Βηρύλλιο

Ονομασία

Το όνομα του στοιχείου προέρχεται από την βήρυλλο, το πυριτικό ορυκτό του βηρυλλίου, του οποίου αποτελεί ένα από τα κυριότερα μεταλλεύματα. Αρχικά το στοιχείο ανακαλύφθηκε από τον Βωκελέν (Vauquelin) το 1798. Οι συντάκτες του περιοδικού Annales de Chimie et de Physique ονόμασαν το νέο στοιχείο «glucine» λόγω του ότι κάποιες από τις ενώσεις του έχουν γλυκιά γεύση. Ο Κλάπροθ (Klaproth) προτίμησε το όνομα «beryllina» δεδομένου ότι και ενώσεις της ύττριας (yttria - οξείδιο του υττρίου) έχουν γλυκιά γεύση. Το όνομα «beryllium» (βηρύλλιο) χρησιμοποιήθηκε πρώτη φορά από τον Βέλερ (Wöhler) το 1828. Ο Βέλερ ήταν ένας από τους δυο επιστήμονες (ο άλλος ήταν ο Αντουάν Μπυσσσύ (Antoine Bussy), οι οποίοι εργαζόμενοι ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο απομόνωσαν το βηρύλλιο με χημική αντίδραση.

Φυσική παρουσία

Ο Ήλιος έχει συγκέντρωση 100 ppt (μέρη ανά τρισεκατομμύριο = 10⁻¹²) βηρυλλίου, ενώ ο γήινος φλοιός έχει συγκέντρωση που κυμαίνεται μεταξύ 2 και 6 ppm (μέρη ανά εκατομμύριο = 10⁻⁶). Η μεγαλύτερη συγκέντρωση στο έδαφος ανέρχεται στα 6 ppm. Ιχνοποσότητες βηρυλλίου ανιχνεύονται στη γήινη ατμόσφαιρα. Η συγκέντρωση βηρυλλίου στο θαλάσσιο νερό κυμαίνεται μεταξύ 200 και 600 ppq (μέρη ανά τετράκις εκατομμύριο = 10⁻¹⁵). Ωστόσο, σε νερό πηγής το βηρύλλιο είναι πιο άφθονο, με συγκέντρωση που (φυσιολογικά) φθάνει τα 100 ppt. 
Το βηρύλλιο βρίσκεται σε πάνω από 100 ορυκτά, αλλά τα περισσότερα από αυτά είναι από ασυνήθιστα ως σπάνια. Τα πιο συνηθισμένα ορυκτά βηρυλλίου συμπεριλαμβάνουν το βερτρανδίτη [Be₄Si₂O₇(OH)₂], το βήρυλλο (Al₂Be₃Si₆O₁₈), το χρυσοβήρυλλο (Al₂BeO₄) και το φαινακίτη (Be₂SiO₄). Πολύτιμες μορφές του βηρυλλίου αποτελούν η ακουαμαρίνα, ο ερυθρός βήρυλλος και το σμαράγδι.  Ωστόσο, το πράσινο χρώμα στους βηρυλλιούχους πολύτιμους λίθους προέρχεται από προσμείξεις (περί το 2% για το σμαράγδι) χρωμίου.
Για τα δυο κύρια μεταλλεύματα βηρυλλίου, ο βήρυλλος και ο βερτρανδίτης, έχουν βρεθεί (ως τώρα εκμεταλλεύσιμα) κοιτάσματα στην Αργεντινή, στη Βραζιλία, στην Ινδία, στη Μαδαγασκάρη, στη Ρωσία και στις ΗΠΑ.  Τα παγκόσμια αποθέματα βηρυλλίου ξεπερνούν τους 400.000 τόνους.

Φυσικές ιδιότητες

Το βηρύλλιο (πάντα στις «κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος») είναι ένα χαλυβδόμορφο γκρι και σκληρό υλικό που είναι εύθραυστο (σε «θερμοκρασία δωματίου») και έχει μια συμπιεσμένη εξαγωνική κρυσταλλική δομή. Έχει εξαιρετική καμπτική ακαμψία, 287 GPa κατά το μέτρο Γιανγκ (Young's modulus), και ένα σχετικά υψηλό σημείο τήξης, για την ακρίβεια το υψηλότερο από όλα τα ελαφρά μέταλλα. Το μέτρο ελαστικότητας του βηρυλλίου είναι ακριβώς 50% μεγαλύτερο από αυτό του χάλυβα. Ο συνδυασμός αυτού του μέτρου και της σχετικά χαμηλής πυκνότητάς του έχει ως αποτέλεσμα μια ασυνήθιστα υψηλή ταχύτητα διάδωσης του ήχου μέσα από το βηρύλλιο, περίπου 12,9 km/s (46.440 km/h) σε Κανονικές συνθήκες. Άλλες σημαντικές ιδιότητες του βηρυλλίου είναι η υψηλή του ειδική θερμότητα [1.925 J/(kg·K)] και η (υψηλή του) θερμική αγωγιμότητα [216 W/(kg·K)], που κάνουν το βηρύλλιο το μέταλλο με την καλύτερη απαγωγή θερμότητας κατά μονάδα βάρους. Σε συνδυασμό με το σχετικά χαμηλό συντελεστή γραμμικής θερμικής διαστολής (11,4·10⁻⁶ K⁻¹), αυτά τα χαρακτηριστικά καταλήγουν σε μια μοναδική σταθερότητα κάτω από συνθήκες θερμικής καταπόνησης. Τέλος, η ολκιμότητά του είναι κατά περίπου 33% μεγαλύτερη από αυτή του χάλυβα.

Πυρηνικές ιδιότητες

Το φυσικό βηρύλλιο, ασφαλές για μικρή μόλυνση από κοσμογενικά ραδιοϊσότοπα, είναι ουσιαστικά βηρύλλιο-9, που έχει πυρηνικό σπιν (spin) -3/2. Το βηρύλλιο έχει μια (σχετικά) μεγάλη διατομή σκέδασης για υψηλής ενέργειας νετρόνια, περίπου 6 barns για ενέργειες πάνω από 10 keV. Γι' αυτό το βηρύλλιο λειτουργεί ως νετρονικός ανακλαστήρας και νετρονικός επιβραδυντής, που επιβραδύνει αποτελεσματικά νετρόνια στο εύρος των «θερμικών νετρονίων», δηλαδή σε ενέργειες κάτω από 0,03 eV, όπου η συνολική διατομή σκέδασης είναι τουλάχιστον κατά μια τάξη μεγέθους μικρότερη, η ακριβής τιμή εξαρτάται πολύ από την καθαρότητα και το μέγεθος των κρυσταλλιτών του υλικού.
Στο απλό αρχέγονο ισότοπο βηρύλλιο-9 επίσης συμβαίνει μια νετρονική αντίδραση τύπου (n,2n) με νετρονιακές ενέργειες πάνω από περίπου 1,9 MeV, παράγοντας βηρύλλιο-8, που σχεδόν αμέσως διασπάται σε δυο σωματίδια α. Έτσι, για υψηλής ενέργειας νετρόνια, το βηρύλλιο εκπέμπει περισσότερα νετρόνια από όσα απορροφά. Οι παραπάνω πυρηνικές αντιδράσεις μπορούν να παρασταθούν συνολικά ως ακολούθως:
Νετρόνια απελευθερώνονται (επίσης) όταν πυρήνες βηρυλλίου «χτυπηθούν» από ενεργητικά σωματίδια α, παράγοντας την ακόλουθη πυρηνική αντίδραση:
To βηρύλλιο επίσης απελευθερώνει νετρόνια μετά από βομβαρδισμό με ακτίνες γ. Έτσι, επειδή το φυσικό βηρύλλιο μπορεί να βομβαρδιστεί είτε με σωματίδια α είτε με ακτίνες γ από ένα κατάλληλο ραδιοϊσότοπο είναι ένα νευραλγικό συστατικό στις περισσότερες πηγές νετρονικών αντιδράσεων που τροφοδοτούνται από ραδιοϊσότοπα και χρησιμοποιούνται για την εργαστηριακή παραγωγή ελεύθερων νετρονίων.
Ως ένα μέταλλο, το βηρύλλιο είναι (σχετικά) διαφανές στα περισσότερα μήκη κύματος των ακτίνων Χ και ακτίνων γ, κάνοντάς το χρήσιμο για «παράθυρα εξόδου» σωλήνων ακτίνων Χ και άλλων παρόμοιων συσκευών.