Капустинская К. А., Макареня А. А.
МЕТАЛЛ ИЗ КАМНЯ НАДЕЖДЫ
БЕРИЛЛИЙ
*** 1982 ***
| ФPAГMEHT УЧЕБНИКА (...) Трудно себе представить, что бериллий, являющийся виновником ряда заболеваний, оказался все-таки полезным и для медицины. Так, хлорид бериллия применяется для диагностики туберкулеза.
Как мы видим, диапазон практического применения бериллия весьма широк. И в последние годы поступают сведения о новых и подчас неожиданных примерах использования бериллия как в самых передовых областях современной техники, так и в повседневной жизни человека. Причина этого — необычное сочетание свойств элемента № 4. Однако есть факторы, которые, к сожалению, ограничивают применение бериллия в более широких масштабах. Это прежде всего недостаточная пластичность металла, или, иначе говоря, его хрупкость. Она намного усложняет процесс его механической обработки, затрудняет получение больших листов бериллия и сложных профилен, необходимых в тех или иных конструкциях. Попытки устранить эти недостатки сводятся обычно к изготовлению металла высокой степени чистоты и многочисленным технологическим усовершенствованиям. В последние годы в СССР и за рубежом были достигнуты определенные успехи в технологии получения пластичного бериллия высокой степени чистоты, что позволило решить ряд сложных проблем его металлообработки и способствовало расширению сфер практического применения етого металла. Советскими учеными был получен металлический бериллий чистотой свыше 99,9 % со средним размером зерна менее 10 мкм. Полученный металл теряет красноломкость, легко подвергается ковке и прокатке, л при температуре 600—700 °С становится свехиластнчиим. Ведутся работы и в другом направлении — создании новых сплавов и различных композиционных материалов с бериллием. Широкую известность получил сплав бериллия с алюминием — локалой (62% Be и 38% А1). Он обладает высокой пластичностью и хорошо поддается сварке и механической обработке. Оказалось, что сплав локалой обрабатывается примерно в 10 раз легче, чем металлический бериллий. Использование его для изготовления корпусов верхних ступеней ракет обеспечивает экономию в массе до 35 %. Перспективно применение различных композиционных материалов с бериллием, позволяющих сочетать лучшие свойства составляющих компонентов. Большинство из созданных на основе бериллия композиций обладают хорошей пластичностью, легче поддаются обработке и сохраняют высокие физические и механические свойства. Особенно хорошими характеристиками обладают композиции нг основе титановых сплавов, упрочненные бериллиевой про волокой. Композиционный материал с матрицей из титано вого сплава Ti—6А1—4V содержащий 40 °/о бериллиево! проволоки, обладает в 2 раза большей жесткостью, чем образцы из одного сплава Ti—6А1—4V. В борьбе с хруп костью бериллия помогают усовершенствование техноло гических процессов, создание новых бериллиевых сплавов и композиций. К числу недостатков бериллия следует отнести его вы сокую токсичность. Особенно сильные отравления развива ются главным образом при воздействии растворимых сое динений бериллия: фтористого бериллия, фторокиси хлорида и сульфата. Представляют опасность и нераствори мые соединения бериллия, в частности его окись. При дей ствии на организм малорастворимых соединений бериллш большое значение имеет дисперсность частиц: повышенш дисперсности ведет к увеличению токсичности. Оказалось что окись бериллия, спеченная при более высокой темпе ратуре (при 1600 °С), не так токсична как окись бериллия, спеченная при более низкой температуре (500 °С). По всей вероятности это зависит от того, что при высокой температуре образуются более крупные кристаллы с меньшей удельной поверхностью, а следовательно, и с меньшей токсичностью. Биологическое воздействие элемента на организм человека проявляется в том, что бериллий прочно соединяется С компонентами костной и легочной ткани. Химизм енц- зывания бериллия костной тканью подобен химизму связывания кальция. Особую опасность представляет длительная задержка бериллия в организме (элемент поглощается клетками тканей и фиксируется внутриклеточными компонентами), что является причиной разнообразных обменных изменений. Бериллий обладает способностью соединяться в организме с фосфатами и влиять тем самым на фосфорный обмен, являясь причиной «бериллневого рахита». Повышенное содержание солей бериллия в пище приводит к образованию в организме растворимого фосфата бериллия. Постоянно «похищая» фосфаты, бериллий тем самым разрушает костные ткани, что и является причиной болезни. Бериллий вызывает и сильные воспалительные заболевания кожи — дерматиты. Заболевания, вызванные токсическим действием бериллия на человеческий организм, носят общее название «бе-риллиозы». Для лечения бериллиоза чаще всего применяют химические соединения, связывающие ионы бериллия и способствующие их выведению из организма. К числу таких соединений относят цитраты натрия и циркония, ами-ноалкилфосфоновые кислоты и др. Допустимые пределы содержания бериллия в воздухе очень малы — всего одна тысячная доля микрограмма на кубический метр. Это значительно меньше допустимых норм для большинства металлов, даже таких токсичных, как свинец. В настоящее время токсичность бериллия — уже не столь острая проблема. В СССР приняты «Санитарные правила при работе с бериллием и его соединениями», которые предусматривают все основные требования техники безопасности на предприятиях, связанных с обработкой бериллия и его соединений. Тщательный контроль за чистотой воздуха, особые системы вентиляции, возможно большая автоматизация производства — все это позволяет успешно бороться с токсичностью элемента № 4. и его соединений. Ученые многих стран мира усиленно ищут возможности уменьшения вредного воздействия бериллия на организм человека. Не исключено, что недалеко то время, когда ученые разработают еще более эффективные методы борьбы с вредными свойствами этого, как было показано выше, весьма полезного для человека элемента. Конечно, все мероприятия, направленные на снижение токсичности бериллия, значительно повышают его стоимость. Цена 1 кг бериллия в порошке в США сейчас равна 325 долларам, т. е. бериллий значительно дороже титана. Однако рост потребления всегда приводит к технологическим усовершенствованиям, которые в свою очередь способствуют уменьшению издержек производства и цены. Дальнейший технический прогресс будет способствовать увеличению спроса на этот элемент. Ни токсичность, ни его высокая стоимость не смогут в будущем задержать широкого внедрения бериллия в технику. В судьбе бериллия часто бывали взлеты и падения. Это была своеобразная борьба достоинств и недостатков этого элемента. Однако достоинства бериллия неизбежно брали верх. Если бериллий начинал меньше использоваться, например в атомной технике, всегда на смену приходили другие области применения, например ракетно-космическая техника и радиоэлектроника. Различные конъюнктурные колебания в сферах использования бериллия никак не могли повлиять на уже сложившееся мнение об элементе № 4 как об очень нужном и полезном для техники. «Камнем надежды» называли в древних преданиях бериллы— основной минерал, из которого получают бериллий. И металл, рожденный из этих зеленых кристаллов, оправдывает сейчас самые смелые надежды и мечты ученых, ученых, которые смогли синтезировать даже сам «камень надежды». Итак, перед нами прошла почти 200-летняя история развития химии бериллия, если начинать хронологию с момента выявления «берилловой земли» Л. Н. Вокленом. На первом этапе изучения бериллия, который можно назвать аналитическим, с помощью атомно-молекулярной теории удалось определить состав соединений бериллия. Параллельно ученые и технологи пытались выделить бериллий в свободном состоянии. На втором этапе, получив чистый бериллий, стали изучать его физико-химические свойства, чему в немалой степени содействовало учение о периодичности. Третьим этапом стало изучение его электронной структуры. Особые свойства ядра бериллия помогли объяснить специфику физического поведения этого элемента. В XX в. удалось собрать уже достаточно значительный материал о бериллии, что позволило поставить вопрос о его промышленном применении. Таким образом, если драгоценные минералы, в состав которых входит бериллий, были известны много1 веков назад, то в современную технику бериллий вошел лишь в последние десятилетия. В биографии всех элементов, очевидно, есть как общие черты, так и черты, присущие только данному элементу. Сказанное выше об основных этапах развития химии бериллия можно отнести и к другим элементам. Однако история изучения бериллия имеет и свои индивидуальные черты. Так, например, трудности в познании бериллия заключались в том, что атомы бериллия в природных объектах хорошо «замаскированы» цепочкой кислородных атомов, а также тем, что его соединения обладают линиями сходства с другими элементами. Свойства соединений бериллия также противоречивы, что особенно заметно при переходе от одного класса объектов к другому. Так, одни соединения обладают высокой реакционной способностью, другие устойчивы в различных средах... Важнейшей чертой химического поведения бериллия является его способность образовывать прочные связи с близкими к нему элементами — фтором и кислородом. Только после всестороннего изучения механических, физических и химических свойств элемента можно полностью использовать его возможности в промышленности. Однако для бериллия путь познания еще не завершен. Так, мы еще мало знаем о биологической активности соединений бериллия, о роли некоторых его соединений в геохимической судьбе других элементов и т. п. Познание химического элемента поистине неисчерпаемо. Хотя в изучении бериллия многое уже сделано, можно с уверенностью сказать, что немало интересного узнать о нем еще предстоит. И действительно, последние десятилетия, даже годы, ставят перед исследователями этого элемента все новые и новые задачи. Ученые, занимающиеся историей науки и техники, вопросами научно-технической революции, давно уже пришли к выводу о неравномерном развитии науки, отдельных ее областей, С тех пор, как наука стала непосредственной производительной силон, научные открытия стали основой гигантского прогресса в развитии техники и промышленности. Взаимодействие науки и производства на определенных этапах развития является двусторонним по своему воздействию. Все эти положения подтверждаются при рассмотрении истории изучения бериллия, его получения и применения. Свойства этого элемента, прежде всего индивидуальные, раскрывались далеко не сразу. Лишь после открытия периодического закона и создания современной теории строения вещества (кристаллов/молекул, атомов, ядер) были выяснены причины проявления тех или иных свойств и созданы основы управления целенаправленным синтезом новых соединений и композиций — началась новейшая история изучения этого элемента. На этом пути пока сделаны только первые шаги. Еще предстоит выяснить возможности получения и свойства многочисленных сплавов бериллия с другими металлами. Такие системы обнаружат не только новые электрофизические и механические свойства, но и новые области применения (что связано со снижением токсичности и себестоимости продукции). Еще недостаточно определены возможности получения искусственных монокристаллов (синтез искусственных монокристаллов можно по значимости сопоставить с открытием месторождений нового вида сырья). Продолжаются работы по получению комплексных и элеыентор-ганических соединений бериллия. Это позволит глубже раскрыть его индивидуальность, в том числе и биохимическую, формы существования его соединений в различной среде. Каково же будущее этого элемента? Можно с уверенностью сказать, что возможности его практического применения еще далеко не исчерпаны. Чтобы создать условия для широкого использования соединений бериллия, надо иметь достаточные источники сырья, разработанную технологию, соответствующее оборудование и материалы, решить проблемы охраны здоровья и окружающей среды. К концу текущего столетия запасы меди, золота, цинка, урана, серебра, олова, свинца сильно уменьшатся. Уже сейчас развернулась замена их другими, например, в электронике меди алюминием, в фотографии серебра другими бессеребряными источниками хранения информации. Надежда на алюминий у человечества большая: ему придется заменить не только медь, но и железо. Считают, что ежегодная его потребность возрастет до 100 млн. т. Человечество с надеждой смотрит на такие элементы как бериллий, бор и титан. Композиционные материалы современной техники •будет нельзя представить без бериллия. Создание поли- и монокри-сталлических нитей — одно из перспективных направлений современного неорганического материаловедения. Футурологи считают, что XXI век станет веком расцвета наук о человеке и всестороннего использования достижений физики, химии и биологии в широкой практике: в техниике, быту, медицине, сельском хозяйстве, промышленности. И таким элементам, как бериллий, будет принадлежать далеко не последняя роль. Бериллий возможно станет «металлом XXI века». |
