Beryllium: Het element

Bij gewone temperaturen is beryllium bestand tegen erosie en oxidatie door weer en wind. De mogelijkheid om een kras in glas te maken komt door de vorming van een harde oxide laag. Beryllium is ontdekt door Nicholas Louis Vauquelin in 1797, maar pas in 1957 kwam het als metaal beschikbaar voor de industrie. Het is een metaal dat door uitzonderlijke eigenschappen past in de hightech industrie.

Eigenschappen van het element beryllium

Algemeen

Chemische eigenschappen

Fysische eigenschappen

Voorkomen en winning van beryllium

Bertrandite, beryl, chrysoberyl en Fenakiet zijn de belangrijkste berylliumertsen. Kostbare vormen van beryl zijn de half edelstenen aquamarijn en smaragd. Het mineraal beryl, [Be 3 Al 2 (SiO 3) 6 ] wordt geroosterd met sodiumhexafluorosilicate, Na 2 SiF 6, bij 700 °C tot berylliumfluoride dat in water oplost. Zuivere beryllium kan bijvoorbeeld verkregen worden door reductie van berylliumfluoride BeF2 met magnesium bij 1300 °C.

BeF 2 + Mg → MgF 2 + Be

Kenmerkende eigenschappen van beryllium

• Beryllium is licht, zilver-grijs, relatief zacht metaal dat is sterk maar bros.
• Beryllium heeft verreweg het hoogste smeltpunt (1278°C) van de lichte metalen.
• De oxidelaag oxide BeO beschermt het metaal tegen aantasting door water en lucht tot circa 600°C en is bestand tegen aantasting door geconcentreerd salpeterzuur.
• Beryllium heeft een hoge thermische geleidbaarheid.
• Beryllium en zijn zouten zijn giftig en kankerverwekkend.

Beryllium Oxide, keramisch materiaal (beryllia)

Beryllia, bezit een uniek combinatie van thermische, diëlectrische en mechanische eigenschappen die het zeer geschikt maken voor toepassing in de elektronica. BeO keramiek geleidt warmte beter dan andere metalen, heeft een laag diëlectrisch verlies, een hoge elektrische weerstand en goede sterkte. Het heeft de goede eigenschappen van aluminiumoxide maar een betere warmtegeleiding en een lagere diëlectrische constante. Berylliumoxide is dus een zeer slechte geleider voor elektronen en een zeer goede geleider voor warmte, ideaal voor het isoleren van halfgeleiders. De behuizing is isolerend voor elektrische spanning en de ontwikkelde warmte wordt afgevoerd naar de omgeving. Daarom wordt het materiaal gebruikt voor hoogfrequent halfgeleiders.

Toepassingen van beryllium

• Onderdelen en bedrading van beryllium-metaal en van vonkvrije niet magnetische berylliumkoper worden massaal toegepast in elektrische/elektronische regelapparatuur. Ze moeten na stilstand in een fractie van een seconde in werking kunnen treden. Storingvrije werking, bij wisselende mechanische en thermische belasting, vraagt grote betrouwbaarheid (stabiliteit) en daarom valt de keus op berylliumlegeringen, die de gevraagde eigenschappen bezit.
• Gebruikt als legering met koper (berylliumkoper) om vonkvrije niet magnetische gereedschappen te maken die bijvoorbeeld gebruikt worden in de olie en gas-exploratie wegens het risico van branden en explosies veroorzaakt door vonken van gereedschappen.
• Harde slijtvaste oxidelaag op het oppervlak geeft corrosievastheid zonder schilfering door lage uitzetting coëfficiënt. Goede geleidbaarheid van warmte en elektriciteit voor de efficiëntie en het voorkomen van thermische overbelasting.
• Het zijn de elektrisch/mechanische eenheden in installaties; van alarmsystemen in huizen tot satellieten; van vervoermiddelen tot wapensystemen van marine, land- en luchtmacht en van de wereldwijde communicatienetwerken.
• Beryllium legeringen worden gebruikt in de lucht en ruimtevaart industrie als lichtgewicht materialen voor vliegtuigen, satellieten en ruimtevaartuigen, navigatie-technologie, zoals Global Positioning Systems (GPS).
• Het is het geschikte materiaal om röntgenvensters van te maken, omdat de straling door de lage dichtheid van beryllium niet wordt geabsorbeerd en het metaal sterk genoeg is om de vacuümruimte (Xray tube) af te sluiten.
• Als beryllium wordt bestraald met α-straling, komen er neutronen vrij, het materiaal wordt daarom als neutronenbron toegepast.
• Berylliumoxide(BeO) wordt toegepast wegens zijn goede warmtegeleiding, sterkte, hardheid en hoge smeltpunt. Het is in tegenstelling tot beryllium-metaal een isolator.
• Op de oceaanbodem vormt berylliumkoper mede de behuizingen van de elektronica van de glasvezelkabels. Ze weerstaan corrosief zeewater en extreme druk en zijn na decennia functioneren nog niet aan vervanging toe.
• Contacten, batterijen, elektronische connectoren in mobiele telefoons en draagbare elektronica bevatten met berylliumkoper en beryllium-oxides.
• Toepassing in de hitteschilden van ruimtevaartuigen.
• De volgende generatie telescopen, zijn afhankelijk van een beryllium spiegel met ruim 6 meter diameter om objecten 200 keer zwakker dan nu mogelijk is, zichtbaar te maken. De spiegels combineren hoge stijfheid en lichtgewicht met een foutloze oppervlak en moeten hun kwaliteit in de ruimte decennia lang behouden.
• Gebruik van beryllium componenten in de nieuwe grote deeltjesversnellers, in de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek's (CERN), omgeven beryllium pijpen de botsing regio's van de atomaire deeltjes.
• Door de thermische eigenschappen van beryllia (BeO;keramisch) kunnen de Concentrator Photo Voltaïsche (CPV) zonnecellen werken met hoge zonne-concentraties - honderden malen de intensiteit van de zon, de elektronica blijft door toepassing van beryllia voldoende koel en constant om storingsloos te functioneren.

Beryllium versus milieu en gezondheid

Beryllium komt in lucht, water en bodem voor o.a. door verwering van gesteenten. De mens voegt beryllium toe door de verbranding van fossiele brandstoffen. Het komt in de lucht voor als stofdeeltjes. Het lost niet op in het grondwater. Beryllium kan allergische reacties veroorzaken bij de mens, de z.g.n. Chronic Beryllium Disease (CBD), gekenmerkt door vermoeidheid en moeilijke ademhaling, het vergroot de kans op kanker en DNA beschadiging. Beryllium is zeer giftig, bij blootstelling aan de opgeloste vorm of fijn verdeeld stof beschadigt het de longen. Het inademen veroorzaakt berylliosis, een longziekte waaraan 20% van de patiënten sterft. Bij contact met berylliumoxide kan de dodelijke longziekte berylliose ontstaan. Alleen door deskundigen en adequate veiligheidsmaatregelen, kan beryllium toegepast worden.