Berilij

Berilij () jest hemijski element sa simbolom Be i atomskim brojem 4. Budući da je sav berilij stvoren nukleosintezom u zvijezdama kratkog vijeka, on je relativno rijedak element u svemiru. To je dvovalentni element koji se javlja samo u kombinaciji s drugim elementima u mineralima. Neko od poznatijih dragih kamenja sadrži berilij, između ostalih, mineral beril (akvamarin, smaragd i hrizoberil). Kao element, berilij je čelično sivi, snažni, ali lahki i krhki zemnoalkalni metal.

Berilij poboljšava mnoge fizičke osobine kada se doda u legure aluminija, bakra, željeza i nikla. Alati napravljeni od legura bakra i berilija u izrazito snažni i tvrdi, ne izazivaju varničenje pri udarcima o čelične površine. U strukturnim primjenama kombinacija visokog otpora pri savijanju, toplotne stabilnosti, toplotne provodljivosti i male gustoće (1,85 teži od vode) čini berilij materijalom omiljenim u aeronautici za izradu avionskih komponenti, projektila, svemirskih letjelica i satelita.

Zbog male gustoće i niskog atomskog broja relativno je propustljiv za x-zrake i druge oblike ionizirajućeg zračenja. Stoga je jedan od najčešćih materijala za otvore na rendgenskoj opremi i uređajima za fizičke eksperimente u području atomskih čestica. Velika toplotna provodljivost berilija i berilij-oksida od velike je važnosti za njihovu primjenu u upravljanju toplotom.

Komercijalna upotreba berilija zahtijeva korištenje odgovarajuće opreme za zaštitu od prašine te industrijske kontrole u proizvodnji zbog velike otrovnosti prašine koja sadrži berilij. Takva prašina koja se udiše može izazvati hronične alergijske bolesti opasne po život kod nekih osoba, nazvane berilioza.

 Historija 
Na osnovu pretpostavki francuskog svećenika i mineraloga René-Justa Haüya, hemičar Louis-Nicolas Vauquelin 1789. izolirao je berilij u obliku njegovog oksida iz dragog kamenja berila i smaragda. Nedugo nakon toga njemački naučnik Martin Heinrich Klaproth dobio je isti spoj, kojem je dao ime beryllium (po mineralu berilu). Hemijski simbol Be uveo je Jacob Berzelius 1814.

Tek 1828. Friedrichu Wöhleru i Antoineu Bussyju uspjelo je dobiti elementarni berilij redukcijom berilij-hlorida kalijem. Međutim, čisti elementarni berilij dobijen je 1899. elektrolizom natrij-tetrafluorid-berilata (Na2[BeF4]), što je učinio Paul Lebeau. Zbog slatkog okusa berilijevih soli sve do 1957. u Francuskoj se za berilij koristio naziv glucinium (grč. γλυκύς = slatko), koji je predlagao Vauquelin.

U antici i srednjem vijeku prozirni komadi berila služili su kao čarobno staklo, koje je, kao današnja lupa, povećavalo tekst i slike pri čitanju. Od naziva minerala berila izvodi se i latinska riječ berillus, od čega je nastala današnja njemačka riječ Brille (naočale), a koja je prvobitno označavala staklo od berila. Zajedno s polonijem (kao izvorima alfa-zraka) korišten je kao izvor neutrona u atomskoj bombi Little Boy, bačenoj na Hiroshimu 1945.

 Osobine 
 Fizičke 
Elementarni berilij je čelično sivi i tvrdi metal, na sobnoj temperaturi je krhak i ima gusto složenu heksagonalnu kristalnu strukturu. Ima izuzetno veliku čvrstoću (Youngov modul 287 GPa) i relativno visoku tačku topljenja. Modul elastičnosti berilija je otprilike 50% viši nego kod čelika. Kombinacija ovog modula i relativno niske gustoće rezultirala je neobično visokom brzinom zvuka u beriliju. Pri standardnim uslovima ona iznosi oko 12,9 km/s. Druge značajne osobine uključuju visoku specifičnu toplotu (1825 J·kg−1·K−1) i toplotnu provodljivost (približno 200 W·m−1·K−1), koje beriliju daju najbolje karakteristike rasipanja (odvođenja) toplote po jedinici težine. U kombinaciji s relativno niskim koeficijentom linearnog toplotnog širenja (ekspanzije) (11,4×10−6 K−1), ove karakteristike rezultiraju jedinstvenom stabilnošću ovog metala u uvjetima termalnog punjenja.

 Hemijske 
Hemijsko ponašanje berilija rezultat je uglavnom njegovog malog atomskog i ionskog radijusa. Zbog toga ima veoma veliki ionizacijski potencijal i jaku polarizaciju kada se spaja s drugim atomima, zbog čega je u svim svojim spojevima kovalentan. Sa hemijskog aspekta sličniji je aluminiju nego svojim "bližim susjedima" u periodnom sistemu zbog sličnijeg odnosa naboja i radijusa. Oko sebe formira zaštitni sloj oksida, koji onemogućava daljnje reakcije sa zrakom, osim ako se zagrije iznad 1000 °C. Ako se zapali, gori svijetlim plamenom dajući mješavinu berilij-oksida i berilij-nitrida. Vrlo se lahko otapa u neoksidativnim kiselinama, kao što je hlorovodična i razblažena H2SO4, ali ne i u dušičnoj kiselini ili vodi jer gradi okside. Ovakvo ponašanje slično je kao i kod metalnog aluminija. Također se rastvara u alkalnim rastvorima.

Atom berilija ima elektronsku konfiguraciju [He] 2s2. Dva valentna elektrona daju mu oksidacijsko stanje +2 i stoga ima mogućnost pravljenja dvije kovalentne veze; međutim, jedini dokaz niže valencije berilija je u topivosti metala u berilij-dihloridu (BeCl2). Prema pravilu okteta, atom teži da postigne valenciju 8, odnosno konfiguraciju plemenitog plina. Berilij teži da dostigne koordinacijski broj 4 jer njegove dvije kovalentne veze popunjavaju polovinu ovog okteta. Koordinacija 4 omogućava spojevima berilija, kao što su fluoridi ili hloridi, da grade polimere. Ove osobine primijenjene su u analitičkim tehnikama koristeći EDTA kao ligand. EDTA prvenstveno gradi oktahedralne komplekse – stoga apsorbira druge katione, poput Al3+, koji bi mogli smetati – naprimjer, u ekstrakciji otapalima kompleksa načinjenog između Be2+ i acetilacetona. Berilij(II) vrlo lahko daje komplekse s jakim donirajućim ligandima poput fosfin-oksida i arsin-oksida. Provedene su iscrpne studije o ovim kompleksima koje su pokazale stabilnost veze O-Be.

Rastvori berilijevih soli poput berilij-sulfata i berilij-nitrata kiseli su zbog hidrolize iona [Be(H2O)4]2+.
[Be(H2O)4]2+ + H2O 15px [Be(H2O)3(OH)]+ + H3O+

Drugi proizvodi hidrolize uključuju trimer-ion [Be3(OH)3(H2O)6]3+. Berilij-hidroksid Be(OH)2 nije rastvorljiv čak ni u kiselim rastvorima s pH nižom od 6, odnosno na biološkoj pH vrijednosti. On je amfoteran i rastvara se u jakim bazičnim rastvorima.

Berilij gradi binarne spojeve sa mnogim nemetalima. Anhidridni halidi poznati su za fluor, hlor, brom i jod. BeF2 ima strukturu sličnu silicij-dioksidu s tetraedrom u kojem BeF4 dijele vrhove. BeCl2 i BeBr2 imaju lančanu strukturu s tetraedrom u kojem dijele ivice. Svi berilijevi halidi imaju linearnu monomersku strukturu u plinovitom stanju.

 Izotopi 
I stabilni i nestabilni izotopi berilija su nastali u zvijezdama, međutim, oni nemaju dugo vrijeme postojanja. Vjeruje se da je najveći dio berilija u svemiru prvobitno nastao u međuzvjezdanom mediju kada su kosmički zraci inducirali fisiju težih elemenata koji su se tada nalazili u međuzvjedanoj prašini i gasu. Primordijalni berilij sadrži samo jedan stabilni izotop, 9Be, stoga je berilij monoizotopni element.

Kosmogenski radioaktivni 10Be nastaje u Zemljinoj atmosferi djelovanjem kosmičkih zraka na kisik i njegovim raspadanjem. Izotop 10Be se akumulira na površini tla, gdje ima relativno dugo vrijeme poluraspada od 1,36 miliona godina, nakon čega se polahko raspada na bor B10. Stoga 10Be i njegove kćerke izotopi se koriste za ispitivanje prirodne erozije tla, formiranje tla i razvoj lateritnih zemljišta kao i klimatska mjerenja varijacije Sunčeve aktivnosti i starosti ledenih kora.

Proizvodnja izotopa 10Be je obrnuto proporcionalna intenzitetu Sunčeve aktivnosti, jer povećanje solarnog vjetra tokom perioda visoke Sunčeve aktivnosti smanjuje fluks galaktičkih kosmičkih zraka koji dolaze do Zemlje. Nuklearne eksplozije također proizvode 10Be putem reakcije brzih neutrona s izotopom 13C u ugljik-dioksidu iz zraka. Ovo je jedan od pokazatelja ranijih aktivnosti na mjestima gdje je u prošlosti testirano nuklearno oružje. Izotop 7Be sa vremenom poluraspada oko 53 dana je također kosmogenog porijekla i ima atmosfersku rasprostranjenost zavisnu od Sunčevih pjega, slično kao i 10Be.

 Rasprostranjenost
U sastavu Sunca koncentracija berilija iznosi oko 0,1 ppb (1 • 10−8%) U Zemljinoj kori, berilij ima koncentraciju od 2 do 6 ppm (0,0002%-0,0006%). Najviše je koncentriran u tlu, 6 ppm, a pronađen je i u količinama od 0,2 ppt (dijelova triliona) u morskoj vodi. U tragovima je pronađeno prisustvo 9Be u Zemljinoj atmosferi. Po drugim izvorima, količina berilija u morskoj vodi je gotovo zanemariva, čineći samo 0,0006 ppb (dijelova milijarde) po masenom udjelu. Međutim, u tekućim vodama, berilij je rasprostranjen daleko više, te čini oko 0,1 ppb po masenom udjelu.

Berilij je pronađen u sastavu preko 100 minerala, ali većina njih su vrlo rijetki minerali. Najčešći i najrasprostranjeniji minerali koji sadrže berilij uključuju: bertrandit (Be4Si2O7(OH)2), beril (Al2Be3Si6O18), hrizoberil (Al2BeO4) i fenakit (Be2SiO4). Vrlo skupocijene forme berila su u obliku dragih kamenja poput akvamarina, crvenog berila i smaragda. Zelena boja u formama berila kao dragog kamenja javlja se zbog određenih količina primjesa hroma (oko 2% sadržaja smaragda).

Dvije glavne rude berilija, beril i bertrandit su pronađeni u Argentini, Brazilu, Indiji, Madagaskaru, Rusiji i u SAD. Ukupne svjetske rezerve rude berilija se procjenjuju na preko 400.000 tona.

 Upotreba 
Procjenjuje se da se najveći dio proizvedenog berilija utroši u vojne svrhe, tako da detaljne informacije nisu lahko dostupne.

Radijacijski prozori
Zbog njegovog niskog atomskog broja i vrlo slabe apsorpcije x-zračenja, najstarija, ali do danas najznačajnija, primjena berilija je u sklopu radijacijskog prozora za rendgenske uređaje. Ekstremno velika potražnja je usmjerena na čistoću berilija kako bi se izbjegle mrlje ili sjene na rendgenskim slikama. U svrhu radijacijskih prozora koriste se tanke folije od berilija koje se stavljaju na detektore x-zraka, čime se ekstremno niskom apsorpcijom minimiziraju efekti zagrijavanja uzrokovani niskoenergetskim x-zracima visokog intenziteta, karakteristični za sinhrotronsku radijaciju. Prozori koji vakuumski izoliraju i cijevi za eksperimente radijacije na sinhrotronu se izrađuju isključivo od berilija. U naučnim postavkama za različita proučavanja emisije x-zraka (naprimjer spektroskopija x-zrakama koje raspršuju energiju), držač uzorka se obično pravi od berilija jer x-zrake koje on emitira imaju znatno niže energije (oko 100 eV) od x-zraka većine materijala koji se proučavaju tom metodom.

 Mehaničke aplikacije 
Zbog svoje krutosti, malehne težine i dimenzionalne stabilnosti u širokom temperaturnom rasponu, metalni berilij se koristi za izradu lahkih strukturnih komponenti u vojnoj i avioindustriji, za dijelove ekstremno brzih aviona, navodećih projektila, svermirskih letjelica i vještačkih satelita. Neke vrste raketa na tečna goriva koriste dizne motora sačinjene od čistog metalnog berilija. Prah berilija je također ispitivan kao raketno gorivo, ali takva zamisao nikad nije realizirana. Manji broj ekskluzivnih kostura za bicikle je napravljeno sa berilijem, ali takvi primjerci imaju enormno visoke cijene. U periodu između 1998. i 2000. godine, tim McLarena u Formuli 1 koristio je motore Mercedes-Benz sa klipovima načinjenim od legure aluminija i berilija. Međutim, korištenje komponenti motora izrađenih od legura berilija je zabranjeno, nakon što se žalila ekipa Scuderia Ferrari.

Dodavanjem oko 2% berilija u bakar dobija se legura nazvana berilij bakar, koja je šest puta snažnija od čistog bakra. Legure berilija se koriste u razne svrhe zbog svojih osobina, gdje se kombiniraju njegova elastičnost, velika električna i toplotna provodljivost, velika izdržljivost i tvrdoća, nemagnetične osobine kao i velika otpornost na koroziju i zamor materijala. Neke od ovih aplikacija uključuju izradu alata koji ne varniči, a koji se može upotrebljavati u okolini gdje ima zapaljivih gasova (berilij nikl), za pravljenje opruga i membrana (legure berilij nikl i berilij željezo) korištenih u hirurškim instrumentima kao i uređaja koji se koriste u okruženju izloženom visokim temperaturama. Dodavanjem samo 50 dijelova berilija na milion pri legiranju sa tečnim magnezijem dobija se legura s izrazito povećanom otpornošću pream oksidaciji i smanjenjem zapaljivosti.

Ogledala
Od posebnog značaja su ogledala načinjena od berilija. Ogledala velikih površina, često u obliku koji podsjeća na pčelinje saće, koriste se, naprimjer, u meteorološkim satelitima kada je od esencijalnog značaja da on bude malehne težine i dugoročno dimenzionalno stabilan. Manja ogledala od berilija se koriste u sklopu optičkih kontrolnih sistema i sistema za kontrolu paljbe, naprimjer u njemačkim glavnim borbenim tenkovima Leopard 1 i Leopard 2. U ovim sistemima, neophodno je imati mogućnosti vrlo brze pokretljivosti ogledala, što dalje ponovno zahtijeva njihovu lahkoću i veliku čvrstoću. Obično su ogledala od berilija obložena tvrdim oblogama od elektrolitičko nanesenog nikla, koji se može mnogo lakše polirati sa finijim optičkim osobinama od samog berilija. Ipak, u nekim oblastima, sam berilij se polira bez ikakvih obloga. Ovo je naročito primjenjivo u kriogenim operacijama gdje izlaganjem temperaturi može doći do savijanja obloge usljed termalnog širenja.

Svemirski teleskop James Webb će imati 18 heksagonalnih sekcija načinjenih od berilija za svoja ogledala. Pošto je predviđeno da ovaj teleskop radi na temperaturama od 33 K, njegova ogledala su načinjena od berilija, te imaju mogućnost da izdrže ekstremnu hladnoću mnogo bolje od stakla. Berilij se mnogo manje skuplja i deformira od stakla, odnosno ostaje manje-više uniforman, na tako niskim temperaturama. Iz istog razloga, optika ugrađena na svemirski teleskop Spitzer je u potpunosti napravljena od metalnog berilija.

 Ostalo 
Berilij nije magnetičan. Stoga se alati izrađeni od berilija koriste u pomorskim i vojnim deminerskim jedinicama za rad na minama ili u vezi pomorskih mina, pošto su one najčešće dizajnirane da detoniraju putem magnetskih upaljača. On se također nalazi u sastavu materijala za održavanje i konstrukciju uređaja za snimanje magnetnom rezonancom (MRI mašine) zbog to što one generiraju jaka magnetska polja. U poljima radiokomunikacije i snažnih (obično vojnih) radara, ručni alati od berilija se koriste za podešavanje visoko magnetskih klistrona, magnetrona i slično, koji se koriste za generiranje snage mikrotalasa visokog nivoa u odašiljačima.

 Spojevi 
 Berilij-acetat Be(C2H3O2)2
 Berilij-karbid Be2C
 Berilij-hlorid BeCl2
 Berilij-fluorid BeF2 (međuproizvod pri proizvodnji čistog berilija)
 Berilij-hidrid BeH2
 Berilij-hidroksid Be(OH)2
 Berilij-nitrid Be3N2
 Berilij-oksid BeO
 Berilij-sulfat BeSO4
 Berilij-telurid BeTe
 Natrij-berilat Na2Be(OH)4

 Otrovnost 
Procjenjuje se da je u ljudskom organizmu sadržano oko 35 μg berilija, međutim ta količina se ne smatra opasnom. Berilij je hemijski dosta sličan magneziju te ga stoga može može istisnuti iz enzima koji ga sadrže, što može dovesti do poremećaja rada tih enzima. Hronična berilioza je plućna i sistematska granulomatozna bolest koja se javlja udisanjem prašine ili para kontaminiranih berilijem. Do ovog oboljenja može doći bilo da se osoba izloži većim količinama berilija za kratko vrijeme ili da se duži vremenski period izlaže manjim količinama. Simptomi bolesti se mogu javljati i do pet godina prije nego što se bolest potpuno razvije. Oko trećine oboljelih umre a ukoliko pacijent preživi često ostaje paraliziran ili invalid. Međunarodna agencija za istraživanje raka (IARC) je berilij i spojeve berilija stavila u kategoriju 1 kancerogenih supstanci.

Akutna berilijska bolest u obliku hemijskog pneumonitisa je prvi put opisana u Evropi 1933. i u SAD 1943. godine. Istraživanje je pokazalo da je oko 5% radnika u fabrici koja je proizvodila fluorescentne svjetiljke 1949. godine u SAD imalo plućne bolesti uzrokovane berilijem. Hronična berilioza ima dosta sličnosti sa sarkoidozom u mnogim aspektima, te je diferencijalna dijagnoza često otežana. Smatra se da je ona bila uzrokom smrti mnogih radnika u početku izrade nuklearnog oružja, kao što je slučaj Herbert L. Andersona.

Berilij se može naći i u ugljenoj šljaki. Kada se šljaka preradi u abrazivno sredstvo za uklanjanje boja i hrđe sa tvrdih površina, berilij se može osloboditi u zrak i tako postati izvor toksičnosti. Rani istraživači su kušali berilij i razne njegove spojeve te su, nakon što su utvrdili da ima sladak okus, na taj način utvrđivali i njegovo prisustvo. Moderna dijagnostička oprema više ne zahtijeva ovu visokorizičnu proceduru pa više nije potrebno pokušavati kušati ovu vrlo otrovnu supstancu. Berilijem i njegovim spojevima se treba vrlo pažljivo rukovati te se u radu s njim moraju preduzeti posebne mjere i nastojati spriječiti otpuštanje praha berilija u zrak. Kao mogući ishod produženom izlaganju prahu berilija moguća je pojava raka pluća. Iako je prestala upotreba berilijevih spojeva u fluorescentnim svjetlećim cijevima od 1949. godine, i dalje postoji potencijalni rizik izlaganju beriliju u nuklearnoj i aeronautičkoj industriji, kao i u industriji rafiniranja metala berilija i topljenja legura koje sadrže berilij, izradi elektronskih uređaja i korištenjem drugih materijala koji sadrže berilij.

 Reference 

 Literatura 




Kategorija:Hemijski elementi
Kategorija:Zemnoalkalni metali
Kategorija:Usporivači neutrona
Kategorija:Nuklearni materijali
Kategorija:Hemijske opasnosti
Kategorija:Reducensi