Beryllium

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Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Beryllium, Be, 4
Serie 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][3] u
Atomradius (berechnet) 105 (112) pm
Kovalenter Radius 96 pm
Van-der-Waals-Radius 153[4] pm
Elektronenkonfiguration [He] 2s2
Austrittsarbeit 4,98 eV[5]
1. Ionisierungsenergie 899,5 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie 1757,1 kJ/mol
Physikalisch [2]
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur hexagonal (dichtest gepackt)
Dichte 1,848 g/cm3 (20 °C)[6]
Mohshärte 5,5
Magnetismus diamagnetisch (\chi_{m} = −2,3 · 10−5)[7]
Schmelzpunkt 1560 K (1287 °C)
Siedepunkt 3243 K[8] (2969 °C)
Molares Volumen 4,85 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme 309 kJ/mol[8]
Schmelzwärme 7,95 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit 13000 m/s
Spezifische Wärmekapazität 1825[1] J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit 25 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit 190 W/(m · K)
Chemisch [2]
Oxidationszustände 2
Oxide (Basizität) BeO (amphoter)
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 γ in
rad·T−1·s−1
Er(1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
9Be −3/2 3,759 · 107 0,0139 28,1
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [9]
06 – Giftig oder sehr giftig 08 – Gesundheitsgefährdend

Gefahr

H- und P-Sätze H: 350i​‐​330​‐​301​‐​372​‐​319​‐​335Vorlage:H-Sätze/Wartung/mehr als 5 Sätze​‐​315​‐​317
P: 201​‐​260​‐​280​‐​284​‐​301+310​‐​305+351+338Vorlage:P-Sätze/Wartung/mehr als 5 Sätze [10]
EU-Gefahrstoffkennzeichnung [11] aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [9]
Sehr giftig
Sehr giftig
(T+)
R- und S-Sätze R: 49​‐​25​‐​26​‐​48/23​‐​36/37/38​‐​43Vorlage:R-Sätze/Wartung/mehr als 5 Sätze
S: 53​‐​45
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). Im Periodensystem steht Beryllium in der zweiten Hauptgruppe 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 Leichtmetall ist sehr hart und spröde und wird meist als Legierungszusatz verwendet. In Verbindungen ist es zweiwertig.

Geschichte[Bearbeiten]

Louis-Nicolas Vauquelin

Durch einen Hinweis von Abbé R. J. Haüy isolierte der französische Chemiker Louis-Nicolas Vauquelin 1798 das Beryllium in Form seines Oxids aus den Edelsteinen Beryll und Smaragd. Kurz darauf stellte Martin Heinrich Klaproth die gleiche Verbindung her, welche er Beryllium (nach dem Mineral Beryll) nannte.[15]

Das chemische Symbol Be wurde 1814 von J.J. Berzelius eingeführt.

Erst 1828 gelang es Friedrich Wöhler und Antoine Bussy, das Element durch die Reduktion des Berylliumchlorids mit Kalium darzustellen.

Reines Beryllium wurde erstmals 1899 von Paul Marie Alfred Lebeau durch Schmelzflusselektrolyse von Natriumtetrafluoridoberyllat (Na2[BeF4]) hergestellt.

Wegen des süßen Geschmackes der Berylliumsalze wurde in Frankreich noch bis 1957 Vauquelins Namensvorschlag Glucinium (griech. γλυκύς = süß) verwendet.

Im Altertum und Mittelalter dienten durchsichtige Beryllstücke vielfach als Zauberglas, da es, wie heute eine Lupe, Schriftzüge und Bilder beim Lesen vergrößert.[16] Vom Wort Beryll leitet sich die Bezeichnung Brille (lat. berillus) ab, ursprünglich für ein Augenglas aus Beryll. 1945 wurde Beryllium zusammen mit dem Alphastrahler Polonium als Neutronenquelle in der Atombombe Little Boy, die über Hiroshima abgeworfen wurde, eingesetzt.

Vorkommen[Bearbeiten]

Mit einem Massenanteil von 5,3 ppm in der Erdhülle steht Beryllium an 48. Stelle der Elementhäufigkeit. Das seltene Element kommt in rund 30 verschiedenen Mineralien vor. Die wichtigsten sind Bertrandit (4 BeO·2 SiO2·H2O) (Vereinigte Staaten) und Beryll (Be3Al2(SiO3)6) (Volksrepublik China, Russland und Brasilien). Die schönsten und wertvollsten beryllhaltigen Mineralien sind die Schmuck- und Edelsteine Aquamarin, Smaragd, Roter Beryll, Euklas, Gadolinit, Chrysoberyll, Phenakit und Alexandrit. Berylliumerz-Lagerstätten finden sich bevorzugt im Äquatorialgürtel. Frühere, mittlerweile erschöpfte Lagerstätten lagen nördlich zu Fuße der Hohen Tauern um Bramberg in Österreich. 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 t.[17]

Herstellung[Bearbeiten]

Elementares Beryllium lässt sich durch Reduktion von Berylliumfluorid mit Magnesium bei 900 °C herstellen.

 \mathrm{BeF_2 + Mg \ \xrightarrow{900^{\circ}C}\ MgF_2 + Be}

Die Herstellung hochreinen, metallischen Berylliums erfolgt durch Schmelzflusselektrolyse von Berylliumchlorid oder -fluorid:

\mathrm{BeCl_2 \ \xrightarrow[Elektrolyse]{405^{\circ}C}\ Be + Cl_2 \uparrow}

Die Weltjahresproduktion an Beryllium-Metall betrug 2004 etwa 100 t.[17]

Eigenschaften[Bearbeiten]

Beryllium, kristallines Bruchstück

Beryllium besitzt für ein Leichtmetall einen bemerkenswert hohen Schmelzpunkt. Neben der sehr hohen spezifischen Wärmekapazität von 1,825 kJ/(kg·K)[18][19] besitzt es einen um ein Drittel höheren Elastizitätsmodul als Stahl; die Schwingungsdämpfung ist ebenfalls sehr hoch. Da es nur vier Elektronen pro Atom hat, ist es sehr durchlässig für Röntgenstrahlen. Alphastrahlung kann aus Beryllium Neutronen freisetzen:

\mathrm{{}^{9}_4 Be  +  {}^{4}_2 \alpha \to {}^{1}{}^{2}_6 C + {}^{1}_0 n }

Bei Raumtemperatur ist Beryllium an trockener Luft beständig, es bildet sich eine passivierende Oxidschicht, die dem Angriff kalter konzentrierter Salpetersäure widersteht. In Salzsäure wird es jedoch schnell angegriffen. 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. Alkalilaugen greifen Beryllium unter Bildung von Beryllaten an. In heißen Gasen wie Luft, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid tritt merkliche Korrosion erst oberhalb von 600 °C ein.

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.[20]

Isotope[Bearbeiten]

Beryllium besitzt nur ein stabiles Isotop: 9Be. Die radioaktiven Isotope 7Be und 10Be sind kosmogen auf der Erde in Spuren vorhanden.

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.[21] Die Konzentration von 10Be 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 Aerosolkonzentrationen in der Luft.[22] Hohe Konzentrationen treten in Warmzeiten, geringe in Kaltzeiten auf.[23] Da 10Be zusammen mit den übrigen Gasen der Atmosphäre in Eisbohrkernen eingeschlossen wird, kann durch Analyse dieser Einschlüsse auch über viele Jahrtausende der Zusammenhang zwischen Sonnenaktivität und globalem Temperaturverlauf analysiert werden.[24]

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

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.[25]

Verwendung[Bearbeiten]

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:[26]

  • 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 Oberleitungen, Kontaktfedern oder andere Strom übertragende Federn, 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 auch in Präzisions-Sockeln für ICs.
  • 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.[27]
  • als reines Metall
\mathrm{\,^9Be + n \rightarrow 2\, \,^4He + 2\,n - 1,57\,MeV}.

Weitere Anwendungen:

Ein wassergekühlter Berylliumblock dient, mit Protonen aus einem Beschleuniger bestrahlt, als Neutronenquelle zur Krebstherapie
  • CuBe-Ventilführungen und -Ventilsitze im Motorenbau
  • CuBe- und CuCoBe-Elektroden für das Punktschweißen und für Kunststoffspritzdüsen
  • Relaiskontakte aus CuBe und CuCo
  • Hohlbananas aus CuBe
  • Primär- und Fangspiegel des Spitzer-Weltraumteleskops sind aus verspiegeltem Beryllium
  • Uhrenfedern aus Eisen-Nickel-Beryllium, NiBe
  • Bremsscheiben des Space Shuttles (geringes Gewicht und hohe Wärmekapazität) aus Berylliummetall
  • Rotoren in Kreiselkompassen, bewegliche Spiegel in optischen Systemen, Antriebssysteme in Magnetbandgeräten
  • Nickel-Beryllium-Legierungen für temperaturbelastete Verbindungselemente wie Thermostatschalter
  • Nickel-Beryllium-Werkzeuge wegen Anti-Klebeneigung für sekundäre Bor-Silikat-Gläser und optische Mehrfocalglaslinsen
  • Neutronenquellen (zusammen mit einem Alphastrahler, siehe oben)
  • Berylliumoxid als gut wärmeleitender Isolator für Hochfrequenz-Leistungstransistoren, -Zirkulatoren und -Hochlastwiderstände. Wegen der Giftigkeit wird BeO, wenn möglich, durch Aluminiumoxid, Bornitrid oder Aluminiumnitrid ersetzt
  • Hochtöner von High-End-Lautsprechern versuchsweise aus Beryllium-Metall (Yamaha Corporation), Kalotten-Membran für ultra-hohe Töne; inzwischen erfolgreich für High-End-Hochtonkalotten in Serienproduktion (FOCAL TBe-Linie)
  • Mercedes-Ilmor, Lieferant des McLaren-Formel 1-Teams, verwendete diesen Werkstoff beim Motorenbau. Der Werkstoff wurde nach einem Protest von Ferrari verboten. Als Begründung wurde genannt, dass der Werkstoff bei der Bearbeitung gesundheitsschädlich ist
  • Der aus hexagonalen Segmenten aufgebaute Hauptspiegel des James Webb Space Telescope besteht aus Beryllium.[28]
  • Beryllium findet beim Forschungszentrum CERN Verwendung als Baumaterial für ultraharte und vakuumdichte Röhren des Large Hadron Colliders, in welchen Protonen gezielt zur Kollision gebracht werden.[29]

Verbindungen[Bearbeiten]

Kategorie:Berylliumverbindung

Sicherheitshinweise[Bearbeiten]

Berylliumerz

Beryllium, Berylliumoxid und Berylliumsalze sind giftig und karzinogen. Beryllium kann zu Haut-, Lungen-, Milz- und Leberschäden führen.[14]

Beryllium akkumuliert sich im menschlichen Körper und führt nach jahrelanger Latenzzeit zur Bildung von Tumoren. Gefährlich ist vor allem inhaliertes Beryllium, es führt zur Berylliose. 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.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Beryllium) entnommen.
  3. a b IUPAC, Standard Atomic Weights Revised v2
  4. Manjeera Mantina, Adam C. Chamberlin, Rosendo Valero, Christopher J. Cramer, Donald G. Truhlar: Consistent van der Waals Radii for the Whole Main Group. In: J. Phys. Chem. A. 2009, 113, S. 5806–5812, doi:10.1021/jp8111556.
  5. Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Rainer Kassing: Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 6: Festkörper. 2. Auflage. Walter de Gruyter, 2005, ISBN 3-11-017485-5, S. 361.
  6. N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 136.
  7. Weast, Robert C. (ed. in chief): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990. Seiten E-129 bis E-145. ISBN 0-8493-0470-9. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
  8. a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
  9. a b Eintrag aus der CLP-Verordnung zu CAS-Nr. 7440-41-7 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich).
  10. Datenblatt Beryllium bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 11. März 2011 (PDF).Vorlage:Sigma-Aldrich/Name nicht angegeben
  11. Seit dem 1. Dezember 2012 ist für Stoffe ausschließlich die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung zulässig. Bis zum 1. Juni 2015 dürfen noch die R-Sätze dieses Stoffes für die Einstufung von Zubereitungen herangezogen werden, anschließend ist die EU-Gefahrstoffkennzeichnung von rein historischem Interesse.
  12. V. S. Kushneva: Spravochnik po Toksikologii i Gigienicheskim Normativam. IzdAT, Moskau 1999, ISBN 5-86656-092-5, S. 23.
  13. a b Eintrag zu Beryllium in der ChemIDplus-Datenbank der United States National Library of Medicine (NLM).
  14. a b Laboratory Investigation, 1966, Vol. 15, S. 176.
  15. Martin Hosenfeld u.a.: 26. Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie. Beryllium. 8. Auflage. Verlag Chemie, Berlin 1930.
  16. Year of chemistry.
  17. a b Trends der Angebots- und Nachfragesituation bei mineralischen Rohstoffen. Fraunhofer-Institut: Ressourcen an Beryllium
  18. Periodensystem.de: Daten zu Beryllium. Abgerufen am 22. September 2010.
  19. Die anomale molare Wärmekapazität von Beryllium ist mit etwa 11 J/(K·mol) deutlich geringer als die des Eisens mit 24,7 J/(K·mol).
    David Halliday, Robert Resnick: Physik, Teil 2. Walter de Gruyter, Berlin; New York 1994, ISBN 3-11-013897-2, S. 1455.
  20. Mark Winter, Webelements Periodic Table: Periodicity.
  21. R. C. Finkel, M. Suter: AMS in the earth sciences: technique and applications. In: Advances in Analytical Geochemistry. Volume 1, 1993, ISBN 1-55938-332-1, S. 1–114.
  22.  Fritz Gassmann: Was ist los mit dem Treibhaus Erde. vdf, 1994, ISBN 978-3-7281-1935-3, S. 63 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  23.  Richard Pott: Allgemeine Geobotanik: Biogeosysteme und Biodiversität. Springer, 2005, ISBN 978-3-540-23058-8, S. 126 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  24. J.B. Pedro, A. M. Smith, K. J. Simon, T. D. van Ommen, and M. A. J. Curran: High-resolution records of the beryllium-10 solar activity proxy in ice from Law Dome, East Antarctica: measurement, reproducibility and principal trends. (pdf) In: Climate of the past. 7, Juli 2011, S. 707–721. doi:10.5194/cp-7-707-2011. Abgerufen am 16. Juli 2013.
  25. Atomkern mit Heiligenschein: Wissenschaftler vermessen erstmals Ein-Neutron-Halo mit Lasern. auf: IDW online. 16. Februar 2009.
  26. Ralph Puchta: A brighter beryllium In: Nature Chemistry 2011, 3, S. 416, doi:10.1038/nchem.1033.
  27. Patentanmeldung DE19733954A1: Feinstdraht aus einer Goldlegierung, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung. Angemeldet am 6. August 1997, veröffentlicht am 14. Januar 1999, Anmelder: Heraeus, Erfinder: Günther Herklotz, Jürgen Reuel, Lutz Schräpler, Christoph Simons.
  28. The James Webb Space Telescope: The Primary Mirror.
  29. R. Veness, G. Simmons, C. Dorn: Development of Beryllium Vacuum Chamber Technology for the LHC (PDF; 444 kB). Proceedings of IPAC2011, San Sebastián, Spain.

Weblinks[Bearbeiten]

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