بریلیوم (بریلیم) Be

ویژگی های عمومی بریلیوم (Be)

بریلیوم فلزی سمی بوده و با عدد اتمی 4 در گروه 2 و دوره تناوبی دوم جدول مندلیف قرار دارد. نکته مهم در این زمینه آن است که انگیزه تحقیق صنعتی روی آلیاژهای بریلیوم چندان قوی نیست زیرا حلالیت اکثر عناصر در بریلیوم جامد ،کم می باشد. تنها مس، نیکل، آهن، نقره و پلاتین حلالیتی بین یک تا ده درصد مولی، در دماهای بالا دارند. علاوه بر این اکثر فلزات با بریلیوم ترکیبات بین فلزی تشکیل داده که معمولاً بسیار شکننده هستند.

بریلیوم عنصری دو ظرفیتی و سمی، سبک و سخت بوده که بیشتر به عنوان سخت کننده در آلیاژها استفاده می شود. بریلیوم در بین فلزات سبک یکی از بالاترین نقطه ذوب ها را دارد. دارای هدایت حرارتی عالی و غیر مغناطیس می باشد. در مقابل اسید نیتریک قوی هم مقاوم بوده و در دما و فشار استاندارد وقتی در معرض هوا قرار می گیرد، در برابر اکسید شدن مقاومت می کند.

تاریخچه بریلیوم

در سال 1797 واکوئولین در حین آنالیز گونه ای مختلف از بریل، اکسید بریلیوم را کشف کرد. بوسی و ووهلر به طور جداگانه در سال 1828، با احیاء کلرید بریلیوم توسط پتاسیم به بریلیوم فلزی دست یافتند.

در سال 1899 لبیو از الکترولیت نمک مذاب (فلورید بریلیوم و فلورید سدیم) به بریلیوم فلزی رسید. تولید صنعتی بریلیوم از سال 1916 در چندین کشور آغاز شد. در سال 1931 برای اولین بار از بریلیوم به عنوان ترکیب اضافی در پیر سختی آلیاژهای مس در حد 2 درصد استفاده شد.

با پیشرفت راکتورهای هسته ای در حدود سال 1950، تقاضا برای استفاده از بریلیوم افزایش یافت. خواص هسته ای و چگالی پایین بریلیوم آن را برای شرایط ناپایدار راکتورهای هسته ای مصرفی در هواپیما، سفینه ها، کشتی ها و زیر دریایی ها مناسب ساخته است.

هنگامی که بریلیوم به طور همزمان در معرض اشعه رادیو اکتیو و گرما قرار گیرد، خواص نامطلوبی از خود نشان می دهد. در این مواقع بریلیوم متورم، ترد و شکننده می شود.

تا پایان سال 1950 به بریلیوم به عنوان یک ماده ساختمانی در صنایع فضایی و هوایی توجه زیادی شد و علت مصرف بریلیوم به عنوان یک ماده ساختمانی، خواص مکانیکی و حرارتی وابسته به وزن این فلز می باشد که بسیار بهتر از سایر مواد است. امروزه بیشتر بریلیوم تولیدی، برای اهداف نظامی مصرف می شود. به مرور زمان استفاده از بریلیوم به عنوان عایق الکتریکی در مهندسی الکترونیک نیز افزایش می یابد. استفاده زیاد از بریلیوم در مصارف شهری بدلیل هزینه بالا، سمی بودن و قابلیت شکست ترد آن در دمای محیط، ممنوع شده است.

خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی بریلیوم

الکترونهای اربیتال 2S2، الکترونهای ظرفیت بریلیوم می باشند. اولین انرژی یونیزاسیون برای تبدیل برابر 32.9 ev می باشد و دومی برای تبدیل Be+ بهBe   برابر ev 21.18 می باشد. اگرچه بریلیوم در اکثر ‏مواقع به صورت دو ظرفیتی در ترکیباتش ظاهر می شود اما به آلومینیوم شباهت بیشتری دارد تا منیزیم و کلسیم. به عنوان مثال مانند آلومینیوم آمفوتر است و در هوای مرطوب و بخار آب، لایه سطحی بسیار چسبنده ای از اکسید روی آن تشکیل می شود که این لایه در دماهای بالاتر از 600 °C از اکسیداسیون بیشتر جلوگیری می کند. بالاتر از 600 °C لایه اکسید ضخیم می شود اما اکسیداسیونی که باعث شکست فلز می شود در زیر700 اق نمی افتد.

تمایل بریلیوم به ترکیب با اکسیژن بسیار بالاست:

Be +1/2O2(g)→BeO(s)                       ΔGT0(J/g)=-66469+10.5T±4.7

بریلیوم عامل احیا کننده خوبی است. در دمای بالای  900 °C شدیداً با نیتروژن یا آمونیاک واکنش می دهد و نیترید بریلیوم تولید می کند.

بریلیوم حتی در دمای بالا با هیدروژن واکنش نمی دهد. واکنش تشکیل هیدریدهایBeH2  و BeH (که خیلی سخت تشکیل می شوند) گرماگیر هستند و در دمای بالاتر متلاشی می شوند. در دمای زیر 600- 500 درجه سانتی گراد، بریلیوم با دی اکسید کربن خشک واکنش نمی دهد اما بسیار آهسته با دی اکسید کربن مرطوب واکنش می دهد.

فیلم اکسیدی چسبنده، از بریلیوم در برابر سرما و آب داغ محافظت می کند و همچنین از بریلیوم سرد در برابر حمله اسیدهای اکسید کننده محافظت می کند.

خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی بریلیوم
عدد اتمی	4
جرم اتمی	9.012
نقطه ذوب	1280 ºC
نقطه جوش	2970 ºC
شعاع اتمی	128 pm
ظرفیت	2
رنگ	خاکستری فولادی
حالت استاندارد	جامد
گروه	2
انرژی یونیزاسیون	899.2 Kj/mol
شعاع یونی	نامعلوم
شکل الکترونی	1s2 2s2 or [ He ] 2s2
الکترونگاتیوی	1.5
حالت اکسیداسیون	2
چگالی	1.86 g/cm3
دوره تناوبی	2
شماره سطح انرژی یونیزاسیون	2
شعاع کووالانسی	96±3 pm
شعاع واندروالس	153 pm
گرمای تبخیر	297 Kj/mol

بریلیوم در اسیدهای معدنی غیر اکسیدی حل می شود و هیدروژن و نمک تولید می کند. مطابق طبیعت آمفوتری بریلیوم، بوسیله هیدروکسیدهای آبی نیز مورد حمله قرار می گیرند و هیدروژن و بریلات تولید می کند. از آنجا که بسیاری از ترکیبات بریلیوم هنگام تشکیل،گرما آزاد می کنند، می تواند نمکها، بوراتها و سیلیکاتهای بسیاری از فلزات را احیا کند. تنها هالیدهایی که در برابر بریلیوم پایداری می کنند مربوط به فلزات قلیایی و منیزیم می باشند و باقی به وسیله بریلیوم می توانند احیا شوند.

بریلیوم با کربن، تمام فلزات انتقالی، فلزات قلیایی خاکی مانند Sr ،Ca ، Mg ، فلزاتی نظیر B و As و تلوریوم ترکیبات بین فلزی تشکیل می دهد. برخی از این ترکیبات بین فلزی محدوده همگنی وسیعی دارند و نقطه ذوب آنها نیز بالا می باشد.

به جز چند استثناء ، حلالیت فلزات در نمک بریلیوم و بر عکس آن، حتی در دمای بالا بسیار پایین است. بریلیوم نسبت به لیتیوم مایع، سدیم، پتاسیم، منیزیم، کادمیم، جیوه، گالیم، ایندیم، قلع، سرب، آنتیموان و بیسموت بسیار پایدار است. برخی از این فلزات بریلیوم را حتی در دماهای بالا و بدون حضور اکسیژن در خود حل نمی کنند..

اگر مذابی حاوی اکسیدهای فلزی باشد، این اکسیدها بوسیله بریلیوم احیا می شوند و لایه اکسید بریلیوم که از این طریق ایجاد می شود دیگر چسبنده نیست و از مذاب جدا می شود و همواره سطح تازه ای از بریلیوم برای احیا در دسترس است.

بریلیوم در حالت مایع بسیار فعال است و با بسیاری از اکسیدها، نیتریدها، سولفیدها و کاربیدهای Mg ،Ca، Al، Ti، Zn واکنش می دهد.

ایزوتوپ های بریلیوم

نیمه عمر	ایزوتوپ
53.3 روز	Be-7
پایدار	Be-9
2600000.0 سال	Be-10

خواص مکانیکی و حرارتی بریلیوم

بریلیوم شکننده بوده و یکی از دلایل اصلی شکنندگی آن، این است که صفحه قاعده هم به عنوان صفحه کلیواژ و هم به عنوان صفحه لغزش عمل می کند. صفحه قاعده انرژی سطحی کمی دارد، از این رو مانند یک صفحه کلیواژ عمل می کند.

پیچش که یکی از مکانیزم های مهم تغییر شکل می باشد نقش متفاوتی در بریلیوم ایفا می کند. پیچش در بریلیوم بیشتر به عنوان یک شکاف اجباری یا عامل رشد ترک عمل می کند تا اینکه باعث افزایش تغییر شکل شود.

در بریلیوم پلی کریستال، حتی بعد از کرنش های پایین در درمای محیط هم شکست ترد اتفاق می افتد. تمایل به شکست ترد، برتری لغزش صفحه قاعده به علت ناهمسانگردی تغییرشکل می باشد که ترک های مویی ایجاد می کند.

خواص مکانیکی و حرارتی بریلیوم
5.5 1670 MPa 600 MPA	سختی موس ویکرز برینل
287 GPa	مدول یانگ
200 W/m.K	هدایت حرارتی

درصد ازدیاد طول برخی از نمونه های تجاری بریلیوم در محدوده دمایی 650-900 K به سرعت کاهش یافته اما مجدداً افزایش پیدا می کند. این کاهش در محدوده دمایی فوق به دلیل وجود ناخالصی ها می باشد.

منابع بریلیوم

بریلیوم یک عنصر کمیاب می باشد فراوانی آن در پوسته زمین در حدود 6 ppm  می باشد، اما در مینرال های گوناگون به شکل کنسانتره یافت می شود. بریل، مهمترین کانی بریلیوم می باشد. بیشترین رسوبات بریل در برزیل، آرژانتین، هند، موزامبیک، ماداگاسکار، اوگاندا، زیمباوه، آفریقای جنوبی و در اتحاد جماهیر شوروی سابق یافت شده اند.

امروزه برتراندیت مینرال اصلی بریلیوم می باشد که از معادن ایالات متحده استخراج می شود.

اولین کانی کشف شده بریلیوم، بریل می باشد (3BeO.Al2O3.6SiO2) که از لحاظ تجاری قابلیت بهره برداری دارد. نقطه ذوب آن 1650 ºC و چگالی آن بین g/cm3 2.67-2.76 می باشد. بریل بصورت منشورهای هگزاگونال کریستاله شده که بسیار بزرگ هستند.

بریل در میکاشیست، گرانیت، پیگماتیت و آرگیلیت یافت می شود. کریستال های بریل اغلب نشانه هایی از باد وباران خوردگی دارند و به ندرت ترکیب ایده ال خود را دارا هستند. بریل حاوی 11% اکسید بریلیوم (4% بریلیوم) بوده و اغلب به عنوان محصول جانبی استخراج فلدسپار است. ناخالصی های اصلی موجود در کانی شامل اکسید آلومینیوم، دی اکسید سیلیسیوم، فلزات قلیایی، قلیایی خاکی،