Beryllium

Eigenschaften
[He] 2s2 4 Be Periodensystem
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	9,012182(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] Gefahr H- und P-Sätze H: 350i​‐​330​‐​301​‐​372​‐​319​‐​335​‐​315​‐​317 P: 201​‐​260​‐​280​‐​284​‐​301+310​‐​305+351+338 [10] Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [9] Sehr giftig (T+) R- und S-Sätze R: 49-25-26-48/23-36/37/38-43 S: 53-45
weitere Sicherheitshinweise
LD50	• 51 mg·kg−1 (Ratte, intratracheal)[11][12] • 0.496 mg·kg−1 (Ratte, intravenös)[12][13]
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

Louis-Nicolas Vauquelin

Durch einen Hinweis von Abbé R. J. Haüy isolierte der französische Chemiker Louis-Nicolas Vauquelin (1763–1829) 1798 das Beryllium in Form seines Oxids aus den Edelsteinen Beryll und Smaragd. Kurz darauf stellte Martin Heinrich Klaproth (1743–1817) die gleiche Verbindung her, welche er Beryllium (nach dem Mineral Beryll) nannte.^[14]

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 (1868–1959) 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^[15]. Vom Wort Beryll leitet sich die Bezeichnung Brille (lat. {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value)) 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

Mit einem Massenanteil von 0,00053 % in der Erdhülle steht Beryllium an 48. Stelle der Elementhäufigkeit. Das seltene Element kommt in rund 30 verschiedenen Mineralien vor. Die wichtigsten sind Bertrandit (4BeO·2SiO₂·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.^[16]

Herstellung

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.^[16]

Eigenschaften

Beryllium, kristallines Bruchstück

Beryllium besitzt für ein Leichtmetall einen bemerkenswert hohen Schmelzpunkt. Das liegt daran, dass Beryllium keine klassischen Eigenschaften von Metallen mehr besitzt, sondern mehr einen Übergang zu den hochschmelzenden Elementen Bor und Kohlenstoff darstellt. Neben der sehr hohen spezifischen Wärmekapazität von 1,825 kJ/(kg·K)^[17][18] 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 {{}_{4}^{9}Be+{}_{2}^{4}\alpha \to {}^{1}{}_{6}^{2}C+{}_{0}^{1}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.^[19]

Isotope

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.^[20]

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^[21]: Sein Atomkern besteht aus einem relativ kompakten Rumpfkern und einem einzelnen, locker gebundenen Neutron, das diesen als Halo umgibt.

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:^[22]

• 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.^[23]
• als reines Metall
  • in „Fenstern“ von Röntgenröhren, Röntgen- und Gammastrahlungsdetektoren wegen der Durchlässigkeit für diese Strahlen, insbesondere die weichen (niederenergetischen) Anteile;
  • für Moderatoren und Neutronenreflektoren in Kernreaktoren und Kernwaffen;
  • in Kernfusionsanlagen wie JET (Joint European Torus) wegen des hohen Schmelzpunktes und der kleinen Ordnungszahl als Plasmabegrenzung (englisch limiter);
  • zur Neutronenvermehrung im Brutmantel (Blanket) zukünftiger Fusionsreaktoren mittels der (n,2n)-Kernreaktion

$ \mathrm {\,^{9}Be+n\rightarrow 2\,\,^{4}He+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, z. B. im MotoGP
• 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.^[24]
• 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.^[25]

Verbindungen

• Berylliumacetat Be(C₂H₃O₂)₂
• Berylliumcarbid Be₂C
• Berylliumchlorid BeCl₂
• Berylliumfluorid BeF₂ (Zwischenprodukt bei der Herstellung von reinem Beryllium)
• Berylliumhydrid BeH₂
• Berylliumhydroxid Be(OH)₂
• Berylliumnitrid Be₃N₂
• Berylliumoxid BeO
• Berylliumsulfat BeSO₄
• Berylliumtellurid BeTe
• Natriumberyllat Na₂Be(OH)₄

→ Kategorie:Berylliumverbindung

Sicherheitshinweise

Berylliumerz

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

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.

Beryllium reichert sich in Tabakpflanzen an und gelangt beim Tabakrauchen in Luft und Lunge, was zufällig am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart entdeckt wurde. Auch in Tomatenpflanzen wurden Spuren von Beryllium nachgewiesen. Dies ist jedoch durch die weite Verbreitung von Beryllium in der Erdkruste begründet.

Einzelnachweise

Weblinks

Wiktionary: Beryllium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Beryllium – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

• education.jlab.org
• Was ist die Beryllium-Barriere? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri. Erstmalig ausgestrahlt am 13. Apr. 2005.

Periodensystem der Elemente

H

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Uut

Fl

Uup

Lv

Uus

Uuo

Alkalimetalle

Erdalkalimetalle

Lanthanoide

Actinoide

Übergangsmetalle

Metalle

Halbmetalle

Nichtmetalle

Halogene

Edelgase

unbekannt