концентрацию от 2 до 6 частей на миллион (чнм) в земной коре. Он наиболее сконцентрирован в почвах, 6 чнм. ⁹⁾ Следовые количества 9Be содержатся в атмосфере Земли [21]. Концентрация бериллия в морской воде составляет 0,2-0,6 частей на триллион. Однако, в проточной воде бериллий более распространен и имеет концентрацию 0,1 чнмрд [23]. Бериллий встречается в более чем 100 минералах [24], но большинство из них встречается редко. Более распространенные минералы, содержащие бериллий, включают: бертрандит (Be4Si2O7 (OH) 2), берилл (Al2Be3Si6O18), хризоберил (Al2BeO4) и фенакит (Be2SiO4). Драгоценными формами берилла являются аквамарин, красный берилл и изумруд. Зеленый цвет в высококачественных формах берилла связан с разными количествами хрома (около 2% для изумруда). Две основные руды бериллия, берилл и бертранит, встречаются в Аргентине, Бразилии, Индии, Мадагаскаре, России и Соединенных Штатах. Общие мировые запасы бериллиевой руды составляют более 400 000 т. Бериллий является составной частью табачного дыма. ¹⁰⁾

Извлечение бериллия из его соединений является трудным процессом из-за его высокой аффинности к кислороду при повышенных температурах и его способности уменьшать количество воды при удалении оксидной пленки. Соединенные Штаты, Китай и Казахстан являются единственными тремя странами, вовлеченными в промышленную добычу бериллия. Бериллий чаще всего экстрагируется из минерального берилла, который либо спекается с использованием экстрагента, либо расплавляется в растворимую смесь. Процесс спекания включает смешивание берилла с фторосиликатом натрия и содой при 770 ° C (1420 ° F) с образованием фторбериллата натрия, оксида алюминия и диоксида кремния. Гидроксид бериллия осаждают из раствора фторобериллата натрия и гидроксида натрия в воде. Экстракция бериллия с использованием метода расплава включает измельчение берилла в порошок и его нагревание до 1650 ° C (3000 ° F). Раствор быстро охлаждают водой и затем повторно нагревают до 250-300 ° C (482-557 ° F) в концентрированной серной кислоте, в основном, получая сульфат бериллия и сульфат алюминия. Водный аммиак затем используют для удаления алюминия и серы, оставляя гидроксид бериллия. Гидроксид бериллия, созданный с использованием либо метода агломерата, либо расплава, затем превращается во фторид бериллия или хлорид бериллия. Для образования фторида, водный фторид аммония добавляют к гидроксиду бериллия с получением осадка тетрафторбериллата аммония, который нагревают до 1000 ° С (1830 ° F) с образованием фтористого бериллия. Нагрев фторида до 900 °C (1,650 °F) с магнием дает мелкодисперсный бериллий, а дополнительный нагрев до 1300 °C (2,370 °F) создает компактный металл. Нагревание гидроксида бериллия образует оксид, который превращается в хлорид бериллия в сочетании с углеродом и хлором. Электролиз расплавленного бериллиевого хлорида затем используется для получения металла.

Химическое поведение бериллия в значительной степени является результатом его небольших атомных и ионных радиусов. Таким образом, он обладает очень высоким потенциалом ионизации и сильной поляризацией при соединении с другими атомами, поэтому все его соединения являются ковалентными. Он более химически подобен алюминию, чем его близкие соседи в периодической таблице из-за того, что он имеет одинаковое отношение «заряд к радиусу». Вокруг бериллия образуется оксидный слой, что предотвращает дальнейшие реакции с воздухом, если вещество не нагревается выше 1000 °С. ¹¹⁾ При воспламенении, бериллий горит блестящим огнём, образуя смесь оксида бериллия и нитрида бериллия. Бериллий легко растворяется в неокисляющих кислотах, таких как HCl и разбавленный H2SO4, но не в азотной кислоте или воде, так как в этом процессе образуется оксид. Это аналогично поведению алюминия. Бериллий также растворяется в щелочных растворах. Атом бериллия имеет электронную конфигурацию [He]2s2. Два валентных электрона дают состояние окисления бериллия a+2 и, следовательно, способность образовывать две ковалентные связи; единственным доказательством более низкой валентности бериллия является растворимость металла в BeCl2. Из-за правила октета, атомы стремятся найти валентность 8, чтобы напоминать благородный газ. Бериллий пытается достичь координационного числа 4, потому что две его ковалентных связи заполняют половину этого октета. Тетракоординирование позволяет соединениям бериллия, таким как фторид или хлорид, образовывать полимеры. Эта характеристика используется в аналитических методах с использованием ЭДТА (этилендиаминтетрауксусной кислоты) в качестве лиганда. ЭДТА предпочтительно образует октаэдрические комплексы, таким образом, поглощая другие катионы, такие как Al3+, которые могут мешать, например, при экстракции растворителем комплекса, образованного между Be2 + и ацетилацетоном [32]. Бериллий (II) легко образует комплексы с сильными донорными лигандами, такими как оксиды фосфинов и оксиды арсинов. Были проведены обширные исследования этих комплексов, которые показывают стабильность связи O-Be. Растворы солей бериллия, например, сульфат бериллия и нитрат бериллия, являются кислотными из-за гидролиза [Be (H2O) 4] 2+ [Be (H2O) 4] 2+ + H2O ⇌ [Be (H2O) 3 (OH] + + H3O + Другие продукты гидролиза включают тримерный ион [Be3 (OH) 3 (H2O) 6] 3+. Гидроксид бериллия, Be (OH) 2, нерастворим даже в кислых растворах с рН менее 6, то есть, при биологическом рН. Он амфотерный и растворяется в сильнощелочных растворах. Бериллий образует бинарные соединения со многими неметаллами. Безводные галогениды известны для F, Cl, Br и I. BeF2 имеет структуру, подобную кремнезему, с четырьмя тетраэдрами с общим углом. BeCl2 и BeBr2 имеют цепные структуры с краевыми тетраэдрами. Все галогениды бериллия имеют линейную мономерную молекулярную структуру в газовой фазе ¹²⁾. Дифторид бериллия, BeF2, отличается от других дифторидов. Как правило, бериллий имеет тенденцию связываться ковалентно, гораздо больше, чем другие щелочноземельные металлы, а его фторид частично ковалентен (хотя и более ионный, чем его другие галогениды). BeF2 имеет много общего с SiO2 (кварцем), главным образом, с ковалентно связанной сетью. BeF2 имеет тетраэдрически скоординированный металл и образует стекла (трудно кристаллизуется). В кристаллической форме, фторид бериллия имеет такую же кристаллическую структуру комнатной температуры, что и кварц, и имеет также много высокотемпературных структур. Дифторид бериллия очень растворим в воде, в отличие от других дифторидов щелочноземельных металлов. (Хотя они сильно ионны, они не растворяются из-за особенно сильной энергии решетки структуры флюорита). Однако, BeF2 имеет гораздо меньшую электропроводность, когда находится в растворе или расплавлен, чем можно было бы ожидать, если бы он был полностью ионным. ¹³⁾ Оксид бериллия, BeO, представляет собой белое огнеупорное твердое вещество, которое имеет кристаллическую структуру вюрцита и теплопроводность выше, чем в некоторых металлах. BeO является амфотерным. Соли бериллия могут быть получены обработкой Be (OH) 2 кислотой. Известны сульфид, селенид и теллурид бериллия, все из которых имеют структуру сфалерита. Нитрид бериллия, Be3N2, представляет собой соединение с высокой температурой плавления, которое легко гидролизуется. Известен азид бериллия, BeN6, и фосфид бериллия, Be3P2, который имеет сходную структуру с Be3N2. Основной бериллиевый нитрат и основной ацетат бериллия имеют сходные тетраэдрические структуры с четырьмя атомами бериллия, координированными с центральным оксидным ионом. Известен ряд боридов бериллия, таких как Be5B, Be4B, Be2B, BeB2, BeB6 и BeB12. Карбид бериллия, Be2C, представляет собой огнеупорное кирпично-красное соединение, которое реагирует с водой с получением метана. Силицид бериллия не был идентифицирован.

Минерал берилл, содержащий бериллий, использовался, по крайней мере, с момента правления династии Птолемеев в Египте ¹⁴⁾. В первом веке н.э. римский натуралист Плиний Старший упоминал в своей энциклопедии «Естественная история» о схожести берилла и изумруда («smaragdus»). Папирус Graecus Holmiensis, написанный в третьем или четвертом веке н.э., содержит примечания о том, как подготовить искусственный изумруд и берилл. Ранние анализы изумрудов и бериллов Мартина Генриха Клапрота, Торберна Олофа Бергмана, Франца Карла Ахарда и Иоганна Якоба Биндхайма всегда давали аналогичные элементы, что приводило к ошибочному выводу, что оба вещества представляют собой силикаты алюминия ¹⁵⁾. Минералог René Just Haüy обнаружил, что оба кристалла геометрически идентичны, и он попросил химика Луи-Николаса Вокелина провести химический анализ. В документе 1798 года, прочитанном в Институте Франции, Вокелин сообщил, что он нашел новую «землю» при растворении гидроксида алюминия из изумруда и берилла в дополнительной щелочи. Редакторы журнала Annales de Chimie et the Physique назвали новую землю «глюцин» из-за сладкого вкуса некоторых его соединений ¹⁶⁾. Клапрот предпочел название «бериллина» из-за того, что иттрия также образовывала сладкие соли. Название «бериллий» впервые было использовано Вёлером в 1828 году. Фридрих Вёлер был одним из ученых, которые независимо изолировали бериллий. Фридрих Вёлер и Антуан Бюсси независимо изолировали бериллий в 1828 году благодаря химической реакции металлического калия с хлоридом бериллия, следующим образом:

• BeCl2 + 2 K → 2 KCl +

При использовании спиртовой лампы, Вёлер нагревал чередующиеся слои хлорида бериллия и калия в платиновом тигле с проводным замыканием. Вышеуказанная реакция немедленно происходила и заставляла тигель принимать белый цвет. После охлаждения и промывки полученного серо-черного порошка, ученый увидел, что вещество состояло из мелких частиц с темным металлическим блеском ¹⁷⁾. Высокореактивный калий был получен электролизом его соединений, и этот процесс был обнаружен 21 год назад. Химический метод, использующий калий, давал только мелкие зерна бериллия, из которых нельзя было отливать или забивать слиток металла. Прямой электролиз расплавленной смеси фтористого берилла и фторида натрия Паулем Лебо в 1898 году привел к образованию первых чистых (99,5 - 99,8 %) образцов бериллия. Первый коммерчески успешный процесс производства бериллия был разработан в 1932 году Альфредом Фондом и Хансом Гольдшмидтом. Процесс включает в себя электролиз смеси бериллиевых фторидов и бария, что заставляет расплавленный бериллий собираться на катоде с водяным охлаждением. Образец бериллия бомбардировался альфа-лучами от распада радия в эксперименте Джеймса Чадвика 1932 года, который раскрыл существование нейтрона. Этот же метод используется в одном классе лабораторных нейтронных источников на основе радиоизотопов, которые производят 30 нейтронов для каждого миллиона α-частиц. Производство бериллия во время Второй мировой войны стремительно увеличивалось из-за растущего спроса на твердые сплавы из бериллия и меди и люминофоры для люминесцентных ламп. В большинстве ранних флуоресцентных ламп использовался ортосиликат цинка с различным содержанием бериллия, излучающим зеленоватый свет. Небольшие добавки вольфрамата магния улучшили синюю часть спектра, чтобы получить приемлемый белый свет. На основе галогенофосфатных люминофоров были заменены люминофоры на основе бериллия, после того как бериллий оказался токсичным. Электролиз смеси фтористого берилла и фторида натрия использовался для выделения бериллия в течение XIX века. Высокая температура плавления металла делает этот процесс более энергоемким, чем соответствующие процессы, используемые для щелочных металлов. В начале 20-го века производство бериллия путем термического разложения йодистого бериллия было исследовано после успеха аналогичного процесса получения циркония, но этот процесс оказался неэкономичным для объемного производства ¹⁸⁾. Чистый бериллиевый металл не был легкодоступным до 1957 года, хотя он использовался в качестве легирующего металла для упрочнения меди намного раньше. Бериллий можно получить путем восстановления соединений бериллия, таких как хлорид бериллия, с металлическим калием или натрием. В настоящее время, большую часть бериллия получают путем восстановления фтористого бериллия с очищенным магнием. В 2001 году цена вакуумных литых бериллиевых слитков на американском рынке составляла около 338 долл. США за фунт (745 долл. США за килограмм). В период с 1998 по 2008 годы, мировое производство бериллия уменьшилось с 343 до 200 тонн, из которых 176 тонн (88%) поступали из Соединенных Штатов. ¹⁹⁾

Ранних предшественников слова бериллий можно проследить во многих языках, включая латинский Beryllus; французский Béry; греческий βήρυλλος, bērullos, beryl; Prakrit veruliya (वॆरुलिय); Pāli veḷuriya (वेलुरिय), veḷiru (भेलिरु) или viḷar (भिलर्) - «бледнеть», применительно к бледному полудрагоценному камню берилла. Первоначальным источником, вероятно, является санскритское слово वैडूर्य (вайдурия), которое имеет дравидийское происхождение и может быть связано с названием современного города Белур. В течение примерно 160 лет бериллий также был известен как глюцин или глюциний (с сопровождающим химическим символом «Gl», ²⁰⁾ или «G»). Название происходит от греческого слова, обозначающего сладость: γλυκυς, из-за сладкого вкуса солей бериллия. ²¹⁾

Из-за его низкого атомного номера и очень низкого поглощения для рентгеновских лучей, самое старое и все еще одно из наиболее важных применений бериллия – в радиационных окнах для рентгеновских трубок. Крайние требования предъявляются к чистоте бериллия во избежание появления артефактов на рентгеновских снимках. Тонкая бериллиевая фольга используется в качестве радиационных окон для рентгеновских детекторов, а чрезвычайно низкое поглощение минимизирует эффекты нагрева, вызванные высокоинтенсивными рентгеновскими лучами с низкой энергией, характерными для синхротронного излучения. Вакуум-герметичные окна и лучевые трубки для радиационных экспериментов на синхротронах изготавливаются исключительно из бериллия. В научных установках для различных исследований рентгеновского излучения (например, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии), держатель образца обычно изготовляют из бериллия, поскольку его излучаемые рентгеновские лучи имеют гораздо более низкие энергии (~ 100 эВ), чем рентгеновские лучи большинства изученных материалов. Низкий атомный номер также делает бериллий относительно прозрачным для энергетических частиц. Поэтому он используется для построения лучевой трубы вокруг области столкновения в установках физики частиц, таких как все четыре основных экспериментальных детектора на Большом адронном коллайдере (ALICE, ATLAS, CMS, LHCb), Tevatron и SLAC. Низкая плотность бериллия позволяет продуктам столкновения достигать окружающих детекторов без значительного взаимодействия, его жесткость позволяет создавать мощный вакуум внутри трубы, чтобы минимизировать взаимодействие с газами, его термостабильность позволяет ему нормально функционировать при температурах всего в несколько градусов выше абсолютного нуля, и его диамагнитная природа не позволяет вмешиваться в сложные мультипольные магнитные системы, используемые для управления и фокусировки пучков частиц. ²²⁾

Из-за его жесткости, малой массы и стабильности размеров в широком температурном диапазоне, бериллиевый металл используется для легких конструкционных компонентов в оборонной и аэрокосмической промышленности на высокоскоростных самолетах, управляемых ракетах, космических аппаратах и спутниках. В нескольких ракетах с жидким топливом использовали ракетные сопла из чистого бериллия. ²³⁾ Бериллиевый порошок сам изучался как ракетное топливо, но это использование никогда не имело место. Небольшое количество экстремальных высококачественных велосипедных рамок было построено с использованием бериллия ²⁴⁾. С 1998 по 2000 годы команда McLaren Formula One использовала двигатели Mercedes-Benz с поршнями из бериллиево-алюминиевого сплава. Использование компонентов бериллиевого двигателя было запрещено после протеста Scuderia Ferrari. Смешивание около 2,0% бериллия в меди привело к образованию сплава под названием бериллиевая медь, который в шесть раз сильнее, чем медь в отдельности. Бериллиевые сплавы имеют многочисленные применения из-за того, что сочетают в себе эластичность, высокую электропроводность и теплопроводность, высокую прочность и твердость, немагнитные свойства, а также хорошую стойкость к коррозии и сопротивление прочности. Эти применения включают в себя неискрящие инструменты, которые используются вблизи легковоспламеняющихся газов (бериллиевый никель), в пружинах и мембранах (бериллиевый никель и железо бериллия), используемых в хирургических инструментах и высокотемпературных устройствах. Менее 50 частей на миллион бериллия, легированного жидким магнием, приводят к значительному повышению стойкости к окислению и снижению воспламеняемости. Высокая эластичная жесткость бериллия привела к его широкому использованию в прецизионных измерительных приборах, например, в системах инерциального наведения и в опорных механизмах для оптических систем. Бериллиево-медные сплавы также применялись в качестве отвердителя в «пистолетах Джейсона», которые использовались для отделения краски от корпусов кораблей ²⁵⁾. Бериллий также использовался для консолей в высокопроизводительных патронах-картриджах, где его предельная жесткость и низкая плотность позволили снизить вес отслеживания до 1 грамма, но все же отслеживать высокочастотные каналы с минимальными искажениями. Раннее крупное применение бериллия – в тормозах для военных самолетов из-за его твердости, высокой температуры плавления и исключительной способности рассеивать тепло. Из-за экологических соображений, бериллий заменили другими материалами. Для снижения затрат, бериллий может быть легирован значительным количеством алюминия, в результате чего образуется сплав AlBeMet (торговое название). Эта смесь дешевле, чем чистый бериллий, и сохраняет при этом многие полезные свойства бериллия.

Бериллиевые зеркала представляют особый интерес. Зеркала большой площади, часто с сотовой опорной конструкцией, используются, например, в метеорологических спутниках, где малая масса и долговременная пространственная стабильность являются критическими факторами. Меньшие бериллиевые зеркала используются в оптических системах наведения и в системах управления огнем, например, в немецких танках Leopard 1 и Leopard 2. В этих системах требуется очень быстрое перемещение зеркала, что также требует низкую массу и высокую жесткость. Обычно бериллиевое зеркало имеет жесткое никелевое покрытие, которое легче отполировать до более тонкого оптического покрытия, чем бериллий. Однако, в некоторых применениях бериллиевая заготовка полируется без какого-либо покрытия. Это особенно применимо к криогенной работе, когда рассогласование теплового расширения может привести к искривлению покрытия. Космический телескоп Джеймса Уэбба ²⁶⁾ будет иметь 18 гексагональных сегментов бериллия в его зеркалах. Поскольку этот телескоп столкнется с температурой 33 К, зеркало делается из позолоченного бериллия, способного справляться с экстремальным холодом лучше, чем стекло. Бериллий сжимается и деформируется меньше, чем стекло, и остается более однородным при таких температурах. По этой же причине, оптика космического телескопа Спитцера полностью построена из бериллиевого металла.

Бериллий немагнитен. Поэтому инструменты, изготовленные из материалов на основе бериллия, используются морскими или военными командами для уничтожения боеприпасов для работы на морских минах или вблизи них, поскольку эти мины обычно имеют магнитные взрыватели. Они также обнаружены в ремонтных и строительных материалах вблизи приборов для магнитно-резонансной томографии (МРТ) из-за генерируемых больших магнитных полей. В области радиосвязи и мощных (обычно военных) радаров, ручные инструменты из бериллия используются для настройки высокомагнитных клистронов, магнетронов, бегущих волновых трубок и т. д., которые используются для создания высоких уровней мощности СВЧ в передатчиках. ²⁷⁾

Тонкие пластины, или фольга из бериллия, иногда используются в конструкциях ядерного оружия как самый внешний слой плутониевых ям на первичных этапах создания термоядерных бомб, помещенных вокруг делящегося материала. Эти слои бериллия являются хорошими «толкателями» для имплозии плутония-239, а также хорошими нейтронными отражателями, точно так же, как и в ядерных реакторах с бериллием. ²⁸⁾ Бериллий также широко используется в некоторых источниках нейтронов в лабораторных устройствах, в которых требуется относительно мало нейтронов (вместо того, чтобы использовать ядерный реактор или генератор нейтронов с ускорителем на основе частиц). С этой целью, бериллий-9 бомбардируется энергичными альфа-частицами из радиоизотопа, такого как полоний-210, радий-226, плутоний-238 или америций-241. В ядерной реакции, которая имеет место, ядро бериллия превращается в углерод-12, испускается один свободный нейтрон, перемещаясь примерно в том же направлении, что и альфа-частица. Такие ранние атомные бомбы использовались в таких источниках нейтронов бериллиевого типа, которые назывались нейтронными инициаторами типа «еж». Источники нейтронов, в которых бериллий бомбардируется гамма-излучением из радиоизотопа гамма-распада, также используются для создания лабораторных нейтронов. Бериллий также используется для изготовления топлива для реакторов CANDU. Топливные элементы имеют небольшие придатки с сопротивлением, припаянные к оболочке топлива, с использованием процесса индукционной пайки с использованием Be в качестве материала для пайки наполнителем. Подшипниковые накладки припаяны, чтобы предотвратить попадание пучка топлива в контакт с напорной трубой, а межэлементные распорные подушки спаяны для предотвращения контакта элементов. Бериллий также используется в совместной европейской исследовательской лаборатории по ядерному синтезу Torus, и он будет использоваться в более продвинутом ITER для изучения компонентов, которые сталкиваются с плазмой. ²⁹⁾ Бериллий также был предложен в качестве материала оболочки для стержней ядерного топлива из-за его хорошей комбинации механических, химических и ядерных свойств. Фтористый берилл является одной из составных солей смеси эвтектических солей FLiBe, которая используется в качестве растворителя, замедлителя и хладагента во многих гипотетических проектах реактора с расплавленной солью, включая жидкий фторидный ториевый реактор (LFTR). ³⁰⁾

Низкий вес и высокая жесткость бериллия делают его полезным в качестве материала для высокочастотных динамиков. Поскольку бериллий является дорогостоящим (во много раз дороже титана), трудно формируется из-за его хрупкости, и является токсичным при неправильном использовании, бериллиевые высокочастотные динамики используются только домами высокого класса, ³¹⁾ профессиональными аудиосистемами и публичными адресными приложениями. Некоторые высококачественные продукты были обманным образом заявлены как изготовленные из этого материала. В некоторых высококачественных картриджах для фонографов использовались кантилеверы из бериллия для улучшения отслеживания за счет уменьшения массы.

Бериллий является примесью p-типа в составных полупроводниках III-V. Он широко используется в таких материалах, как GaAs, AlGaAs, InGaAs и InAlAs, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) ³²⁾. Поперечно-прокатанный лист из бериллия является отличной конструкционной поддержкой для печатных плат в технологии поверхностного монтажа. В критических электронных приложениях, бериллий является как структурной опорой, так и теплоотводом. Такое применение также требует коэффициент теплового расширения, который хорошо согласуется с подложками из оксида алюминия и полиимида. Композиции «E-Materials» из бериллий-бериллиевого оксида были специально разработаны для этих электронных приложений и имеют дополнительное преимущество в том, что коэффициент теплового расширения может быть адаптирован к различным материалам субстрата. Оксид бериллия полезен для многих применений, которые требуют комбинированных свойств электрического изолятора и отличного теплопроводника с высокой прочностью и твердостью и очень высокой температурой плавления. Оксид бериллия часто используется в качестве опорной пластины изолятора в высокомощных транзисторах в радиочастотных передатчиках для телекоммуникаций. Оксид бериллия также изучается для использования в повышении теплопроводности гранул ядерного топлива на основе урана. Соединения бериллия использовались в люминесцентных лампах, но это использование было прекращено из-за болезни бериллиоза, которая развилась у рабочих, которые делали эти трубки. ³³⁾

Бериллий является компонентом нескольких стоматологических сплавов. ³⁴⁾

Бериллий представляет собой проблему безопасности для рабочих, имеющих дело с этим элементом. Воздействие бериллия на рабочем месте может привести к иммунологической реакции сенсибилизации и со временем может вызвать хроническое заболевание бериллия. Национальный институт безопасности и гигиены труда (NIOSH) в США исследует эти эффекты в сотрудничестве с крупным производителем бериллиевых продуктов. Целью этих исследований является предотвращение сенсибилизации путем разработки лучшего понимания рабочих процессов и воздействий, которые могут представлять потенциальный риск для работников, а также разработка эффективных мер вмешательства, которые уменьшат риск неблагоприятного воздействия бериллия на здоровье. Национальный институт охраны труда также проводит генетические исследования по вопросам сенсибилизации, независимо от этого сотрудничества. Руководство по аналитическим методам Национального института охраны труда содержит методы измерения профессионального облучения бериллием. ³⁵⁾

В теле человека, в среднем, содержится около 35 микрограммов бериллия, количество, которое не считается вредным. Бериллий химически подобен магнию и поэтому может вытеснять его из ферментов, что приводит к их неисправности. Поскольку Be2 + представляет собой сильно заряженный и маленький ион, он может легко проникать во многие ткани и клетки, где он специфически нацеливается на ядра клеток, ингибируя многие ферменты, в том числе, используемые для синтеза ДНК. Его токсичность усугубляется тем фактом, что организм не имеет средств для контроля уровней бериллия, и попав в организм, бериллий не может быть удален оттуда. ³⁶⁾ Хронический бериллиоз – легочное и системное гранулематозное заболевание, вызванное вдыханием пыли или паров, загрязненных бериллием; либо путем попадания большого количества бериллия в течение короткого времени, либо небольшого количества в течение длительного времени. Развитие симптомов этого заболевания может занять до пяти лет; около трети пациентов, страдающих бериллиозом, умирают, а оставшиеся в живых остаются инвалидами. Международное агентство по изучению рака (МАИР) причисляет соединения бериллия и бериллий к канцерогенам категории 1. В США, Администрация по безопасности и гигиене труда (OSHA) назначила допустимый предел воздействия бериллия (PEL) на рабочем месте со средневзвешенным временем (TWA) 0,002 мг / м3 и постоянным пределом воздействия 0,005 мг / м3 в течение 30 минут с максимальным пиковым пределом 0,025 мг / м3. Национальный институт безопасности и гигиены труда (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) с постоянным показателем 0,0005 мг / м3. Значение IDLH (количество, немедленно опасное для жизни и здоровья) составляет 4 мг / м3. ³⁷⁾ Токсичность тонкоизмельченного бериллия (пыль или порошок, в основном встречающиеся в промышленных условиях, где бериллий производится или обрабатывается) очень хорошо задокументирована. Твердый бериллиевый металл не связан с теми же опасностями, что и аэрозольная пыль, но любая опасность, связанная с физическим контактом, плохо задокументирована. Работники, занимающиеся обработкой готовых изделий из бериллия, обычно советуют обрабатывать их перчатками, как в качестве меры предосторожности, так и потому, что многие, если не большинство применений бериллия, не могут переносить остатки контакта с кожей, такие как отпечатки пальцев. Кратковременная болезнь бериллия в виде химического пневмонита впервые была представлена в Европе в 1933 году и в Соединенных Штатах в 1943 году. Опрос показал, что около 5% рабочих на заводах, производящих флуоресцентные лампы в 1949 году в Соединенных Штатах, страдали от болезней, связанных с бериллием. Хронический бериллиоз во многом похож на саркоидоз, а дифференциальный диагноз часто бывает затруднителен. Бериллиоз был причиной смерти некоторых ранних работников в области разработки ядерного оружия, таких как Герберт Л. Андерсон. Бериллий может быть обнаружен в угольном шлаке. Когда из этого шлака делают абразивный реактор для струйной краски и когда с его поверхности формируется ржавчина, бериллий может стать источником вредного воздействия. ³⁸⁾ Ранние исследователи пробовали бериллий и его различные соединения на вкус, при этом сладкий вкус означал присутствие бериллия. Современное диагностическое оборудование больше не требует этой чрезвычайно рискованной процедуры, и не следует пытаться проглотить это высокотоксичное вещество. Бериллий и его соединения следует обрабатывать с особой осторожностью, и при осуществлении любой активности, которая может привести к высвобождению бериллиевой пыли, следует принимать особые меры предосторожности (рак легкого является возможным результатом длительного воздействия бериллиевой пыли). Хотя использование бериллиевых соединений в люминесцентных лампах было прекращено в 1949 году, потенциал воздействия бериллия существует в ядерной и аэрокосмической промышленности, а также при рафинировании металла бериллия и плавлении бериллий-содержащих сплавов, производстве электронных устройств и обработке другого бериллий-содержащего материала. ³⁹⁾ Успешный тест на наличие бериллия в воздухе и на поверхностях был недавно разработан и опубликован в качестве международного добровольного консенсусного стандарта ASTM D7202. В этой процедуре используется разбавленный бифторид аммония для растворения и обнаружения флуоресценции с бериллием, связанным с сульфированным гидроксибензохинолином, что позволяет осуществлять в 100 раз более чувствительное обнаружение, чем рекомендуемый предел концентрации бериллия на рабочем месте. Флуоресценция увеличивается с увеличением концентрации бериллия. Новая процедура была успешно протестирована на различных поверхностях и эффективна для обнаружения растворения и ультратонкого обнаружения оксида бериллия и кремнистого бериллия (ASTM D7458).

:Tags