Glucinium

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 · 10−4 %
Atomar
Atommasse	9,01218 u
Atomradius (berechnet)	105 (112) pm
Kovalenter Radius	90 pm
Van-der-Waals-Radius	- pm
Elektronenkonfiguration	[He] 2s2
Elektronen pro Energieniveau	2, 2
Austrittsarbeit	5,0 eV
1. Ionisierungsenergie	899,5 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1757,1 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	hexagonal
Dichte	1,848 g/cm3
Mohshärte	5,5
Magnetismus	diamagnetisch
Schmelzpunkt	1551,15 K (1278 °C)
Siedepunkt	2750 K (2476,85 °C)
Molares Volumen	4,85 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme	292,40 kJ/mol
Schmelzwärme	12,20 kJ/mol
Dampfdruck	4180 Pa
Schallgeschwindigkeit	13000 m/s
Spezifische Wärmekapazität	1825 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	31,3 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit	201 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	2
Oxide (Basizität)	BeO (amphoter)
Normalpotential	−1,85 V (Be2+ + 2e− → Be)
Elektronegativität	1,57 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM 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 · 106a β- 0,556 10B 11Be {syn.} 13,81 s β- 11,506 11B
NMR-Eigenschaften
Spin γ in rad·T−1·s−1 E fL bei B = 4,7 T in MHz 9Be -3/2 3,759 · 107 0,0139 28,1
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung aus RL 67/548/EWG, Anh. I [1] Sehr giftig (T+) R- und S-Sätze R: 49-25-26-48/23-36/37/38-43 S: 53-45
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 (griech. βήρυλλος, lat. beryllus). Beryllium ist als Element der 2. Hauptgruppe ein Erdalkalimetall der zweiten Periode des Periodensystems. Das stahlgraue Leichtmetall ist sehr hart und spröde und wird meist als Legierungszusatz verwendet. In Verbindungen ist es zweiwertig.

Geschichte

Beryllium wurde 1798 von Louis-Nicolas Vauquelin in Form seines Oxids aus den Edelsteinen Beryll und Smaragd isoliert. Erst 1828 gelang es Friedrich Wöhler und Antoine Bussy, das Element durch die Reduktion des Berylliumchlorids mit Kalium darzustellen. Wegen des süßen Geschmackes der Berylliumsalze wurde in Frankreich noch bis 1957 die Bezeichnung Glucinium (griech. γλυκύς = süß) verwendet.

Im Altertum und Mittelalter dienten durchsichtige Beryllstücke vielfach als Zauberglas. Vom Wort Beryll leitet sich auch 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

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.^[2]

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 bzw. -fluorid:

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

Die Weltjahresproduktion an Beryllium-Metall betrug 2004 ca. 100 t.^[2]

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 Wärmekapazität 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 auch 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 auch 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.

Isotope

Vom Beryllium gibt es nur ein einziges 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.^[3]

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 (siehe http://idw-online.de/pages/de/news301043): 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 geeignet. Es findet Verwendung:

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

$\mathrm{\,^9Be + n \rightarrow 2\, \,^4He + 2\,n - 1,57\,MeV}$.

Weitere Anwendungen:

• CuBe-Ventile 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

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

• Neutronenquellen (zusammen mit einem Alphastrahler, siehe oben)
• Berylliumoxid als gut wärmeleitender Isolator für Hochfrequenz-Leistungstransistoren, -Zirkulatoren und -Hochlastwiderstände. Wegen der Giftigkeit wird BeO allerdings, 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
• Bauteile bei Weltraumprojekten ^[4]

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

Siehe auch: Kategorie:Berylliumverbindung

Sicherheitshinweise

Berylliumerz

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

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 (Zufallsuntersuchung im Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart). Auch in Tomatenpflanzen wurden wie in Tabak Spuren von Beryllium nachgewiesen. Beryllium ist jedoch in der Erdkruste weit verbreitet, insofern ist dies nicht überraschend.

Einzelnachweise

1. ↑ Eintrag zu CAS-Nr. 7440-41-7 im European chemical Substances Information System ESIS
2. ↑ ^{a b} Fraunhofer-Institut: Ressourcen an Beryllium
3. ↑ R. C. Finkel und M. Suter: AMS in the earth sciences: technique and applications, Advances in Analytical Geochemistry Volume 1, pages 1-114, 1993, ISBN 1-55938-332-1
4. ↑ NASA-Mission: Nachfolger für Hubble-Teleskop

Weblinks

• www.webelements.com
• www.chemie-master.de
• environmentalchemistry.com
• education.jlab.org
• Was ist die Beryllium-Barriere?, Flash-Video aus der Fernsehsendung alpha-Centauri (JavaScript benötigt)

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

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Y

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Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

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Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

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Sm

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Er

Tm

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