Реферат: 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 вАравийской пустыни.

Но только в конце 18 века химикизаподозрили, что в бер-

риллах есть какой-то новый не известныйэлемент. В 1798 году

французский химик Воклен выделил из бериллаокись «La terree

du beril", отличавшуюся от окиси алюминия. Эта окисьприда-

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 немецкимученым Велером и однов-

ременно французким ученным Блюссеном, который получил поро-

шок металлического бериллия востановлениемхлористого 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 невелики. Однако с отк-

рытием свойств бериллия, обусловивших его использование в

атомной энергетике спрос на него сильно возрос. Что в свою

очередь стало причиной широкого развитияисследовательских и

геолого-разведочных работ в этой области.

1. Химические и химико-физическиесвойства

бериллия

Бериллий (Be) - имеет атомный номер 4 и атомный вес

9.0122. Он находится во втором периодепериодической системы

и возглавляет главную подгруппу 2 группы, в которуютакже

входят магний, кальций, стронций, барий ирадий. 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 рассматриваемогоэлемента. Бериллий вещество

серо-стального цвета; при комнатной температуре металличес-

кий бериллий имеет плотно упакованнуюгексагональную 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 посравнению с соседним

литием. После отрыва валентных электроноватом 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 являетсянаименьшим среди металлов.

Потенциалы ионизации у бериллия равны (соответсвенно для

первого, второго, третьего и четвертогоэлектронов) I1-9,28;

I2-18,12; I3-153,1; I4-216,6 эВ. На кривойпотенциалов иона-

зации бериллий занимает одно из верхнихмест. Последнее со-

— 2 -

ответсвует его малому радиусу и характеризует бериллий как

элемент не особенно охотно отдающийсвои электроны, что в

первую очередь определяет степеньхимической активности эле-

мента. Этот же фактор имеет решающеезначение в образование

того или иного типа химической связи присоединение 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 кобразованию кова-

лентной связи.

В нейтральных растворахгидроокилы 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 атомомамфотерного элемен-

та. Происходит образование комплекса, прочность которого в

первую очередь определяется концентрацией элементовс низким

значением электроотрицательности, то есть щелочей. Бериллий

в этих условиях ведет себя каккомплексообразователь.

В кислых растворах, характеризующихсявысокой концентра-

цией водородного иона, элементы с низкимзначение электроот-

рицательности, подобные бериллию, могут находится в форме

свободных, положительно заряженныхионов, т.е. являются ка-

тионами.

Свойства основности элемента, как известно характеризу-

ются также велечиной ионого потенциала w/r, выражающего

энергию силового поля иона. Как иследовало ожидать, малень-

кий ион бериллия отличается большой величиной ионого потен-

циала, равной 5,88.

Таким образом, по характеру своих химическихсвойств,

всецело определяемых особенностямистроения электронных обо-

лочек атома, бериллий относится к типичным амфотерным эле-

ментам.

Металлический бериллий растворяется в соляной и разбав-

ленной азотной кислоте, а также в водныхрастворах гидрооки-

сей натрия и калия с выделением водорода и образованием бе-

риллатов c общей формулой М Ве О .

Наибольший интерес с точки зрениявозможной точки зрения

возможной роли в природных процессахпредставляют 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 времянейтральный карбо-

нат бериллия почти нерастворим в воде иявляется весьма неп-

рочным соединением.

В слабо щелочной и кислой среде вприсутствии определен-

ного количества электроположительных атомов щелочных метал-

ловы характерным для бериллия являетсяобразование комплек-

сов типа:

— 3 -

При этом все комплексы бериллия являются малопрочными

соединениями, которые могут существоватьтолько в определен-

ных интервалах щелочности растворов.

Таким образом на основании общего обзора химических

свойств бериллия могут быть сделаныследующие предваритель-

ные выводы, характеризующие возможную роль различныхсоеди-

нений бериллия в геохимической историиэтого 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 вприсутствии дроста-

точного количества электроположительных атомов щелочей миг-

рация бериллия может осуществляться вформе разлчных комп-

лексных бериллатов, обладающих разнойустойчивостью в заваи-

симости от характера среды;

3) существенно щелочная среда в некоторых случаях также

может способствовать миграциибериллия 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 вжидкой воде, лег-

ко растворяются и в надкритической фазеводы, давая ненасы-

щенные такими соединениями растворы;

Заканчивая характеристику отдельных свойствбериллия, без

внимательного анализа которых вряд ли возжможно правильно

представить его минералогию и понятьособенности 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 способностьювзаимодействовать с

протонами и нейтронами высокихэнергии. В пользу этого объ-

яснения говорит тот факт, что бериллия мало в атмосфере

солнца и звезд, а в межзвездномпространстве, где условия

для ядерных реакции неблагоприятны егоколичество резко воз-

растает. Но наряду с процессомнепрерывного распада его ато-

мов, также в результате многочисленныхядерных реакциим идет

процесс новообразования его изотопов.

.

— 4 -

Бериллий имеет только одинустойчивый изотоп, но кроме

него также известны изотопы с массой7,8,9,10.

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 содержаниябериллия в земной коре

был использовано большое количество средних объединенных

проб систематически отобранных по разныммагматическим мас-

сивам. На основание этих данных былвычислен кларк бериллия,

который оказался равен 3.5* 10^-4.

При формирование земной коры бериллийконцентрировался в

остаточной магме в процессе еезатвердевания. Такое концент-

рирование в остаточных магматических породах имеет большое

значение, поскольку благодаря ему элементоказывается более

доступным, чем можно было бы ожидать учитывая его малую

распространенность в земной коре.

В природе минералы бериллия образуютсяв весьма различ-

ных условиях, присутствуя во всех типахминеральных месторож-

дений, за исключением собственномагматических. При этом на-

ибольшее число бериллиевых минераловизвестно в пегматитах.

В настоящее время в природе известно 40минералов берил-

лия, изученных в большинстве своем совершенно недостаточно.

Подавляющее большинство бериллиевыхминералов являются ред-

кимиили очень редкими и известны лишь в одном или двух мес-

торождениях земного шара. Распределение бериллиевых минера-

лов по классам химических соединенийвесьма неравномерно и

определяется литофильностью его атома приполном отсутствии

халькофильности. Главную роль средиминералов играют силика-

ты 65% от общего числа минералов, меньшее значение имеют

окислы и фосфаты. Сульфиды среди минералов бериллия отсутс-

вуют полностью, что подчеркивает литофильностьэтого элемен-

та.

.

— 5 -

Распределение бериллиевых минералов

по классам Таблица 2

┌────────────────┬─────────────────────┬────────┬──────────┐

│ Классы │ Типичные │ Кол-во │ % от общ │

│ │ представители │ минер │ числа │

├────────────────┼─────────────────────┼────────┼──────────┤

│ Окислы │ Хризоберилл │ 3 │ 7.5 │

│ Силикаты │ Гельвин, Даналит │ 26 │ 65.0 │

│ │ Берилл, Фенакит │ │ │

│ │ Гадолинит │ │ │

│ Бораты │ Родицит │ 2 │ 5.0 │

│ Антимонаты │ Сведенборгит │ 1 │ 2.5 │

│ Фосфаты │ Бериллонит │ 7 │ 17.5 │

│ Карбонаты │ Бериллийтенгерит │ 1 │ 2.5 │

└────────────────┴─────────────────────┴────────┴──────────┘

3. Геохимия бериллия

В геохимических процессах бериллийведет себя как типич-

но литофильный элемент. По классификацииПерельмана бериллий

относится к слабо мигрирующим элементам.

Содержание бериллия в горныхпородах Таблица 2

┌──────────────────────────────────────────┬───────────────┐

│ Наименование породы │ Содержание Ве │

│ │ 10 ^-4 │

├──────────────────────────────────────────┼───────────────┤

│ Ультраосновные породы │ Менее 0,2 │

│ Габбро-нориты │ Менее 0,2 │

│ Габбро │ 0,3 │

│ Средние породы │ 0,8 — 0,9 │

│ Кислые породы │ 1 — 32 (ср 5)│

│ Щелочные породы │ 5 — 20 (ср 7)│

└──────────────────────────────────────────┴───────────────┘

При рассмотрение распространения бериллия в магматичес-

ких горных породах, следует отметить, чтобериллий не накап-

ливается не в ультроосновных, не восновных магмах, присутс-

твую в них во много раз меньшихколичествах, чем его среднее

кларк в земной коре.

Таким образом геохимическаяистория бериллия в земной

коре всецело связана с историей образования кислых ищелоч-

ных магм, заключающих в себе более 95% атомов бериллия. При

этом особенности поведениЯ бериллия впроцессах кристаллиза-

ции кислых и щелочных магм определяются впервую очередь ге-

охимической спецификой этих существенно отличных друг от

друга процессов.

Ничтожное содержание бериллия в гранитном расплаве иск-

лючает возможность образованиеиндивидуализированных берил-

лиевых минералов. В то же время отсутсвиев расплаве высоко-

валентных катионов, которые могли бы компенсировать вхожде-

ние бериллия в кристалическую решеткусиликатов, затрудняет

и ограничивает захват бериллияпородообразующими минералами

гранитов. Таким образом, ограниченное рассеяние бериллия в

продуктах главной фазы кристаллизациигранитной магмы приво-

— 6 -

дит к его накоплению в продуктах конечной стадии кристалли-

зации. Особенно резкое, скачкообразное обогащение поздних

магматических продуктов бериллием,по-видимому, происходит в

процессе кристализации кварца гранитов, практически не при-

нимающего бериллия в свою решетку. С этим процессом связано

появление на поздних стадиях формированиягранитнов распла-

вов, эманации и растворов, в различной стадии обогащенной

бериллием. Дальнейшая их судьба этихобразований, определяю-

щаяся общими закономерностями становленияконкретного магма-

тического очага и геохимическойспецификацией, крайне разно-

образна.

Следы их деятельности мы видим вшироко распространне-

ных процессах мусковитизации игрейзенизации гранитов, когда

в процессе изменения гранитов концентрациибериллия возрас-

тает в два раза по сравнению с количеством в биотитовых и

прочих гарнитов, не затронутых процессоммусковитизации.

Наиболее ярко эти процессы протекают впроцессе образова-

ния постматических месторожденийбериллия, приводящих к об-

разованию месторождений содержащих многие тысячи тонн этого

элемента. Наивысшее возможное содержанимебериллия, присутс-

вующего в качестве изоморфной примеси вминералах гранитов

может достигать 15-20 *10^-4%.

Несколько повышенное рассеяние бериллия наблюдается в

гранитах с повышенным содержание редкихземель.

Останавливаясь на особенностях поведения бериллия в ще-

лочгых магмах необходимо подчеркнутьследующие факторы, вли-

яющие на судьбу бериллия в этих процессах:

1) высокий кларк редких земель

2) длительное участие высоковалентных катионов в процес-

сах минералообразования

3) повышенная щелочность среды

Указанные факторы облегчают изоморфный захват бериллия в

процессе кристализации породообразующихэлементов, препятс-

вуя концентрации бериллия. Несмотря, на значительно более

высокое содержание бериллия по сравнению со средним кларком

литосферы, наиболее типичнойособенностью его поведения в

щелочных породах является рассеяние.

Появление концентрации бериллия в щелочныхпородах можно

ожидать в процессе перераспределениябериллия в процессе ши-

рокомасштабной альбитизации пород,содержащих повышенное ко-

личество бериллия.

Геохимическая история бериллия в пегматитовом процессе

может служить ярким примеромпослемагматической концентраци-

ей рассеяного элемента.

Накапливась по мере развитияпегматитового процесса после

формирования зон графического исреднезернистого пегматита,

и выделения крупных мономинеральных блоковмикроклин-перти-

тов, бериллий концентрируется в остаточныхобогащенных лету-

чими порциях пегматитовогорасплава-раствора. Наконец в оп-

ределенный момент, обычно отвечающий окончанию формирования

крупных мономинеральных блоков, в условиях сильного пересы-

щения кремнием, накопления натрия илетучих компонентов нач-

инается формирование главного бериллиевого минерала гранит-

ных пегматитов — берилла, продолжающегосяв стадии пневмато-

— 7 -

лито-гидротермальных замещений.

В период формирования пегматитовособенности концентра-

ции и миграции бериллия тесно связаны споведением летучих

составных частей пегматитового расплава-раствора. Подобная

связь четко проявляется в образование наиболее высокихкон-

центраций бериллиевых минералов вапикальных участках пегма-

титовых тел.

В обстановке относительно высокой концентрации щелочей,

характерной для рассматриваемого периодаформирования пегма-

титов, а также в присутствии галоидов иуглекислоты, играю-

щих роль активныхэкстракторов-минерализаторов, переносбе-

риллия осуществляется в форме подвижныхкомплексных соедине-

ний типа хлорбериллатов, фторбериллатов и карбонат берилла-

тов целочных металлов мигрирующих в процессе формирование

пегматита в надкритических, а позднее в водных растворах в

центральные части пегматитовых тел и в верхнии горизонты

пегматитовой инъекции.

Таким образом, при переносе бериллия в форме мобильных

комплексных галоидных или карбонатныхсоединений с щелочными

металлами выпадения бериллия в твердуюфазу в виде бериллие-

вых минералов можно представить как сложный процесс распада

подвижных соединений бериллия и связываниеего в форме труд-

но растворимых силикатах бериллия иалюминия. Решающее зна-

чение, по-видимому, имеет изменение режима кислотно-щелоч-

ности растворов в сторону увеличения рН, а также появления

жидкой фазы Н О, легко вызывающую гидролиз таких непрочных

соединений, как хлорбериллаты и др. Роль осадителя бериллия

также играет фосфор, образующий сбериллием ряд устойчивых в

обычных гидротермальных условияхминералов.

В скарнах высокая концентрация фтора, при сравнительно

низкой концентрации щелочей приводит кпереносу бериллия в

виде фторидов и фторбериллатов. Приэтом важное значение в

уменьшение миграционной способностибериллия имеет увеличе-

ние значения pH минералообразующего раствора, происходящее

под влиянием связывания атомов фторакальцием вмещающих по-

род.

Геохимическая история бериллия в мезо- и эпитермальном

процессе изучена слабо, однако наличиеконцентрации берил-

лия, связанных со сравнительнонизкотемпературными карбонат-

ными жилами,

еще рефераты

Еще работы по геологии

Важнейшие природные соединения алюминия

29 Августа 2013

Реферат по геологии

Выветривание и денудаци

29 Августа 2013

Реферат по геологии

Гидрохимический, атмохический и биогеохимический методы поисков

29 Августа 2013