Бериллий и сплавы, содержащие бериллий. Свойства, применение в химической технологии (стр. 1 из 5)
РЕФЕРАТ
«Бериллий и сплавы, содержащие бериллий. Свойства, применение в химической технологии»
Введение
Применяемые в промышленности и быту металлические изделия редко состоят из чистых металлов, примером является алюминиевая или медная проволока с процентным содержанием металла около 99,9%, в большинстве других случаев идет речь о сплавах. Сплавы – системы, состоящие из двух или нескольких металлов, а также из металлов и неметаллов, обладающие свойствами, присущими металлическому состоянию. Так, различные виды железа и стали содержат наряду с металлическими добавками незначительные количества углерода, которые оказывают решающее влияние на механическое и термическое поведение сплавов. Все сплавы имеют специальную маркировку, т. к. сплавы с одним названием (например, латунь) могут иметь разные массовые доли других металлов.
Для изготовления сплавов применяют различные металлы. Самое большое значение среди всех сплавов имеют стали различных составов. Для получения легированных сталей к железу, являющемуся главной составляющей сплава, добавляют кремний, медь, марганец, никель, хром, вольфрам, ванадий, молибден и другие компоненты.
В данной работе будут рассмотрены свойства и применение металла бериллия и содержащих бериллий сплавов.
Основные свойства и технологии получения бериллия
Бериллий – светло-серый металл второй группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Порядковый номер 4, атомная масса 9,013. Символ Be (лат. Beryllium). Имеет один стабильный изотоп 9Be, известны также радиоактивные изотопы бериллия 7Be и 10Be с периодами полураспада 53,29 дней и 1,6·106 лет соответственно. Открыт в 1798 в виде окиси BeO, выделенной из минерала берилла Л. Вокленом. Металлический Ве впервые получили в 1828 Ф. Вёлер и А. Бюсси независимо друг от друга. Так как некоторые соли Ве сладкого вкуса, его вначале называли «глюциний» (от греч. glykys – сладкий) или «глиций». Название Glicinium (знак GI) употребляется (наряду с Ве) только во Франции. Применение Ве началось в 40-х гг. 20 в., хотя его ценные свойства как компонента сплавов были обнаружены ещё ранее, а замечательные ядерные – в начале 30-х гг. 20 в.
Ве может существовать в двух полиморфных модификациях. Низкотемпературная модификация (α-Ве), существующая до 1250 °С, имеет гексагональную плотноупакованную решетку, высокотемпературная (β-Ве) – решетку объемно-центрированного куба.
Нахождение в 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 54 собственно 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 19 тыс. 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) месторождениях. В связи с сокращением ВПК и прекращением строительства атомных электростанций его 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.
Физические свойства – по сравнению с другими легкими материалами бериллий обладает уникальным сочетанием физических и механических свойств.
Кристаллическая решётка Ве гексагональная плотноупакованная с периодами а = 2,855 Å и с= 3,5840 Å.
Плотность 1847,7 кг/м3
Температура плавления 1551 °С
Температура кипения 3243 оС
Скрытая теплота плавления 250–275 кал/г (самая высокая среди всех металлов)
Коэффициент линейного расширения 10,3–131 (25–100 °С)
Модуль продольной упругости (модуль Юнга) 300ГН/м2 (3.104 кг•с/мм2)
Предел прочности при растяжении 200–550 МН/м2 (20–55 кг•с/мм2)
Предел текучести 250–600 МН/м2 (25–60 кг•с/мм2)
Предел прочности в направлении вытяжки – до 400–800МН/м2 (40–80 кг•с/мм2) Относительное удлинение – до 4–12%
Ударная вязкость 10–50 кДж/м2 (0,1 – 0,5 кгс.•м/см2)
Температура перехода из хрупкого состояния в пластическое 200 – 400 °С
Твёрдость НВ 60–85 (для горячепрессованного Ве)
Теплоемкость для α-Ве 16,44 Дж/(моль•К), для β-Ве – 30,0 Дж/(моль•К)
Ве обладает: наиболее высокой из всех металлов удельной теплоёмкостью – 1,80 кДж/(кг.•К) или 0,43 ккал/ (кг•°С)
высокой теплопроводностью – 178 Вт/(м•К) или 0,45 кал/см•сек•°С) (50 °С)
низким электросопротивлением – 3,6–4,5 мкОм•см (20 °С)
Сравним некоторые свойства Ве с характеристиками других материалов.
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 500оС. Аммиак взаимодействует с Ве при температуре выше 1200° С с образованием нитрида Be3N2, а углерод дает карбид Ве2С при 1700° С. С Н2 Ве непосредственно не реагирует, и гидрид ВеН2 получают косвенным путем (получен при разложении бериллийорганических соединений, устойчив до 240 °С).