Alkuaine Beryllium — Berylliumin atomi

Beryllium on jaksollisen järjestelmän kemiallinen alkuaine, jonka symboli on Be ja järjestysluku 4. Beryllium on myrkyllinen kaksiarvoinen alkuaine, ja se on teräksenharmaa, vahva, kevyt mutta hauras maa-alkalimetalli, jota käytetään ensisijaisesti seosten (erityisesti berylliumkuparin) kovettimena.

litium – beryllium – boori Be Mg
Yleistä
Nimi, Symbol, Numero	Beryllium, Be, 4
Sarja	Alkalimetallit
Ryhmä, Jakso, Lohko	2 (IIA), 2, s
Tiheys, Kovuus	1848 kg/m3, 5.5
Eritys	valkoisenharmaa metallinen
Atomiominaisuudet
	Atomipaino	9.01218 amu
Atomisäde	112 pm
Kovalenttinen säde	90 pm
van der Waalsin säde	tuntematon
Elektronikonfiguraatio	2s2
e- ’s per energiataso	2, 2
Hapetustilat (oksidi)	2 (amfoteerinen)
Kiderakenne	Heksagoninen
Fysikaaliset ominaisuudet
Aineen olomuoto	kiinteä (diamagneettinen)
Sulamispiste	1551.15 K
Kiehumispiste	3243.15 K
Moolitilavuus	4.85 ×10-6 m3/mol
Höyrystymislämpö	292.40 kJ/mol
Fuusio lämpö	12.20 kJ/mol
Höyrynpaine	4180 Pa
Aäänen nopeus	13000 m/s
Seuraava
Elektronegatiivisuus	1.57 (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti	1825 J/kg*K
Sähkönjohtavuus	31.3 106/m ohm
Lämmönjohtavuus	201 W/m*K
1. ionisaatiopotentiaali	899,5 kJ/mol
2. ionisaatiopotentiaali	1757.1 kJ/mol
3. ionisaatiopotentiaali	14848,7 kJ/mol
SI-yksikköjä & STP käytetään, ellei toisin mainita.

Berylliumilla on yksi kevytmetallien korkeimmista sulamispisteistä. Berylliumin kimmomoduuli on noin 1/3 suurempi kuin teräksen. Sillä on erinomainen lämmönjohtavuus, se ei ole magneettinen ja se kestää väkevän typpihapon vaikutusta. Se on erittäin läpäisevää röntgensäteille, ja neutroneita vapautuu, kun siihen osuu alfahiukkasia, kuten radiumista tai poloniumista (noin 30 neutronia/miljoona alfahiukkasta). Normaalilämpötilassa ja -paineessa beryllium kestää hapettumista, kun se altistetaan ilmalle (joskin sen kyky naarmuttaa lasia johtuu luultavasti ohuen oksidikerroksen muodostumisesta).

Sovellukset

• Berylliumia käytetään seosaineena berylliumkuparin valmistuksessa. (Be:llä on kyky absorboida suuria määriä lämpöä.) Beryllium-kupariseoksia käytetään monenlaisissa sovelluksissa niiden sähkö- ja lämmönjohtavuuden, suuren lujuuden ja kovuuden, ei-magneettisten ominaisuuksien sekä hyvän korroosion- ja väsymiskestävyyden vuoksi. Tällaisia sovelluksia ovat esimerkiksi pistehitsauselektrodien, jousien, kipinöimättömien työkalujen ja sähkökontaktien valmistus.
• Jäykkyytensä, keveytensä ja mittapysyvyytensä vuoksi laajalla lämpötila-alueella puhtaita berylliumlaatuja ja alumiiniberyllium-metallimatriisikomposiitteja käytetään myös puolustus- ja ilmailu- ja avaruusteollisuudessa kevyinä rakennemateriaaleina suurnopeuslentokoneissa, ohjuksissa, avaruusajoneuvoissa ja tietoliikennesatelliiteissa.
• Ohuita berylliumfoliolevyjä käytetään röntgendiagnostiikassa suodattamaan näkyvää valoa ja sallimaan vain röntgensäteiden havaitsemisen.
• Röntgenlitografian alalla berylliumia käytetään mikroskooppisten integroitujen piirien jäljentämiseen.
• Koska sillä on alhainen terminen neutronien absorptiopoikkileikkaus, ydinvoimateollisuus käyttää tätä metallia ydinreaktoreissa neutroniheijastimena ja moderaattorina.
• Berylliumia käytetään myös gyroskooppien, erilaisten tietokonelaitteiden, kellojen jousien ja instrumenttien valmistuksessa, kun tarvitaan kevyttä painoa, jäykkyyttä ja mittatarkkuutta.
• Berylliumoksidi on käyttökelpoinen monissa sovelluksissa, joissa tarvitaan erinomaista lämmönjohdinta, jolla on suuri lujuus ja kovuus, erittäin korkea sulamispiste ja joka toimii sähköeristeenä.
• Berylliumyhdisteitä käytettiin aikoinaan loisteputkissa, mutta käyttö lopetettiin, koska putkia valmistavilla työntekijöillä ilmeni beryllioosia (ks. jäljempänä).

Historia

Nimi beryllium tulee kreikan sanasta beryllos, berylli. Aikoinaan berylliumia kutsuttiin glukiniumiksi (kreikan sanasta glykys, makea) sen suolojen makean maun vuoksi. Tämän alkuaineen löysi Louis Vauquelin vuonna 1798 beryllin ja smaragdien oksidina. Friedrich Wöhler ja A. A. Bussy eristivät metallin itsenäisesti vuonna 1828 reagoimalla kaliumia berylliumkloridin kanssa.

Esiintyminen

Berylliumia esiintyy 30:ssä eri mineraalissa, joista tärkeimmät ovat bertrandiitti, berylli, krysoberylli ja fenakiitti. Beryllien arvokkaita muotoja ovat akvamariini ja smaragdi. Berylliumin ja sen yhdisteiden tärkeimmät kaupalliset lähteet ovat berylli ja bertrandiitti. Tällä hetkellä suurin osa tämän metallin tuotannosta tapahtuu pelkistämällä berylliumfluoridia magnesiummetallilla. Berylliummetallia tuli helposti saataville vasta vuonna 1957.

Isotoopit

Isotoopit

Berylliumilla on vain yksi stabiili isotooppi, Be-9. Kosmogeeninen beryllium (Be-10) syntyy ilmakehässä hapen ja typen kosmisen säteilyn spallatiosta. Koska berylliumilla on taipumus esiintyä liuoksessa pH:n ollessa alle noin 5,5 (ja useimpien sadevesien pH on alle 5), se pääsee liuokseen ja kulkeutuu sadeveden mukana maan pinnalle. Kun sademäärä muuttuu nopeasti emäksisemmäksi, Be putoaa liuoksesta. Kosmogeeninen Be-10 kerääntyy näin ollen maan pinnalle, jossa sen suhteellisen pitkä puoliintumisaika (1,5 miljoonaa vuotta) mahdollistaa pitkän viipymäajan ennen hajoamista B-10:ksi (booriksi). Be-10:tä ja sen tytärperäisiä tuotteita on käytetty tutkimaan maaperän eroosiota, maaperän muodostumista regoliitista, lateriittisten maiden kehitystä sekä auringon aktiivisuuden vaihteluita ja jääsydämen ikää.

Be-7:n ja Be-8:n epästabiilisuudella on syvällisiä kosmologisia seurauksia, sillä se tarkoittaa, että berylliumia raskaampia alkuaineita ei ole voitu synnyttää ydinfuusiolla alkuräjähdyksessä. Lisäksi beryllium-8:n ydinenergiatasot ovat sellaiset, että tähdissä voidaan tuottaa hiiltä, mikä tekee elämän mahdolliseksi. (Ks. kolmi-alfa-prosessi ja alkuräjähdyksen ydinsynteesi).

Varotoimet

Beryllium ja sen suolat ovat myrkyllisiä aineita ja mahdollisesti karsinogeenisia. Krooninen beryllioosi on berylliumille altistumisen aiheuttama keuhko- ja systeeminen granulomatoottinen sairaus. Akuutti berylliumsairaus kemiallisen pneumoniitin muodossa raportoitiin ensimmäisen kerran Euroopassa vuonna 1933 ja Yhdysvalloissa vuonna 1943. Kroonisen beryllioosin tapaukset kuvattiin ensimmäisen kerran vuonna 1946 Massachusettsissa loistelamppuja valmistavien tehtaiden työntekijöillä. Krooninen beryllioosi muistuttaa monessa suhteessa sarkoidoosia, ja erotusdiagnoosi on usein vaikea.

Vaikka berylliumyhdisteiden käyttö loisteputkissa lopetettiin vuonna 1949, berylliumille voi altistua ydin- ja ilmailuteollisuudessa, berylliummetallin jalostuksessa ja berylliumia sisältävien seosten sulatuksessa, elektroniikkalaitteiden valmistuksessa ja muiden berylliumipitoisten materiaalien käsittelyssä.

Varhaiset tutkijat maistelivat berylliumin ja sen eri yhdisteiden makeutta varmistaakseen sen esiintymisen. Nykyaikaiset diagnostiset laitteet eivät enää edellytä tätä erittäin riskialtista toimenpidettä, eikä tätä ainetta pidä yrittää niellä. Berylliumia ja sen yhdisteitä on käsiteltävä erittäin varovasti, ja erityisiä varotoimia on noudatettava, kun suoritetaan mitään sellaista toimintaa, joka voi johtaa berylliumipölyn vapautumiseen (keuhkosyöpä on mahdollinen seuraus pitkäaikaisesta altistumisesta berylliumilla kuormitetulle pölylle).

Tätä ainetta voidaan käsitellä turvallisesti, jos noudatetaan tiettyjä menettelyjä. Berylliumin kanssa ei pidä yrittää työskennellä ennen oikeisiin käsittelymenetelmiin perehtymistä.

Terveysvaikutukset

Beryllium voi olla haitallista, jos sitä hengittää. Vaikutukset riippuvat siitä, kuinka paljon altistut ja kuinka kauan. Jos berylliumin ilmapitoisuus on riittävän korkea (yli 1000 ¼g/m³), seurauksena voi olla akuutti tila. Tämä tila muistuttaa keuhkokuumetta, ja sitä kutsutaan akuutiksi berylliumitaudiksi. Työpaikan ja yhdyskuntailman standardit estävät tehokkaasti suurimman osan akuuteista keuhkovaurioista.

Jotkut ihmiset (1-15 %) herkistyvät berylliumille. Näille henkilöille voi kehittyä tulehdusreaktio hengityselimissä. Tätä tilaa kutsutaan krooniseksi berylliumsairaudeksi (chronic beryllium disease, CBD), ja se voi ilmetä useita vuosia sen jälkeen, kun on altistuttu normaalia korkeammille berylliumpitoisuuksille (yli 0,2 ¼g/m³). Tämä sairaus voi saada sinut tuntemaan itsesi heikoksi ja väsyneeksi, ja se voi aiheuttaa hengitysvaikeuksia. Se voi johtaa myös anoreksiaan ja laihtumiseen, ja pitkälle edenneissä tapauksissa se voi johtaa myös sydämen oikean puolen laajentumiseen ja sydänsairauteen. Joillakin berylliumille herkistyneillä ihmisillä ei välttämättä ole mitään oireita. Yleisväestö ei todennäköisesti sairastu akuuttiin tai krooniseen berylliumsairauteen, koska ilman berylliumpitoisuudet ovat yleensä hyvin alhaiset (0,00003-0,0002 ¼g/m³).

Berylliumin nielemisen ei ole raportoitu aiheuttavan vaikutuksia ihmisillä, koska beryllium imeytyy hyvin vähän vatsasta ja suolistosta. Haavaumia on havaittu koirilla, jotka ovat nauttineet berylliumia ruokavaliossaan. Berylliumin joutuminen kosketuksiin raavitun tai viilletyn ihon kanssa voi aiheuttaa ihottumaa tai haavaumia.

Pitkäkestoinen altistuminen berylliumille voi lisätä ihmisten riskiä sairastua keuhkosyöpään.

Yhdysvaltojen terveysministeriö (DHHS) ja Kansainvälinen syöväntutkimusvirasto (IARC, International Agency for Research on Cancer) ovat määritelleet berylliumin syöpää aiheuttavaksi ihmiselle. Yhdysvaltain ympäristönsuojeluvirasto (EPA) on todennut, että beryllium on todennäköinen ihmisen syöpää aiheuttava aine. EPA on arvioinut, että elinikäinen altistuminen 0,04 ¼g/m³ berylliumille voi johtaa yhden tuhannesta todennäköisyyteen sairastua syöpään.

Beryliumille altistuvien lasten terveysvaikutuksista ei ole tutkimuksia. On todennäköistä, että berylliumille altistuneilla lapsilla havaitut terveysvaikutukset ovat samanlaisia kuin aikuisilla havaitut vaikutukset. Emme tiedä, eroavatko lapset aikuisista berylliumille altistumisen suhteen.

Emme tiedä, aiheuttaako berylliumille altistuminen synnynnäisiä epämuodostumia tai muita kehitysvaikutuksia ihmisillä. Eläimillä tehdyt tutkimukset kehitysvaikutuksista eivät ole vakuuttavia.

Berylliumia voidaan mitata virtsasta ja verestä. Berylliumin määrä veressä tai virtsassa ei välttämättä kerro, kuinka paljon tai kuinka hiljattain olet altistunut. Berylliumpitoisuuksia voidaan mitata myös keuhko- ja ihonäytteistä. Näitä testejä ei yleensä ole saatavilla lääkärin vastaanotolla, mutta lääkäri voi lähettää näytteet laboratorioon, joka voi tehdä testit.

Toinen verikoe, veren berylliumlymfosyyttien proliferaatiotesti (BeLPT), tunnistaa berylliumherkistymisen ja sillä on ennustearvoa CBD:n suhteen.

Tyypilliset berylliumpitoisuudet, joita teollisuus voi päästää ilmaan, ovat suuruusluokkaa 0,01 ¼g/m³ 30 päivän keskiarvona tai 2 ¼g/m³ työhuoneen ilmassa 8 tunnin työvuoron aikana.