Beryllium - Beryllium

Beryllium,  4 Be
Be-140g.jpg
Beryllium
Výslovnost / B ə r ɪ l i ə m / ( bə- RIL -EE-əm )
Vzhled bílo-šedá metalíza
Standardní atomová hmotnost A r, std (Be) 9.012 1831 (5)
Beryllium v periodické tabulce
Vodík Hélium
Lithium Beryllium Boron Uhlík Dusík Kyslík Fluor Neon
Sodík Hořčík Hliník Křemík Fosfor Síra Chlór Argon
Draslík Vápník Skandium Titan Vanadium Chrom Mangan Žehlička Kobalt Nikl Měď Zinek Gallium Germanium Arsen Selen Bróm Krypton
Rubidium Stroncium Yttrium Zirkonium Niob Molybden Technecium Ruthenium Rhodium Palladium stříbrný Kadmium Indium Cín Antimon Tellurium Jód Xenon
Cesium Baryum Lanthan Cerium Praseodym Neodym Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platina Zlato Merkur (prvek) Thallium Vést Vizmut Polonium Astat Radon
Francium Rádium Actinium Thorium Protactinium Uran Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Kalifornie Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Draslík Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
-

Buď

Mg
lithiumberylliumbor
Atomové číslo ( Z ) 4
Skupina skupina 2 (kovy alkalických zemin)
Doba období 2
Blok   s-blok
Konfigurace elektronů [ On ] 2s 2
Elektrony na skořápku 2, 2
Fyzikální vlastnosti
Fáze na  STP pevný
Bod tání 1560  K (1287 ° C, 2349 ° F)
Bod varu 2742 K (2469 ° C, 4476 ° F)
Hustota (blízko  rt ) 1,85 g / cm 3
při kapalině (při  mp ) 1,690 g / cm 3
Kritický bod 5205 K, MPa (extrapolováno)
Teplo fúze 12,2  kJ/mol
Teplo odpařování 292 kJ/mol
Molární tepelná kapacita 16,443 J/(mol · K)
Tlak páry
P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
T  (K) 1462 1608 1791 2023 2327 2742
Atomové vlastnosti
Oxidační stavy 0, +1, +2amfoterní oxid)
Elektronegativita Paulingova stupnice: 1,57
Ionizační energie
Atomový poloměr empirické: 112  hod
Kovalentní poloměr 96 ± 15 hodin
Van der Waalsův poloměr 153 hodin
Barevné čáry ve spektrálním rozsahu
Spektrální linie berylia
Další vlastnosti
Přirozený výskyt prvotní
Krystalická struktura hexagonální těsně uspořádané (HCP)
Šestihranná uzavřená krystalová struktura pro berylium
Rychlost zvuku tenký prut 12 890 m/s (při  pokojové teplotě )
Teplotní roztažnost 11,3 µm/(m⋅K) (při 25 ° C)
Tepelná vodivost 200 W/(m⋅K)
Elektrický odpor 36 nΩ⋅m (při 20 ° C)
Magnetické uspořádání diamagnetický
Molární magnetická citlivost −9,0 × 10 −6  cm 3 /mol
Youngův modul 287 GPa
Tažný modul 132 GPa
Hromadný modul 130 GPa
Poissonův poměr 0,032
Mohsova tvrdost 5.5
Vickersova tvrdost 1670 MPa
Tvrdost podle Brinella 590–1320 MPa
Číslo CAS 7440-41-7
Dějiny
Objev Louis Nicolas Vauquelin (1798)
První izolace Friedrich Wöhler a Antoine Bussy (1828)
Hlavní izotopy berylia
Izotop Hojnost Poločas rozpadu ( t 1/2 ) Režim rozpadu Produkt
7 Be stopa 53,12 d ε 7 Li
γ -
9 Be 100% stabilní
10 Be stopa 1,39 x 10 6  y β - 10 B
Kategorie Kategorie: Beryllium
| Reference

Beryllium je chemický prvek se symbolem Be a atomovým číslem 4. Je to ocelově šedý, silný, lehký a křehký kov alkalických zemin . Jedná se o dvojmocný prvek, který se přirozeně vyskytuje pouze v kombinaci s jinými prvky za vzniku minerálů. Mezi pozoruhodné drahokamy s vysokým obsahem berylia patří beryl ( akvamarín , smaragd ) a chrysoberyl . Jedná se o relativně vzácný prvek ve vesmíru , obvykle se vyskytující jako produkt spallace větších atomových jader, které se srazily s kosmickými paprsky . V jádrech hvězd je berylium vyčerpáno, protože je spojeno s těžšími prvky. Beryllium tvoří asi 0,0004 procent hmotnosti zemské kůry. Celosvětová roční produkce berylia 220 tun se obvykle vyrábí extrakcí z minerálního berylu , což je obtížný proces, protože se beryllium silně váže na kyslík .

Ve strukturálních aplikacích činí kombinace vysoké tuhosti v ohybu , tepelné stability , tepelné vodivosti a nízké hustoty (1,85násobek vody) z beryliového kovu žádaný letecký materiál pro součásti letadel, rakety , kosmické lodě a satelity . Vzhledem ke své nízké hustotě a atomové hmotnosti je berylium relativně průhledné pro rentgenové paprsky a jiné formy ionizujícího záření ; proto je nejběžnějším okenním materiálem pro rentgenová zařízení a součásti detektorů částic . Když se beryllium přidá jako legující prvek do hliníku , mědi (zejména slitiny mědi a berylia ), železa nebo niklu , zlepší mnoho fyzikálních vlastností. Například nástroje a součásti ze slitin mědi berylia jsou silné a tvrdé a při nárazu na ocelový povrch nevytvářejí jiskry. Na vzduchu se povrch berýlia při pokojové teplotě snadno oxiduje a vytvoří pasivační vrstvu silnou 1–10 nm, která ji chrání před další oxidací a korozí. Kov se oxiduje ve velkém (za pasivační vrstvou) při zahřátí nad 500 ° C a brilantně hoří při zahřátí na přibližně 2500 ° C.

Komerční použití berylia vyžaduje vždy použití vhodného zařízení pro kontrolu prachu a průmyslových ovládacích prvků kvůli toxicitě vdechovaného prachu obsahujícího berylium, který může u některých lidí způsobit chronické život ohrožující alergické onemocnění zvané berylióza .

Charakteristika

Fyzikální vlastnosti

Beryllium je ocelově šedý a tvrdý kov, který je při pokojové teplotě křehký a má uzavřenou hexagonální krystalovou strukturu . Má výjimečnou tuhost ( Youngův modul 287 GPa) a bod tání 1287 C. Modul pružnosti berylia je přibližně o 50% větší než ocel. Kombinace tohoto modulu a relativně nízké hustoty má za následek neobvykle vysokou rychlost vedení zvuku v beryliu - asi 12,9 km/s při okolních podmínkách . Dalšími významnými vlastnostmi jsou vysoké specifické teplo (1925 J · kg −1 · K −1 ) a tepelná vodivost (216 W · m −1 · K −1 ), které činí z berylia kov s nejlepšími vlastnostmi odvodu tepla na jednotku hmotnosti. V kombinaci s relativně nízkým koeficientem lineární tepelné roztažnosti (11,4 × 10 −6 K −1 ) vedou tyto vlastnosti k jedinečné stabilitě za podmínek tepelného zatížení.

Jaderné vlastnosti

Přirozeně se vyskytující berylium, až na mírné znečištění ze strany kosmogenního radioizotopy, je izotopově čistého berylia-9, který má jaderný spin z3/2. Beryllium má velký rozptylový průřez pro vysokoenergetické neutrony, asi 6 stodol pro energie nad přibližně 10 keV. Proto funguje jako reflektor neutronů a moderátor neutronů a účinně zpomaluje neutrony na rozsah tepelné energie nižší než 0,03 eV, kde je celkový průřez alespoň o řád nižší, - přesná hodnota silně závisí na čistotě a velikosti krystalitů v materiálu.

Jediný primordiální izotop berylia 9 Be také prochází (n, 2n) neutronovou reakcí s energiemi neutronů nad asi 1,9 MeV, za vzniku 8 Be, který se téměř okamžitě rozpadne na dvě částice alfa. Pro vysokoenergetické neutrony je tedy berylium multiplikátor neutronů , který uvolňuje více neutronů, než absorbuje. Tato jaderná reakce je:

9
4
Být
+ n → 2 4
2
On
+ 2 n

Neutrony se uvolňují, když jsou beryliová jádra zasažena energetickými alfa částicemi produkujícími jadernou reakci

9
4
Být
+ 4
2
On
12
6
C
+ n

kde 4
2
On
je částice alfa a 12
6
C
je jádro uhlíku-12 . Beryllium také uvolňuje neutrony pod bombardováním gama paprsky. Přírodní berylium bombardované alfami nebo gama z vhodného radioizotopu je tedy klíčovou součástí většiny zdrojů neutronů s jadernou reakcí poháněných radioizotopy pro laboratorní produkci volných neutronů.

Malé množství tritia se uvolňuje, když9
4
Být
jádra absorbují nízkoenergetické neutrony v třístupňové jaderné reakci

9
4
Být
+ n → 4
2
On
+ 6
2
On
,    6
2
On
6
3
Li
+ β - ,    6
3
Li
+ n → 4
2
On
+ 3
1
H

Všimněte si, že 6
2
On
má poločas pouze 0,8 sekundy, β - je elektron a6
3
Li
má vysoký absorpční průřez neutrony. Tritium je radioizotop znepokojující v odpadních proudech jaderných reaktorů.

Optické vlastnosti

Jako kov je berylium transparentní nebo průsvitné pro většinu vlnových délek rentgenových a gama paprsků , což je užitečné pro výstupní okna rentgenových trubic a dalších podobných zařízení.

Izotopy a nukleosyntéza

Stabilní i nestabilní izotopy berylia jsou vytvořeny ve hvězdách, ale radioizotopy netrvají dlouho. Předpokládá se, že většina stabilního berylia ve vesmíru byla původně vytvořena v mezihvězdném prostředí, když kosmické paprsky indukovaly štěpení v těžších prvcích nacházejících se v mezihvězdném plynu a prachu. Prvotní berylium obsahuje pouze jeden stabilní izotop, 9 Be, a proto je berylium monoizotopickým a mononuklidovým prvkem .

Graf znázorňující změny sluneční aktivity, včetně změn v počtu slunečních skvrn (červená) a koncentrace 10 Be (modrá). Mějte na paměti, že stupnice berylia je převrácená, takže zvýšení na této stupnici znamená nižší 10 úrovní Be

Radioaktivní kosmogenní 10 Be se vyrábí v atmosféře Země od kosmického záření spallation z kyslíku . 10 Be se hromadí na povrchu půdy , kde jeho relativně dlouhý poločas rozpadu (1,36 milionu let) umožňuje dlouhou dobu pobytu před rozpadem na bór -10. Tak, 10 Be a jeho dceřinné produkty jsou používány zkoumat přirozené erozi půdy , tvorbu půdy a rozvoj lateritic zemin , a jako zástupce pro měření odchylek v sluneční aktivity a stáří ledových jader . Produkce 10 Be je nepřímo úměrná sluneční aktivitě, protože zvýšený sluneční vítr v obdobích vysoké sluneční aktivity snižuje tok galaktických kosmických paprsků, které dopadají na Zemi. Jaderné výbuchy také tvoří 10 Be reakcí rychlých neutronů s 13 C v oxidu uhličitém ve vzduchu. To je jeden z ukazatelů minulé činnosti na testovacích místech jaderných zbraní . Izotop 7 Be (poločas rozpadu 53 dní) je také kosmogenní a ukazuje hojnost atmosféry spojenou se slunečními skvrnami, podobně jako 10 Be.

8 Be má velmi krátký poločas rozpadu přibližně 8 x 10 - 17  s, které přispívá k jeho významnému kosmologické roli, jako elementy těžší než beryllium nemohly být vyrobené jaderné fúze ve velkém třesku . To je způsobeno nedostatkem dostatečného času během fáze nukleosyntézy Velkého třesku k produkci uhlíku fúzí 4 He jader a velmi nízkých koncentrací dostupného berylia-8 . Britský astronom Sir Fred Hoyle nejprve ukázal, že energetické hladiny 8 Be a 12 C umožňují produkci uhlíku takzvaným trojitým alfa procesem u hvězd poháněných heliem, kde je k dispozici více času nukleosyntézy. Tento proces umožňuje produkci uhlíku ve hvězdách, ale ne ve Velkém třesku. Hvězdou vytvořený uhlík (základ života na bázi uhlíku ) je tedy složkou v prvcích v plynu a prachu vyvrženém hvězdami a supernovami AGB (viz také nukleosyntéza Velkého třesku ), stejně jako tvorba všech ostatních prvků s atomovou čísla větší než uhlík.

2s elektrony berylia mohou přispívat k chemické vazbě. Proto když se 7 Be rozpadá zachycením L- elektronů , činí to tak, že odebírá elektrony ze svých atomových orbitálů, které se mohou účastnit vazby. Díky tomu je jeho rychlost rozpadu závislá na měřitelném stupni na jeho chemickém prostředí - což je vzácný výskyt v jaderném rozpadu.

Nejkratší známý izotop berylia je 13 Be, který se rozpadá emisí neutronů . Má poločas rozpadu 2,7 × 10 −21 s. 6 Be je také velmi krátkodobý s poločasem rozpadu 5,0 × 10 −21 s. Exotické izotopy 11 Be a 14 Be jsou známé tím, že vykazují jaderný halo . Tento jev lze chápat tak, že jádra 11 Be a 14 Be mají respektive 1 a 4 neutrony obíhající podstatně mimo klasický Fermiho model „waterdrop“ jádra.

Výskyt

Beryliová ruda s 1US ¢ mincí v měřítku
Emerald je přirozeně se vyskytující sloučenina berylia.

Slunce má koncentraci berýlia 0,1 ppm na miliardu (ppb). Berylium má koncentraci 2 až 6 dílů na milion (ppm) v zemské kůře. Nejvíce se koncentruje v půdách, 6 ppm. V zemské atmosféře se nachází stopové množství 9 Be. Koncentrace berylia v mořské vodě je 0,2–0,6 dílů na bilion . V proudové vodě je však berylium hojnější s koncentrací 0,1 ppb.

Beryllium se nachází ve více než 100 minerálech, ale většina z nich je neobvyklá až vzácná. Mezi běžnější minerály obsahující berylium patří: bertrandit (Be 4 Si 2 O 7 (OH) 2 ), beryl (Al 2 Be 3 Si 6 O 18 ), chrysoberyl (Al 2 BeO 4 ) a fenakit (Be 2 SiO 4 ). Vzácnými formami berylu jsou akvamarín , červený beryl a smaragd . Zelená barva berylu v drahokamových kvalitách pochází z různého množství chromu (asi 2% u smaragdu).

Dvě hlavní rudy berylia, beryl a bertrandite, se nacházejí v Argentině, Brazílii, Indii, na Madagaskaru, v Rusku a ve Spojených státech. Celkové světové zásoby beryliové rudy jsou větší než 400 000 tun.

Výroba

Extrakce berylia z jeho sloučenin je obtížný proces kvůli jeho vysoké afinitě ke kyslíku při zvýšených teplotách a jeho schopnosti redukovat vodu, když je odstraněn jeho oxidový film. Spojené státy, Čína a Kazachstán jsou v současné době jedinými třemi zeměmi, které se zabývají těžbou berylia v průmyslovém měřítku. Kazachstán produkuje berylium z koncentrátu nahromaděného před rozpadem Sovětského svazu kolem roku 1991. Do poloviny roku 2010 byl tento zdroj téměř vyčerpán.

Výroba berylia v Rusku byla zastavena v roce 1997 a plánuje se obnovení v roce 2020.

Beryllium se nejčastěji extrahuje z minerálního berylu , který se buď slinuje pomocí extrakčního činidla, nebo se roztaví na rozpustnou směs. Proces slinování zahrnuje smíchání berylu s fluorokřemičitanem sodným a sodou při 770 ° C (1420 ° F) za vzniku fluoroberylátu sodného , oxidu hlinitého a oxidu křemičitého . Hydroxid berylnatý se vysráží z roztoku fluoroberylátu sodného a hydroxidu sodného ve vodě. Extrakce berylia metodou taveniny zahrnuje rozetření berylu na prášek a jeho zahřátí na 1 650 ° C (3 000 ° F). Tavenina se rychle ochladí vodou a poté se znovu zahřeje na 250 až 300 ° C (482 až 572 ° F) v koncentrované kyselině sírové , většinou za vzniku síranu berylnatého a síranu hlinitého . Potom se k odstranění hliníku a síry použije vodný amoniak , přičemž zůstane hydroxid berylnatý.

Hydroxid berylnatý vytvořený metodou slinování nebo tavení se poté převede na fluorid berylnatý nebo chlorid berylnatý . Za vzniku fluoridu se k hydroxidu berylnatému přidá vodný fluorovodík amonný za vzniku sraženiny tetrafluoroberyllátu amonného, ​​která se zahřeje na 1 000 ° C (1830 ° F) za vzniku fluoridu berylnatého. Zahřátím fluoridu na 900 ° C (1650 ° F) hořčíkem se vytvoří jemně rozdělené berylium a dalším zahřátím na 1300 ° C (2370 ° F) vznikne kompaktní kov. Zahříváním hydroxidu berylnatého vzniká oxid, který se v kombinaci s uhlíkem a chlorem stává chloridem berylnatým. K získání kovu se pak použije elektrolýza roztaveného chloridu berylnatého.

Chemické vlastnosti

Struktura produktu trimerické hydrolýzy berylia
Hydrolýza berylia jako funkce pH. Molekuly vody připojené k Be jsou v tomto diagramu vynechány

Atom berylia má elektronickou konfiguraci [He] 2s 2 . Převládající oxidační stav berylia je +2; atom berylia ztratil oba valenční elektrony. Nižší oxidační stavy byly nalezeny například ve sloučeninách bis (karbenu). Chemické chování berýlia je do značné míry výsledkem jeho malých atomových a iontových poloměrů. Má tedy velmi vysoký ionizační potenciál a silnou polarizaci, zatímco je vázán na jiné atomy, a proto jsou všechny jeho sloučeniny kovalentní . Jeho chemie má podobnost s chemií hliníku, což je příklad diagonálního vztahu .

Při pokojové teplotě tvoří povrch berýlia 1–10 nm silnou vrstvu pasivace oxidu, která brání dalším reakcím se vzduchem, s výjimkou postupného zahušťování oxidu až na přibližně 25 nm. Při zahřátí nad přibližně 500 ° C postupuje oxidace na sypký kov podél hranic zrn. Jakmile je kov zapálen na vzduchu zahřátím nad teplotu tání oxidu kolem 2500 ° C, berylium brilantně hoří a vytváří směs oxidu berylia a nitridu berylia . Berylium se snadno rozpouští v jiné než oxidačních kyselin , jako jsou například kyseliny chlorovodíkové a zředí se H 2 SO 4 , ale ne v kyselině dusičné nebo vody jako tak vzniká oxid. Toto chování je podobné chování hliníkového kovu. Berylium se také rozpouští v alkalických roztocích.

Binární sloučeniny berylia (II) jsou polymerní v pevném stavu. BeF 2 má strukturu podobnou oxidu křemičitému s rohově sdílenou čtyřstěnou BeF 4 . BeCl 2 a BeBr 2 mají řetězové struktury s hranou sdílenou čtyřstěnou. Oxid berylnatý, BeO, je bílá žáruvzdorná pevná látka, která má krystalovou strukturu wurtzitu a tepelnou vodivost tak vysokou jako některé kovy. BeO je amfoterní . Berylium sulfid , selenid a telurid jsou známé, všechny mají zincblende strukturu . Nitrid berylia , Be 3 N 2 je sloučenina s vysokou teplotou tání, která se snadno hydrolyzuje. Azid berylia, BeN 6 je známý a fosfid berylia, Be 3 P 2 má podobnou strukturu jako Be 3 N 2 . Je známa řada boridů berylia , jako Be 5 B, Be 4 B, Be 2 B, BeB 2 , BeB 6 a BeB 12 . Karbid berylia , Be 2 C, je žáruvzdorná cihlově červená sloučenina, která reaguje s vodou za vzniku metanu . Nebyl identifikován žádný silicid berylia .

Halogenidy BeX 2 (X = F, Cl, Br, I) mají v plynné fázi lineární monomerní molekulární strukturu. Komplexy halogenidů jsou tvořeny jedním nebo více ligandy, které darují celkem dva páry elektronů. Takové sloučeniny dodržují oktetové pravidlo . Další 4-souřadnicové komplexy, jako je aqua-ion [Be (H 2 O) 4 ] 2+, také dodržují oktetové pravidlo.

Roztoky berylia solí, jako je síran berylia a dusičnanu berylia , jsou kyselé protože hydrolýzy [Be (H 2 O) 4 ] 2+ iontů. Koncentrace prvního produktu hydrolýzy, [Be (H 2 O) 3 (OH)] + , je menší než 1% koncentrace berylia. Nejstabilnějším produktem hydrolýzy je trimerický ion [Be 3 (OH) 3 (H 2 O) 6 ] 3+ . Hydroxid berylnatý , Be (OH) 2 , je nerozpustný ve vodě při pH 5 nebo vyšším. Sloučeniny berylia jsou proto při biologickém pH obecně nerozpustné. Z tohoto důvodu vdechování kovového prachu z berylia lidmi vede k rozvoji smrtelného stavu beryliózy . Be (OH) 2 se rozpouští v silně zásaditých roztocích. V základním octanu berylnatém je centrální atom kyslíku obklopen čtyřstěnem atomů berylia. Beryllium difluorid je na rozdíl od ostatních difluoridů alkalických zemin velmi dobře rozpustný ve vodě. Vodné roztoky této soli obsahují ionty, jako je například [Be (H 2 O) 3 F] + . Hydroxid berylnatý reaguje s bifluoridem amonným za vzniku amonné soli komplexu tetrafluoroberyllátu, [(H 4 N + ) 2 ] [BeF 4 2– ].

Organická chemie

Organoberyllium chemie je omezena na akademický výzkum kvůli nákladům a toxicitě berylia, derivátů berylia a reagencií potřebných pro zavádění berylia, jako je chlorid beryllium . O organokovových sloučeninách berylia je známo, že jsou vysoce reaktivní. Příklady známých organoberyliových sloučenin jsou dineopentylberyllium , beryllocen (Cp 2 Be), diallylberyllium (výměnou reakce diethylberylia s triallylboronem), bis (1,3-trimethylsilylallyl) mesylium a ) 2. Ligandy mohou být také aryly a alkynyly.

Dějiny

Minerál beryl , který obsahuje beryllium, se používá přinejmenším od egyptské dynastie Ptolemaiovců . V prvním století nl , římský přírodovědec Plinius starší zmínil ve své encyklopedii Natural History , že beryl a smaragd ( „smaragdus“) byly podobné. Papyrus Graecus Holmiensis , psaný ve třetím nebo čtvrtém století nl, obsahuje poznámky o tom, jak se připravit umělou smaragd a beryl.

Louis-Nicolas Vauquelin objevil berylium

Počáteční analýzy smaragdů a berylů od Martina Heinricha Klaprotha , Torberna Olofa Bergmana , Franze Karla Acharda a Johanna Jakoba Bindheima vždy přinesly podobné prvky, což vedlo k mylnému závěru, že obě látky jsou křemičitany hliníku . Mineralog René Just Haüy zjistil, že oba krystaly jsou geometricky totožné, a požádal chemika Louise-Nicolase Vauquelina o chemickou analýzu.

V příspěvku z roku 1798 přečteném před Institut de France Vauquelin oznámil, že našel novou „zemi“ rozpuštěním hydroxidu hlinitého ze smaragdu a berylu v další zásadě . Redaktoři časopisu Annales de Chimie et de Physique pojmenovali novou Zemi „glucin“ pro sladkou chuť některých jejích sloučenin. Klaproth dal přednost názvu „beryllina“ díky tomu, že yttria také tvořila sladké soli. Název „beryllium“ poprvé použil Wöhler v roce 1828.

Friedrich Wöhler byl jedním z mužů, kteří nezávisle izolovali berylium

Friedrich Wöhler a Antoine Bussy nezávisle izolovali berylium v ​​roce 1828 chemickou reakcí kovového draslíku s chloridem berylnatým takto:

BeCl 2 + 2 K → 2 KCl + Be

Wöhler pomocí alkoholové lampy zahříval střídavě vrstvy chloridu berylnatého a draslíku v drátěně uzavřeném platinovém kelímku. Výše uvedená reakce okamžitě proběhla a způsobila, že kelímek začal být horký. Po ochlazení a umytí výsledného šedočerného prášku viděl, že je vyroben z jemných částic s tmavým kovovým leskem. Vysoce reaktivní draslík byl vyroben elektrolýzou jeho sloučenin, což byl proces objevený před 21 lety. Chemická metoda využívající draslík poskytla pouze malá zrnka berylia, z nichž nebylo možné odlévat ani zatloukat žádný kovový ingot.

Přímá Elektrolýza roztavené směsi beryllium fluorid a fluorid sodný od Paul Lebeau v roce 1898 mělo za následek první čisté (99,5-99,8%) vzorků berylia. Průmyslová výroba však začala až po první světové válce. Původní průmyslové zapojení zahrnovalo dceřiné společnosti a vědce související s Union Carbide and Carbon Corporation v Clevelandu OH a Siemens & Halske AG v Berlíně. V USA tento proces řídil Hugh S. Cooper, ředitel společnosti The Kemet Laboratories Company. V Německu první komerčně úspěšný proces výroby berylia vyvinuli v roce 1921 Alfred Stock a Hans Goldschmidt .

Vzorek berylia byl bombardován alfa paprsky z rozpadu radia v experimentu Jamese Chadwicka z roku 1932, který odhalil existenci neutronu . Stejná metoda se používá v jedné třídě laboratorních zdrojů neutronů na bázi radioizotopů, které produkují 30 neutronů na každý milion částic α.

Produkce berylia zaznamenala během druhé světové války rychlý nárůst v důsledku rostoucí poptávky po tvrdých slitinách berylia a mědi a luminoforů pro zářivková světla . Většina raných zářivek používala k vyzařování nazelenalého světla ortosilikát zinečnatý s různým obsahem berylia. Malé přídavky wolframanu hořečnatého zlepšily modrou část spektra a poskytly přijatelné bílé světlo. Fosfory na bázi halofosfátu nahradily fosfory na bázi berylia poté, co bylo shledáno, že berylium je toxické.

V 19. století byla k izolaci berylia použita elektrolýza směsi fluoridu berylnatého a fluoridu sodného . Vysoká teplota tání kovu činí tento proces energeticky náročnějším než odpovídající procesy používané pro alkalické kovy . Na počátku 20. století byla zkoumána produkce berylia tepelným rozkladem jodidu berylnatého v návaznosti na úspěch podobného procesu výroby zirkonia , ale tento proces se ukázal být neekonomický pro objemovou výrobu.

Čistý beryliový kov se stal snadno dostupným až v roce 1957, přestože byl použit jako legující kov k vytvrzení a zpevnění mědi mnohem dříve. Berylium by se dalo vyrábět redukcí sloučenin berylia, jako je chlorid berylnatý, kovovým draslíkem nebo sodíkem. V současné době se většina berylia vyrábí redukcí fluoridu berylnatého hořčíkem . Cena na americkém trhu za vakuově lité beryliové ingoty byla v roce 2001 asi 338 $ za libru (745 $ za kilogram).

V letech 1998 až 2008 se světová produkce berylia snížila z 343 na přibližně 200 tun . Poté se do roku 2018 zvýšil na 230 tun, z toho 170 tun pocházelo ze Spojených států.

Etymologie

Pojmenován podle berylu , polodrahokamu, ze kterého byl poprvé izolován.

Aplikace

Radiační okna

Beryliový cíl, který převádí protonový paprsek na neutronový paprsek
Čtvercová beryliová fólie upevněná v ocelovém pouzdře, která má být použita jako okno mezi vakuovou komorou a rentgenovým mikroskopem . Beryllium je díky svému nízkému atomovému číslu vysoce transparentní pro rentgenové záření .

Kvůli svému nízkému atomovému číslu a velmi nízké absorpci pro rentgenové záření je nejstarší a stále jednou z nejdůležitějších aplikací berylia v radiačních oknech pro rentgenové trubice . Na čistotu a čistotu berylia jsou kladeny extrémní požadavky, aby se na rentgenových snímcích zabránilo artefaktům. Tenké beryliové fólie se používají jako radiační okénka pro rentgenové detektory a extrémně nízká absorpce minimalizuje tepelné efekty způsobené vysoce intenzivním nízkoenergetickým rentgenovým paprskem typickým pro synchrotronové záření. Vakuotěsná okna a paprskové trubice pro radiační experimenty na synchrotronech jsou vyráběny výhradně z berylia. Ve vědeckých zařízeních pro různé rentgenové emisní studie (např. Energeticky disperzní rentgenová spektroskopie ) je držák vzorku obvykle vyroben z berylia, protože jeho emitované rentgenové paprsky mají mnohem nižší energie (≈100 eV) než rentgenové paprsky většiny studoval materiály.

Nízké atomové číslo také činí berylium relativně průhledným pro energetické částice . Proto se používá k vybudování paprskové trubice kolem oblasti kolize v nastavení částicové fyziky , jako jsou všechny čtyři hlavní experimenty s detektory na velkém hadronovém urychlovači ( ALICE , ATLAS , CMS , LHCb ), Tevatron a na SLAC . Nízká hustota berylia umožňuje kolizním produktům dosáhnout okolních detektorů bez významné interakce, jeho tuhost umožňuje v trubce vytvářet silné vakuum pro minimalizaci interakce s plyny, jeho tepelná stabilita umožňuje správnou funkci při teplotách pouhých několika stupňů nad absolutní nule , a jeho diamagnetický povaha udržuje ji zasahovat do složitých systémů vícepólových magnetů používaných k řízení a zaměřit částice nosníky .

Mechanické aplikace

Díky své tuhosti, nízké hmotnosti a rozměrové stabilitě v širokém teplotním rozsahu se beryliový kov používá pro lehké konstrukční součásti v obranném a leteckém průmyslu ve vysokorychlostních letadlech , řízených střelách , kosmických lodích a satelitech , včetně dalekohledu Jamese Webba . Několik raket na kapalná paliva použilo raketové trysky vyrobené z čistého berylia. Beryliový prášek byl sám studován jako raketové palivo , ale toto použití se nikdy neuskutečnilo. Malý počet extrémních špičkových rámů jízdních kol byl vyroben z berylia. V letech 1998 až 2000 tým McLaren Formula One používal motory Mercedes-Benz s písty ze slitiny berylia a hliníku . Na základě protestu Scuderie Ferrari bylo zakázáno používání součástí beryliového motoru .

Smícháním asi 2,0% berylia na měď vzniká slitina zvaná beryliová měď, která je šestkrát silnější než samotná měď. Slitiny berýlia se používají v mnoha aplikacích díky své kombinaci pružnosti, vysoké elektrické vodivosti a tepelné vodivosti , vysoké pevnosti a tvrdosti , nemagnetických vlastností a také dobré odolnosti proti korozi a únavě . Tyto aplikace zahrnují nejiskřící nástroje, které se používají v blízkosti hořlavých plynů ( berylnatý nikl ), v pružinách a membránách (beryliový nikl a beryliové železo ) používané v chirurgických nástrojích a zařízeních pro vysoké teploty. Již 50 dílů na milion berylia legovaného tekutým hořčíkem vede k významnému zvýšení odolnosti vůči oxidaci a snížení hořlavosti.

Beryliový měděný nastavitelný klíč

Vysoká elastická tuhost berylia vedla k jeho rozsáhlému použití v přesném přístrojovém vybavení, např. V inerciálních naváděcích systémech a v podpůrných mechanismech pro optické systémy. Slitiny berylia a mědi byly také použity jako tvrdidlo v " pistolích Jason ", které byly použity k odstranění barvy z trupů lodí.

Beryllium bylo také použito pro konzoly ve vysoce výkonných dotekových kazetách s gramofonem, kde jeho extrémní tuhost a nízká hustota umožnila snížení sledovacích hmotností na 1 gram, přesto však sledovala vysokofrekvenční pasáže s minimálním zkreslením.

Dříve hlavní aplikace berylia byla v brzdách pro vojenská letadla kvůli jeho tvrdosti, vysokému bodu tání a výjimečné schopnosti odvádět teplo . Environmentální aspekty vedly k nahrazení jinými materiály.

Ke snížení nákladů lze berylium legovat značným množstvím hliníku , což má za následek slitinu AlBeMet (obchodní název). Tato směs je levnější než čisté berylium, a přitom si zachovává mnoho žádoucích vlastností.

Zrcátka

Zvláště zajímavá jsou zrcadla z berylia . Velkoplošná zrcadla, často s voštinovou nosnou strukturou , se používají například v meteorologických satelitech, kde je kritická nízká hmotnost a dlouhodobá rozměrová stabilita. Menší beryliová zrcadla se používají v optických naváděcích systémech a v systémech řízení palby , např. V německých hlavních bojových tancích Leopard 1 a Leopard 2 . V těchto systémech je vyžadován velmi rychlý pohyb zrcadla, což opět diktuje nízkou hmotnost a vysokou tuhost. Beryliové zrcadlo je obvykle potaženo tvrdým bezproudovým niklováním, které lze snadněji leštit na jemnější optickou úpravu než berylium. V některých aplikacích je však beryliový polotovar leštěný bez jakéhokoli povlaku. To platí zejména pro kryogenní provoz, kde nesoulad teplotní roztažnosti může způsobit, že se povlak zpřetrhá.

James Webb Space Telescope bude mít 18 šestiúhelníkových beryllium sekcí pro jeho zrcadla. Protože JWST bude čelit teplotě 33 K, je zrcadlo vyrobeno z pozlaceného berylia, které zvládne extrémní chlad lépe než sklo. Beryllium se při takových teplotách smršťuje a deformuje méně než sklo - a zůstává rovnoměrnější. Ze stejného důvodu je optika Spitzerova vesmírného teleskopu celá postavena z beryliového kovu.

Magnetické aplikace

Dutý berylium koule používá v gyrokompas na Boeing B-52 Stratofortress letadla

Beryllium je nemagnetické. Proto nástroje vyrobené z materiálů na bázi berylia používají námořní nebo vojenské likvidační týmy pro práci na námořních dolech nebo v jejich blízkosti , protože tyto doly mají běžně magnetické zapalovače . Kvůli vysokému generovanému magnetickému poli se také nacházejí v údržbářských a stavebních materiálech poblíž strojů pro zobrazování magnetickou rezonancí (MRI). V oblasti radiových komunikací a výkonných (obvykle vojenských) radarů se ruční nástroje vyrobené z berylia používají k ladění vysoce magnetických klystronů , magnetronů , trubic s pohyblivými vlnami atd., Které se používají pro generování vysokých úrovní mikrovlnného výkonu ve vysílačích .

Jaderné aplikace

Tenké desky nebo fólie z berylia se někdy používají v návrzích jaderných zbraní jako samotná vnější vrstva plutoniových jam v primárních stupních termonukleárních bomb umístěných tak, aby obklopovaly štěpný materiál. Tyto vrstvy berylia jsou dobré „tlačné“ pro implozi na plutonium-239 , a jsou dobré neutronové reflektory , stejně jako v berylia moderovaných jaderných reaktorů .

Beryllium se také běžně používá v některých zdrojích neutronů v laboratorních zařízeních, ve kterých je zapotřebí relativně málo neutronů (spíše než použití jaderného reaktoru nebo neutronového generátoru poháněného urychlovačem částic ). Za tímto účelem je cíl berylia -9 bombardován energetickými částicemi alfa z radioizotopu, jako je polonium -210, radium -226, plutonium -238 nebo americium -241. V jaderné reakci, která nastane, je jádro berylia přeměněno na uhlík-12 a je emitován jeden volný neutron, který cestuje přibližně stejným směrem, jakým směřovala alfa částice. Takové zdroje neutronů berylia a neutronů poháněné rozpadem alfa , pojmenované jako „ježkoví“ neutronové iniciátory, byly použity u některých raných atomových bomb . Zdroje neutronů, ve kterých je berylium bombardováno paprsky gama z radioizotopu rozpadu gama , se také používají k výrobě laboratorních neutronů.

Dva palivové svazky CANDU: každý o délce 50 cm a průměru 10 cm. Všimněte si malých příloh na površích pokrytých palivem

Berylium se také používá při výrobě paliva pro reaktory CANDU . Palivové články mají malé přídavky, které jsou odporově pájené k palivovému plášti pomocí indukčního procesu pájení s Be jako pájecím výplňovým materiálem. Ložiskové podložky jsou pájeny na místě, aby se zabránilo kontaktu palivového svazku s tlakovou trubicí, a mezi prvky mezi distančními podložkami se pájí, aby se zabránilo kontaktu mezi prvky.

Beryllium se také používá ve výzkumné laboratoři Joint European Torus pro jadernou fúzi a bude použito v pokročilejším ITERu k úpravě součástí, které čelí plazmě. Beryllium bylo také navrženo jako obkladový materiál pro jaderné palivové tyče kvůli jeho dobré kombinaci mechanických, chemických a jaderných vlastností. Fluorid berylnatý je jednou ze základních solí směsi eutektických solí FLiBe , která se používá jako rozpouštědlo, moderátor a chladivo v mnoha hypotetických provedeních reaktoru s roztavenou solí , včetně reaktoru s kapalným fluoridem thoriem (LFTR).

Akustika

Nízká hmotnost a vysoká tuhost berýlia z něj činí užitečný materiál pro vysokofrekvenční ovladače reproduktorů . Vzhledem k tomu, že berylium je drahé (mnohonásobně více než titan ), je díky své křehkosti těžko tvarovatelné a při nesprávném zacházení toxické, jsou beryliové výškové reproduktory omezeny na špičkové aplikace pro domácí použití, profesionální zvuk a ozvučení . U některých vysoce věrných produktů bylo podvodně prohlášeno, že jsou vyrobeny z materiálu.

Některé špičkové gramofonové kazety používaly beryliové konzoly ke zlepšení sledování snížením hmotnosti.

Elektronický

Beryllium je dopant typu p v polovodičích sloučenin III-V . Je široce používán v materiálech, jako jsou GaAs , AlGaAs , InGaAs a InAlAs pěstované epitaxií molekulárního paprsku (MBE). Křížově válcovaný beryliový plech je vynikající strukturální podporou pro desky s plošnými spoji v technologii povrchové montáže . V kritických elektronických aplikacích je beryllium strukturální podporou i chladičem . Aplikace také vyžaduje součinitel tepelné roztažnosti, který je dobře přizpůsoben substrátům z oxidu hlinitého a polyimidového skla . KompozitníE-materiály “ z oxidu beryllium-berýlia byly speciálně navrženy pro tyto elektronické aplikace a mají další výhodu v tom, že součinitel tepelné roztažnosti lze přizpůsobit tak, aby odpovídal různým podkladovým materiálům.

Oxid berylnatý je užitečný pro mnoho aplikací, které vyžadují kombinované vlastnosti elektrického izolátoru a vynikajícího tepelného vodiče, s vysokou pevností a tvrdostí a velmi vysokou teplotou tání. Oxid berylnatý se často používá jako izolační základová deska ve vysoce výkonných tranzistorech v radiofrekvenčních vysílačích pro telekomunikace. Oxid beryllia se také studuje pro použití při zvyšování tepelné vodivosti pelet jaderného paliva z oxidu uraničitého . Sloučeniny berylia byly použity ve fluorescenčních osvětlovacích trubičkách, ale toto použití bylo přerušeno kvůli beryllioze onemocnění, která se vyvinula u dělníků, kteří trubičky vyráběli.

Zdravotní péče

Beryllium je součástí několika dentálních slitin .

Pracovní bezpečnost a zdraví

Beryllium je problém zdraví a bezpečnosti pracovníků. Vystavení beryliu na pracovišti může vést k senzibilizační imunitní reakci a může časem vyvinout chronické onemocnění beryliem (CBD). Národní institut pro bezpečnost a ochranu zdraví (NIOSH) ve Spojených státech, zkoumá tyto účinky ve spolupráci s významným výrobcem prvků berylia produktů. Cílem tohoto výzkumu je zabránit senzibilizaci a CBD rozvíjením lepšího porozumění pracovním procesům a expozicím, které mohou představovat potenciální riziko pro pracovníky, a vyvinout účinné intervence, které sníží riziko nežádoucích účinků na zdraví. NIOSH také provádí genetický výzkum senzibilizace a CBD, nezávisle na této spolupráci. Manuál analytických metod NIOSH obsahuje metody pro měření expozice beryliu na pracovišti.

Opatření

Beryllium
Nebezpečí
Piktogramy GHS GHS06: ToxickýGHS08: Nebezpečí pro zdraví
Signální slovo GHS Nebezpečí
H301 , H315 , H317 , H319 , H330 , H335 , H350i , H372
P201 , P260 , P280 , P284 , P301 , P310 , P330 , P304 , P340 , P310
NFPA 704 (ohnivý diamant)
4
3
3

V průměrném lidském těle se nachází přibližně 35 mikrogramů berylia, což je množství, které není považováno za škodlivé. Beryllium je chemicky podobné hořčíku, a proto jej může vytlačit z enzymů , což způsobuje jejich poruchu. Protože Be 2+ je vysoce nabitý a malý ion, může se snadno dostat do mnoha tkání a buněk, kde cílí specificky na buněčná jádra a inhibuje mnoho enzymů, včetně těch, které se používají pro syntézu DNA. Jeho toxicita je umocněna skutečností, že tělo nemá prostředky ke kontrole hladin berylia a jakmile je v těle, berylium nelze odstranit. Chronická berylióza je plicní a systémové granulomatózní onemocnění způsobené vdechováním prachu nebo výparů kontaminovaných beryliem; buď velké množství během krátké doby, nebo malé množství po dlouhou dobu může vést k tomuto onemocnění. Příznaky onemocnění se mohou vyvíjet až pět let; asi třetina pacientů s ním zemře a přeživší zůstanou invalidní. Mezinárodní agentura pro výzkum rakoviny (IARC) seznamy beryllium a sloučeniny berylia jako kategorie 1 karcinogenů . V USA Úřad pro bezpečnost a ochranu zdraví (OSHA) určil přípustný expoziční limit (PEL) na pracovišti s časově váženým průměrem (TWA) 2 µg/m 3 a konstantním expozičním limitem 5 µg/m 3 po dobu 30 minut, s maximálním limitem píku 25 µg/m 3 . Národní institut pro bezpečnost a ochranu zdraví (NIOSH) stanovila hranice doporučená expozice (rel) konstantních 500 ng / m 3 . Hodnota IDLH (bezprostředně nebezpečná pro život a zdraví) je 4 mg/m 3 . Toxicita berylia je srovnatelná s jinými toxickými kovy, jako je arsen a rtuť .

Toxicita jemně rozděleného berylia (prach nebo prášek, s nímž se setkáváme zejména v průmyslových podmínkách, kde se berylium vyrábí nebo zpracovává), je velmi dobře zdokumentována. Kov z pevného berylia nepředstavuje stejná rizika jako vdechovaný prach ve vzduchu, ale jakékoli nebezpečí spojené s fyzickým kontaktem je špatně dokumentováno. Pracovníkům manipulujícím s hotovými kousky berýlia se běžně doporučuje zacházet s nimi v rukavicích, a to jak preventivně, tak proto, že mnoho, ne -li většina aplikací berylia, nemůže tolerovat rezidua kontaktu s pokožkou, jako jsou otisky prstů.

Akutní beryliová nemoc ve formě chemické pneumonitidy byla poprvé zaznamenána v Evropě v roce 1933 a ve Spojených státech v roce 1943. Průzkum zjistil, že asi 5% pracovníků v závodech vyrábějících zářivky v roce 1949 v USA mělo plicní onemocnění související s beryliem . Chronická berylióza v mnoha ohledech připomíná sarkoidózu a diferenciální diagnostika je často obtížná. Zabilo to některé rané dělníky v konstrukci jaderných zbraní, například Herberta L. Andersona .

Beryllium lze nalézt v uhelné strusce. Když je struska formulována do abrazivního činidla pro tryskání barev a rzi z tvrdých povrchů, může se berylium šířit vzduchem a stát se zdrojem expozice.

První výzkumníci ochutnali beryllium a jeho různé sloučeniny pro sladkost, aby ověřili jeho přítomnost. Moderní diagnostické zařízení již nevyžaduje tento vysoce rizikový postup a neměl by být prováděn žádný pokus o požití této vysoce toxické látky. S beryliem a jeho sloučeninami by se mělo zacházet velmi opatrně a při jakékoli činnosti, která by mohla vést k uvolňování beryliového prachu, je třeba dodržovat zvláštní opatření ( rakovina plic je možným důsledkem dlouhodobého vystavení prachu naloženému beryliem). Ačkoli použití sloučenin berylia ve fluorescenčních osvětlovacích trubicích bylo v roce 1949 ukončeno, existuje potenciál expozice beryliu v jaderném a leteckém průmyslu a při rafinaci kovového berylia a tavení slitin obsahujících berylium, výrobě elektronických zařízení a manipulace s jiným materiálem obsahujícím berylium.

Úspěšný test na berylium ve vzduchu a na površích byl nedávno vyvinut a publikován jako mezinárodní standard dobrovolné shody ASTM D7202. Tento postup používá zředěný bifluorid amonný pro rozpouštění a detekci fluorescence s beryliem navázaným na sulfonovaný hydroxybenzochinolin, což umožňuje až 100krát citlivější detekci, než je doporučený limit koncentrace berylia na pracovišti. Fluorescence se zvyšuje s rostoucí koncentrací berylia. Nový postup byl úspěšně testován na různých površích a je účinný při rozpouštění a ultratrace detekci žáruvzdorného oxidu berylia a křemičitého berylia (ASTM D7458).

Reference

Citované zdroje

Další čtení

externí odkazy