Beryl (Be) – właściwości, działanie i występowanie berylu

Beryl (Be) to czwarty z kolei pierwiastek w Tablicy Mendelejewa – oznacza to, że posiada cztery protony w jądrze i cztery elektrony wokół niego. Ten pozornie nieskomplikowany atom jest zaskakująco przydatny i niebezpieczny zarazem, przy czym ludzkość zna i stosuje go dopiero od 100 lat. Co warto wiedzieć o zastosowaniach i ryzykach związanych z rosnącym wykorzystaniem berylu na świecie?

1. Historia berylu
2. Właściwości berylu - jakie związki tworzy?
3. Występowanie i wydobycie berylu
4. Zastosowania berylu
5. Wpływ berylu na zdrowie
6. Beryl a ekologia

Większość ludzi nie wie nic o berylu i jego niezwykłych właściwościach. W rzeczywistości jest to jednak metal o 30% lżejszy niż aluminium, a zarazem sześć razy sztywniejszy niż stal. Nie trudno się więc domyślić, dlaczego wielki przemysł zapałał do niego entuzjazmem.

Historia berylu

Pod nazwą berylu rozumie się nie tylko pierwiastek chemiczny, ale także minerał. Ten ostatni wziął swą nazwę od greckiego wyrażenia oznaczającego „morską zieleń” i występuje w przyrodzie pod postacią takich kamienie szlachetnych jak szmaragd czy akwamaryn. Dopiero jednak po wnikliwej analizie tych znanych do stuleci klejnotów naukowcy odkryli, że kryją one w sobie nowy pierwiastek – nazwany berylem właśnie od swego źródła.

Odkrycia dokonał w 1798 r. francuski chemik Nicolas-Louis Vauquelin (będący również odkrywcą chromu), który badał strukturę wspomnianych wyżej kamieni szlachetnych, rozpuszczając je w roztworach zasadowych. Początkowo nazwał on nowy pierwiastek glukinem, ze względu na jego słodki smak – niestety, nie wiedziano bowiem wówczas o jego toksycznych właściwościach. W 1828 r. dwóch chemików, Friedrich Wöhler oraz Antoine Bussy, niezależnie od siebie zdołali wyizolować czysty beryl za pomocą podgrzewanie chlorku berylu z potasem. Efektem reakcji był ciemnoszary osad o metalicznym połysku, który od tej pory zaczęto nazywać berylem.

Niestety, opisany powyżej proces nie dawał surowca, który dało by się wykorzystać i potrzeba było siedmiu dalszych dekad, aby otrzymać czysty beryl – dzieło to powiodło się Paulowi Lebeau w dzięki bezpośredniej elektrolizie fluorku berylu oraz fluorku sodu. Ów odkrycie otworzyło drzwi do przemysłowego pozyskiwania berylu.  

Właściwości berylu - jakie związki tworzy?

W wolnej postaci beryl jest stalowoszarym, twardym metalem, który dość łatwo kruszy się w temperaturze pokojowej. Posiada charakterystyczną heksagonalną strukturę krystaliczną i wyjątkowo wysoką temperaturę topnienia: 1287 stopni C. Pod innymi względami jest za to dość podobny do aluminium i nie mniej atrakcyjny w potencjalnych zastosowaniach.

Zasady i nieutleniające kwasy dość łatwo atakują beryl, ale szybko formuje on na swojej powierzchni tlenek, który chroni go przed dalszą oksydacją. Ponadto pierwiastek ten jest bardzo dobrym przewodnikiem elektryczności i ciepła, posiada doskonałe właściwości mechaniczne w wysokich temperaturach i jest bardzo elastyczny, znacznie bardziej niż stal. Zachowuje przy tym stabilną formą i łatwo daje się polerować na wysoki połysk. Wreszcie, niska waga atomowa sprawia, że beryl bardzo efektywnie transmituje promieniowanie X - nawet 17 razy lepiej niż aluminium.

Jedynym występującym w przyrodzie stabilnym izotopem berylu jest beryl-9. Co ciekawe, beryl też dość łatwo łączy się z węglem tworząc związki organiczne oraz metaloorganiczne.

Występowanie i wydobycie berylu

We wszechświecie berylu jest bardzo niewiele – w porównaniu z krzemem, którego poziom oznacza się na 1 milion, beryl szacowany jest na zaledwie… 20.

W skorupie ziemskiej występuje w dość szerokim zakresie geograficznym, choć jego zawartość w skałach magmowych wynosi zaledwie 0.002%. Najczęściej występuje w glebie, a jego śladowe ilości znajdują się nawet w atmosferze. Beryl jest ponadto składnikiem ponad trzydziestu różnych minerałów, łącznie ze wspomnianymi wyżej kamieniami szlachetnymi. Nie występuje jednak nigdy w czystej postaci!

Z oczywistych względów berylu nie pozyskuje się jednak z kamieni szlachetnych, mimo że jest go to tam procentowo najwięcej. Industrialne rudy są uboższe, ale tańsze i najczęściej pozyskuje się je jako produkt uboczny innej działalności kopalnianej.  W procesie przeróbki minerałów najpierw otrzymuje się tlenek lub wodorotlenek berylu. Obecnie jedynie Stany Zjednoczone, Chiny i Kazachstan produkują beryl na skalę komercyjną, wykorzystując do tego występujące w przyrodzie rudy i otrzymując czysty 99,8% metal. Większe złoża berylu występują również w Brazylii i Mozambiku. Ekstrakcja metalu dla potrzeb przemysłowych jest skomplikowanym procesem obejmującym poddawanie działaniu kwasów, wypiekania ze związkami fluoru oraz ekstrakcję ciecz-ciecz, a następnie transformację w fluorki oraz podgrzewanie w obecności magnezu. Pierwiastek oczyszcza się w końcu topiąc go w warunkach próżniowych.

Zastosowania berylu

Unikalne fizyczne i chemiczne właściwości berylu sprawiają, że jest on wykorzystywany w szerokiej gamie metalowych konstrukcji. Produkuje się z niego m.in. giroskopy, akcelerometry, a także części komputerowe. Znajduje również szerokie zastosowanie w wyrobie pocisków, samolotów oraz pojazdów kosmicznych. W kontekście eksploracji wszechświata jest wręcz nieoceniony stanowiąc część tarcz chroniących astronautów przed ciepłem, zwierciadeł teleskopów umieszczanych na orbicie, a nawet dwóch pojazdów, które obecnie przemierzają powierzchnię Marsa. Inne ciekawe zastosowania to m.in. dyski hamulcowe, ramy do szyb, narzędzia do testowania np. wirusa HIV, telefony komórkowe i urządzenia mobilne, okna w aparatach rentgenowskich, profesjonalnych głośników, itd.

Ponieważ beryl jest w stanie spowolnić szybkie neutrony stosowany jest również do budowy reaktorów atomowych, bomb termonuklearnych, a także źródeł neuronów w sprzęcie laboratoryjnym. Generalnie, jego zastosowanie w technologii nuklearnej jest bardzo szerokie i zdecydowanie przyszłościowe!

Beryl dodawany jest także do stopów metalowych – zwłaszcza miedzi, niklu i żelaza, które potem wykorzystuje się produkcji sprężyn lub narzędzi używanych w warunkach zagrożenia iskrzeniem. Jego warstwa zmniejsza także łatwopalność magnezu czy ciemnienie srebra w kontakcie z tlenem. Tlenek berylu natomiast dzięki swoim właściwościom refrakcyjnym oraz niezwykłej kombinacji wytrzymałości dielektrycznej oraz oporu elektrycznego wykorzystywany jest do wytwarzania ceramiki z przeznaczeniem do bardzo wysokich temperatur.

Radioaktywny izotop berylu (beryl-10) wykorzystywany jest także do oznaczania ram czasowych określonych wydarzeń geologicznych, np. lawin.

Ciekawostka:
Komisja Europejska umieściła beryl na liście 20 najbardziej krytycznych surowców dla Unii Europejskiej!

Wpływ berylu na zdrowie

Zarówno rozdrobniony czysty beryl, jak i jego rozpuszczalne związki oraz opary są toksyczne. W bezpośrednim kontakcie ze skórą powodują podrażnienia, owrzodzenia i stany zapalne, zaś wdychane wywołują immunologiczną reakcję w postaci nadwrażliwości. Wśród pracowników zakładów, gdzie obrabia się beryl, znana jest również choroba zwana beryliozą. Jest ona wynikiem długoterminowej ekspozycji na toksyczny metal i objawia się zmniejszeniem wydolności oddechowej i bliźnieniem tkanki płuc, a stopniowo może prowadzić nawet do konieczności transplantacji lub śmierci. Niestety, nie ma jak dotąd skutecznego lekarstwa na chroniczną chorobę berylową – znamy jedynie leki, które ją nieco spowalniają, ale i one nie są pozbawione skutków ubocznych!

Beryl, jego stopy i sole wymagają więc specjalnej ostrożności w obejściu określonej międzynarodowymi normami bezpieczeństwa. Międzynarodowa Agencja ds. Badań nad Rakiem zaliczyła go wręcz do kategorii kancerogenów, zwłaszcza w kontekście nowotworu płuc. Zagrożenie to nie dotyczy jednak ogółu populacji, ale jedynie osób mających bezpośredni kontakt z produkcją lub obróbką berylu!

Warto zaznaczyć, że sam tlenek berylu stosowany do wyrobu ceramiki doskonale przewodzącej ciepło nie stwarza żadnego zagrożenia dla zdrowia – naczynia mogą być więc wykorzystywane bez obaw, a i praca z nimi wydaje się być bezpieczna.

Beryl a ekologia

Międzynarodowa Agencja Ochrony Środowiska (EPA) zaliczyła beryl i jego związki do związków toksycznych, nakazując monitorowanie jego uwalniania do powietrza, gleby i wód powierzchniowych. A nasza przemysłowa działalność, jak również sam proces spalania węgla prowadzą niestety do ciągłego zwiększania poziomu niebezpiecznego metalu w środowisku naturalnym. Póki co nie wydaje się on co prawda gromadzić w łańcuchu pokarmowym i nie rozpuszcza się w wodach powierzchniowych i głębinowych, ale trudno powiedzieć jaka czeka nas przyszłość w tym kontekście. Jak dotąd, beryl wydaje się być przede wszystkim obusiecznym mieczem – pomagając człowiekowi podbijać kosmos, a jednocześnie go sukcesywnie trując!

Bibliografia

1. Royal Society of Chemistry; “Beryllium”; data dostępu: 2021-06-18
2. Britannica; “Beryllium”; data dostępu: 2021-06-18
3. Agata Blaszczak-Boxe; “Facts About Beryllium”; data dostępu: 2021-06-18
4. Chemicool; “Beryllium Elements Facts”; data dostępu: 2021-05-18
5. Los Alamos National Laboratory; “Beryllium”; data dostępu: 2021-05-18