Βηρύλλιο

Το βηρύλλιο είναι το χημικό στοιχείο με σύμβολο Be και ατομικό αριθμό 4. Έχει (κανονική) θερμοκρασία τήξης 1278 °C και θερμοκρασία βρασμού 2970 °C. Το βηρύλλιο που παράγεται από τα άστρα είναι σχετικά βραχύβιο, οπότε κατά συνέπεια συμβαίνει να είναι σχετικά σπάνιο χημικό στοιχείο, τόσο στο σύμπαν όσο και στο φλοιό της Γης. Είναι δισθενές στοιχείο, που στη φύση υπάρχει μόνο σε ορυκτά, τα οποία είναι χημικές ενώσεις του με άλλα χημικά στοιχεία. Μεταξύ άλλων, υπάρχουν αξιοσημείωτοι πολύτιμοι λίθοι που περιέχουν βηρύλλιο, όπως ο βήρυλλος, το σμαράγδι και ο χρυσοβήρυλλος. Ως ελεύθερο μέταλλο, στις «κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος», δηλαδή σε θερμοκρασία 25°C και υπό πίεση 1 atm, το βηρύλλιο είναι ένα στερεό γκρίζο σαν το ατσάλι, ισχυρό, ελαφρύ, εύθραυστο και τοξικό μέταλλο, που ανήκει στις αλκαλικές γαίες. Παλαιότερα στη Γαλλία το στοιχείο αυτό αναφέρονταν με το όνομα «γλυκίνιο».

Το βηρύλλιο αυξάνει τη σκληρότητα και την αντίσταση στη διάβρωση, όταν σχηματίζει κράματα με το αλουμίνιο, το κοβάλτιο, το χαλκό (αξιοσημείωτο είναι το κράμα χαλκοβηρύλλιο), το σίδηρο και το νικέλιο. Σε δομικές εφαρμογές, το βηρύλλιο έχει υψηλή καμπτική ακαμψία, θερμική σταθερότητα, θερμική αγωγιμότητα και χαμηλή πυκνότητα, ιδιότητες που το κάνουν ένα υψηλής ποιότητας υλικό για αεροδιαστημικές εφαρμογές, όπως υψηλής ταχύτητας αεροσκάφη, αυτοκατευθυνόμενα βλήματα, διαστημικά οχήματα και τηλεπικοινωνιακούς δορυφόρους. Εξαιτίας της σχετικά μικρής του πυκνότητας και ατομικής μάζας του, το βηρύλλιο είναι σχετικά διαφανές στις ακτίνες Χ, και τις άλλες μορφές ιονίζουσας ακτινοβολίας, και γι' αυτό, είναι πολύ συνηθισμένο «υλικό παράθυρο» για εξοπλισμό ακτίνων Χ και πειράματα φυσικής σωματιδίων. Η υψηλή θερμική αγωγιμότητα του βηρυλλίου και του οξείδιου του βηρυλλίου (BeO) οδήγησαν στο να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές μεταφοράς και βύθισης θερμότητας.

Η εμπορική χρήση του βηρυλλίου παρουσιάζει τεχνικές προκλήσεις, εξαιτίας της τοξικότητας (ιδιαίτερα με εισπνοή) της σκόνης που το περιέχει. Το βηρύλλιο είναι διαβρωτικό για τους ιστούς και μπορεί να προκαλέσει μια χρόνια και επικίνδυνη για τη ζωή του θύματος αλλεργική ασθένεια που ονομάζεται βηρυλλίωση, σε κάποια από τα άτομα που έρχονται σε επαφή μαζί του. Το βηρύλλιο είναι άγνωστο αν είναι απαραίτητο ή έστω χρήσιμο για κάποια γνωστή φυτική ή ζωική μορφή ζωής.

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.

Χαρακτηριστικά

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:

Το 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.

Ισότοπα και πυρηνοσύνθεση 

Τόσο σταθερά όσο και ασταθή ισότοπα του βηρυλλίου δημιουργούνται στα άστρα, αλλά τα ραδιοϊσότοπά του δεν κρατούν πολύ. Πιστεύεται ότι το περισσότερο από το σταθερό βηρύλλιο του σύμπαντος αρχικά δημιουργήθηκε στο διαστρικό διάστημα όταν κοσμικές ακτίνες προκάλεσαν πυρηνική σχάση σε βαρύτερα χημικά στοιχεία που βρίσκονταν στο διαστρικό διάστημα, το οποίο περιέχει αέριο και σκόνη. Το πρωτοκοσμικό βηρύλλιο περιέχει μόνο ένα σταθερό ισότοπο, το 9Be, και γι'  αυτό το βηρύλλιο είναι μονοϊσοτοπικό χημικό στοιχείο.

Το ραδιενεργό κοσμογενικό 10Be παράχθηκε στην ατμόσφαιρα της Γης με επίδραση κοσμικών ακτίνων στο οξυγόνο. Το 10Be καθιζάνει στο επιφανειακό έδαφος όπου η σχετικά μακρά ημιζωή του (1,36 εκατομμύρια έτη) επιτρέπει τη μακροχρόνια παρουσία του, πριν μετατραπεί σε 10B. Έτσι, το 10Be και τα θυγατρικά του προϊόντα χρησιμοποιήθηκαν για την εξέταση της φυσικής διάβρωσης του εδάφους και του σχηματισμού του εδάφους, την ανάπτυξη λατεριτικών εδαφών. Χρησιμοποιήθηκε ακόμη ως μέσο για τη μέτρηση των ποικιλιών της ηλιακής δραστηριότητας και την ηλικία των πυρήνων πάγου. Η παραγωγή 10Be σχετίζεται με την ηλιακή δραστηριότητα γιατί ο αυξημένος ηλιακός άνεμος μειώνει τη ροή των γαλακτικών κοσμικών ακτίνων που φθάνουν στη Γη. Οι πυρηνικές εκρήξειςεπίσης σχηματίζουν 10Be με αντίδραση ταχέων νετρονίων σε 13C που περιέχεται στο διοξείδιο του άνθρακα (CO2) του ατμοσφαιρικού αέρα. Είναι μια από τις ενδείξεις για την παρελθούσα δραστηριότητα σε τοποθεσίες δοκιμών πυρηνικών όπλων. Το ισότοπο 7Be (με ημιζωή 53 ημέρες) είναι επίσης κοσμογενικό, και δείχνει ατμοσφαιρική αφθονία που συνδέεται με τις ηλιακές κηλίδες, πολύ παρόμοια με το 10Be.

Εφαρμογές 
Χρησιμοποιείται κυρίως ως σκληρυντής σε ορισμένα κράματα, ειδικότερα στο moldamax, που είναι κράμα χαλκού-βηρυλλίου το οποίο χρησιμοποιείται για την παραγωγή καλουπιών για πλαστικές ύλες. Τα κράματα του είναι ταυτόχρονα ελαφρά και δύσκαμπτα, αντιστέκονται στη θερμότητα και διαθέτουν μικρό συντελεστή διαστολής.
 
Το βηρύλλιο ενσωματώνεται σε ορισμένα ειδικά κράματα, για παράδειγμα υλικά που χρησιμοποιούνται για την τριβή. Συναντάται στα μπαστούνια του γκολφ, τα ελατήρια ρολογιών (αντιμαγνητικό), τα γυροσκόπια, καθώς και σε διάφορες αεροδιαστημικές  εφαρμογές. Χρησιμοποιήθηκε και στους κινητήρες για τους αγώνες ταχύτητας (έμβολα της Formula 1) έπειτα όμως η χρήση του απαγορεύτηκε.

Το βηρύλλιο χρησιμοποιείται επίσης σε υψηλού κόστους μεγάφωνα tweeter (απόδοσης υψηλών συχνοτήτων) και mid-range (απόδοσης μέσων συχνοτήτων) ηχείων από ορισμένες εταιρείες, ως εναλλακτικό που πλεονεκτεί έναντι του τιτανίου και του αλουμινίου, κυρίως λόγω της χαμηλότερης πυκνότητας και υψηλότερης σκληρότητάς του (κλίμακα Focal-JMlab). 
 
Το οξείδιο του βηρυλλίου χρησιμοποιείται σε μεγάλο βαθμό στην ηλεκτρονική, σε ιδιαίτερα υψηλή συχνότητα. Το σώμα αυτό διαθέτει πράγματι την ιδιότητα να είναι καλός μονωτής (μικρές διηλεκτρικές απώλειες) εξασφαλίζοντας μια ισχυρή θερμική αγωγιμότητα. Χρησιμεύει επομένως, μαζί με σιλικόνες, ως υλικό ψύξης. 

Καθιστά επίσης δυνατή την παραγωγή εργαλείων που δεν προκαλούν σπινθήρες ανάφλεξης στη βιομηχανία των εκρηκτικών. 

Ορισμένες χρήσεις των κρυσταλλικών ιδιοτήτων του είναι οι εξής:

 ως φίλτρο νετρονίων, για να σχηματιστούν «καθαρές» δέσμες νετρονίων απαλλαγμένες από άλλα σωματίδια.

 ως "παράθυρο" ακτίνων Χ, για παράδειγμα το παράθυρο μιας λυχνίας ακτίνων Χ ή ενός ανιχνευτή ακτίνων Χ, το παράθυρο απομονώνει το εσωτερικό της συσκευής από το γύρω περιβάλλον.

 υπό τη μορφή οξειδίου δρα ως επιβραδυντικό υλικό στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. 

Στη γεωμορφολογία και την παλαιοσεισμολογία, το ισότοπο 10Be, που δημιουργείται από τις κοσμικές ακτίνες, χρησιμοποιείται για τη χρονολόγηση επιφανειών μέσω κοσμογενικών ισοτόπων ή για τον προσδιορισμό του ποσοστού διάβρωσης.

Παραπομπές και παρατηρήσεις

Εξωτερικοί σύνδεσμοι