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Beryllium



Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Beryllium, Be, 4
Serie Erdalkalimetalle
Gruppe, Periode, Block 2, 2, s
Aussehen weiß-grau metallisch
Massenanteil an der Erdhülle 5 · 10−4 %
Atomar
Atommasse 9,01218 u
Atomradius (berechnet) 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
Modifikationen
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 S/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
R- und S-Sätze R: 49-E25-E26-E48/23-36/37/38-43
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, dessen Name sich vom Mineral Beryll ableitet. Es ist ein Erdalkalimetall aus der zweiten Periode des Periodensystems der Elemente. Das in Verbindungen zweiwertige, stahlgraue Leichtmetall ist sehr hart und spröde und wird meist als Legierungszusatz verwendet.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Beryllium (griech. βηρυλλος, Beryll, ein berylliumhaltiger Schmuckstein) wurde 1798 von Louis-Nicolas Vauquelin in Form seines Oxides aus den Edelsteinen Beryll und Smaragd isoliert. Jedoch gelang erst 1828 Friedrich Wöhler und Antoine Bussy die Darstellung des reinen Metalls durch die Reduktion des Berylliumchlorids mit Kalium. Wegen des süßen Geschmackes der Berylliumsalze wurde in Frankreich bis 1957 für das vierte Element die Bezeichnung Glucinium verwendet.

Im Altertum und Mittelalter dienten durchsichtige Beryllstücke vielfach als Zauberglas. Vom Wort Beryll leitet sich auch die Bezeichnung Brille ab, ursprünglich für ein Augenglas aus Beryll. 1945 wurde Beryllium zusammen mit Polonium als Neutronenquelle für den Atombombenabwurf auf Hiroshima 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 Beryllium liegen weltweit bei etwa 80.000 t.[1]

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.[1]

Eigenschaften

  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 1/3 höheren Elastizitätsmodul als Stahl; die Schwingungsdämpfung ist ebenfalls sehr hoch. Zusätzlich ist es sehr durchlässig für Röntgenstrahlen. Alphateilchen setzen aus Beryllium Neutronen frei.

\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 Oxidhaut, 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

Beryllium hat 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.[2]

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" (Metallfolie) in Röntgenröhren, Röntgen- und Gammastrahlungsdetektoren wegen der Durchlässigkeit für diese Strahlen;
    • für Moderatoren und Reflektoren für Neutronen in Reaktoren und Kernwaffen;
    • in Kernfusionsanlagen wie JET (Joint European Torus) wegen des hohen Schmelzpunktes und der kleinen Ordnungszahl als Plasmabegrenzung (engl. limiter);
    • zur Neutronenvermehrung in Schnellen Brütern und möglicherweise im Brutmantel (Blanket) zukünftiger Fusionsreaktoren:
\mathrm{\,^9Be + n \rightarrow 2\, \,^4He + 2\,n - 1,57\,MeV}.


Weitere Anwendungen:

  • als CuBe-Ventilsitze im Motorenbau,
  • CuBe- und CuCoBe-Elektroden für das Punktschweißen und für Kunststoffspritzdüsen.
  • Relaiskontakte aus CuBe und CuCo.
  • die Berylliummetall-Fangspiegel der vier 8-Meter-Spiegelteleskope des Very Large Telescope (VLT) sowie 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-Membrane 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.
  • Wegen seines geringen Gewichts und hoher Temperaturstabilität wird Beryllium in den letzten Jahren verstärkt bei Weltraumprojekten verwendet.[3]

Verbindungen

Siehe auch Kategorie:Berylliumverbindung

Sicherheitshinweise

Beryllium, Berylliumoxid und Berylliumsalze sind giftig und krebserregend. 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.

Quellenangaben

  1. a b Fraunhofer-Institut: Ressourcen an Beryllium
  2. 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
  3. NASA-Mission: Nachfolger für Hubble-Teleskop
 
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