A berillium (nyelvújítási nevén: édeny) a periódusos rendszer egyik kémiai eleme. Vegyjele Be, rendszáma 4. A II. főcsoportba, az alkáliföldfémek közé tartozik. Mivel a csillagokban szintetizálódó berillium rövid életű, ezért az univerzumban, és a földkéregben is ritka elem. Két vegyértékű elem, a természetben csak ásványokban, más elemekkel vegyülve fordul elő. A jelentősebb berilliumtartalmú drágakövek a berill (akvamarin és smaragd), illetve a krizoberill. Elemi állapotában szürkés színű, kis fajsúlyú, igen kemény, rideg fém.
Alumíniummal, kobalttal, rézzel, vassal és nikkellel ötvözve növeli azok keménységét, és korrózióállóságát. A szerkezeti alkalmazásokat tekintve nagy hajlítómerevség, hőstabilitás és hővezetőképesség, illetve kis sűrűség (1,85-szor sűrűbb, mint a víz) jellemzi, mely tulajdonságai miatt a berillium jó minőségű alapanyag az űr- és repülőgépipar számára: nagy sebességű repülőgépek, rakéták, űrhajók és kommunikációs műholdak gyártásához használják. Kis sűrűsége és atomtömege miatt a berillium kellőképpen áthatolható a röntgen- és más ionizáló sugárzások számára, ezért a röntgenberendezésekben és a részecskefizikai kísérletek során ez a leggyakrabban alkalmazott ablakanyag. A berillium és berillium-oxid jó hővezető képessége miatt ezen anyagokat hőelvezetési célokra (hőcserélő, hűtőborda) is alkalmazzák.
A berillium kereskedelmi felhasználása technikai kihívásokba ütközik, amiatt, hogy a berilliumtartalmú porok (különösen belélegezve) mérgezőek. A berillium a szövetekre maró hatású; egyes emberekben krónikus, életveszélyes allergiás betegséget, úgynevezett berilliózist (CBD) válthat ki. Jelenlegi ismeretek szerint a berillium sem a növényi, sem az állati élethez nem szükséges.
Jellemzői Fizikai tulajdonságai A berillium acélszürke színű, kemény fém; szobahőmérsékleten rideg, kristályszerkezete hexagonális szoros illeszkedésű. Kiemelkedően magas a hajlítómerevsége (rugalmassági modulusa ); olvadáspontja () és forráspontja () a legmagasabb az alkáliföldfémek között. A rugalmassági modulusa körülbelül másfélszerese az acélénak (210 GPa). A magas modulus, és az alacsony sűrűség kombinációjaként a hang terjedési sebessége a berilliumban szokatlanul nagy, 12,9 km/s normál körülmények között. További jelentős tulajdonságai közé tartozik a nagy fajhő (1925 J/(kg·K)) és hővezetési tényező (216 W/(m·K)), melyek a berilliumot egységnyi tömegre vetítve a legjobb hőleadási karakterisztikájú fémmé teszik. Ez a viszonylag alacsony lineáris hőtágulási együtthatóval párosulva ( egyedülálló stabilitást biztosít a berillium számára a hőterheléssel szemben.
Nukleáris tulajdonságai A természetes berillium – eltekintve a csekély kozmogenikus radioizotóp-szennyeződéstől – lényegében berillium-9, melynek magspinje 3/2−. A berilliumnak nagy a szórási keresztmetszete a nagy energiájú neutronokkal szemben: ~ energia felett mintegy . Emiatt neutron-reflektorként és neutronmoderátorként viselkedik, hatékonyan lassítja le a neutronokat a 0,03 eV alatti termikusenergia-tartományba, ahol a teljes hatáskeresztmetszete már legalább egy nagyságrenddel kisebb; a pontos érték erősen függ az anyagban lévő krisztallitok tisztaságától és méretétől.
A berillium egyetlen primordiális izotópja (9Be) neutron energia felett (n, 2n) neutronreakción megy keresztül, és belőle 8Be keletkezik, mely szinte azonnal két alfa-részecskére bomlik. Így a nagy energiájú neutronokkal szemben a berillium neutron-sokszorozó, azaz több neutront szabadít fel, mint amennyit elnyel. A magreakció egyenlete:
Ha a berillium atommagokat nagy energiájú alfa-részecskék találják el, neutronok szabadulnak fel:
A reakció során szén-12 keletkezik.
A berilliumban gamma-sugárzás hatására is szabadul fel neutron. Így a megfelelő radioizotópból származó alfa- vagy gamma-sugárzással bombázott természetes berillium a laboratóriumokban a szabad neutronok előállítására használt magreakción alapuló radioizotópos neutronforrások kulcseleme. A berilliumfém átlátszó a röntgen- és gamma-sugárzás hullámhossztartományában, így röntgencsövek és más hasonló készülékek kimeneti ablakaként használható.
Izotópjai és nukleoszintézise
A berillium stabil és instabil izotópjai egyaránt létrejönnek a csillagokban, de ezek nem tartanak sokáig. A jelenlegi vélekedés szerint, az univerzumban található stabil berillium legnagyobb része eredetileg a csillagközi anyagban jött létre, amikor a csillagközi gázban és porban található nehezebb elemek a kozmikus sugárzás hatására maghasadást szenvedtek. A berilliumnak egyetlen stabil izotópja van, a 9Be.
thumb|left|300px|Naptevékenységet mutató diagram, feltüntetve a napfoltok számát (piros) és a 10Be koncentrációt (kék). Vegyük észre, hogy a berillium skála invertált, azaz a skálán való emelkedés csökkenő 10Be szintet jelent
A radioaktív, kozmogén 10Be a Föld légkörében keletkezik, az oxigén és nitrogén kozmikus sugárzás okozta spallációja (elhasítása) révén. Mivel a berillium érték alatt általában oldott formában van jelen, és az esővíz pH értéke 5-nél kisebb; ezért kimosódik a légkörből és lejut a földfelszínre. Itt a berillium-10 kicsapódik az esővízből, és a talaj felszínén gyülemlik fel, ahol a viszonylag hosszú felezési ideje () miatt sokáig megtalálható, mielőtt bór-10-zé bomlik. Emiatt a berillium-10 izotópot és bomlástermékeit a talajerózió; a málladékból történő talajképződés; a laterit talaj kialakulás; és a naptevékenység változás tanulmányozásakor; illetve a jégmagok kormeghatározásakor használják. A 10Be keletkezése fordítottan arányos a naptevékenységgel, ugyanis a magas intenzitású időszakok alatt a fokozott napszél csökkenti a Földet elérő galaktikus, kozmikus sugarak fluxusát. Nukleáris robbantások során is keletkezik 10Be: a gyors neutronok reakcióba lépnek a levegő szén-dioxidjában lévő 13C izotópokkal. Így ez az egyik indikátora a múltbéli tevékenységeknek az atomfegyver-tesztelési helyszíneken.
A 7Be izotóp (felezési ideje 53 nap) is kozmogenikus, és a 10Be izotóphoz hasonlóan a napfoltokhoz kapcsolható légköri előfordulást mutat.
left|220px|thumb|A berillium elektronszerkezete
A berillium-8 felezési ideje nagyon rövid: ; mely hozzájárul jelentős kozmológiai szerepéhez, nevezetesen, hogy az ősrobbanás során magfúzióval nem jöhettek létre a berilliumnál nehezebb elemek. Ennek az az oka, hogy az ősrobbanás nukleoszintézis fázisában nem volt elég idő arra, hogy a 4He atommagok és az igen kis koncentrációban jelen lévő 8Be izotópok szénné egyesülhessenek. Sir Fred Hoyle brit csillagász mutatta meg először, hogy a 8Be és a 12C magenergia szintjei lehetővé teszik szén keletkezését a hélium-fűtőanyagú csillagokban, az úgynevezett háromalfa-ciklus során, melyben több idő áll rendelkezésre. A csillagok által létrehozott szén (a szén-alapú élet alapeleme) tehát alkotórésze az aszimptotikus óriáság csillagai (AGB), és a szupernóvák által kilökött gáznak és pornak.
A berillium legbelső elektronjai bizonyos mértékben részt vehetnek a kémiai kötések kialakításában. Ezért, amikor a 7Be izotóp elektronbefogással bomlik, ez úgy történik, hogy olyan elektronhéjakról fog be elektronokat, melyek potenciálisan kémiai kötést létesíthetnek. Ennek következtében a bomlási sebesség mérhető mértékben függ az elektronszerkezettől – ez ritkán fordul elő a radioaktív bomlások közt.
A berillium legrövidebb életű ismert izotópja a berillium-13, amely neutronemisszió révén bomlik. Felezési ideje . A 6Be izotóp szintén rövid életű: .Hammond, C. R. "Elements" in Az egzotikus 11Be és 14Be izotópok arról ismertek, hogy nukleonudvarral (halo) rendelkeznek. Ez a jelenség úgy érthető meg, hogy 1, illetve 4 neutron a mag klasszikus Fermi-féle „vízcsepp” modelljénél jóval nagyobb távolságra kering a mag körül.
Előfordulása 220px|balra|bélyegkép|Berilliumérc thumb|right|150px|A smaragd természetben előforduló berilliumvegyület
A berillium koncentrációja a földkéregben hozzávetőleg 2-; míg a Napban körülbelül . A legkoncentráltabban a talajban van jelen (); de koncentrációban a tengervízben is megtalálható. A 9Be izotóp nyomokban megtalálható a Föld légkörében. A berillium rendkívül ritka a tengervízben, tömegkoncentrációja ; ezzel szemben folyóvízben sokkalta gyakoribb: tömegkoncentrációja .
A berillium több mint száz ásványban megtalálható, de ezek többsége meglehetősen ritka. A gyakoribb ásványok közé tartozik a bertrandit (Be4Si2O7(OH)2), a berill (Be3Al2Si6O18), a krizoberill (BeOAl2O3), és a fenakit (Be2SiO4). A berill értékes formái közé tartozik az akvamarin, a vörös berill és a smaragd. A berill drágakövek zöld színe a különböző mennyiségű króm szennyezésből származik (a smaragd esetében kb. ).
A berillium két fő érce, a berill és a bertrandit megtalálható Argentínában, Brazíliában, Indiában, Madagaszkáron, Oroszországban és az Egyesült Államokban. A világ összes berilliumtartaléka meghaladja a .
Előállítása A berillium kinyerése az őt tartalmazó vegyületekből nehéz és bonyolult folyamat; mert magas hőmérsékleten nagy az affinitása az oxigénhez, illetve azon tulajdonsága miatt, hogy eltávolítva a felületéről a vékony oxidréteget, redukálja a vizet. Az Egyesült Államok, Kína és Kazahsztán az a három ország, ahol a berillium kitermelése ipari méreteket ölt.
A berilliumot leggyakrabban berillből nyerik ki, vagy egy extrakciós-vegyülethez szinterezve; vagy oldható eleggyé olvasztva. A szinterezési folyamat során a berillhez -on nátrium-fluoroszilikátot és szódát kevernek; így nátrium-fluoroberillátot, alumínium-oxidot és szilícium-dioxidot alkotva. A berillium-hidroxid ezután a nátrium-fluoroberillát és a nátrium-hidroxid vizes oldatából kicsapódik. Az olvasztásos berillium kinyerési módszer során a berillt porrá őrlik, és -ra hevítik fel. Az olvadékot ezután vízzel gyorsan lehűtik, majd tömény kénsav jelenlétében újrahevítik 250–300 °C-ra; melynek eredményeképpen berillium-szulfát és alumínium-szulfát keletkezik. Vizes ammóniaoldat hozzávezetésével eltávolítható az alumínium és a kén, így végül hátramarad a berillium-hidroxid.
Mindkét folyamat berillium-hidroxidot eredményez; melyet ezután berillium-fluoriddá vagy berillium-kloriddá alakítanak. A berillium-fluorid előállításához a berillium-hidroxidhoz ammónium-hidrogén-fluorid vizes oldatát vezetik hozzá, amely ammónium-tetrafluoroberillát csapadékot képez. Ezt aztán -ra hevítve berillium-fluorid képződik. A fluoridot magnézium jelenlétében -ra hevítve végre elkülönül berillium; további -ra való melegítéssel pedig létrejön maga a kompakt fém:
A berillium-hidroxid hevítésével oxid keletkezik, amely szénnel és klórral keverve berillium-kloridot képez. A berillium-klorid olvadék elektrolízisével ezután előállítható a fém.
Kémiai jellemzői A berillium kémiai viselkedése jellemzően a kis atom- és ionsugár következménye. Emiatt nagyon nagy ionizációs potenciállal bír; illetve a Be2+ ionnak annyira erős a polarizáló hatása, hogy még a legnehezebben polarizálható anionok elektronfelhőit is deformálja, kovalens kötést létesítve velük. A berillium az egyetlen elem a II. főcsoportban, amely nem képez ionos kötést; minden vegyületében kovalens kötéseket képez. Kémiailag leginkább az alumíniumra hasonlít, semmint a periódusos rendszerbeli szomszédjaira; ennek oka a hasonló töltés/sugár arány. A felületén igen vékony védő oxidréteg alakul ki, amely megakadályoz minden további levegővel való reakciót, hacsak nem hevül fölé. Ha már meggyulladt, a berillium ragyogó fénnyel ég, miközben berillium-oxid és berillium-nitrid elegye keletkezik. A berillium jól oldódik nem-oxidáló savakban, mint például sósavban és híg kénsavban; ezzel szemben nem oldódik salétromsavban és vízben: ez utóbbival oxidot képez. Ez a fajta viselkedése hasonló az alumíniuméhoz. A berilliumot az alkálilúgok oldják.