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.

Ten artykuł dotyczy pierwiastka chemicznego. Zobacz też: inne znaczenia.

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[1][a]
Stan skupienia	stały
Gęstość	1848 kg/m³
Temperatura topnienia	1287 °C[2]
Temperatura wrzenia	2471 °C[2]
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[3] Niebezpieczeństwo Zwroty H H301, H315, H317, H319, H330, H335, H350i, H372 Zwroty P P201, P260, P280, P284, P301+P310, P305+P351+P338[4] NFPA 704 Na podstawie podanego źródła[5] 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^[6].

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^[6].

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^[7]) i wysoką temperaturą topnienia, wynoszącą 1287 °C^[2].

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^[8]. 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)^[9].

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^[10].

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^[7]) 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)^[11]. Ze względu na toksyczność berylu i jego trudną obróbkę, ich cena jest znacznie wyższa i są produkowane przez niewiele firm^[12].

Inne zastosowania

Beryl może służyć jako dodatek do stopów innych metali, gdzie zwiększa twardość i odporność na korozję^[10]. 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^[13].

Uwagi

1. Podana wartość stanowi przybliżoną standardową względną masę atomową (ang. abridged standard atomic weight) publikowaną wraz ze standardową względną masą atomową, która wynosi 9,0121831 ± 0,0000005. Zob. Prohaska i in. 2021 ↓, s. 584.