Właściwości, historia i zastosowania berylu

Science Picture Co. / Getty Images

Beryl to twardy i lekki metal o wysokiej temperaturze topnienia i wyjątkowych właściwościach jądrowych, co czyni go niezbędnym w wielu zastosowaniach lotniczych i wojskowych.

Nieruchomości

• Symbol atomowy: Be
• Liczba atomowa: 4
• Kategoria elementu: Metal ziem alkalicznych
• Gęstość: 1,85 g/cm³
• Temperatura topnienia: 2349 F (1287 C)
• Temperatura wrzenia: 4476 F (2469 C)
• Twardość Mohsa: 5,5

Charakterystyka

Czysty beryl to niezwykle lekki, mocny i kruchy metal. O gęstości 1,85g/cm³, beryl jest drugim najlżejszym metalem pierwiastkowym, zaraz za nim lit .

Metal w kolorze szarym jest ceniony jako pierwiastek stopowy ze względu na wysoką temperaturę topnienia, odporność na pełzanie i ścinanie, a także wysoką wytrzymałość na rozciąganie i sztywność zginania. Chociaż tylko około jednej czwartej wagi stal , beryl jest sześć razy silniejszy.

Tak jak aluminium , metal berylu tworzy na jego powierzchni warstwę tlenku, która pomaga wytrzymaćkorozja. Metal jest zarówno nie- magnetyczny i nieiskrzące – właściwości cenione w dziedzinie ropy naftowej i gazu – oraz ma wysoką przewodność cieplną w szerokim zakresie temperatur i doskonałe właściwości rozpraszania ciepła.

Niski przekrój poprzeczny absorpcji promieniowania rentgenowskiego i duży przekrój rozpraszania neutronów sprawiają, że beryl jest idealny do okien rentgenowskich oraz jako reflektor neutronów i moderator neutronów w zastosowaniach jądrowych.

Chociaż pierwiastek ma słodki smak, działa żrąco na tkanki, a wdychanie może prowadzić do przewlekłej, zagrażającej życiu choroby alergicznej znanej jako beryloza.

Historia

Chociaż po raz pierwszy wyizolowano go pod koniec XVIII wieku, beryl w postaci czystego metalu został wyprodukowany dopiero w 1828 roku. Minął kolejny wiek, zanim rozwinęły się komercyjne zastosowania berylu.

Francuski chemik Louis-Nicholas Vauquelin początkowo nazwał swój nowo odkryty pierwiastek „glucinium” (z greckiego glicyna „słodki”) ze względu na swój smak. Friedrich Wohler, który równolegle pracował nad wyizolowaniem pierwiastka w Niemczech, wolał termin beryl i to ostatecznie Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej zdecydowała o użyciu terminu beryl.

Podczas gdy badania nad właściwościami metalu trwały przez cały XX wiek, dopiero na początku XX wieku, gdy uświadomiono sobie użyteczne właściwości berylu jako środka stopowego, rozpoczął się komercyjny rozwój tego metalu.

Produkcja

Beryl jest pozyskiwany z dwóch rodzajów rud; beryl (Be₃Do_dwa(SiO₃)₆) i bertrandyt (Be₄TAk_dwaO₇(OH)_dwa). Chociaż Beryl na ogół ma wyższą zawartość berylu (od trzech do pięciu procent wagowych), jest trudniejszy do oczyszczenia niż bertrandyt, który zawiera średnio mniej niż 1,5 procent berylu. Procesy rafinacji obu rud są jednak podobne i mogą być prowadzone w jednym zakładzie.

Ze względu na swoją dodatkową twardość rudę berylu należy najpierw poddać obróbce wstępnej przez stopienie w elektrycznym piecu łukowym. Stopiony materiał jest następnie zanurzany w wodzie, tworząc drobny proszek zwany „frytą”.

Kruszoną rudę i frytę bertrandytową najpierw traktuje się kwasem siarkowym, który rozpuszcza beryl i inne obecne metale, dając rozpuszczalny w wodzie siarczan. Roztwór siarczanu zawierający beryl jest rozcieńczany wodą i podawany do zbiorników zawierających hydrofobowe chemikalia organiczne.

Podczas gdy beryl przyczepia się do materiału organicznego, roztwór na bazie wody zachowuje żelazo , aluminium i inne zanieczyszczenia. Ten proces ekstrakcji rozpuszczalnikiem można powtarzać, aż pożądana zawartość berylu zostanie zatężona w roztworze.

Koncentrat berylu jest następnie traktowany węglanem amonu i podgrzewany, wytrącając w ten sposób wodorotlenek berylu (BeOH_dwa). Wodorotlenek berylu o wysokiej czystości jest materiałem wejściowym do głównych zastosowań pierwiastka, w tym miedzi i berylu stopy , ceramika berylowa i produkcja czystego metalu berylowego.

W celu wytworzenia metalicznego berylu o wysokiej czystości, formę wodorotlenkową rozpuszcza się w wodorofluorku amonu i ogrzewa do temperatury powyżej 1652 ° F (900 ° C), tworząc stopiony fluorek berylu. Po wlaniu do form fluorek berylu miesza się ze stopionym magnez w tyglach i podgrzewane. Pozwala to na oddzielenie czystego berylu od żużla (materiału odpadowego). Po oddzieleniu od żużla magnezowego pozostają kulki berylu o czystości około 97%.

Nadmiar magnezu jest spalany przez dalszą obróbkę w piecu próżniowym, pozostawiając beryl o czystości do 99,99 procent.

Kulki berylowe są zwykle przekształcane w proszek poprzez prasowanie izostatyczne, tworząc proszek, który można wykorzystać do produkcji stopów berylowo-aluminiowych lub czystych metalowych osłon berylowych.

Beryl można również łatwo poddać recyklingowi ze stopów złomu. Jednak ilość materiałów pochodzących z recyklingu jest zmienna i ograniczona ze względu na ich zastosowanie w technologiach dyspersyjnych, takich jak elektronika. Beryl obecny w stopach miedzi z berylem stosowanych w elektronice jest trudny do zebrania i po zebraniu jest najpierw wysyłany do recyklingu miedzi, co powoduje rozcieńczenie zawartości berylu do nieekonomicznych ilości.

Ze względu na strategiczny charakter metalu trudno jest uzyskać dokładne dane dotyczące produkcji berylu. Szacuje się jednak, że globalna produkcja rafinowanych materiałów berylowych wynosi około 500 ton metrycznych.

Wydobycie i rafinacja berylu w USA, która stanowi aż 90 procent światowej produkcji, jest zdominowana przez Materion Corp. Wcześniej znana jako Brush Wellman Inc., firma zarządza kopalnią bertrandytu Spor Mountain w stanie Utah i jest największą na świecie. producent i rafiner berylu metalicznego.

Podczas gdy beryl jest rafinowany tylko w USA, Kazachstanie i Chinach, beryl jest wydobywany w wielu krajach, w tym w Chinach, Mozambiku, Nigerii i Brazylii.

Aplikacje

Zastosowania berylu można podzielić na pięć obszarów:

• Elektronika użytkowa i telekomunikacja
• Komponenty przemysłowe i komercyjne lotnictwo
• Obronność i wojsko
• Medyczny
• Inny

Źródła:

Walsh, Kenneth A. Chemia i przetwarzanie berylu . Międzynarodowy ASM (2009).
Służba Geologiczna USA. Brian W. Jaskuła.
Stowarzyszenie Naukowo-Technologiczne Berylu. O berylu.
Wulkan, Tom. Podstawy berylu: budowanie siły jako metalu krytycznego i strategicznego. Rocznik Minerałów 2011 . Beryl.