ბერილიუმი

ბერილიუმი ქიმიური ელემენტია, რომლის სიმბოლოა Be,  ატომური ნომრი - 4.

ბერილიუმს შეიცავნენ  ცნობილი ძვირფასი ქვები, როგორიცაა ბერილი (ბივრილი) Be₃Al₂(SO₃)₆,(რომლის სახესხვაობას წარმოადგენ აქვამარინი და ზურმუხტი) და ქრიზობერილი (BeO, Al₂O₃). თავისუფალი ბერილიუმი რუხი–ფოლადისფერი მეტალია. იგი მსუბუქი და ამავე დროს მყიფე ტუტემიწა მეტალია. ბერილიუმი ადრეული ხანიდან გამოიყენება შენალღობების შესამაგრებლად (მაგალითად სპილენძ– ბერილიუმის შენალღობი).

მეტალური ბერილიუმის კომერციული გამოყენება იწვევს ტოქსიკურობას (განსაკუთრებით მისი ჩასუნთქვისას) ბერილიუმის მტვერისგან. ბერილიუმს შეუძლია გამოიწვიოს ალერგიული დაავადება, რომელიც იწოდება „Berilliosis”.

ბერილიუმი წარმოადგენს უძველეს ელემენტს, იგი გავრცელებულია როგორც დედამიწის ქერქში (5.10-4%), ასევე მთელ სამყაროში. არ არის ცნობილი, რომ იგი აუცილებელია მცენარეთა და ცხოველთა ცხოვრებისთვის.

 

ისტორია

ემერალიდის ანალიზის შედეგად მარტინ ჰ.კლაფროტის, ტორბერნ ო.ბერგმანის, ფრანც კ.ეხარდის და ჯონან ი.ბინდემის მიერ მიღებულ იქნა ორი მსგავსი ელემენტი. რენე ჯ. ჰეიუმ აღმოაჩინა, რომ მიღებული კრისტალები დიდად ემსგავსებოდნენ ერთმანეთს და თხოვა ქიმიკოს ლუის ნიკოლასს ვაუქელინს  ჩაეტარებინა ქიმიური ანალიზი. ამ უკანასკნელმა შეძლო ალუმინისა და ბერილიუმის ერთმანეთთან დაცილება ალუმინის ფუძეში გახსნით. მიღებული ახალ ელემენტს მან უწოდა „ გლიცინიუმი“ მისი ნაერთის ტკბილი გემოს გამო. ეს ელემენტი იყო ბერილიუმი.

1828 წელს ფრედრიხ ვიოხლერმა და ანტონ ბაზიმ ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად გამოყვეს ბერილიუმი ბერილიუმის ქლორიდსა და კალიუმს შორის მიმდინარე რეაქციით:

BeCl₂ + 2K → 2KCl + Be

 პაულ ლიბიუმ 1898 წ. ბერილიუმი პირველად მიიღო ბერილიუმის ფტორიდისა და ნატრიუმის ფტორიდის გალღობილი ნარევის ელექტროლიზით, მაგრამ ბერილიუმის მიღების წარმოება I მსოფლიო ომის გამო 1930 წლამდე არ განვითარებულა.

 

ეტიმოლოგია (ლათინური Beryllys)

სიტყვა ბერილიუმი წარმოდგება ფრანგული (Berye), ბერძნული (Berullos) სიტყვისგან. დაახლოებით 160 წლის წინ ბერილიუმი აგრეთვე ცნობილი იყო როგორც გლიცინიუმი ან გლიციუმი (ქიმიური სიმბოლოთი „Gl“. ეს სახელი მას ეწოდა ბერძნული სიტყვისგან, რადგანაც მის ზოგიერთ მარილს ჰქონდათ ტკბილი გემო.

 

ფიზიკური დახასიათება

მსუბუქ მეტალებს შორის ბერილიუმს აქვს ყველაზე დიდი ლღობის ტემპერატურა  და დიდი ელასტიურობა. მისი ელასტიურობის მოდული ფოლადისაზე ~50%-ით მეტია. ელასტიურობის დიდ მოდული და დაბალი სიმკვრივე ბერილიუმს ანიჭებს ხმის სწრაფად გატარების უნარს, რომელიც სტანდარტულ პირობებში შეადგენს ~12.9 კმ/მწ. ბერილიუმის სხვა მნიშვნელოვანი თვისებაა თერმული გამტარობა (2.6 ვმ^-1K^-1). ხაზოვანი თერმული გაფართოება (11.4x10^-6 K^-1) გვიჩვენებს, რომ ბერილიუმი მდგრადია თერმული დატვირთვის პირობებში სტანდარტულ წნევასა და ტემპერატურაზე. ჰაერზე დატოვებისას არ იჟანგება. იგი მდგრადია აგრეთვე კონცენტრირებული აზოტმჟავას კოროზიული მოქმედების მიმართ.

 

ბირთვული რეაქციები

ბერილიუმს გააჩნია ნეიტრონების განბნევის დიდი  განიკვეთი მაღალი ენერგიის მქონე ნეიტრონებისთვის- დაახლოებით 6 ბარნი ~0.01 eV-ზე მეტი ენერგიებისათვის . Be დომინანტური იზოტოპი განიცდის (n, 2n) ნეიტრონ რეაქციას Be-მდე. ბერილიუმს შეუძლია მეტი ნეიტრონების გაცემა, ვიდრე შთანთქმა. ამ ბირთვულ რეაქციას შემდეგი სახე აქვს:

⁹₄Be +n →  2( ⁴₂He)+2n

ბერილიუმი ტრანფორმირდება უფრო გრძელტალღოვან X- სხივებად, რაც საშუალებას იძლევა იგი გამოყენებულ იქნება X– სხივების ფანჯრებში და სხვა მსგავსი აპარატების შესაქმნელად.

ბერილიუმი აგრეთვე წარმოადგენს კარგ წყაროს ლაბორატორიაში თავისუფალი ნეიტრონების მცირე რაოდენობის მისაღებად. თავისუფალი ნეიტრონების მიღება შეიძლება ბერილიუმის ბირთვზე ენერგიული ალფა ნაწილაკების დაჯახებით, რომლის შედაგადაც ადგილი აქვს შემდეგ ბირთვულ რეაქციას.

⁹₄Be + ⁴₂He→ ¹²₆C + n

სადაც ⁴₂He არის ალფა ნაწილაკები და ¹²₆C არის ნახშირბად -12 ბირთვი.

 

იზოტოპები

ბერილიუმის იზოტოპებიდან სტაბილურია მხოლოდ ⁹Be, დანარჩენები არასტაბილურია და ამგვარად, ბერილიუმი წარმოადგენს მონოიზოტოპურ ელემენტს.

კოსმოგენური ¹⁰Be წარმოიქმნება დედამიწის ატმოსფეროში კოსმოსური სხივებით ჟანგბადისა და აზოტის ატომების გახლეჩით. კოსმოგენური ¹⁰Be აკუმულირდება ნიადაგის ზედაპირზე. მისი ნახევარდაშლის პერიოდი ხანგრძლივია (1.36 მილიონი წელი) და დაშლის შემდეგ გადადის ბორ-10-ში.

¹⁰Be-ის წარმოქმნას აქვს ადგილი ბირთვული აფეთქების დროსაც აჩქარებული ნეიტრონებით  ჰაერში არსებული ნახშირბადის დიოქსიდის ¹³C–თან მოქმედებით.

⁷Be-ს და ⁸Be-ს აქვთ ძალიან მოკლე ნახევარდაშლის პერიოდი. ¹³Be–ის ნახევარდაშლის პერიოდია 2.7x10^-21 წმ. ⁶Be –იც ასევე ძალიან მცირე დროით არსებობს - 5.0.10^-27 წმ. ¹¹Be ეგზოტიკური იზოტოპი და ¹⁴Be ცნობილია, როგორც ბირთვული  ჰალოები.

 

ქიმიური თვისებები

ბერილიუმის ელექტრული კონფიგურაციაა [He] 2S². ქიმიურ რეაქციებში იგი ამჟღავნებს +2 დაჟანგულობის ხარისხს. მცირე ატომური რადიუსი უზრუნველოფს Be²⁺ მაღალ პოლარიზებადობას, რაც უზრუნველყოფს მტკიცე კოვალენტურ ბმების წარმოქმნას. ბერილიუმის კოორდინალური რიცხვია -4 (მაგალითად [Be(H₂O)₄]₂ და ტეტრაჰალოიდბერილატი BeX₄^2-). ეს თვისება გამოყენებულია ანალიზურ ტექნოლოგიებში, სადაც EDTA-ს იყენებენ როგროც ლიგანდს, რომელიც უპირატესად წარმოქმნის ტეტრაედრულ კომპლექსს და ამგვარად ააბსორბირებს სხვა კატიონებს, როგორიცაა Al³⁺ , რომელსაც შეუძლია ხსნარში ხელი შეუშალოს Be²⁺ და აცეტილაცეტონს შორის წარმოქმნილი კომპლექსის ექსტრაგირებას. მეტალი ბერილიუმი პერიოდულობის ცხრილში დგას ალუმინის ზემოთ და მოსალოდნელი იყო რომ იგი იქნებოდა მასზე აქტიური მეტალი, თუმცა იგი პასიურია ოქსიდის ფენის გამო და არ ურთიერთქმედებს ჰაერთან ან წყალთან წითლად ვარვარის ტემპერატურის დროსაც კი. თუმცა გამონაკლისის სახით ბერილიუმი აალდება კაშკაშა ალით და წარმოქმნის ბერილიუმის ოქსიდისა და ბერილიუმის ნიტრიდის ნარევს. ბერილიუმი იხსნება HCl და H₂SO₄-ში, მაგრამ არ იხსნება აზოტმჟავაში. ბერილიუმის ოქსიდი თავისი ქცევით მსგავსია ალუმინის ოქსიდის. ბერილიუმი ალუმინის მსგავსად იხსნება თბილ ტუტეშიც და წარმოქმნის ბერილატის ანიონსა (Be(OH)₄^-2 და აირად წყალბადს. მარილის (ბერილიუმის სულფატი და ბერილიუმ ნიტრატი) ხსნარები, არის მჟავა ხასიათის [Be(H₂O)₄]²⁺ იონის ჰიდროლიზის გამო, მაგალითად

[Be(H₂O)₄]²⁺ + H₂O → [Be (H₂O)₃(OH)]⁺ + H₃O⁺

 

ნაერთები

ბერილიუმი მრავალ არამეტალთან წარმოქმნის ბინარულ ნაერთს. მისი ჰიდრიდი  (-BeH₄) ამორფული თეთრი ნივთიერებაა,  რომელსაც სავარაუდოდ აქვს კუთხოვანი ტეტრაედრის ფორმა.

ცნობილია ბერილიუმის ოთხი უწყლო ჰალოიდი. BeF₂-ს აქვს კუთხოვანი ტეტრაედრის ფორმა  BeF₄-ის მსგავსად. BeCl₂ და BeBr₂-ს აქვთ ხაზოვანი სტრუქტურა. ბერილიუმის ოქსიდი BeO არის თეთრი, მაღალლღობადი მყარი ნივთიერება, რომლის თერმული გამტარობა ისევე მაღალია, როგორც ზოგიერთი მეტალისა. BeO ამფოტერულია, ბერილიუმის ჰიდროქსიდი - Be(OH)₂ კარგად იხსნება წყალში და ასევე ამფოტერულია. ბერილიუმის მარილები შეიძლება მიღებულ იქნას Be(OH)₂-ის მჟავებთან ურთიერთქმედებით.

ბერილიუმის ნიტრიდი Be₃N₂ მაღალლღობადი ნაერთია, რომელიც ადვილად ჰიდროლიზდება. ცნობილია ბერილიუმის აზიდი - BeN₆ და ბერილიუმის ფოსფიდი Be₃P₂, რომელსაც Be₃N₂.-ის მსგავსი სტრუქტურა აქვს.

ბერილიუმის ბორიდები მრავლადაა ცნობილი: Be₅B, Be₄B, Be₂B, BeB₂, BeB₆, BeB₁₂.

ბერილიუმის კარბიდი Be₂C ძნელადლღობადი წითელი ნაერთია, რეაგირებს წყალთან და იძლევა მეთანს. ბერილიუმის სილიციდი არ არის იდენტიფიცირებული. ბერილიუმის ფუძე ნიტრატს და ფუძე აცეტატს აქვთ მსგავსი ტეტრაედრული სტრუქტურა, თითქოს ოთხი ბერილიუმის ატომი იყოს კოორდინირებული ცენტრალურ ოქსიდის იონთან.

 

გავრცელება

ბერილიუმი კონცენტრირებულია დედამიწის ზედაპირზე, იგი არსებობს დაახლოებით 100-დან 4000-მდე მინერალში, რომელთაგან ყველაზე მნიშვნელოვანია ბერტრანდიტი [Be₄Si₂O₇(OH)₂], ბერილი (Al₂Be₃Si₆O₁₇), ქრიზობერილი (Al₂BeO₄) და ფენაკიტი (Be₂SiO₄). ბერილის სახესხვაობას წარმოადგენს აქვამარინი, ბიქსბიტი და ემერალდი.

 

წარმოქმნა

როგორც იყო აღნიშნული, ერთ-ერთი ვერსიის თანახმად, ბერილიუმი წარმოიქმნა ვარსკვლავებში. ვარსკვლავშორის აირში და მტვერში არსებული ბერილიუმის გამო არსებობს მოსაზრება, რომ სტაბილური ბერილიუმი წარმოიქმნა მძიმე ელემენტების კოსმოსური სხივებით გახლეჩით.

 

წარმოება

ბერილიუმის ექსტრაქცია მისი ნაერთებიდან ძნელია. ბერილიუმის მისაღებად XIX საუკუნეში გამოიყენებოდა ბერილიუმის ქლორიდისა და ნატრიუმის ფტორიდის ნარევის ნალღობის ელექტროლიზი. მეტალების მაღალი ლღობის ტემპერატურის გამო ეს პროცესი შედარებით უფრო მაღალენერგეტიკული იყო, ვიდრე სხვა ტუტე მეტალთა შესაბამისი პროცესები. მე-20 საუკუნეში ბერილიუმის მიღება წარმეობდა  ბერილიუმის იოდიდის თერმული დაშლით, მაგრამ ეს პროცესიც აღმოჩნდა არაეკონომიური. სუფთა ბერილიუმის მიღება შესაძლებელი გახდა მხოლოდ 1957 წელს. ბერილიუმის ხელსაყრელი ეკონომიური მეთოდით დიდი რაოდენობით მიღებამ საუძველი დაუდო მის გამოყენებას მეტალთა შენადნობების დამზადებას (მაგ. სპილენძისათვის სიმაგრისა და სიმტკიცის გასაზრდელად).

დღეისათვის ბერილიუმი მიიღება ბერილიუმის ფტორიდზე ელექტროლიზური მეთოდით მიღებული სუფთა მაგნიუმის მოქმედებით: 

BeF₂ + Mg → MgF₂ + Be

ბერილიუმის ძირითადი მომქოდებლები არიან აშშ, ჩინეთი და ყაზახეთი. ბერილიუმის მოპოვებასა და წარმოებაში ერთ-ერთი ლიდერია ამერიკული კომპანია Brush Wellman Inc.

1998 წელს ბერილიუმის მსოფლიო წარმოება იყო ~344 ტონა, რომელთაგან 243 ტონა (71%) მოდიოდა აშშ-ზე. 2008 წელს ბერილიუმის მსოფლიო წარმოებამ იკლო ~200 ტონამდე (აქედან 176 ტონა (80%) აშშ).

 

 

გამოყენება

ბერილიუმს აქვს ძალიან დაბალი კუთრი წონა (1.85მ/სმ³) და მაღალი ლღობის ტემპერატურა (1287 °C). მას ასევე ახასიათებს  სტაბილურობა მაღალი ტემპერატურის მიმართ და დაბალი თერმული გაფართოების კოეფიციენტი, რაც მისი აეროზოლებში გამოყენების შესაძლებლობას იძლევა.

სპილენძ– ბერილიუმის შენადნობი, რომელიც 6.3%–მდე ბერილიუმს შეიცავს, გამოირჩევა მექანიკური და ქიმიური მდგრადობით. ბერილიუმ– ბრინჯაოს (სპილენძი და 0.01 – 0.02% Be) ახასიათებს ყველაზე დიდი ელ. გამტარობა სხვა ბრინჯაოებს შორის და იხმარება საჰაერო სადენებისა და რადიომოწყობილობებში.

ბერილიუმი საავიაციო მრეწველობაში გამოიყენება საკისრების, სამაგრისა და თვითმფრინავების პროპელერებისათვის.

ბერილიუმი ამცირებს შენადნობის თერმული გაფართოების კოეფიციენტს. სპილენძის შენადნობს ბერილიუმთან (1.5%) აქვს ყვითელი ფერი, 5% ბერილიუმის შემცველს კი ოქროსფერი ყვითელი. ეს შენადნობები გამოყენებულია დეკორაციულ საქმეში.

ბერილიუმის ოქსიდი იხმარება სახეხი (სალესი) მასალებისა და კბილის ცემენტის დასამზადებლად.

ბერილიუმის სულფატი გამოიყენება მედიცინაში.

 

რადიაციული ფანჯრები

ბერილიუმი სხივებისა და სხვა იონიზირებული რადიაციის მაღალი გამტარობით ხასიათდება. ამიტომ იგი გამოიყენება როგორც ფილტრები და ფანჯრები რადიაციულ ფიზიკაში.

რადიაციულ ფანჯრებში ბერილიუმი გამოიყენება X-სხივების მიღებისათვის. გადამწყვეტი მნიშვნელობა აქვს სუფთა ბერილიუმის შენალღობების გამოყენებას, რათა თავიდან იქნას აცილებული X-სხივებით ასახული გამოსახულების დამახინჯება.

ბერილიუმის თხელი ფირფიტები გამოიყენება რადიაციულ ფანჯრებში.

 

ტექნიკაში გამოყენება

მეტალური ბერილიუმი მყიფე, მსუბუქი და მდგრადი მეტალია მაღალ ტემოერატურაზე. ამიტომ მან გამოყენება ჰპოვა მსუბუქ კომპონენტად თავდაცვაში, საჰაერო ინდუსტრიაში, აგრეთვე კოსმოსურ ხომალდებში და საკომუნიკაციო სატელიტებში. ბერილიუმი აგრეთვე გამოიყენება ბერილიუმ-სპილენძის შენადნობებში 2.5% ბერილიუმის შემცველობით. ამ შენადნობს დიდი გამოყენება აქვს, რადგანაც კარგი ელექტრო და სითბოგამტარია, ახასიათებს სიმაგრე და გამძლეობა მექანიკური ზემოქმედების მიმართ, არამაგნიტურია და აქვს დიდი კოროზიული მედეგობა. მისგან ამზადებენ ელექტროდებს, იარაღს, ასევე გამოიყენება ოპტიკურ სისტემებში.

ცალკე ინტერესს იწვევს ბერილიუმის სარკეები, რომელიც გამოიყენება მეტეოროლოგიურ სატელიტებში. მცირე ზომის ბერილიუმის სარკეები გამოიყენება ოპტიკურ სისტემებში. ბერილიუმისაგან დამზადებული სარკე სიცივის მიმართ გამძლეა, ვიდრე მინის. ამასთანავე იგი ნაკლებად დეფორმირებადია მინასთან შედარებით. ამ მიზეზის გამო ოპტიკური ტელესკოპები დამზადებულია ბერილიუმის ბაზაზე.

 

მაგნიტური გამოყენება

ბერილიუმი არამაგნიტურია, ამის გამო იგი გამოიყენება იარაღის წარმოებაში, რადიოკომუნიკაციებში და მძლავრი რადარების დასამზადებლად. ბერილიუმის ასევე გამოიყენება ზოგიერთი ხელსაწყო-იარაღების დასამზადებლად.

 

გამოყენება ბირთვული ტექნიკაში

ბერილიუმის თხელი თეფშები ან თხელი ფოლგები ზოგჯერ გამოიყენება ბირთვული იარაღის დიზაინისათვის. ბერილიუმის ასეთი ფენა არის პლუტონიუმ-239-ის შიგნით მიმართული აფეთქებისათვის კარგი ბიძგის მიმცემი. ისინი აგრეთვე არიან ელექტრონების კარგი რეფლექტორები და ამჟამად გამოიყენებიან ბერილიუმმოდერნიზებულ რეაქტორებში.

ბერილიუმი ლაბორატორიულ ექსპერიმენტში გამოიყენება როგორც ნეიტრონების წყარო. ამ შემთხვევაში სამიზნე ბერილიუმ-9 იბომბება ენერგიული რადიოიზოტოპის ალფა ნაწილაკით.

ბირთვულ რეაქციებში ბერილიუმის ბირთვი გარდაიქმნება ნახშირბად-12 და გამოიყოფა ერთი თავისუფალი ნეიტრონი.

ბერილიუმი ზოგჯერ აგრეთვე გამოიყენება როგორც ნეიტრონების წყარო ბირთვულ შეიარაიღებაში, რომელშიც ბერილიუმს ურევენ α-ნაწილაკების წყაროს, მაგალითად პოლონიუმ-210-ს, რადიუმ-236-ს, პლუტონიუმ-239 ან ამერიკანუმ-241.

ბერილიუმი ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას ბირთვული საწვავი მადნის შესაფუთად.

ბერილიუმის ფტორიდის ნარევი  ლითიუმის ფტორიდთან (FLiBe) - გამოიყენება ბირთვული რეაქტორების გამაცივებელ აგენტად.

 

აკუსტიკა

ბერილიუმის თვისებები (დაბალი წონა და მაღალი სიმაგრე) აძლევს მას საშუალებას გამოყენებულ იქნას როგორც  საუკეთესო მასალა მაღალი სიხშირის რადიომიმღებებში. ზოგიერთი აუდიო კომპანია იყენებს სუფთა ბერილიუმს ტიტანის ნაცვლად ამ უკანასკნელის სიძვირის გამო.

 

ელექტრობა

ბერილიუმის ოქსიდი გამოიყენება არაერთ ნაკეთობაში, რადგანაც მას ახასიათებს ორი მნიშვნელოვანი თვისება - არის კარგი ელექტრული იზოლატორი და კარგი სითბოგამტარი.

ბერილიუმის ოქსიდი ხშირად გამოიყენება იზოლატორად RF-ის მძლავრ ტრანზისტორებში. ის ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა მასალის თერმული მდგრადობის ასამაღლებლად.

ერთი პერიოდი ბერილიუმის ნაერთები გამოიყენებოდა ფლუორესცენციული ნათების მილაკებში, თუმცა  ამჟამად მათი გამოყენება შეწყვეტილია.

 

ტოქსიკურობა

ბერილიუმის ტოქსიკურობა დამოკიდებულია მოქმედების ხანგრძლივობაზე, მოხმარების სიხშირეზე, ბერილიუმის ნაერთების გვარობაზე და კონტაქტის სახეზე (კანი, ჩასუნთქვა, შინაგანი მიღება). სიმსივნეების კვლევის საერთაშორისო სააგენტოს (IARC) მონაცემების თანახმად ბერილიუმი და მისი მარილები მიეკუთვნება კანცეროგენული ნაერთების პირველ კატეგრიას.

 

 

 

მასალა მომზადებულია www.wikipedia.com -ის მიხედვით

---