118 элементов. Часть четвертая: драгоценный и смертельно опасный бериллий
21 сентября 2018
Элемент: бериллий (Beryllium)
Химический символ: Be
Порядковый номер: 4
Год открытия: 1798
Стандартная атомная масса: 9.012
Температура плавления: 1560 К
Температура кипения: 2742 К
Плотность при стандартных условиях: 1.85 г/cм3
Скорость звука в бериллии: 12890 м/с
Число стабильных изотопов: 1
Кристаллическая решётка: объемно-центрированная кубическая
Берилл
Говорить о том, когда человечество познакомилось с бериллием сложно. Ведь с минералами с этим элементом в составе люди знакомы издревле, и так же давно очень высоко ценят их. Нетрудно догадаться, что бериллы Al2[Be3(Si6O18)] содержат бериллий. Однако меньшее количество людей в курсе, что один из подтипов берилла ценится выше алмаза – при условии, что масса кристалла больше пяти каратов и он достаточно чист. Речь, конечно, об изумрудах. Кстати, вопреки распространенному заблуждению, в зелёный цвет изумруд окрашивает не бериллий, а окислы хрома или ванадия.
Изумруд – тоже берилл!
С бериллами работали многие химики, но все они упускали новый элемент: уж больно он похож на алюминий. Только в конце XVIII века француз Луи Никола де Воклен, изучая берилл и изумруд увидел, что в состав минералов входят две «земли», то есть оксида, которые очень похожи друг на друга, но все же – не до конца. Неизвестный Воклену оксид растворялся в углекислом аммонии, в отличие от оксида алюминия, а сульфат нового элемента не образовывал квасцов (совместных сульфатов-кристаллогидратов) с сульфатом калия (алюмокалиевые квасцы хорошо известны).
Луи Воклен
Воклен, как и полагает ученому, опубликовал статью об открытии в солидном издании Annales de Chimie et de Physique, а редакторы – как полагается редакторам – внесли собственные правки. В итоге элемент предлагалось назвать глюцинием или глицием, поскольку некоторые соединения бериллия были сладкими на вкус, а «глюкоза» — потому и глюкоза, что γλυκύς по-древнегречески «сладкий». Другие серьезные химики, среди которых был Мартин Клапрот (в скобках отметим, что сам Клапрот не разглядел в берилле бериллий) возмутились, и заявили, что это несерьезно – называть элемент «сладеньким», повелели оставить это слова для лексикона влюбленных и постановили называть металл «бериллиной». Но получалось очень похоже на «балерину», и в итоге Фридрих Вёлер (о, химик-очевидность) в 1828 году – 30 лет спустя – впервые употребил слово «бериллий», которое немедленно прижилось. Но слава первооткрывателя все равно ушла к Воклену. Кстати, Луи Воклен был еще и неплохим химиком-органиком. Именно ему принадлежит честь открытия действующего алкалоида табака, никотина – но это совсем другая история.
Фридрих Вёлер
Если говорить про этимологию названия четвертого элемента, то с одной стороны – тут все просто, как с подкустовным выползнем в «Дне Радио». Подкустовный выползень назван так потому, что выползает из-под куста. Бериллий назван так, потому что получен из берилла. Но дальше следует вопрос (зачеркнуто) «А откуда он берется под кустом?» То бишь – а почему берилл называется «берилл». Да, по-древнегречески βήρυλλος – это цвет морской волны. Но на самом-то деле, это слово означает «цвета берилла». Снова подкустовный выползень. Дальше проследить сложнее. В любом случае, все пути ведут в Индию. Лингвисты говорят, что все происходит от от пракритского वॆरुलिय [veruliya] и палийского वेलुरिय [veḷuriya], भेलिरु [veḷiru]; от санскритского वैडूर्य [vaidurya] и все они ведут к дравидийскому названию города Белур, в котором были издавна копи этого самого берилла. Дополнительным бонусом к лингвистическим изысканиям должно стать вот что: позднелатинское слово berillus сократилось до brill-, откуда перешло в итальчнский brillare «блестеть»… Дальше догадаетесь? Все верно, наш герой (а точнее, его минерал) дал имя лучшим друзьям девушек, бриллиантам.
Но вернемся к самому элементу. Фридрих Вёлер не только дал ему современное имя, он еще и выделил его реакцией замещения из хлорида металлическим калием.
BeCl2 + 2 K → 2 KCl + Be
Правда, он был не одинок, одновременно и независимо такую же реакцию провел и Антуан Александр Брутус Бюсси. Француз.
Антуан Бюсси
А дальше… дальше пустота – применения бериллию не находилось. Только через сто лет после открытия (и через 70 после выделения) Поль Лебо выделил чистый металл прямым электролизом. «Популярная библиотека химических элементов» пишет, что в начале XX века в справочниках по химии писалось об абсолютной бесполезности металла.
Причин тому много, и главная – редкость бериллия. Дело в том, что если литий, например, синтезировался и в Большом Взрыве, и в звездах, и в космических лучах, то с бериллием все намного хуже: дело в том, что и в звездах, и в первичном нуклеосинтезе бериллий образовывался, но только изотопы 7Be и 10Be. Первый живет 53 дня, второй – 1,39 миллиона лет. Оба уже распались. Хотя следовые их количества образуются, конечно. Единственный же стабильный изотоп, 9Be образуется только в космических лучах скалыванием части более тяжелых ядер. Поэтому его достаточно мало: если лития добывают ежегодно сотни тысяч тонн, то бериллия – всего несколько сотен, и добыча даже несколько падает.
Но применение-применением, а пользу наш герой принес уже в 1930-х. Он поучаствовал в двух нобелевских премиях 1935 года – по физике и по химии. И еще в одной.
Вальтер Боте
В 1930 году немцы Вальтер Боте и Ханс Беккер обнаружили, что при бомбардировке некоторых легких элементов альфа-частицами возникает излучение, которые было принято за гамма-излучение. Но не все складывалось: когда бомбардировали пластинку бериллия, то в направлении от потока альфа-частиц излучение было интенсивнее, чем по направлению к потоку. При гамма-излучении так быть не должно: электромагнитные волны распространяются во все стороны одинаково.
Эксперимент усложнили супруги Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они разместили между бериллием и ионизационной камерой-регистратором различные вещества, изучая, насколько они ослабляют новое «гамма»-излучение. И снова неожиданный результат: когда за бериллием поставили тоненькую пластинку парафина (насыщенного углеводорода, молекула которого богата водородом), то излучение не ослабло, а, наоборот, усилилось.
Джеймс Чедвик предположил, что альфа-частицы выбивают из атомов те самые нейтральные частицы, и, доказав это, получил Нобелевскую премию по физике 1935 года.
Помимо того, что из вещества вылетают нейтроны, выяснилось, что при этой бомбардировке образуются и позитроны — античастицы к электронам.
Кюри заменили бериллий на бор и алюминий. И оказалось, что после того, как от мишени убирали источник альфа-частиц (открытый Марией Кюри полоний), радиоактивность на некоторое время оставалась. Значит, в результате бомбардировки альфа-частицами атомов бора и алюминия получались новые элементы. Радиоактивные. Поглощая альфа-частицу, алюминий превращался в радиоактивный изотоп фосфора, а бор — в такой же радиоактивный азот. Как итог — Нобелевская премия по химии того же 1935 года еще двум представителем семьи Кюри.
Вдобавок Энрике Ферми, заметив эффект от парафина понял, что он замедляет нейтроны, а медленные нейтроны – это инициаторы множества ядерных реакций. Еще одна «нобелевка» — уже 1938 года (и путь к управляемой ядерной реакции).
Энрике Ферми
Затем пришло и практическое применение бериллия. Исторически первым практическим применением металлического бериллия стало использование его в качестве окна. «Позвольте, но он же абсолютно непрозрачен», – скажете вы, и будете правы, но только отчасти. Дело в том, что бериллий практически не задерживает рентгеновское излучение. Поэтому бериллиевые «окошки» в рентгеновских аппаратах служат уже давно.
Бериллиевое рентгеновское окошко
Многим обязаны бериллию и меломаны – из него делают динамики для очень дорогих профессиональных систем. Кроме этого оксид бериллия – прекрасный огнеупорный материал, гидрид бериллия – перспективное (хотя и токсичное) ракетное топливо, а в производстве тепловых экранов и систем наведения в авиации и ракетной технике у бериллия вообще нет конкурентов. Продолжил службу бериллий и в ядерной энергетике (как мы помним, с него все и началось). Дело в том, что бериллий – и отражатель нейтронов неплохой, и их замедлитель.
Немного о медицине. Если в прошлом выпуске, посвящённом литию, мы уделили много места тому, как соединения лития лечат, то с четвертым элементом ситуация противоположная: бериллий сам по себе очень опасен для здоровья, а вдыхание пыли с соединениями бериллия (а это – профессиональный риск, например, для сотрудников космической отрасли) приводит к самостоятельному заболеванию, который так и называется – бериллиоз. Не путать с бореллиозом (он же болезнь Лайма, который вызывается укусами клещей, с которым в организм попадает спирохета рода Borellia).
Гистология лёгкого, поражённого бериллиозом
Воспаление соединительной ткани легких начинается незаметно и может длиться годами. Спасения от бериллиоза нет: он не лечится. Можно только облегчать симптомы и надеяться, что человека не убьет пневмония или сердечная недостаточность – главные «киллеры» при этой болезни. Страшно то, что болезнь может проявиться спустя несколько месяцев пли даже лет после прекращения работы с соединениями бериллия. Чем короче латентный период, тем тяжелее течение бериллиоза и выше смертность больных.
Ну и напоследок. Совсем недавно сногсшибательную новость про бериллий выдали китайские теоретики. Статья, которая появилась в журнале Physical Chemistry Chemical Physics, предсказывает комплексы, в которых может быть реализована первая двойная связь между металлами s-блока Периодической таблицы Менделеева.
Теоретическая работа, выполненная китайскими компьютерными химиками, предсказывает, что атомы бериллия могут образовать уникальную двойную связь, которая осуществляется… только двумя π-электронами (напомним, что двойная π-связь обычно реализуется вместе с одной σ-связью, например, как в ацетилене).
Более того, авторы говорят, какой комплекс нужно синтезировать, чтобы стабилизировать такую связь. Предположительно это будет октаэдрический комплекс, с двумя аксиальными атомами бериллия и четырьмя экваториальными лигандами – донорами электронов.
В нормальных условиях добавление электронов на орбиталь Lumo (lowest unoccupied molecular orbital) у бериллия затруднено из-за ее высокой энергии, однако правильно подобранные лиганды могут понизить энергетический барьер и «заставить» орбиталь «принять» электроны. Новая работа показывает, насколько еще неисчерпаемые самые простые элементы.
Текст: Алексей Паевский
