Beryl (pierwiastek)

Beryl (Be, łac. beryllium) – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 4, metal należący do drugiej grupy głównej układu okresowego. Stosunkowo rzadko występuje we Wszechświecie, z reguły jako produkt spalacji większych jąder atomowych pod wpływem promieniowania kosmicznego.

Beryl

lit ← beryl → bor
– ↑ Be ↓ Mg 4 Be
Wygląd
stalowoszary
Widmo emisyjne berylu
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a.	beryl, Be, 4 (łac. beryllium)
Grupa, okres, blok	2 (IIA), 2, s
Stopień utlenienia	II
Właściwości metaliczne	metal ziem alkalicznych
Właściwości tlenków	amfoteryczne
Masa atomowa	9,0122 ± 0,0001
Stan skupienia	stały
Gęstość	1848 kg/m³
Temperatura topnienia	1287 °C
Temperatura wrzenia	2471 °C
Numer CAS	7440-41-7
PubChem	5460467
Właściwości atomowe Promień • atomowy • walencyjny • van der Waalsa 112 pm 90 pm 153 pm Konfiguracja elektronowa [He]2s2 Zapełnienie powłok 2, 2 (wizualizacja powłok) Elektroujemność • w skali Paulinga • w skali Allreda 1,57 1,47 Potencjały jonizacyjne I 899,5 kJ/mol II 1757,1 kJ/mol III 14848,7 kJ/mol
Właściwości fizyczne Ciepło parowania 292,40 kJ/mol Ciepło topnienia 12,20 kJ/mol Ciśnienie pary nasyconej 4180 Pa Konduktywność 31,3×106 S/m Ciepło właściwe 1825 J/(kg·K) Przewodność cieplna 201 W/(m·K) Układ krystalograficzny heksagonalny Twardość • w skali Mohsa 5,5 Prędkość dźwięku 13000 m/s Objętość molowa 4,85×10−6 m³/mol
Najbardziej stabilne izotopy izotop wyst. o.p.r. s.r. e.r. MeV p.r. 7Be {syn.} 53,12 dni w.e. 0,862 7Li 9Be 100% stabilny izotop z 5 neutronami 10Be ślady 1,51×106 lat β− 0,556 10B 11Be {syn.} 13,8 s β− 11,506 11B
Niebezpieczeństwa Karta charakterystyki: dane zewnętrzne firmy Sigma-Aldrich [dostęp 2011-10-02] Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Na podstawie Rozporządzenia CLP, zał. VI Niebezpieczeństwo Zwroty H H301, H315, H317, H319, H330, H335, H350i, H372 Zwroty P P201, P260, P280, P284, P301+P310, P305+P351+P338 NFPA 704 Na podstawie podanego źródła 0 3 3   Numer RTECS DS1750000
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

W związkach przyjmuje II stopień utlenienia. Naturalnie występuje jedynie w połączeniu z innymi pierwiastkami w minerałach. Ważniejszymi kamieniami szlachetnymi zawierającymi ten pierwiastek są akwamaryn, szmaragd i chryzoberyl.

W postaci wolnej beryl jest twardym, lekkim i kruchym metalem o stalowoszarej barwie. Jedynym jego stabilnym izotopem jest 9
Be. Został odkryty przez Louisa Vauquelina w 1798 roku.

Dodany jako pierwiastek stopowy do glinu, miedzi, żelaza i niklu, znacznie zmienia ich właściwości fizyczne. Narzędzia wykonane ze stopów berylu z miedzią są twarde, trwałe i nieiskrzące. W zastosowaniach konstrukcyjnych, połączenie wysokiej sztywności, stabilności termicznej, przewodności cieplnej oraz niskiej gęstości (1,85 gęstości wody) czyni beryl materiałem odpowiednim do produkcji podzespołów samolotów, rakiet, statków kosmicznych i satelitów. Z powodu niskiej gęstości i masy atomowej przepuszcza promienie rentgenowskie oraz innego rodzaju promieniowanie jonizujące. Z tego względu stanowi najpowszechniejszy materiał do produkcji okien w aparaturze rentgenowskiej oraz komponentów wykorzystywanych do eksperymentów fizyki cząstek elementarnych. Wysoka przewodność cieplna berylu i tlenku berylu pozwoliła na wykorzystanie w systemach do zarządzania ciepłem.

Komercyjne wykorzystanie tego pierwiastka wymaga zastosowania odpowiedniego systemu odprowadzenia pyłu oraz sterowania przemysłowego ze względu na toksyczność pyłów zawierających beryl. U niektórych ludzi mogą one wywołać zagrażającą życiu chorobę alergiczną, zwaną berylozą. Uczulenie na beryl dotyczy około 16% populacji.

Historia

Beryl odkrył francuski chemik Louis Nicolas Vauquelin podczas badania składu minerałów o tej samej nazwie, głównie szmaragdu. O odkryciu poinformował 15 lutego 1798 roku, na posiedzeniu Akademii Francuskiej. Czysty beryl po raz pierwszy otrzymał francuski chemik Paul Lebeau (1898) podczas elektrolizy stopionego fluoroberylanu sodowego NaBeF
3.

Występowanie

Zawartość berylu w górnych warstwach skorupy Ziemi wynosi 0,0002%, występuje w minerałach takich jak beryl (Be
3Al
2[Si
6O
18]), chryzoberyl (Al
2BeO
4) lub fenakit (Be
2SiO
4). Niektóre odmiany minerału berylu (szmaragd, akwamaryn, heliodor) uznawane są za kamienie szlachetne.

Otrzymywanie

Metaliczny beryl można wydzielić elektrolitycznie ze stopionych soli – BeCl
2 i BeF
2.

Właściwości

Właściwości fizyczne

Beryl jest twardym, kruchym metalem o zwartej heksagonalnej strukturze krystalicznej. Charakteryzuje się wyjątkowo wysoką sztywnością (moduł Younga 287 GPa) i wysoką temperaturą topnienia, wynoszącą 1287 °C.

Właściwości chemiczne

W związkach chemicznych występuje na +II stopniu utlenienia. Nie roztwarza się na zimno w kwasie azotowym (ulega pasywacji). Aby reakcja berylu z wodą zaszła efektywnie należy podgrzać ją niemal do wrzenia. Rozcieńczone kwasy siarkowy i solny reagują z berylem już w temperaturze pokojowej. Z powodu amfoterycznych właściwości rozpuszcza się w roztworach wodorotlenków metali alkalicznych:

Be + 2OH−
+ 2H
2O → [Be(OH)
4]2−
+ H
2↑

Stosunkowo duża elektroujemność sprawia, że beryl łączy się z innymi pierwiastkami poprzez wiązania kowalencyjne. Sole berylu są podatne na hydrolizę, w wyniku której powstają kationy tetraakwaberylowe [Be(H
2O)
4]2+
, wchodzące w skład soli kompleksowych o charakterze jonowym, np. [Be(H
2O)
4]SO
4 i [Be(H
2O)
4]Cl
2. Beryl może tworzyć także inne związki kompleksowe, np. [BeF
4]2−
.

Z tlenem beryl tworzy tlenek berylu (BeO, krystalizuje w układzie heksagonalnym). Znane są także związki berylu z wodorem BeH
2, siarką – BeS, azotem – Be
3N
2, węglem – Be
2C.

Wodorotlenek berylu Be(OH)
2 jest trudno rozpuszczalny w wodzie i ma własności amfoteryczne, z silnymi zasadami dając berylany, np. Na
2BeO
2 i K
2BeO
2. Siarczan berylu BeSO
4 jest dobrze rozpuszczalny w wodzie (41,3 g/100 cm³ w 25 °C), natomiast węglan BeCO
3·4H
2O rozpuszcza się dużo słabiej (0,36 g/100 cm³ w 0 °C).

Właściwości biologiczne

Beryl prawdopodobnie nie ma znaczenia biologicznego; dotychczas nie stwierdzono wykorzystywania tego pierwiastka przez organizmy żywe. Związki berylu są silnie trujące, wywołując berylozę, głównie przy kontakcie ze skórą lub poprzez wdychanie pyłu berylowego.

Zastosowanie

Technika jądrowa

Ze względu na mały przekrój czynny wychwytu neutronów termicznych, metaliczny beryl stosowany jest jako moderator spowalniający neutrony w reaktorach jądrowych, oraz do wyrobu prętów sterujących i awaryjnych. W mieszaninie z pierwiastkami emitującymi cząstki alfa stosowany jest jako źródło neutronów. Będąc dobrym reflektorem neutronów, wykorzystywany jest w broni jądrowej jako osłona (reflektor) ładunku jądrowego, co pozwala na zmniejszenie masy krytycznej.

Technika radiacyjna

Okienko berylowe w mikroskopie rentgenowskim

Beryl bardzo słabo pochłania promieniowanie rentgenowskie, co pozwala na stosowanie go do wyrobu okienek w aparatach i mikroskopach rentgenowskich oraz w detektorach promieniowania rentgenowskiego.

Dzięki przezroczystości berylu dla wysokoenergetycznych cząstek naładowanych elektrycznie, wykorzystuje się go do budowy detektorów takiego promieniowania w akceleratorach cząstek elementarnych (np. Wielki Zderzacz Hadronów).

Technika głośnikowa

Duża sztywność (moduł Younga 287 GPa) i niska gęstość sprawiają, że stosuje się go do wytwarzania membran głośników wysokotonowych charakteryzujących się znacznie lepszymi parametrami od wykonanych typowo z tytanu lub glinu (pasmo przenoszenia 1000 – 40 000 Hz). Ze względu na toksyczność berylu i jego trudną obróbkę, ich cena jest znacznie wyższa i są produkowane przez niewiele firm.

Inne zastosowania

Beryl może służyć jako dodatek do stopów innych metali, gdzie zwiększa twardość i odporność na korozję. Stop miedzi z berylem jest wykorzystywany w produkcji narzędzi nieiskrzących, elementów sprężystych, podzespołów aparatury chemicznej oraz elementów żaroodpornych. Pył berylowy jest składnikiem stałego paliwa rakietowego o najwyższym impulsie właściwym oraz rakietowych silnikach o zastosowaniach militarnych.

Ze względu na małą gęstość i dobre parametry mechaniczne, beryl wykorzystano do budowy zwierciadeł w Kosmicznym Teleskopie Jamesa Webba.

Bibliografia

• JerzyJ. Minczewski JerzyJ., ZygmuntZ. Marczenko ZygmuntZ., Chemia analityczna – 1 podstawy teoretyczne i analiza jakościowa, Warszawa: PWN, 2001, ISBN 83-01-13498-4, ISBN 83-01-13499-2, OCLC 749313943 . Brak numerów stron w książce