Берилиум

Берилиум — хемиски елемент кој има симбол Be и атомски број 4. Тоа е челично-сив, тврд, силен, лесен и кршлив земноалкален метал. Тоа е двовалентен елемент кој природно се јавува единствено во комбинација со други елементи за да формира минерали. Скапоцените камења со висока содржина на берилиум вклучуваат берил (аквамарин, смарагд, црвен берил) и хризоберил. Тој е релативно редок елемент во Вселената, кој обично се јавува како производ на распрснувањето на поголемите атомски јадра кои се судриле со космичките зраци. Во јадрата на ѕвездите, берилиумот се исцрпува бидејќи се спојува во потешки елементи. Берилиумот сочинува околу 0,0004 проценти од масата на Земјината кора. Светското годишно производство на берилиум од 220 тони обично се произведува со екстракција од минералот берил, тежок процес бидејќи берилиумот силно се врзува со кислородот.
Во структурните апликации, комбинацијата на висока виткачка ригидност, топлинска стабилност, топлинска спроводливост и мала густина (1,85 пати поголема од онаа на водата) го прават берилиумот пожелен материјал за воздухопловството, за проектили, вселенски летала и сателити. Поради неговата мала густина и атомска маса, берилиумот е релативно проѕирен за рендгенски зраци и други форми на јонизирачко зрачење; затоа, тој е најчестиот материјал за прозорци за опрема за рендген и компоненти на забележувач на честички. Кога се додава како елемент на легура на алуминиум, бакар (особено легура на берилиум бакар), железо или никел, берилиумот подобрува многу физички својства. На пример, алатите и компонентите направени од легури на бакар од берилиум се силни и тврди и не создаваат искри кога ќе удрат на челична површина. Во воздухот, површината на берилиумот лесно се оксидира на собна температура за да формира пасивнен слој од 1-10 nm дебелина што го штити од понатамошна оксидација и корозија. Металот оксидира на големо (надвор од слојот на пасивација) кога се загрева над , и брилијантно гори кога се загрева на околу .
Комерцијалната употреба на берилиум бара употреба на соодветна опрема за контрола на прашина и индустриски контроли во секое време поради труење на вдишената прашина што содржи берилиум што може да предизвика хронична алергиска болест опасна по живот, берилиоза, кај некои луѓе. Берилиозата типично се манифестира со хронична белодробна пневмофиброза и, во тешки случаи, деснострана срцева слабост и смрт.
1 Карактеристики
1.1 Физички својства
Берилиумот претставува челичен сив и тврд метал кој е кршлив на собна температура и има шестоаголна кристална структура. Има исклучителна крутост (Јунгов модел 287 GPa) и точка на топење од 1287 °C. Модулот на растегливост на берилиумот е приближно 35% поголем од оној на челикот. Комбинацијата на овој модул и релативно мала густина резултира со невообичаено брзина на спроводливост на звукот во берилиум - околу 12,9 km/s при стандардни услови. Други значајни својства се високата специфична топлина и топлинска спроводливост, кои го прават берилиумот метал со најдобри карактеристики за ширење на топлина по единица тежина. Во комбинација со релативно нискиот коефициент на линеарно топлинскопроширување (11,4 × 10 <sup>−6</sup> K <sup>−1</sup>), овие карактеристики резултираат со единствена стабилност во услови на топлинско оптоварување.
1.2 Јадрени својства
Природно настанатиот берилиум, освен со мало загадување од космогените радиоизотопи, е изотопски чист берилиум-9, кој има јадрен спин од . Берилиумот има голем напречен пресек за високоенергетски неутрони, околу 6 барни за енергии над приближно 10 keV. Затоа, работи како неутронски рефлектор и модератор на неутрони, ефикасно забавувајќи ги неутроните до опсегот на топлинска енергија под 0,03 eV, каде што вкупниот напречен пресек е најмалку по ред по големина помал; точната вредност силно зависи од чистотата и големината на кристалитите во материјалот.
Единствениот исконски изотоп на берилиум <sup>9</sup> Be исто така се подложува на (n,2n) неутронска реакција со неутронска енергија над околу 1,9 MeV, произведувајќи <sup>8</sup> Be, кој речиси веднаш се распаѓа на две алфа честички. Така, за високоенергетските неутрони, берилиумот е умножувач на неутрони, што ослободува повеќе неутрони отколку што впива. Оваа јадрена реакција е:
+ n → 2 + 2 n
:
Неутроните се ослободуваат кога јадрата на берилиум ќе бидат погодени од енергетски алфа честички кои произведуваат јадрена реакција
: + → + n
каде е алфа честичка и е јадро на јаглерод-12. Берилиумот исто така ослободува неутрони под бомбардирање од гама зраци. Така, природниот берилиум бомбардиран или со алфи или гами од соодветен радиоизотоп е составен дел на повеќето неутронски извори на јадрена реакција на радиоизотопи за лабораториско производство на слободни неутрони.
Мали количини на тритиум се ослободуваат кога јадрата впиваат неутрони со ниска енергија во тристепената јадрена реакција
: + n → + , → + β<sup>−</sup>, + n → +
има полуживот од само 0,8 секунди, β- е електрон и има пресек со високо впивање на неутрони. Тритиумот е радиоизотоп што предизвикува загриженост во тековите на отпад од јадрените реактори.
1.3 Оптички својства
Како метал, берилиумот е проѕирен за повеќето бранови должини на Х-зраци и гама зраци, што го прави корисен за излезните прозорци на рендгенските цевки и други такви апарати.
1.4 Изотопи и нуклеосинтеза
Многу мал дел - 10 <sup>−9</sup> - од исконските атоми создадени во нуклеосинтезата на Биг Бенг биле <sup>7</sup> Be. Ова е последица на малата густина на материјата кога температурата на Вселената се оладила доволно за малите јадра да бидат стабилни. Создавањето такви јадра бара судири на јадрени реакции кои се ретки.<sup>7</sup>Be е нестабилен и се распаѓа во <sup>7</sup>Li со полуживот од 53 дена, но во раниот период на вселената овој канал на распаѓање бил недостапен и замената на <sup>7</sup> Be во Li е завршена само во близина на времето на рекомбинација.
И стабилните и нестабилните изотопи на берилиумот се создаваат во ѕвездите, но радиоизотопите не траат долго. Се верува дека берилиумот во вселената настанал во меѓуѕвездената средина кога космичките зраци предизвикале цепење на потешките елементи пронајдени во меѓуѕвездениот гас и прашина, процес наречен распрскување на космичките зраци. Природниот берилиум е единствено составен од стабилниот изотоп берилиум-9. Берилиумот е единствениот моноизотопски елемент со парен атомски број.
Радиоактивниот космоген <sup>10</sup> Be се произведува во Земјината атмосфера со распрскување на космичките зраци на кислородот. <sup>10</sup> Be се насоберува на површината на почвата, каде што неговиот релативно долг период на полураспад (1,36 милиони години) дозволува долго време на престој пред да се распадне до бор -10. Така, <sup>10</sup> Be и неговите ќерки производи се користат за испитување на природната ерозија на почвата, формирањето на почвата и развојот на латеритни почви, и како посредник за мерење на варијациите во сончевата активност и староста на ледените јадра. Производството на <sup>10</sup> Be е обратно пропорционално на сончевата активност, бидејќи зголемениот сончев ветер за време на периоди на висока сончева активност го намалува флуксот на галактичките вселенски зраци што стигнуваат до Земјата. Јадрените експлозии исто така формираат <sup>10</sup> Be од реакцијата на брзите неутрони со <sup>13</sup> C во јаглерод диоксидот во воздухот. Ова е еден од показателите за минатите активности на местата за тестирање на јадрено оружје. Изотопот <sup>7</sup> Be (полуживот 53 дена) е исто така космоген и покажува атмосферско изобилство обратно пропорционално со сончевата активност.<sup>8</sup> Be има многу краток полуживот од околу 8 . Тоа придонесува за неговата значајна вселенска улога, бидејќи елементите потешки од берилиумот не можеле да бидат произведени со јадрено соединување во Големата експлозија. Ова се должи на недостатокот на доволно време за време на фазата на нуклеосинтеза на Биг Бенг за производство на јаглерод со спојување на јадрата <sup>4</sup> He и многу ниските концентрации на достапниот берилиум-8. Британскиот астроном Сер Фред Хојл прв покажал дека енергетските нивоа на <sup>8</sup>Be и <sup>12</sup>C овозможуваат производство на јаглерод со таканаречениот троен алфа-процес во ѕвездите со хелиум каде што е достапно повеќе време за нуклеосинтеза. Овој процес овозможува јаглерод да се произведува во ѕвездите, но не и во Големата експлозија. Јаглеродот создаден од ѕвезди (основата на животот заснован на јаглерод) е компонента во елементите во гасот и прашината исфрлени од АГЏ-ѕвездите и суперновите (види исто така нуклеосинтеза на Биг Бенг), како и создавањето на сите други елементи со атомски број поголем од оној на јаглеродот.
2s електроните на берилиумот може да придонесат за хемиско поврзување. Затоа, кога <sup>7</sup> Be се распаѓа со зафат на L-електрон, тоа го прави со земање електрони од неговите атомски орбитали кои можеби учествуваат во поврзувањето. Ова ја прави неговата стапка на распаѓање зависна до мерлив степен од неговата хемиска околина – ретка појава при јадрено распаѓање.
Познато е дека егзотичните изотопи <sup>11</sup> Be и <sup>14</sup> Be покажуваат јадрен ореол. Овој феномен може да се разбере како јадрата на <sup>11</sup> Be и <sup>14</sup> Be имаат, соодветно, 1 и 4 неутрони кои орбитираат значително надвор од очекуваниот јадрен полупречник.
2 Појава
Сонцето има концентрација од 0,1 делови на милијарда (ppb) берилиум. Берилиумот има концентрација од 2 до 6 делови на милион (ppm) во Земјината кора и е 47-ми најзастапен елемент. Најмногу е концентриран во почвите со 6 ppm. Количините во трагови од <sup>9</sup> Be се наоѓаат во Земјината атмосфера. Концентрацијата на берилиум во морската вода е 0,2-0,6 делови на трилион. Во потокната вода, сепак, берилиумот е позастапен со концентрација од 0,1 ppb.
Берилиумот се наоѓа во над 100 минерали, но поголемиот дел од нив се невообичаени до ретки. Почестите минерали кои содржат берилиум вклучуваат: бертрандит (Be<sub>4</sub> Si<sub>2</sub> O<sub>7</sub> (OH)<sub>2</sub>), берил (Al<sub>2</sub> Be<sub>3</sub> Si<sub>6</sub> O<sub>18</sub>), хризоберил (Al<sub>2</sub> BeO<sub>4</sub>) и фенакит (Be<sub>2</sub> SiO<sub>4</sub>). Скапоцени форми на берил се аквамарин, црвен берил и смарагд. Зелената боја во формите на берил со квалитетен скапоцен камен доаѓа од различни количини на хром (околу 2% за смарагд).
Двете главни руди на берилиум, берил и бертрандит, може да бидат пронајдени во Аргентина, Бразил, Индија, Мадагаскар, Русија и САД. Вкупните светски резерви на берилиумова руда се поголеми од 400.000 тони.
3 Производство
Екстракцијата на берилиум од неговите соединенија преттавува тежок процес поради неговиот висок афинитет за кислород на покачени температури и неговата способност да ја намалува водата кога ќе се отстрани неговата оксидна фолија. Во моментов, Соединетите Американски Држави, Кина и Казахстан се единствените три земји вклучени во извлекување на берилиум во индустриски размери. Казахстан произведува берилиум од концентрат складиран пред распадот на Советскиот Сојуз околу 1991 година. Овој ресурс бил речиси исцрпен до средината на 2010-тите.
Производството на берилиум во Русија било прекинато во 1997 година, а постои план да се обнови во 2020-тите.
Берилиумот најчесто се вади од минералот берил, кој или се фритира со помош на средство за вадење или се топи во растворлива смеса. Процесот на фритрирање вклучува мешање на берил со натриум флуоросиликат и сода на да формира натриум флуороберилат, алуминиум оксид и силициум диоксид. Берилиум хидроксид се таложи од раствор на натриум флуороберилат и натриум хидроксид во вода. Вадењето на берилиум со помош на методот на топење вклучува мелење берил во прав и негово загревање до . Топењето брзо се лади со вода и потоа се загрева на 250 до 300 степени во концентрирана сулфурна киселина, која најмногу дава берилиум сулфат и алуминиум сулфат. Воден амонијак потоа се користи за отстранување на алуминиумот и сулфурот, оставајќи берилиум хидроксид.
Берилиум хидроксид создаден преку методот на фритрирање или топење потоа се претвора во берилиум флуорид или берилиум хлорид. За да се формира флуоридот, потребно е воден амониум водород флуорид да се додаде во берилиум хидроксид за да се добие талог од амониум тетрафлуороберилат, кој се загрева до формирајќи берилиум флуорид. Загревајќи го флуорот на со магнезиум се формира фино поделен берилиум и дополнително загревање до создавајќи го компактниот метал. Со загревање на берилиум хидроксид се формира берилиум оксид, кој станува берилиум хлорид кога се комбинира со јаглерод и хлор. Потоа се користи електролиза на стопениот берилиум хлорид со цел да се добие металот.
4 Хемиски својства
Берилиумот има висока електронегативност во споредба со другите елементи од групата 2; така, врските C-Be се помалку силно поларизирани од другите врски CM <sup>II</sup>, иако приврзаниот јаглерод сè уште носи негативен диполен момент.
Атомот на берилиум има електронска конфигурација [He] 2s<sup>2</sup>. Доминантната оксидациска состојба на берилиумот е +2; атомот на берилиум ги изгубил двата валентни електрони. Комплексите на берилиум со пониски состојби на оксидација се исклучително ретки. На пример, пријавени се бис(карбен) соединенија кои се предлагаат да содржат берилиум во оксидациска состојба 0 и +1, иако овие тврдења се покажале како спорни. Опишан е стабилен комплекс со Be-Be врска, кој формално го содржи берилиумот во +1 оксидациска состојба. Хемиското однесување на берилиумот во голема мера е резултат на неговите мали атомски и јонски пречници. Така, постојат многу високи потенцијали за јонизација и силна поларизација додека е поврзан со други атоми, поради што сите негови соединенија се ковалентни. Неговата хемија има сличности со онаа на алуминиумот, пример за дијагонална врска.
На собна температура, површината на берилиумот формира 1-10 Слој за пасивација на оксид со дебелина од nm кој спречува понатамошни реакции со воздухот, освен постепено згуснување на оксидот до околу 25 nm. Кога се загрева над околу 500 степени оксидацијата во најголемиот метал напредува по должината на границите на зрната. Откако металот ќе се запали во воздух со загревање над точката на топење на оксидот околу 2500 °C, берилиумот брилијантно гори, формирајќи мешавина од берилиум оксид и берилиум нитрид. Берилиумот лесно се раствора во неоксидирачки киселини, како што се HCl и разреден H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub><sub>,</sub> но не и во азотна киселина или вода бидејќи тоа го формира оксидот. Ова однесување е слично на она на алуминиумот. Берилиумот исто така се раствора и реагира со алкални раствори.
Двојните соединенија на берилиум (II) се полимерни во цврста состојба. BeF<sub>2</sub> има структура слична на силициум диоксид со тетраедри BeF<sub>4</sub> споени во аголот. BeCl<sub>2</sub> и BeBr<sub>2</sub> имаат верижни структури со споделени тетраедри. Берилиум оксидот, BeO, претставува бела огноотпорна цврста материја која има кристална структура на цинк сулфид и топлинска спроводливост висока колку некои метали. BeO е амфотеричен. Берилиум сулфид, селенид и телурид се познати и сите имаат цинкблендна структура. Берилиум нитрид, Be<sub>3</sub> N<sub>2</sub>, е соединение со висока точка на топење кое лесно се хидролизира. Берилиум азид, BeN<sub>6</sub> е познат и берилиум фосфид, Be<sub>3</sub> P<sub>2</sub> има слична структура на Be<sub>3</sub> N<sub>2</sub>. Познати се голем број на берилиум бориди, како што се Be<sub>5</sub> B, Be<sub>4</sub> B, Be<sub>2</sub> B, BeB<sub>2</sub>, BeB<sub>6</sub> и BeB<sub>12</sub>. Берилиум карбид, Be <sub>2</sub> C, е огноотпорно тули-црвено соединение кое реагира со вода и дава метан. Силицидите на берилиум се идентификувани во форма на нанокластери со различна големина, формирани преку спонтана реакција помеѓу чист берилиум и силициум. Халидите BeX <sub>2</sub> (X = F, Cl, Br и I) имаат линеарна мономерна молекуларна структура во гасната фаза.
4.1 Водни раствори
Растворите на соли на берилиум, како што се берилиум сулфат и берилиум нитрат, се кисели поради хидролиза на јонот [Be(H<sub>2</sub>O)<sub>4</sub>] <sup>2+</sup>. Концентрацијата на првиот производ за хидролиза, [Be(H<sub>2</sub>O)<sub>3</sub> (OH)] <sup>+</sup>, е помала од 1% од концентрацијата на берилиум. Најстабилен производ на хидролиза е тримерниот јон [Be<sub>3</sub>(OH)<sub>3</sub>(H<sub>2</sub>O)<sub>6</sub>]<sup>3+</sup>. Берилиум хидроксид, Be(OH)<sub>2</sub>, е нерастворлив во вода со pH 5 или повеќе. Следствено, соединенијата на берилиум се генерално нерастворливи на биолошка pH вредност. Поради ова, вдишувањето на метална прашина од берилиум доведува до развој на фатална состојба на берилиоза. Be(OH)<sub>2</sub> се раствора во силно алкални раствори.
Берилиумот (II) формира неколку комплекси со монодентатни лиганди бидејќи молекулите на водата во аква-јонот, [Be(H<sub>2</sub>O)<sub>4</sub>]<sup>2+</sup> се врзуваат многу силно за јонот на берилиум. Забележителни исклучоци се низата комплекси растворливи во вода со флуоридниот јон:ref> [Be(H2O)4]^2+{} + \mathit{n}\,F^- <=> Be[(H2O)_{2\!-\mathit{nF_\mathit{n}]^{2\!-\mathit{n{} + \mathit{n}\,H2O
Берилиумот (II) формира многу комплекси со бидентатни лиганди кои содржат атоми на донори на кислород. Видот [Be<sub>3</sub> O(H<sub>2</sub> PO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>] <sup>2-</sup> е познат по тоа што има 3-координатен оксид јон во неговиот центар. Основниот берилиум ацетат, Be<sub>4</sub> O(OAc)<sub>6</sub>, има оксид јон опкружен со тетраедар од атоми на берилиум.
Со органски лиганди, како што е малонатниот јон, киселината се депротонира кога се формира комплексот. Донаторските атоми се два кислорода. H2A + [Be(H2O)4]^2+ <=> [BeA(H2O)2] + 2H+ + 2H2OH2A + [BeA(H2O)2] <=> [BeA2]^2- + 2H+ + 2H2O Формирањето на комплекс е во конкуренција со реакцијата на метална јонска хидролиза и се формираат мешани комплекси и со анјонот и со јонот на хидроксид. На пример, познати се деривати на цикличниот тример, со бидентатен лиганд кој заменува еден или повеќе пара молекули на вода
.
Алифатичните хидроксикарбоксилни киселини како што е гликолната киселина формираат прилично слаби монодентатни комплекси во растворот, во кои хидроксилната група останува недопрена. Во цврста состојба, хидроксилната група може да се депротонира: хексамер, Na_4[Be_6(OCH_2(O)O)_6] , бил изолиран одамна. Ароматичните хидрокси лиганди (т.е. феноли) формираат релативно силни комплекси. На пример, log K<sub>1</sub> и log K<sub>2</sub> вредности од 12,2 и 9,3 се пријавени за комплекси со тирон.
Берилиумот генерално има прилично слаб афинитет за амини лиганди. Постојат многу рани извештаи за комплекси со аминокиселини, но за жал тие не се веродостојни бидејќи истовремените реакции на хидролиза не биле разбрани во времето на објавувањето. Вредности за log β од ca. Пријавени се од 6 до 7. Степенот на формирање е мал поради конкуренцијата со реакциите на хидролиза.
4.2 Органска хемија
Хемијата на органоберилиум е ограничена на академски испитувања поради цената и отровноста на берилиумот, дериватите на берилиум и реагенсите потребни за воведување на берилиум, како што е берилиум хлоридот. Органометалните соединенија на берилиум се познати по тоа што се многу реактивни. Примери за познати органоберилиумски соединенија се динеопентилберилиум, берилоцен (Cp<sub>2</sub>Be), диалилберилиум (со реакција на размена на диетил берилиум со триалил бор), (1,3 силилилил-рим))<sub>2</sub>, и (комплекс на берилиум(I)) дибрилоцен. Лиганди може да бидат и арили и алкинили.
5 Историја
Рани анализи на смарагди и берили од Мартин Хајнрих Клапрот, Торберн Олоф Бергман, Франц Карл Ачард и Џонатан Јакоб Биндхејм, секогаш давале слични елементи, што довело до погрешен заклучок дека и двете супстанции се алуминиумски силикати. Минерологот Рене Жуст Хју открил дека и двата кристали се геометриски идентични и побарал хемиска анализа од хемичарот Луј-Никола Вокелин.
Во еден труд од 1798 година, прочитан пред Институтот за Франција, Вокелен известил дека пронашол нова „земја“ со растворање на алуминиум хидроксид од смарагд и берил во дополнителни алкали. Уредниците на списанието „Анали на хемијата и физиката“ ја нарекле новата земја „глуцин“ поради слаткиот вкус на некои од нејзините соединенија. Името ''берилиум'' првпат го користел Фридрих Велер во 1828 година. И берилиумот и глуцинумот се користеле истовремено до 1949 година, кога Меѓународниот сојуз за чиста и применета хемија го усвоил берилиумот како стандардно име на елементот.
Фридрих Велер и Антоан Буси независно изолирале берилиум во 1828 година со хемиска реакција на метален калиум со берилиум хлорид, како што следува:
Со помош на алкохолна ламба, Велер загреал наизменични слоеви на берилиум хлорид и калиум во жично затворена садница од платина. Горенаведената реакција веднаш се случила и предизвикала садницата да стане бела жешка. По ладењето и миењето на добиениот сиво-црн прав, тој видел дека е направен од фини честички со темен метален сјај. Високо реактивниот калиум бил произведен со електролиза на неговите соединенија. Не успеал да ги стопи честичките од берилиум.
Директната електролиза на стопена мешавина од берилиум флуорид и натриум флуорид од Пол Лебо во 1898 година резултирала со првите чисти (99,5 до 99,8%) примероци на берилиум. Сепак, индустриското производство започнало дури по крјот на Првата светска војна. Оригиналниот индустриски ангажман вклучувал подружници и научници поврзани со Union Carbide and Carbon Corporation во Кливленд, Охајо и Siemens &amp;amp; Halske AG во Берлин. Во САД, процесот бил управуван од Хју С. Купер, директор на компанијата The Kemet Laboratories. Во Германија, првиот комерцијално успешен процес за производство на берилиум бил развиен во 1921 година од страна на Алфред Сток и Ханс Голдшмит.
Примерок од берилиум бил развиен со алфа зраци од распаѓањето на радиумот во експериментот од 1932 година коој бил спроведен од страна на Џејмс Чедвик кој го открил постоењето на неутронот. Истиот метод се користи во една класа лабораториски неутронски извори базирани на радиоизотопи кои произведуваат 30 неутрони на секој милион α честички.
Производството на берилиум забележало брз пораст за време на Втората светска војна поради зголемената побарувачка за тврди легури на берилиум-бакар и фосфор за флуоресцентни светилки. Повеќето рани флуоресцентни светилки користеле цинк ортосиликат со различна содржина на берилиум за да испушта зеленикава светлина. Мали додатоци на магнезиум волфрам го подобриле синиот дел од спектарот за да дадат прифатлива бела светлина. Фосфорите базирани на халофосфат ги замениле фосфорите базирани на берилиум откако било откриено дека берилиумот е отровен.
Електролиза на мешавина од берилиум флуорид и натриум флуорид била користена за да се изолира берилиумот во текот на 19 век. Високата точка на топење на металот го направил овој процес повеќе одзема енергија од соодветните процеси што се користат за алкалните метали. На почетокот на 20 век, производството на берилиум со топлинско разложување на берилиум јодид било испитувано по успехот на сличен процес за производство на циркониум, но овој процес се покажал како неекономичен за обемното производство.
Чистиот метал берилиум не станал лесно достапен до 1957 година, иако многу порано се користел како метал за легирање за стврднување и зацврстување на бакарот. Берилиумот може да се произведе со намалување на соединенијата на берилиум како што е берилиум хлоридот со метален калиум или натриум. Во моментов, поголемиот дел од берилиум се произведуваат со намалување на берилиум флуорид со магнезиум. Цената на американскиот пазар изнесувала околу 745 долари за килограм во 2001 година.
Помеѓу 1998 и 2008 година, светското производство на берилиум се намалило од 343 на околу 200 тони. Потоа се зголемило на 230 метрички тони до 2018 година, од кои 170 тони дошле од САД.
5.1 Етимологија
Берилиумот го добил името по полускапоцениот минерал берил, од кој првпат бил изолиран. Мартин Клапрот, откако независно утврдил дека берилот и смарагдот делат елемент, го претпочитал името „берилина“ поради фактот што итрија формира слатки соли.
Иако Хемфри Дејви не успеал да го изолира, тој го предложил името ''глуциум'' за новиот метал, назив кој бил изведен од името ''glucina'' за земјата во која се наоѓал; изменетите форми на ова име, ''глуциниум'' или ''глуцинум'' (симбол Gl) продолжиле да се користат во 20 век.
6 Употреба
6.1 Радијациски прозорци
Поради малиот атомски број и многу малото впивање на рендгенски зраци, најстарата и сè уште една од најважните примени на берилиумот е во радијациски прозорци за рендгенски цевки. Екстремни барања се поставени на чистотата на берилиумот за да се избегнат артефакти на сликите со рендген. Тенките берилиумски фолии се користат како радијациски прозорци за детектори на Х-зраци, а нивното екстремно ниско впивање ги минимизира ефектите на загревање предизвикани од рендгенските зраци со висок интензитет и ниска енергија, типични за синхротронното зрачење. Вакуумски прозори и цевки за зрачење на синхротрони се произведуваат исклучиво од берилиум. Во научните поставки за различни испитувања за емисиите на Х-зраци (на пр., енергетско дисперзивна спектроскопија на Х-зраци) држачот на примерокот обично е направен од берилиум бидејќи неговите емитирани рендгенски зраци имаат многу пониски енергии (≈100 eV) отколку рендгенските зраци од повеќето проучувани материјали.
Нискиот атомски број исто така го прави берилиумот релативно отворен за енергетските честички. Затоа, се користи за изградба на зраковод околу областа на судир во поставките за честична физика, како што се сите четири главни експерименти со детектор во Големиот хадронски судирач (ALICE, ATLAS, CMS, LHCb), Теватрон и во SLAC. Ниската густина на берилиумот им овозможува на производите да стигнат до околните детектори без значителна интеракција, неговата вкочанетост овозможува да се создаде моќен вакуум во цевката за да се минимизира взаемното дејство со гасовите, неговата топлинска стабилност му овозможува правилно да функционира на температури од само неколку степени над апсолутната нула, а неговата дијамагнетна природа го спречува да се меша со комплексни магнетни системи со честички и магнети
6.2 Механичка употреба
Поради својата крутост, мала тежина и димензионална стабилност во широк температурен опсег, металот берилиум се користи за лесни структурни компоненти во одбранбената и воздушната индустрија во авиони со голема брзина, наведувани проектили, вселенски летала и сателити, вклучувајќи го и вселенскиот телескоп „Џејмс Веб“. Неколку ракети со течно гориво користеле ракетни млазници направени од чист берилиум. Прашокот од берилиум сам по себе бил проучуван како ракетно гориво, но оваа употреба никогаш не се материјализирала. Мал број екстремни врвни рамки за велосипеди биле изградени со берилиум. Од 1998 до 2000 година, тимот на Мекларен од Формула 1 користел мотори на Мерцедес-Бенц со клипови од берилиум-алуминиумска легура. Употребата на компоненти од берилиумски мотор била забранета по протестот на Скудерија Ферари.
Со мешање на околу 2,0% берилиум во бакар се формира легура наречена берилиум бакар која е шест пати посилна од самиот бакар. Легурите на берилиум се користат во многу употреби поради нивната комбинација на еластичност, висока електрична спроводливост и топлинска спроводливост, висока јачина и цврстина, немагнетни својства, како и добра отпорност на корозија. Овие употреби вклучуваат алатки кои не предизвикуваат искри кои се користат во близина на запаливи гасови (берилиум никел), пружини, мембрани (берилиум никел и берилиум железо) што се користат во хируршки инструменти и уреди со висока температура. Дури 50 делови на милион берилиум легиран со течен магнезиум доведува до значително зголемување на отпорноста на оксидација и намалување на запаливоста.
Високата еластична вкочанетост на берилиумот довела до негова широка употреба во прецизната инструментација, на пример во системите за инерцијално водење и во механизмите за поддршка за оптичките системи. Легурите од берилиум-бакар исто така се применувале како средство за стврднување во пиштолите „Џејсон“, кои се користеле за отстранување на бојата од трупот на бродовите.
Во системите за засилување на звукот, брзината со која се движи звукот директно влијае на резонантната фреквенција на засилувачот, а со тоа влијае на опсегот на звучни високофреквентни звуци. Берилиумот се издвојува поради неговата исклучително висока брзина на ширење на звукот во споредба со другите метали. Ова уникатно својство му овозможува на берилиумот да постигне повисоки резонантни фреквенции, што го прави идеален материјал за употреба како дијафрагма во висококвалитетни звучници.
Берилиумот исто така се користел за касети на конзоли со високи перформанси, каде што неговата екстремна цврстина и мала густина овозможувале тежините за следење да се намалат на 1 грам додека сè уште следеле премини со висока фреквенција со минимално изобличување.
Претходна голема примена на берилиумот била во сопирачките за воените авиони поради неговата цврстина, високата точка на топење и исклучителната способност да ја исфрла топлината. Еколошките размислувања довеле до замена со други материјали.
Композитен материјал кој има метална матрица и комбинира берилиум со алуминиум, е развиен под трговското име AlBeMet, кој се користи за воздушната индустрија со високи перформанси, има мала тежина, но четири пати поголема цврстина од само алуминиумот.
6.3 Огледала
Огледалата од берилиум се од особен интерес. Огледалата со голема површина се користат, на пример, во метеоролошки сателити каде малата тежина и долготрајната димензионална стабилност е критична. Помалите берилиумски огледала се користат во оптичките системи за водење и во системите за контрола на пожарот, на пример во германското производство Леопард 1 и Леопард 2 како главни борбени тенкови. Во овие системи, потребно е многу брзо движење на огледалото, што повторно диктира мала маса и висока ригидност. Вообичаено, огледалото од берилиум е обложено со тврда безелектрична никел платформа која може полесно да се полира до пофина оптичка завршница од берилиумот. Во некои употреби, берилиум се полира без никаков слој. Ова е особено применливо за криогенишката работа каде што неусогласеноста на топлинското ширење може да предизвика свиткување на облогата.
Вселенскиот телескоп Џејмс Веб има 18 хексагонални делови од берилиум за огледалата, секој обложен со тенок слој од злато. Бидејќи телескопот ќе се соочи со температура од 33 K, огледалото е направено од позлатен берилиум, кој е способен да се справи со екстремен студ подобро од стаклото. Берилиумот се собира и се деформира помалку од стаклото и останува порамномерен на такви температури. Од истата причина, оптиката на вселенскиот телескоп Спицер е целосно изградена од метал берилиум.
6.4 Магнетна употреба
Берилиумот не е магнетен. Затоа, алатките направени од материјали базирани на берилиум се користат од поморски или воени тимови за отстранување експлозивни средства на или во близина на поморските мини, бидејќи овие мини најчесто имаат магнетни осигурувачи. Тие исто така се наоѓаат во материјали за одржување и градежништво во близина на машините за магнетна резонанца поради генерираните високи магнетни полиња.
6.5 Јадрена употреба
Берилиумот со висока чистота може да се користи во јадрените реактори како модератор, рефлектор или како облога на горивните елементи. Тенки плочи или фолии од берилиум понекогаш се користат во дизајните на јадрено оружје како самиот надворешен слој на плутониумските јами во примарните фази на водороднитебомби, поставени да го опкружуваат фисилниот материјал. Овие слоеви на берилиум се добри „туркачи“ за имплозија на плутониум-239, и тие се добри неутронски рефлектори, исто како и во јадрените реактори со умерен берилиум.
Берилиумот најчесто се користи во некои извори на неутрони во лабораториски уреди во кои се потребни релативно малку неутрони (наместо да се користи јадрен реактор или генератор на неутрони напојуван од забрзувач на честички). За таа цел, целта на берилиум-9 е снабдена со енергетски алфа честички од радиоизотоп како што се полониум -210, радиум -226, плутониум -238 или америциум -241. Во јадрената реакција што се случува, јадрото на берилиум се трансмутира во јаглерод-12, а еден слободен неутрон се испушта, патувајќи во приближно иста насока како што се движела алфа-честичката. Ваквите извори на берилиумски неутрони поттикнати од алфа-распаѓање, биле користени во некои рани атомски бомби. Неутронските извори во кои берилиумот е бомбардиран со гама-зраци од радиоизотоп на гама распаѓање, исто така се користат за производство на лабораториски неутрони.
Берилиумот се користи во производството на гориво за реакторите CANDU. Елементите на горивото имаат мали додатоци кои се отпорни на лемење на облогата на горивото користејќи процес на лемење со индукција со Be како материјал за полнење на лемењето. Влошките на лежиштата се лемуваат на своето место за да се спречи контактот помеѓу снопот гориво и цевката за притисок што го содржи, а подлогите за растојание меѓу елементите се лемени за да се спречи контактот на елементот со елементот.
Берилиумот се користи во Заедничката европска истражувачка лабораторија за јадрено соединување Торус и во понапредниот ITER за да се кондиционираат компонентите што се свртени кон плазмата. Берилиумот е предложен како материјал за обложување на прачки за јадрено гориво, поради неговата добра комбинација на механички, хемиски и јадрени својства. Берилиум флуоридот е една од составните соли на мешавината на евтектичка сол FLiBe, која се користи како растворувач, модератор и течност за ладење во многу хипотетички дизајни на реактори за стопена сол, вклучувајќи го и реакторот на ториум со течен флуорид (LFTR).
6.6 Акустика
Малата тежина и високата цврстина на берилиумот го прават корисен како материјал за звучни драјвери со висока честота. Бидејќи берилиумот е скап (многу пати повеќе од титаниумот), тешко се обликува поради неговата кршливост и токсичен доколку неправилно се ракува, високотонците од берилиум се ограничени на висококвалитетни домашни, профи аудио и апликации за јавно обраќање. За некои производи со висока верност со измама се тврди дека се направени од тој материјал.
Некои врвни фонографски касети користеле берилиумски конзоли за да го подобрат следењето со намалување на масата.
6.7 Електроника
Берилиумот е допант од p-тип во полупроводници соединение III-V. Широко се користи во материјали како што се GaAs, AlGaAs, InGaAs и InAlAs одгледувани со молекуларно-зрачна епитаксија Вкрстено валани берилиумски лист е одлична структурна поддршка за печатените плочи во технологијата за површинско монтирање. Во критичните електронски употреби, берилиумот е и структурна поддршка и ладилник. Употребата бара и коефициент на топлинско ширење што е добро усогласен со алумина и полимид-стаклени подлоги. Композитот „ Е-материјали“ од берилиум-берилиум оксид е специјално дизајниран за овие електронски употреби и има дополнителна предност што коефициентот на топлинско ширење може да се прилагоди за да одговара на различните материјали на подлогата.
Берилиум оксидот е корисен за многу користи кои бараат комбинирани својства на електричен изолатор и одличен спроводник на топлина, со висока јачина и цврстина и многу висока точка на топење. Берилиум оксидот често се користи како изолаторска основна плоча кај транзисторите со висока моќност во радиофреквентните предаватели за телекомуникациите. Берилиум оксидот се проучува за употреба во зголемување на топлинската спроводливост на пелети со јадреното гориво ураниум диоксид. Соединенијата на берилиум се користеле во флуоресцентни цевки за осветлување, но оваа употреба била прекината поради болеста берилиоза која се развила кај работниците кои ги правеле цевките.
6.8 Медицинска употреба
Берилиумот е составен дел на неколку забни легури. Берилиумот се користи во прозорците за рендгенски зраци, бидејќи е транспарентен за рендгенските зраци, што овозможува појасно и поефикасно снимање. Во опремата за медицинска слика, како што се КТ скенери и машини за мамограф, јачината и малата тежина на берилиумот ја зголемуваат издржливоста и перформансите. Берилиумот се користи во аналитичка опрема за крв, ХИВ и други болести. Легурите на берилиум се користат во хируршки инструменти, оптички огледала и ласерски системи за медицински третмани.
7 Токсичност и безбедност
7.1 Биолошки ефекти
Приближно 35 микрограми берилиум се наоѓаат во просечното човечко тело, количина која не се смета за штетна. Берилиумот е хемиски сличен на магнезиумот и поради тоа може да го измести од ензимите, што предизвикува нивно неправилно функционирање. Бидејќи Be<sup>2+</sup> е високо наелектризиран и мал јон, тој лесно може да навлезе во многу ткива и клетки, каде што конкретно ги таргетира клеточните јадра, спречувајќи многу ензими, вклучувајќи ги и оние што се користат за синтетизирање на ДНК. Неговата отровност се влошува со фактот дека телото нема средства да го контролира нивото на берилиум, а штом ќе влезе во телото, берилиумот не може да се отстрани.
7.2 Вдишување
Хронична берилиумова болест (ХББ), или берилиоза претставува белодробна и системска грануломатозна болест предизвикана од вдишување на прашина или испарувања контаминирани со берилиум; или големи количини за кратко време или мали количини на долго време може да доведат до оваа болест. Симптомите на болеста може да потрае и до пет години за да се развијат; околу една третина од пациентите со него умираат, додека преживеаните остануваат инвалиди. Меѓународната агенција за истражување на ракот (IARC) ги наведува соединенијата на берилиум и берилиум како канцерогени од категорија 1.
7.3 Професионална изложеност
Во САД, Управата за безбедност и здравје при работа одредила дозволена граница на изложеност за берилиум и соединенија на берилиум од 0,2 μg/m<sup>3</sup> како временски пондериран просек од 8 часа и 2,0 μg/m<sup>3</sup> како краткорочна граница на изложеност во период на земање примероци од 15 минути. Националниот институт за безбедност и здравје при работа поставил препорачана граница на изложеност горната граница од 0,5 μg/m<sup>3</sup>. Вредноста IDLH (веднаш опасна по животот и здравјето) е 4 mg/m<sup>3</sup>. Токсичноста на берилиумот е на исто ниво со другите токсични металоиди/метали, како што се арсен и жива.
Изложеноста на берилиум на работното место може да доведе до сензибилизиран имунолошки одговор и со текот на времето развој на берилиоза. NIOSH во САД ги истражува овие ефекти во соработка со голем производител на производи од берилиум. NIOSH, исто така, спроведува генетско истражување за сензибилизација и CBD, независно од оваа соработка.
Акутната берилиумова болест во форма на хемиски пневмонитис првпат била пријавена во Европа во 1933 година и во САД во 1943 година. Истражувањето покажало дека околу 5% од работниците во погоните кои произведуваат флуоресцентни светилки во 1949 година во Соединетите Американски Држави имале белодробни заболувања поврзани со берилиум. Хроничната берилиоза наликува на саркоидоза во многу аспекти, а диференцијалната дијагноза често е тешка. Убила некои од раните работници во дизајнот на јадрено оружје, како Херберт Л. Андерсон.
Берилиумот може да се пронајде во јагленовата згура. Кога згура се формулира во абразивно средство за минирање на боја и 'рѓа од тврди површини, берилиумот може да се пренесе во воздухот и да стане извор на изложеност.
Иако употребата на соединенијата на берилиум во цевките за флуоресцентно осветлување била прекината во 1949 година, потенцијалот за изложеност на берилиум постои во јадрената и воздушната индустрија, во рафинирањето на металот берилиум и топењето на легурите што содржат берилиум, во производството на рачни материјали за берилиум и други уреди.
7.4 Откривање
Раните истражувачи ја презеле многу опасната практика на идентификување на берилиумот и неговите различни соединенија од неговиот сладок вкус. Современ тест за берилиум во воздухот и на површините бил развиен и објавен како меѓународен доброволен консензус стандард, ASTM D7202. Постапката користи разреден амониум бифлуорид за детекција на растворање и флуоресценција со берилиум врзан за сулфониран хидроксибензохинолин, што овозможува до 100 пати почувствително откривање од препорачаната граница за концентрација на берилиум на работното место. Флуоресценцијата се зголемува со зголемување на концентрацијата на берилиум. Новата процедура е успешно тестирана на различни површини и е ефикасна за растворање и откривање на огноотпорен берилиум оксид и силициум берилиум во минутни концентрации (ASTM D7458). Прирачникот за аналитички методи NIOSH содржи методи за мерење на професионалната изложеност на берилиум.
8 Цитирани извори
***
9 Понатамошно читање
** Mroz MM, Balkissoon R, and Newman LS. "Beryllium". In: Bingham E, Cohrssen B, Powell C (eds.) ''Patty's Toxicology'', Fifth Edition. New York: John Wiley & Sons 2001, 177–220.
* Walsh, KA, . Vidal, EE. et al. Eds. 2009, Materials Park, OH:ASM International.
* DOE Specification 1142–2001. Washington, DC: U.S. Department of Energy, 2001.
* 2007, Eric Scerri,''The periodic table: Its story and its significance,'' Oxford University Press, New York,