Beryllium (Be) er et grundstof med atomnummeret 4. Det skabes gennem stjernenukleosyntese og er et relativt sjældent grundstof i universet. Det er et divalent grundstof, der kun forekommer naturligt i kombination med andre grundstoffer i mineraler. Blandt de ædelstene, som indeholder beryllium, er beryl (hvor akvamarin er en blå, heliodor en gulgrøn og morganit en pink varietet) og krysoberyl. Som et frit grundstof er det et stål-gråt, stærkt, let og skrøbeligt jordalkalimetal.
Beryllium forbedrer mange fysiske egenskaber når det tilføjes som et legeringselement til aluminium, kobber (især legeringen berylliumkobber), jern og nikkel. Værktøjer lavet af berylliumkobber-legeringer er stærkt og hårdt, og skaber ikke gnister når de rammer en ståloverflade. I strukturelle anvendelser gør kombinationen af høj bøjningsstivhed, termisk stabilitet, varmeledningsevne og lav tæthed (1,85 så stor som vands) berylliummetal til et efterspurgt materiale til komponenter til rumfart, missiler, rumfartøjer og satellitter. På grund af dets lave densitet er atommasse er beryllium relativt transparent for røntgenstråling og andre former for ioniserende stråling; af den grund er det det mest almindelige vinduesmateriale til røntgenudstyr og eksperimenter indenfor partikelfysik. Beryllium og berylliumoxids høje varmeledningsevne har ført til deres anvendelse indenfor varmehåndtering.
Den kommercielle anvendelse af beryllium kræver brug af passende støvkontrolsudstyr og industrielle kontrolsystemer på alle tidspunkter på grund af beryllium-indeholdende støvs høje toksicitet ved inhalering, som kan forårsage en kronisk livsfarlig allergisk sygdom hos nogle mennesker kaldet berylliose.
Egenskaber
Fysiske egenskaber Beryllium er et stålgråt og hårdt metal, der er skrøbeligt ved stuetemperatur og har et tætpakket sekskantet krystalstruktur. Det har enestående stivhed (e-modul 287 GPa) og et relativt højt smeltepunkt. Berylliums elasticitetsmodul er omkring 50 % større end ståls. Kombinationen af dette modul og en relativt lav tæthed resulterer i en usædvanlig hurtig lydudledningshastighed i beryllium – omkring 12,9 km/s ved standardbetingelser. Blandt andre vigtige egenskaber er høj varmekapacitet (1925 J·kg-1·K-1) og termisk ledningsevne (216 W·m-1·K-1), som gør beryllium til det metal, der har den bedste varmespredning per enhedsvægt. I kombination med den relativt lave termiske udvidelseskoefficient (11,4⋅10-6 K-1) resulterer disse karakteristika i en unik stabilitet under betingelser for termisk belastning.
Nukleare egenskaber Naturligt forekommende beryllium er, med undtagelse af mindre forurening fra kosmogeniske radioisotoper, hovedsageligt beryllium-9, som har et kernespin på . Beryllium er et tværsnit med stor spredning for højenergi-neutroner, omkring 6 barns for energier over cirka 10 keV. Dette bevirker at det fungerer som en neutronreflektor og neutronmoderator, der effektivt sløver neutroner ned til en termisk energi under 0,03 eV, hvor det samlede tværsnit er mindst en størrelsesorden lavere – den nøjagtig værdi afhænger i høj grad af renheden og størrelsen af krystalliter i materialet.
Den eneste primordiale berylliumisotop ^{9}Be gennemgår også en (n,2n)-neutronreaktion med neutronenergi på over 1,9 MeV, for at producere ^{8}Be, som næsten øjeblikkeligt nedbrydes til to alfa-partikler. Således er beryllium en neutronmultiplikator for højenergi-neutroner, da det frigiver flere neutroner end det absorberer. Denne kernereaktion er: ^{9}_{4}Be +n -> 2 ^{4}_{2}He +2n Neutroner bliver frigivet, når berylliumkerner bliver ramt af energirige alfapartikler og producerer kernereaktionen ^{9}_{4}Be +^{4}_{2}He -> ^{12}_{6}C +n hvor ^{4}_{2}He er en alfapartikel, og ^{12}_{6}C er en carbon-12-kerne. Beryllium frigiver også neutroner under bombardement med gammastråler. Naturlig beryllium der enten bombarderes af alpha- eller gammastråling fra en passende radioisotop er en nøglekomponent i de fleste radioisotop-drevne kernereaktion-neutronkilder til laboratorieproduktionen af frie neutroner.
Små mængder tritium frigives når ^{9}_{4}Be-kerner absorberer lavenergi-neutroner i en kernereaktion med tre trin: ^{9}_{4}Be +n -> ^{4}_{2}He +^{6}_{2}He ^{6}_{2}He -> ^{6}_{3}Li +e- ^{6}_{3}Li +n -> ^{4}_{2}He +^{3}_{1}H ^{4}_{2}He har en halveringstid på kun 0,8 sekunder, e- er en elektron og ^{6}_{3}Li har et højt neutronabsorberings-tværsnit. Tritium er en radioisotop i affaldsstrømme i kernereaktorer.
Som metal er beryllium transparent ved de fleste røntgen- og gamma-bølgelængder, hvilket gør det anvendeligt til outputvinduer i røntgenrør og andre lignende apparater.
Isotoper og nukleosyntese Både stabile og ustabile berylliumisotoper skabes i stjerner, men radioisotoperne holder ikke længe. Det menes, at den meste af den stabile beryllium i universet oprindeligt blev skabt i det interstellare medium, da kosmisk stråle-induceret fission i tungere grundstoffer, der findes i interstellar gas og støv. Primordial beryllium indeholder kun en stabil isotop, ^{9}Be, og derfor kendes beryllium som et monoisotopisk grundstof. left|thumb|300x300px|Graf, der viser variationer i Solens aktivitet, herunder variation i antal solpletter (rød) og koncentration af ^{10}Be (blå). Bemærk, at beryllium-skalaen er omvendt, så stigning på denne skala indikerer lavere ^{10}Be-niveauer Radioaktivt kosmogent ^{10}Be produceres i Jordens atmosfære af kosmisk strålespallation af ilt. ^{10}Be akkumuleres på jordoverfladen, hvor dens relativt lange halveringstid (1,36 millioner år) giver den en lang opholdstid før den henfalder til bor-10. Af denne grund anvendes ^{10}Be og dens datterprodukter til at undersøge naturlig jorderosion, jorddannelse og udviklingen af laterititjord, samt som en proxy for måling af variationer i Solens aktivitet og alderen på iskerner. Produktionen af ^{10}Be er omvendt proportionel med Solens aktivitet, idet øget solvind i perioder med høj solaktivitet reducerer strømmen af galaktiske kosmiske stråler der når Jorden. Kerneeksplosioner danner også ^{10}Be ved hurtige neutroners reaktion med 13C i kuldioxid i luften. Dette er en af de indikatorer, der er på steder hvor der tidligere har foregået prøvefyringer af kernevåben. Isotopen ^{7}Be (halveringstid 53 dage) er også kosmogen, og udviser en atmosfærisk overflod forbundet med solpletter, meget lig ^{10}Be.
^{8}Be har en meget kort halveringstid på omkring 7⋅10−17 s, der bidrager til dets væsentlige kosmologiske rolle, da grundstoffer, der er tungere end beryllium, ikke kunne være produceret af kernefusion i Big Bang. Dette skyldes mangel på tilstrækkelig tid under Big Bang's nukleosyntese-fase til at producere carbon ved fusion af 4He-kerner og meget lave koncentrationer af tilgængelig beryllium-8. Den britiske astronom sir Fred Hoyle var den første til at vise, at ^{8}Be og ^{12}Be's energiniveauer tillader carbonproduktion ved den såkaldte triple-alfa-proces i helium-drevne stjerner, hvor der er mere tid til rådighed for nukleosyntese. Denne proces gør, at carbon kan produceres i stjerner, men ikke i Big Bang. Stjerne-skabt kulstof (grundlaget for alt kulstof-baseret liv) er således en komponent i de grundstoffer i gas og støv, der frigives af AGB-stjerner og supernovaer (se også Big Bang-nukleosyntese), såvel som i skabelsen af alle andre grundstoffer med atomnumre større end carbons.
De inderste elektroner i beryllium kan bidrage til kemiske binding. Dette indebærer at når ^{7}Be henfalder ved elektronindfangning så gøres dette ved at tage elektroner fra atomiske orbitaler, der kan deltage i binding. Dette gør til en vis grad dens forfaldsrate afhængig af dens elektronkonfiguration – hvilket er en sjælden ting i atomart henfald.
Den berylliumisotop med korteste kendte levetid er ^{13}Be, der henfalder via neutronemission. Den har en halveringstid på 2,7⋅10-21 s. ^{6}Be er også meget kortlivet, med en halveringstid på 5,0⋅10-21 s.Hammond, C. R. "Elements" in De eksotiske isotoper, ^{11}Be og ^{14}Be er kendt for at udvise en nuklear glorie. Dette fænomen kan forstås som at ^{11}Be og ^{14}Be's kerner har henholdsvis 1 og 4 neutroner, der kredser væsentligt udenfor den klassiske Fermi-'vanddråbemodel' af kernen.
Forekomst left|thumb|Berylliummalm thumb|Smaragd er en naturligt forekommende berylliumforbindelse. Solen har en koncentration på 0,1 parts per billion (ppb) af beryllium. Beryllium har en koncentration på 2 til 6 parts per million (ppm) i jordskorpen. Det er mest koncentreret i jordbunden, 6 ppm. Spormængder af ^{9}Be findes i Jordens atmosfære. Berylliumkoncentrationen i havvand er 0,2–0,6 parts per trillion. I bækvand findes der dog lidt mere beryllium, med en koncentration på 0,1 ppb.
Beryllium findes i mere end 100 mineraler,Mindat search on Be men de fleste er ualmindeligt sjældne. Blandt de mest almindelige beryllium-indeholdende mineraler er: bertrandit (Be4Si2O7(OH)2), beryl (Al2Be3Si6O18), krysoberyl (Al2BeO4) og fenakit (Be2SiO4). Blandt værdifulde former for beryl er akvamarin, rød beryl og smaragd. Den grønne farve i berylformer af ædelstenkvalitet kommer fra varierende mængder krom (omkring 2 % for smaragd).
De to vigtigste typer berylliummalm, beryl og bertrandit, findes i Argentina, Brasilien, Indien, Madagaskar, Rusland og USA. Verdens samlede berylliummalm-reserver er på mere end 400.000 tons.
Produktion Udvinding af beryllium fra dets forbindelser er en vanskelig proces på grund af dets høje affinitet for ilt ved høje temperaturer, og dets evne til at reducere vand når dets oxidfilm fjernes. USA, Kina og Kasakhstan er de eneste tre lande, der indgår i den industrielle udvinding af beryllium.
Beryllium udvindes normalt fra mineralet beryl, som enten er sintret ved hjælp af et udvindingsmiddel eller smeltet til en opløselig blanding. Sintringsprocessen indebærer blanding af beryl med natriumfluorosilikat og natron ved 770 °C for at danne natriumfluoroberyllat, aluminiumoxid og siliciumdioxid. Berylliumhydroxid findes som bundfald i en opløsning af natriumfluoroberyllat og natriumhydroxid i vand. Udvinding af beryllium ved hjælp af smeltemetoden indebærer at man sliber beryl til et pulver, og derefter varmer det op til 1650 °C. Smeltningen nedkøles hurtigt derefter med vand og opvarmes så igen til 250-300 °C i koncentreret svovlsyre, hvilket for det meste giver berylliumsulfat og aluminiumsulfat. Vandig ammoniak anvendes derefter til at fjerne aluminium og svovl, hvilket efterlader berylliumhydroxiden tilbage.
Berylliumhydroxid skabes enten ved hjælp af sintrings- eller smeltemetoden, og konverteres derefter til berylliumfluorid eller berylliumklorid. For at danne fluoriden tilføjes vandig ammonium-hydrogenfluorid til berylliumhydroxiden for at give et bundfald af ammoniumtetrafluoroberyllat, som opvarmes til 1000 °C for at danne berylliumfluorid. Opvarmning af fluoriden til 900 °C med magnesium danner fint opdelt beryllium, og gennem yderligere opvarmning 1300 °C dannes det kompakte metal. Opvarmning af berylliumhydroxid danner oxiden, som bliver til berylliumklorid, når den kombineres med kulstof og klor. Elektrolyse af smeltet berylliumklorid anvendes derefter til at opnå selve metallet.
Kemiske egenskaber Berylliums kemiske adfærd skyldes i høj grad dets små atomare og ioniske radier. Det har således meget højt ioniseringspotentiale og stærk polarisering, mens det er bundet til andre atomer, hvilket er grunden at alle dets forbindelser er kovalente. Kemisk ligner det mere aluminium end dets nære naboer i det periodiske system på grund af deres meget ens forhold af ladning-til-radius.