„Beryllium“ – Versionsunterschied

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Der Nachweis von <sup>10</sup>Be hat wissenschaftliche Anwendungen zum Beispiel in der Geologie und Klimaforschung. Eine wichtige Anwendung in der Geologie ist die [[Radiometrische Datierung|Datierung]] der Offenlegung von Gestein; damit lässt sich zum Beispiel der Rückzug von Gletschern datieren.<ref name="Finkel_und_Suter_1993">R. C. Finkel, [[Martin Suter (Physiker)|M. Suter]]: ''AMS in the earth sciences: technique and applications.'' In: ''[[Advances in Analytical Geochemistry]].'' Volume 1, 1993, ISBN 1-55938-332-1, S.&nbsp;1–114.</ref> Die Konzentration von <sup>10</sup>Be zeigt eine Korrelation mit der die Erde erreichenden kosmischen Strahlung. Diese hängt von der Stärke des Erdmagnetfeldes und der Sonnenaktivität ab (hohe Be-Konzentration bei geringer Sonnenaktivität). Da es sich bevorzugt auf Aerosoloberflächen niederschlägt, korrelieren hohe Be-Konzentrationen auch mit hohen [[Aerosol]]konzentrationen in der Luft.<ref name="Gassmann1994">{{Literatur |Autor=[[Fritz Gassmann]] |Titel=Was ist los mit dem Treibhaus Erde |Verlag=vdf |Datum=1994 |ISBN=3-7281-1935-0 |Seiten=63 |Online={{Google Buch | BuchID = BTjb-17LP6sC | Seite = 63 | Hervorhebung = Beryllium}}}}</ref>
Der Nachweis von <sup>10</sup>Be hat wissenschaftliche Anwendungen zum Beispiel in der Geologie und Klimaforschung. Eine wichtige Anwendung in der Geologie ist die [[Radiometrische Datierung|Datierung]] der Offenlegung von Gestein; damit lässt sich zum Beispiel der Rückzug von Gletschern datieren.<ref name="Finkel_und_Suter_1993">R. C. Finkel, [[Martin Suter (Physiker)|M. Suter]]: ''AMS in the earth sciences: technique and applications.'' In: ''[[Advances in Analytical Geochemistry]].'' Volume 1, 1993, ISBN 1-55938-332-1, S.&nbsp;1–114.</ref> Die Konzentration von <sup>10</sup>Be zeigt eine Korrelation mit der die Erde erreichenden kosmischen Strahlung. <sup>10</sup>Be entsteht bei Reaktionen von schnellen Nukleonen aus der Höhenstrahlung mit Stickstoff und Sauerstoff der Luft. Die so entstandenen [[Spallationsprodukte]] adsorbieren an den [[Aerosol]]en der oberen Atmosphäre, die schließlich mit dem Regen auf die Erdoberfläche transportiert werden, wo sie sich mit dem stabilen <sup>9</sup>Be vermischen.<ref name="Wilhelm T. Hering">{{Literatur| Autor=Wilhelm T. Hering | Titel=Angewandte Kernphysik Einführung und Übersicht | Verlag=Springer-Verlag | ISBN=978-3-519-03244-1 | Jahr=1999 | Online={{Google Buch | BuchID=O0uGJxfSN90C | Seite=62 }} | Seiten=62 }}</ref> Die Höhenstrahlung und damit die Entstehungsrate von <sup>10</sup>Be hängt von der Stärke des Erdmagnetfeldes und der Sonnenaktivität ab (hohe Be-Konzentration bei geringer Sonnenaktivität). Da es sich bevorzugt auf Aerosoloberflächen niederschlägt, korrelieren hohe Be-Konzentrationen auch mit hohen [[Aerosol]]konzentrationen in der Luft.<ref name="Gassmann1994">{{Literatur |Autor=[[Fritz Gassmann]] |Titel=Was ist los mit dem Treibhaus Erde |Verlag=vdf |Datum=1994 |ISBN=3-7281-1935-0 |Seiten=63 |Online={{Google Buch | BuchID = BTjb-17LP6sC | Seite = 63 | Hervorhebung = Beryllium}}}}</ref><ref name="Wilhelm T. Hering">{{Literatur| Autor=Wilhelm T. Hering | Titel=Angewandte Kernphysik Einführung und Übersicht | Verlag=Springer-Verlag | ISBN=978-3-519-03244-1 | Jahr=1999 | Online={{Google Buch | BuchID=O0uGJxfSN90C | Seite=62 }} | Seiten=62 }}</ref> Hohe Konzentrationen treten in Warmzeiten, geringe in Kaltzeiten auf.<ref name="Pott2005">{{Literatur |Autor=Richard Pott |Titel=Allgemeine Geobotanik: Biogeosysteme und Biodiversität |Verlag=Springer |Datum=2005 |ISBN=3-540-23058-0 |Seiten=126 |Online={{Google Buch | BuchID = FizWfkaUNXsC | Seite = 126 | Hervorhebung = Beryllium}} }}</ref> Da <sup>10</sup>Be zusammen mit den übrigen Gasen der Atmosphäre in [[Eisbohrkern]]en eingeschlossen wird, kann durch Analyse dieser Einschlüsse über viele Jahrtausende der Zusammenhang zwischen Sonnenaktivität und globalem Temperaturverlauf analysiert werden.<ref>{{Literatur |Autor=J. B. Pedro, A. M. Smith, K. J. Simon, T. D. van Ommen, M. A. J. Curran |Titel=High-resolution records of the beryllium-10 solar activity proxy in ice from Law Dome, East Antarctica: measurement, reproducibility and principal trends |Sammelwerk=[[Climate of the Past]] |Band=7 |Datum=2011-07 |Seiten=707–721 |Sprache=en |Online=http://www.clim-past.net/7/707/2011/cp-7-707-2011.pdf |Format=PDF |KBytes= |DOI=10.5194/cp-7-707-2011 |Abruf=2013-07-16}}</ref>
Hohe Konzentrationen treten in Warmzeiten, geringe in Kaltzeiten auf.<ref name="Pott2005">{{Literatur |Autor=Richard Pott |Titel=Allgemeine Geobotanik: Biogeosysteme und Biodiversität |Verlag=Springer |Datum=2005 |ISBN=3-540-23058-0 |Seiten=126 |Online={{Google Buch | BuchID = FizWfkaUNXsC | Seite = 126 | Hervorhebung = Beryllium}} }}</ref>
Da <sup>10</sup>Be zusammen mit den übrigen Gasen der Atmosphäre in [[Eisbohrkern]]en eingeschlossen wird, kann durch Analyse dieser Einschlüsse über viele Jahrtausende der Zusammenhang zwischen Sonnenaktivität und globalem Temperaturverlauf analysiert werden.<ref>{{Literatur |Autor=J. B. Pedro, A. M. Smith, K. J. Simon, T. D. van Ommen, M. A. J. Curran |Titel=High-resolution records of the beryllium-10 solar activity proxy in ice from Law Dome, East Antarctica: measurement, reproducibility and principal trends |Sammelwerk=[[Climate of the Past]] |Band=7 |Datum=2011-07 |Seiten=707–721 |Sprache=en |Online=http://www.clim-past.net/7/707/2011/cp-7-707-2011.pdf |Format=PDF |KBytes= |DOI=10.5194/cp-7-707-2011 |Abruf=2013-07-16}}</ref>


Das extrem kurzlebige Isotop <sup>8</sup>Be (Halbwertszeit etwa 10<sup>−17</sup> Sekunden) spielt eine wichtige Rolle in der [[Drei-Alpha-Prozess|Nukleosynthese]], der Entstehung der chemischen Elemente in Gestirnen.<ref name="DOI10.1080/21553769.2017.1411838">Elisabeth Vangioni, Michel Cassé: ''Cosmic origin of the chemical elements rarety in nuclear astrophysics.'' In: ''Frontiers in Life Science.'' 10, 2017, S.&nbsp;84, {{DOI|10.1080/21553769.2017.1411838}}.</ref>
Das extrem kurzlebige Isotop <sup>8</sup>Be (Halbwertszeit etwa 10<sup>−17</sup> Sekunden) spielt eine wichtige Rolle in der [[Drei-Alpha-Prozess|Nukleosynthese]], der Entstehung der chemischen Elemente in Gestirnen.<ref name="DOI10.1080/21553769.2017.1411838">Elisabeth Vangioni, Michel Cassé: ''Cosmic origin of the chemical elements rarety in nuclear astrophysics.'' In: ''Frontiers in Life Science.'' 10, 2017, S.&nbsp;84, {{DOI|10.1080/21553769.2017.1411838}}.</ref>

Version vom 3. August 2019, 09:28 Uhr

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Beryllium, Be, 4
Elementkategorie Erdalkalimetalle
Gruppe, Periode, Block 2, 2, s
Aussehen weiß-grau metallisch
CAS-Nummer

7440-41-7

Massenanteil an der Erdhülle 5,3 ppm[1]
Atomar[2]
Atommasse 9,0121831(5)[3] u
Atomradius (berechnet) 105 (112) pm
Kovalenter Radius 96 pm
Van-der-Waals-Radius 153[4] pm
Elektronenkonfiguration [He] 2s2
1. Ionisierungsenergie 899,5
2. Ionisierungsenergie 1757,1
Physikalisch[2]
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur hexagonal (dichtest gepackt)
Dichte 1,848 g/cm3 (20 °C)[5]
Mohshärte 5,5
Magnetismus diamagnetisch (Χm = −2,3 · 10−5)[6]
Schmelzpunkt 1560 K (1287 °C)
Siedepunkt 3243 K[7] (2969 °C)
Molares Volumen 4,85 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie 309 kJ/mol[7]
Schmelzenthalpie 7,95 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit 13000 m·s−1
Spezifische Wärmekapazität 1825[1] J·kg−1·K−1
Austrittsarbeit 4,98 eV[8]
Elektrische Leitfähigkeit 25 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit 190 W·m−1·K−1
Chemisch[2]
Oxidationszustände 2
Normalpotential −1,97 V (Be2+ + 2 e− → Be)
Elektronegativität 1,57 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
7Be in Spuren 53,12 d ε 0,862 7Li
8Be {syn.} 6,722 · 10−17 s 2 α 0,092 –
9Be 100 % Stabil
10Be in Spuren 1,51 · 106 a β− 0,556 10B
11Be {syn.} 13,81 s β− 11,506 11B
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
  Spin-
Quanten-
zahl I 		γ in
rad·T−1·s−1 		Er (1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
9Be −3/2 0+3,759 · 107 0,0139 028,12
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP),[10] ggf. erweitert[9]
Gefahrensymbol Gefahrensymbol

Gefahr

H- und P-Sätze H: 301​‐​315​‐​317​‐​319​‐​330​‐​335​‐​350i​‐​372
P: 201​‐​260​‐​280​‐​284​‐​301+310+330​‐​304+340+310[9]
Toxikologische Daten
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Beryllium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Be und der Ordnungszahl 4. Der Name lässt sich vom Mineral Beryll, einem berylliumhaltigen Schmuckstein, ableiten (altgriechisch βήρυλλος beryllos, lateinisch beryllus).[14]

Entdeckt wurde es als Bestandteil des Minerals Beryll bereits 1798 von L. Vauquelin, der es wegen des süßlichen Geschmacks der isolierten berylliumhaltigen Verbindungen (z. B. des Hydroxids) zunächst Glucinium nannte. Elementares Beryllium wurde erstmals 1828 von Friedrich Wöhler und unabhängig davon von A.-B. Bussy hergestellt.[15]

Beryllium gehört zu den seltener vorkommenden Metallen, das in der Natur am häufigsten in den Mineralen Beryll und Bertrandit vorkommt.[15]

Im Periodensystem steht Beryllium in der zweiten Hauptgruppe, bzw. der 2. IUPAC-Gruppe, und zählt daher zu den Erdalkalimetallen. Als Element der zweiten Periode zählt es zu den leichten Erdalkalimetallen. Bemerkenswert ist jedoch, dass es eine höhere Dichte als seine beiden Homologen Magnesium und Calcium hat. Das stahlgraue und außergewöhnlich giftige Leichtmetall ist sehr hart und spröde, hat einen höheren Elastizitätsmodul als Stahl und wird meist als Legierungszusatz verwendet. In Verbindungen ist es zweiwertig. Im Vergleich mit den anderen leichten Alkali- und Erdalkalimetallen (Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium und Calcium) ist es deutlich toxischer.

Geschichte

Im Altertum und im Mittelalter dienten durchsichtige Beryllstücke vielfach als ein Zauberglas, das Schriftzüge und Bilder beim Lesen wie eine Lupe vergrößert.[16]

Die erste überlieferte Erwähnung findet sich in der Naturalis historia aus dem 1. Jahrhundert, wo Plinius der Ältere die Ähnlichkeit zwischen den Mineralien Beryll und Smaragd (Beryll mit einer Spur Chrom) beschreibt, doch sie für unterschiedliche Stoffe hält.[17]

Der Abbé R. J. Haüy stellte bei Beryll und Smaragd nach Härte und Dichte die gleichen physikalischen Eigenschaften sowie die gleiche Kristallform fest und veranlasste daraufhin den französischen Chemiker Louis-Nicolas Vauquelin zu einer Untersuchung.[18]

Louis-Nicolas Vauquelin (1763–1829)

Vauquelin bewies 1798, dass Beryll und Smaragd chemisch nahezu identisch sind. Er isolierte auch ein Oxid aus beiden Mineralen, das er terre du béril (Beryllerde) nannte; es war den bekannten Aluminiumverbindungen zwar ähnlich, aber doch deutlich verschieden von diesen. Bis dahin wurde Beryll nach den vorangegangenen Analysen von T. Bergman[19], F. C. Achard[20], M. H. Klaproth[21] und L. N. Vauquelin[22] für ein Calcium-Aluminiumsilicat gehalten. Dem neu entdeckten Stoff gaben die Herausgeber von Vauquelins Artikel den Namen Glucine, wegen des süßen Geschmacks des Berylliumsalzes (griechisch γλυκύς glykys ‚süß‘).[23] Namen wie Glucinum oder Glucinium wurden in Frankreich und einigen anderen Ländern noch bis ins 20. Jahrhundert verwendet, obgleich bereits M. H. Klaproth und A. G. Ekeberg 1802 darauf hinwiesen, dass süßer Geschmack durchaus keine spezielle Eigenschaft der Salze des Berylliums ist, Salze des Yttriums ebenfalls süß schmecken, und daher die Bezeichnung Beryllerde vorzuziehen sei.[24]

Die ersten Berichte über Versuche, das Element darzustellen, wurden 1809 von H. Davy und 1812 von F. Stromeyer veröffentlicht. Doch erst 1828 gelang es Friedrich Wöhler und kurz darauf Antoine Bussy, das Element durch die Reduktion des Berylliumchlorids mit Kalium darzustellen. Wöhler nannte das neue Element Beryllium.[24] Das 1836 im Davidsonit (einer Beryll-Varietät[25]) entdeckte Element, das von T. Richardson Donium und von H. S. Boase Treenium genannt wurde, stellte sich als Beryllium heraus.[26] M. Awdejew nahm 1842 die ersten Bestimmungen des genauen Atomgewichtes vor. Julius Weeren (1854) und Henry Debray (1855) führten ebenfalls umfangreiche Untersuchungen des Metalls, seiner elementaren Eigenschaften und seiner Verbindungen durch. Auch Charles Arad Joy (1863) erforschte die Herstellung von Beryllverbindungen. Weiteren Kreisen wurde es wohl auf der Pariser Weltausstellung 1867 bekannt, wo erstmals eine größere Menge ausgestellt wurde.[24]

Das chemische Symbol Be wurde 1814 von J. J. Berzelius eingeführt.[27]

Große Fortschritte in der Chemie des Berylliums gelangen zwischen 1873 und 1885 durch Albert Atterberg, L. F. Nilson und O. Pettersson. In diesen Jahren wurde auch über die Valenz des Berylliums und seine Position im Periodensystem intensiv diskutiert. Zahlreiche weitere Forscher trugen später ebenfalls zur Entwicklung der Chemie des Berylliums bei.[28]

Reines Beryllium in kristalliner Form wurde erstmals 1899 von Paul Marie Alfred Lebeau durch Schmelzflusselektrolyse von Natriumtetrafluoridoberyllat (Na2[BeF4]) hergestellt. Nach dem Ersten Weltkrieg wurde Beryllium gleichzeitig von der Siemens & Halske AG (Alfred Stock und Hans Goldschmidt) in Deutschland und von der Union Carbide and Carbon Corporation (Hugh S. Cooper) in den Vereinigten Staaten produziert. Nach dem Zweiten Weltkrieg stellte in Amerika vor allem die Beryllium Corp. of America in Cleveland hochreines Beryllium her und in England erforschte das National Physical Laboratory das Element.[29][24]

1945 wurde Beryllium zusammen mit dem Alphastrahler Polonium als Neutronenquelle in der Atombombe Little Boy eingesetzt, die über Hiroshima abgeworfen wurde.[30]

Vorkommen

Im Sonnensystem stellt Beryllium unter den Elementen, die leichter als Eisen sind, das seltenste dar (siehe gelistete Häufigkeiten im Sonnensystem). In der Erdhülle steht es mit einem Massenanteil von 5,3 ppm an 48. Stelle der Elementhäufigkeit. Es ist dabei in der oberen kontinentalen Lithosphäre stark angereichert, vergleicht man die Konzentrationen von 1,4 ppm in der unteren kontinentalen Kruste und 0,07 ppm im primitiven Mantel.

Beryllium ist ein typisch lithophiles Element. Es bildet eine charakteristische vierfache Koordination mit Sauerstoff im [BeO4]6- Komplex. Geochemisch wird es in sauren und in alkalischen Magmen während des magmatischen Differenzierungsprozesses angereichert. Bei einem sauren Magma wird es in der pegmatitischen und hydrothermalen Restphase konzentriert, während es bei einem alkalischen Magma in das Gitter mehrerer gesteinsbildender und zusätzlicher Mineralien durch diadoche Einfangtechnik eintritt, was seine Konzentration in der Restphase verhindert.[31]

Mineralien, die Beryllium als wesentlichen Bestandteil enthalten, scheinen relativ spät entstanden zu sein. In terrestrischen Gesteinen älter als etwa 3 Milliarden Jahre wurden solche nicht nachgewiesen, sie treten wohl erst rund 1,5 Milliarden Jahre nach der Entstehung der Erde auf. In außerirdischen Gesteinen wurden bislang keine berylliumhaltigen Minerale gefunden. Meteorite, wie Chondrite, Achondrite, steinige Eisen- und Eisenmeteorite enthalten Beryllium in Konzentrationen von 0–400 ppb. Dabei werden in lokalen Calcium-Aluminium-reichen Einschlüssen (CAIs) bis 560 ppb erreicht, mit maximaler Konzentration in Melilith und Änderungsphasen von CAIs (649 ppb bzw. ~1 ppm); die Affinität von Beryllium zu Melilith wird auf dessen strukturelle Ähnlichkeit mit Gugiait zurückgeführt.[32] Konzentrationen unter 10 ppm reichen selten aus, um ein Mineral mit Beryllium als wesentlichem Bestandteil zu stabilisieren. Normalerweise ist eine weitere Anreicherung erforderlich, damit die häufigeren Berylliummineralien entstehen können, beispielsweise auf rund 70 ppm für einen Beryll in granitischen Pegmatiten.[32]

Das seltene Element Beryllium kommt auf der Erde in einer Reihe verschiedener Mineralien vor. Die mengenmäßig wichtigsten sind Bertrandit (Be4Si2O7(OH)2) und Beryll (Be3Al2Si6O18).[33] Auch Phenakit kommt weltweit vor.[34] Beryllium tritt in der Struktur von knapp 40 Mineralien als formelwirksamer Bestandteil und in gut 50 weiteren Mineralien als diadocher Bestandteil auf (einige Quellen geben sogar 112[32], die International Mineralogical Association 126[35] (Stand Juli 2019) Mineralien mit Beryllium als wesentlichem Element an). Von den rund 40 eigentlichen Berylliummineralien sind 26 Silikate (z. B. Beryll, Barylith, Phenakit), welche die enge geochemische Ähnlichkeit des Komplexes [BeO4]6- mit den Komplexen von [SiO4]4- und [AlO4]5- widerspiegeln.[31] Daneben sind Oxide (z. B. Bromellit, Chrysoberyll), Borate (z. B. Hambergit, Rhodizit), Antimonate (z. B. Swedenborgit), Phosphate (z. B. Beryllonit, Hurlbutit) sowie das bisher einzige bekannte Carbonat Niveolanit bekannt.[18] Beryll kommt in heterogenen zonierten Pegmatiten vor, Bertrandit stammt aus nicht-pegmatitischen Quellen.[31]

Die schönsten und wertvollsten berylliumhaltigen Mineralien sind unter anderem die Beryll-Varietäten Aquamarin, Smaragd und weitere „Berylle“, Chrysoberyll und dessen Varietät Alexandrit sowie Euklas, Phenakit und Tugtupit, die überwiegend als Schmucksteine verwendet werden. Beryllium-Lagerstätten finden sich bevorzugt im Äquatorialgürtel. In der Leckbachrinne im Habachtal (Hohe Tauern) südlich von Bramberg in Österreich wurde bis vor wenigen Jahren Smaragd gewonnen (siehe auch Smaragdbergwerk Habachtal). In den USA werden niedrighaltige Lagerstätten von Berylliumoxid-Erz in der Nevada-Wüste abgebaut. Die geschätzten Vorräte an förderbarem Beryllium liegen weltweit bei etwa 80.000 Tonnen.[33] Etwa 65 Prozent der Lagerstätten befinden sich in den USA (hauptsächlich in Form von Bertrandit in den Spor Mountain Gebiet in Utah[36]) und der Rest in Lagerstätten von Beryll in anderen Ländern. Abgebaut werden diese in Russland, Kanada, Brasilien, China, Madagaskar, Mosambik und Portugal.[37]

Herstellung

Das wichtigste Ausgangsmaterial für die Darstellung von Berylliumsalzen als Ausgangsstoff zur Herstellung von Beryllium ist der Beryll, der neben dem durch die Formel gegebenen Aluminiumgehalt meist noch Eisen enthält. Neben dem eigentlichen Aufschluß ist daher die Trennung des Berylliums vom Aluminium und Eisen von Bedeutung. Der Aufschluß erfolgt entweder mittels alkalischer Flussmittel[18]

oder mittels Fluoriden oder Silicofluoriden.[18]

Außer dem Beryll werden noch Gadolinit und Leukophan als Ausgangsmaterial für Berylliumsalze mit Aufschluß durch zum Beispiel Schwefelsäure oder Königswasser benutzt.[24]

Das entstehende Berylliumhydroxid wird mit Ammoniumbifluorid unter Bildung von Ammoniumfluoroberyllat umgesetzt, das wiederum bei erhöhten Temperaturen (>125 °C) zu Berylliumfluorid und flüchtigem Ammoniumfluorid zersetzt wird.[18] Zur Erzeugung von Berylliumchlord führt man Berylliumhydroxid durch Erhitzen in Berylliumoxid über, welches bei 800 °C mit Kohlenstoff und Chlor unter Bildung des gewünschten wasserfreien Berylliumchlorid reagiert.[15]

Elementares Beryllium wird durch Reduktion von Berylliumfluorid mit Magnesium bei 1300 °C hergestellt.[15] Die Reaktion beginnt schon bei niedrigen Temperaturen, jedoch nimmt über 850 °C die Reaktionsgeschwindigkeit zu, nachdem sowohl Magnesium als auch Berylliumfluoride geschmolzen sind.[18]

Die Herstellung hochreinen, metallischen Berylliums erfolgt durch Schmelzflusselektrolyse von Berylliumchlorid mit Lithiumchlorid bei 500 °C oder Natriumchlorid bei 350 °C oder Berylliumfluorid mit Lithiumfluorid oder Kaliumfluorid bei 500 °C[18]:

Beryllium scheidet sich an der Kathode in Form eines feinen Berylliumpulvers ab, das von Zeit zu Zeit mit der Kathode aus der Schmelze gehoben sowie abgestreift und – nach Befreiung von anhaftendem Salz (Waschen mit Wasser) – durch Sintern bei 1150 °C in kompakte Stücke verwandelt wird.[15]

Die Weltjahresproduktion an Beryllium-Metall betrug 2018 etwa 230 t.[36]

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Beryllium, kristallines Bruchstück

Kristallines Beryllium ist von stahlgrauer Farbe, wobei gut ausgebildete Kristallflächen oft einen helleren Farbton zeigen. Die Mohs-Härte des Metalls liegt zwischen 6 und 7. Es ist bei normalen Temperaturen außerordentlich spröde und zerspringt leicht bei Schlagbeanspruchung. Bei höherer Temperaturen ist es verhältnismäßig duktil, jedoch ist eine Bearbeitung bei diesen Temperaturen wegen der sehr hohen Affinität des Metalls zum Sauerstoff sehr schwierig und kann ohne Materialverlust nur in einer Wasserstoff-Atmosphäre oder im Vakuum vorgenommen werden.[24] Das spröde Verhalten hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie Temperatur, Korngröße, Reinheit (vor allem dem Berylliumoxidgehalt) und Verarbeitungsprozess. So ist sehr feinkörniges und hochreines (99,999 %) Beryllium plastisch bei normalen Temperaturen verformbar. Beryllium mit technischer Reinheit ist bei Temperaturen über 500 °C verformbar.[38]

Beryllium besitzt für ein Leichtmetall einen bemerkenswert hohen Schmelzpunkt. Neben der sehr hohen spezifischen Wärmekapazität von 1,825 kJ/(kg·K)[39][40] besitzt es einen um ein Drittel höheren Elastizitätsmodul als Stahl (Elastizitätsmodul 303 GPa, Schubmodul 135 GPa, Kompressionsmodul 110 GPa[18]). Die molare Wärmekapazität ist mit 16.45 J/(mol·K) jedoch deutlich kleiner als die der meisten anderen Metalle. Auch die Schwingungsdämpfung ist sehr hoch. Im sichtbaren Licht und nahen Ultraviolett reflektiert es etwa 50 %, im Infrarotbereich bei einer Wellenlänge von 10,6 µm etwa 98 %. Die Schallgeschwindigkeit in Beryllium ist 2,5 mal höher als die von Stahl, der Wärmeausdehnungskoeffizient liegt bei Raumtemperatur etwa bei 11·10−6 pro °C.[18] Da es nur vier Elektronen pro Atom hat, ist die Wechselwirkung mit Röntgenstrahlung sehr gering. Es ist somit sehr durchlässig für Röntgenstrahlung und wird in Röntgenröhren als Austrittsfenster benutzt. Alphastrahlung kann aus Beryllium Neutronen freisetzen:

Beryllium existiert normalerweise in einer dicht gepackten hexagonalen (hcp) kristallinen Form, genannt α-Beryllium, im Gegensatz zu β-Beryllium mit einer körperzentrierten kubischen Form, die zwischen 1250 °C und ihrem Schmelzpunkt von 1287 °C stabil ist.[18]

Beryllium hat eine außerordentlich niedrige Poissonzahl von µ = 0,032, weist also im Zugversuch eine sehr geringe Querkontraktion auf, während andere Element-Metalle Werte von µ = 0,21 (Chrom) bis 0,44 oder 0,45 (Gold, Blei; Thallium) aufweisen.[41] Das bedeutet, dass eine Berylliumzugprobe im einachsigen Zugversuch kaum einschnürt, also ihren Querschnitt fast konstant beibehält.

Chemische Eigenschaften

Beryllium gehört zu den selteneren Metallen, das in Salzen sowohl kationisch (Berylliumsilicate) wie anionisch (Beryllate) vorkommt.[15]

Bei Raumtemperatur ist Beryllium an trockener Luft beständig und bleibt blank, da sich eine passivierende Oxidschicht bildet. Erst beim Erhitzen in Pulverform verbrennt es unter heller Feuererscheinung zu Berylliumoxid und Berylliumnitrid. Die Oxidschicht widersteht auch dem Angriff kalter oxidierende Säuren, z. B. konzentrierter Salpetersäure bis zu einer Konzentration von 6 M. Verunreinungungen mit Halogenid- und Sulfationen fördern die Lösung. In verdünnten nichtoxidierenden Säuren (z. B. Salzsäure, Schwefelsäure und Ammoniumdifluorid) löst es sich entsprechend seinem stark negativen Normalpotential (—1.847 V) lebhaft unter Wasserstoffentwicklung.[18][15]

Alkalilaugen greifen Beryllium unter Bildung von Beryllaten an.[18]

An feuchter Luft überzieht es sich mit einer Schicht aus Hydroxid, die sich beim Kontakt mit Wasser ausbildet. Bei höheren Temperaturen ist die Korrosionsbeständigkeit in Wasser abhängig von den Verunreinigungen des Metalls sowie des Korrosionsmediums, zusätzlich besteht die Gefahr der Lochfraßkorrosion. In reiner Form wird es durch Wasser wird es selbst bei Rotglut nicht angegriffen.[15] In heißen Gasen wie Luft, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid tritt merkliche Korrosion erst oberhalb von 600 °C ein.

Im Unterschied zu den übrigen Elementen der II. Hauptgruppe löst sich Beryllium, vor allem bei Erwärmung, auch in wässerigen Alkalilaugen unter Bildung von Beryllaten. Mit den Halogenen reagiert es bei Erhitzung unter Bildung von Halogeniden BeX2.[15]

Nur wenige Elemente bilden substantielle feste Lösungen im Beryllium, und zwar Kupfer, Nickel, Cobalt und in geringerem Maße Eisen. Silber hat eine begrenzte feste Löslichkeit in Beryllium. Die meisten Festlösungslegierungen sind wesentlich härter als das gereinigte Metall, d. h. Metall, aus dem mikrolegierungsartige Verunreinigungen entfernt wurden. Beryllium bildet viele intermetallische Verbindungen (zum Beispiel mit Titan), die oft eine wichtige Rolle sowohl bei Studien zur Legierungsentwicklung als auch bei der Herstellung von Beryllium-Verbundwerkstoffen spielen. Aluminium ist ein wichtiger Legierungszusatz, der keine intermetallische Verbindung mit Beryllium bildet. Auch weist Aluminium keine signifikante Feststofflöslichkeit in Beryllium und Beryllium in Aluminium auf, so dass Beryllium-Aluminium-Legierungen als Mischungen der beiden im Wesentlichen reinen Metalle erscheinen.[18]

Isotope

Es sind insgesamt 11 Isotope zwischen 5Be und 16Be des Berylliums bekannt. Von diesen ist nur eines, das Isotop 9Be stabil. Damit ist Beryllium eines von 22 Reinelementen. Die langlebigsten instabilen Isotope sind 7Be, das mit einer Halbwertszeit von 53,22 Tagen unter Elektroneneinfang in 7Li übergeht und 10Be, das mit einer Halbwertszeit von 1,51 Millionen Jahren unter Betazerfall zu 10B zerfällt.[42] Beide Isotope sind kosmogen.[43][44] Alle anderen Isotope haben nur kurze Halbwertszeiten von Sekunden oder Millisekunden.

Beim Einsatz in Kernreaktoren entstehen durch Neutroneneinfang und die folgenden Kernreaktionen gasförmige Produkte.[18]

Der Nachweis von 10Be hat wissenschaftliche Anwendungen zum Beispiel in der Geologie und Klimaforschung. Eine wichtige Anwendung in der Geologie ist die Datierung der Offenlegung von Gestein; damit lässt sich zum Beispiel der Rückzug von Gletschern datieren.[45] Die Konzentration von 10Be zeigt eine Korrelation mit der die Erde erreichenden kosmischen Strahlung. 10Be entsteht bei Reaktionen von schnellen Nukleonen aus der Höhenstrahlung mit Stickstoff und Sauerstoff der Luft. Die so entstandenen Spallationsprodukte adsorbieren an den Aerosolen der oberen Atmosphäre, die schließlich mit dem Regen auf die Erdoberfläche transportiert werden, wo sie sich mit dem stabilen 9Be vermischen.[46] Die Höhenstrahlung und damit die Entstehungsrate von 10Be hängt von der Stärke des Erdmagnetfeldes und der Sonnenaktivität ab (hohe Be-Konzentration bei geringer Sonnenaktivität). Da es sich bevorzugt auf Aerosoloberflächen niederschlägt, korrelieren hohe Be-Konzentrationen auch mit hohen Aerosolkonzentrationen in der Luft.[47][46] Hohe Konzentrationen treten in Warmzeiten, geringe in Kaltzeiten auf.[48] Da 10Be zusammen mit den übrigen Gasen der Atmosphäre in Eisbohrkernen eingeschlossen wird, kann durch Analyse dieser Einschlüsse über viele Jahrtausende der Zusammenhang zwischen Sonnenaktivität und globalem Temperaturverlauf analysiert werden.[49]

Das extrem kurzlebige Isotop 8Be (Halbwertszeit etwa 10−17 Sekunden) spielt eine wichtige Rolle in der Nukleosynthese, der Entstehung der chemischen Elemente in Gestirnen.[50]

An dem kurzlebigen Isotop 11Be wurde 2008 eine kernphysikalisch interessante Besonderheit nachgewiesen: Sein Atomkern besteht aus einem relativ kompakten Rumpfkern und einem einzelnen, locker gebundenen Neutron, das diesen als Halo umgibt.[51]

Verwendung

Halbzeuge und Rohteile aus Berylliummetall werden vielfach als Sinterprodukte pulvermetallurgisch in HIP- und CIP-Verfahren hergestellt (heiß- und kaltisostatisches Pressen). Gussteile aus Beryllium finden wegen der anisotropen Eigenschaften und anderer Merkmale, wie Grobkörnigkeit, keine technische Verwendung. Prozesse für die Herstellung von Berylliummetall und für das Legieren mit Kupfer oder/und Nickel verwenden Berylliumhydroxid und Berylliumoxid als Ausgangsstoff.

Trotz der herausragenden Eigenschaften des Berylliums ist es wegen seines hohen Preises und seiner Toxizität nur für wenige Anwendungen im Einsatz. Es findet Verwendung:[52]

  • als Konstruktionswerkstoff in Legierungen mit Aluminium für beanspruchte und sehr leichte Produkte in der Flugzeug- und Weltraumtechnik. Beralcast (früher Lockalloy) und AlBeMet-AM162 (62 % Be, 38 % Al) sind Markennamen für Feinpulver, aus denen die Bauteile durch heißisostatisches Pressen hergestellt werden.
  • als Legierungsbestandteil in Berylliumkupfer (CuBe, CuCoBe). Daraus werden unter anderem funkenfreie, nichtmagnetische Werkzeuge hergestellt, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden können. Kontakt- und Federwerkstoffe aus Berylliumkupfer zeichnen sich durch hohe Härte, Elastizität, Zugfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Nichtmagnetisierbarkeit sowie gute elektrische und thermische Leitfähigkeit aus. Berylliumkupfer kann daher für Kontaktfedern oder andere Strom übertragende Federn,[15] z. B. in Drehspulmesswerken oder an Kohlebürsten eingesetzt werden, ebenso für nichtmagnetisierbare Werkzeuge zum Einsatz in starken Magnetfeldern, beispielsweise zu Arbeiten an MRT-Geräten. Zu finden ist Berylliumkupfer in Präzisions-Sockeln für ICs sowie als Material für die Dosen von Dosenbarometern aufgrund der hohen Elastizität.
  • als Legierungsbestandteil mit Anteilen von etwa 0,0001–0,1 Gew.-% zur Verbesserung der Festigkeit und des Dehnungsverhaltens von Feinstdrähten ("Bonddrähten") aus Gold, die in der Halbleiterindustrie zum Kontaktieren von Bauelementen auf einem Verdrahtungsträger genutzt werden.[53]
  • als reines Metall
.

Weitere Anwendungen:

Ein wassergekühlter mit Kupfer ummantelter Berylliumblock dient, mit Protonen aus einem Beschleuniger bestrahlt, als Neutronenquelle zur Krebstherapie

Bis in die 1940er Jahre wurde Beryllium als Bestandteil von Leuchtstoffröhren verwendet (zum Beispiel Zink-Mangan-Beryllium-Silikate), was aber beendet wurde als immer mehr Fälle von Berylliose aufgedeckt wurden. Berylliose wurde 1946 auch anhand von Arbeitern dieser Industrie zuerst beschrieben.[66]

Da Beryllium in Sternen durch die Energieerzeugungsprozesse zum großen Teil in andere Elemente umgewandelt wird, eignet es sich als Marker für die Bestimmung das Alter von Sternen.[67]

Nachweis

Neben atomspektroskopischen Methoden kann Beryllium auch nasschemisch nachgewiesen werden.

  • mit Chinalizarin bildet sich in alkalischer Lösung ein schwerlöslicher blauer Komplex. Zur Unterscheidung von einer ähnlich aussehenden Magnesiumverbindung wird der Berylliumkomplex in Gegenwart von NaOH durch Bromwasser zerstört, während der Mg-Komplex eine Zeit beständig ist, in Gegenwart von Ammoniak bleibt der Berylliumkomplex bei Zugabe von Bromwasser stabil, während der Mg-Komplex schnell zerstört wird.[68]
  • in alkalischer Lösung bilden Be(II)-Salze mit Morin einen fluoreszierenden Farblack. Unter diesen Bedingungen fluoresziert die analoge Aluminiumverbindung nicht. Säuert man leicht an, verschwindet die Fluoreszenz der Be-Verbindung, während die Al-Verbindung fluoresziert.[69]

Sicherheitshinweise

Berylliumerz

Beryllium, Berylliumoxid und Berylliumsalze sind giftig und karzinogen. Beryllium kann zu Haut-, Lungen-, Milz- und Leberschäden führen.[13]

Lösliche Berylliumverbindungen können aufgrund der Reizwirkung zu einer ausgeprägten, schlecht heilenden Dermatitis führen. Gelangen Berylliumsalzlösungen oder ungelöste Partikel infolge Verletzungen oder bei geschädigter Hautbarriere in die Haut, können Ulcera oder Nekrosen die Folge sein. Bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts wurde aus Betrieben zur Berylliumgewinnung oder aus Beryllium verarbeitenden Betrieben häufiger über ein allergisches Kontaktekzem durch Berylliumsalze und seltener durch Berylliumoxid und Beryllium berichtet. In dieser Zeit waren vor allem berufliche Schnittverletzungen durch Leuchtstoffröhren, die z. B. Zink‐Mangan‐Beryllium‐Silikate enthielten, für keloid‐artige, schlecht heilende oder vernarbende Granulome durch in die Haut gelangte Berylliumsalze oder Berylliumoxid verantwortlich.[66]

Beryllium akkumuliert sich im menschlichen Körper und führt nach jahrelanger Latenzzeit zur Bildung von Tumoren. Gefährlich ist vor allem inhaliertes Beryllium oder inhalierte Berylliumsalze – insbesondere Berylliumfluorid oder Berylliumoxid in hoher Konzentration. Dies kann zu einer akuten Entzündung des Atemtraktes im Sinne einer Tracheobronchitis und Pneumonitis führen, in schweren Fällen zu einem Lungenödem. Außer in besonders schweren Fällen ist die Symptomatik mit Dyspnoe, Husten und Brustschmerz zumeist vollständig reversibel. Diese Erkrankungsform wurde zuerst bei Beschäftigten in der Gewinnung und Anreicherung von Beryllium bzw. Berylliumverbindungen aus Beryllium-haltigen Erzen beobachtet. Nach einer Latenzzeit von bis zu 5 Jahren und mehr (in Einzelfällen bis zu 30 Jahre) kann bei einem kleinen Teil der Betroffenen auch eine chronische Lungenerkrankung (Berylliose). Dies tritt in der Regel als Folge einer chronischen Exposition gegen niedrige Beryllium-Konzentrationen auf.[66]

Hierbei kommt es in der Lunge zur Bildung von charakteristischen Epitheloidzellgranulomen. Verschlucktes Beryllium ist relativ ungefährlich, da es überwiegend wieder ausgeschieden wird. Bei der Berylliumverarbeitung ist Absaugung und Abkapselung bei der Spanabnahme unbedingt erforderlich. Bei der Zerstörung berylliumoxidhaltiger elektronischer Bauteile kann Berylliumoxid freigesetzt werden, sie müssen daher entsprechend gekennzeichnet sein, was aber, insbesondere bei älteren Bauteilen, oft nicht der Fall ist.

Beryllium wurde 2013 von der EU gemäß der Verordnung (EG) Nr. 1907/2006 (REACH) im Rahmen der Stoffbewertung in den fortlaufenden Aktionsplan der Gemeinschaft (CoRAP) aufgenommen. Hierbei werden die Auswirkungen des Stoffs auf die menschliche Gesundheit bzw. die Umwelt neu bewertet und ggf. Folgemaßnahmen eingeleitet. Ursächlich für die Aufnahme von Beryllium waren die Besorgnisse bezüglich anderer Exposition/risikobasierter Bedenken. Die Neubewertung fand ab 2013 statt und wurde von Deutschland durchgeführt.[70] Anschließend wurde ein Abschlussbericht veröffentlicht, in dem festgestellt wurde, dass Beryllium aufgrund seiner Einstufung als krebserzeugend Kategorie 1B und STOT RE1 (Berylliose) die Anforderungen für SVHC-Substanzen (Substances of Very High Concern) erfüllt und entsprechend eingestuft werden sollte.[71]

Verbindungen

Beryllium liegt in seinen Verbindungen mit elektronegativen Bindungspartnern praktisch ausschließlich die Oxidationsstufe +2. Die Oxidationsstufe +1 besitzt es als Ausnahme zum Beispiel in dem bei sehr hoher Temperatur durch Reaktion von Beryllium mit Berylliumchlorid zugänglichen und bei Raumtemperatur zersetzungsanfälligen Berylliummonochlorid.[15]

Das Berylliumkation Be2+ ist in der Erdalkaligruppe das am stärksten polarisierende Ion, so dass die Bindungen mit Beryllium ausgesprochen kovalent sind. Deswegen bildet Beryllium keine Verbindungen BeX2 (X = elektronegativer Rest) mit vorwiegend ionischem Bindungscharakter. Wie die kovalenten Borverbindungen, gehören auch die kovalenten Berylliumverbindungen zu den elektronenungesättigten Verbindungen, bei einwertigen Gruppen X zu Molekülen BeX2 führen, in denen dem Beryllium nur ein Elektronenquartett zukommt. Ähnlich wie das Bor, wenn auch weniger ausgeprägt, kann auch das Beryllium dieses Defizit an Elektronen durch Adduktbildung, durch pπpπ-Bindungen und durch Dreizentrenbindungen beseitigen.[15]

Die wichtigste Koordinationszahl des Berylliums ist vier, wobei es in der Regel als Tetraeder wie in Berylliumchlorid, aber auch quadratisch-planar wie in Berylliumphthalocyanin vorliegt. In Verbindungen BeX2 mit sperrigen Substituenten X oder im gasförmigen Zustand tritt Beryllium in seinen Verbindungen auch mit der Koordinationszahl drei (trigonal-planar), zwei (linear, wie in gasförmigem Berylliumchlorid) und eins (Berylliumoxid in der Gasphase) auf. In Ausnahmefällen beobachtet man darüber hinaus höhere Koordinationszahlen wie sechs oder sieben.[15]

Sauerstoffverbindungen

Beim gesamten kommerziellen Volumen ist Berylliumhydroxid die wichtigste Berylliumverbindung. Sie fällt bei der Versetzung von Berylliumsalzlösungen mit Basen aus[15]. Sie entsteht als Produkt der Extraktionsverfahren für Beryll- und Bertranditerze und wird als Zwischenprodukt für die Herstellung von metallischem Beryllium, Berylliumoxid und berylliumhaltigen Legierungen als Handelsprodukte eingesetzt. Berylliumoxid ist die wichtigste Verbindung zur Herstellung von hochreinem Beryllium und wird aufgrund der keramischen Eigenschaften von gesintertem Berylliumoxid für die Herstellung oder den Schutz von Materialien, die bei hohen Temperaturen in korrosiven Umgebungen eingesetzt werden, verwendet. So in Lasern und Elektronik, der Raumfahrt und Nukleartechnik.[72]

Halogenverbindungen

Die farblosen Berylliumdihalogenide BeX2 (X = F, Cl, Br, I) können zum Beispiel direkt aus den Elementen oder durch Reaktion von HX mit Beryllium bzw. von X2 mit Berylliumoxid in Anwesenheit von Kohlenstoff dargestellt werden.[15] Berylliumfluorid wird in der Nukleartechnik eingesetzt.[72]

Wasserstoffverbindungen

Das weiße, nichtflüchtige, hochpolymere Berylliumhydrid BeH2 (Beryllan) kann durch Umsetzung von Dimethylberyllium mit Diboran dargestellt werden. Mit Trimethylamin und Dimethylamin bildet Berylliumdihydrid Amide wie zum Beispiel das trimere Berylliumdiamid. Das farblose, an Luft entflammende, explosionsartig mit Wasser reagierende Berylliumboranat kann aus Berylliumchlorid und Lithiumborhydrid gewonnen werden. [15]

weitere Verbindungen

Beryllium bildet eine große Zahl weiterer anorganischer, organischer und intermetallischer Verbindungen.[18] Sie werden zumeist zur Herstellung von Beryllium oder anderen Berylliumverbindungen verwendet.[72]

Berylliumverbindungen bildet ähnlich wie Aluminium oder Magnesium Alkyl- und Aryl-Derivate. Diese sind zur Bildung von at-Komplexen befähigt, die wiederum katalytische Eigenschaften besitzen können. Einige Verbindungen (wie zum Beispiel Beryllium-bis-pentan-2,4-dionat oder basisches Berylliumacetat) können unzersetzt destilliert werden und dienen als Zwischenprodukt zur Reinigung von Beryllium.[73] Berylliumdiorganyle BeR2 (R z.B. Me, Et, Pr /Pr, Bu, tBu, ...) liegen als giftige, farblose, viskose Flüssigkeiten oder Feststoffe vor. Sie lassen sich wie erstere durch Metathese aus Berylliumchlorid und RMgX oder LiR sowie durch Transmetallierung aus Beryllium und HgR2 gewinnen.[15]

→ Kategorie:Berylliumverbindung

Einzelnachweise

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Literatur

Weblinks

Wiktionary: Beryllium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Beryllium – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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