Beryllium

Einordnung und zentrale Merkmale

Beryllium (Be) ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 4. Es gehört zur 2. IUPAC-Gruppe, den Erdalkalimetallen, und zur zweiten Periode. Das weiß- bis stahlgraue Leichtmetall ist selten; in der Erdhülle beträgt sein Massenanteil 5,3 ppm (Rang 48). Es ist hart, spröde und besitzt einen höheren Elastizitätsmodul als Stahl. In Verbindungen ist Beryllium meist zweiwertig, also in der Oxidationsstufe +2.

Wegen des kleinen, zweifach positiv geladenen Be²⁺-Ions unterscheidet es sich deutlich von anderen Erdalkalimetallen. Seine Verbindungen ähneln in mehreren Eigenschaften denen des Aluminiums. Beryllium und seine Verbindungen sind außergewöhnlich gesundheitsschädlich; besonders gefährlich ist das Einatmen von Staub, Nebel oder Rauch.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Beryllium ist bei Standardbedingungen fest, kristallisiert gewöhnlich hexagonal-dichtest gepackt und hat eine Dichte von 1,848 g/cm³ bei 20 °C. Es schmilzt bei 1287 °C und siedet bei 2969 °C. Seine spezifische Wärmekapazität beträgt 1,825 kJ/(kg·K), der Elastizitätsmodul 303 GPa. Der niedrige Ausdehnungskoeffizient von etwa 11 · 10⁻⁶ pro K und die geringe Dichte sind für technische Anwendungen wichtig. Beryllium ist diamagnetisch und für Röntgenstrahlung besonders durchlässig, weil seine Wechselwirkung mit dieser Strahlung gering ist.

Bei Raumtemperatur schützt eine passivierende Oxidschicht das Metall in trockener Luft. Beim Erhitzen von Pulver verbrennt es zu Berylliumoxid und Berylliumnitrid. Verdünnte, nichtoxidierende Säuren lösen es unter Bildung von Wasserstoff; auch Laugen greifen es an und bilden Beryllate, beispielsweise: 2 NaOH + Be → Na₂BeO₂ + H₂. Mit Halogenen entstehen beim Erhitzen Halogenide BeX₂.

Berylliumverbindungen mit elektronegativen Partnern besitzen fast immer die Oxidationsstufe +2 und sind wegen der starken Polarisationswirkung von Be²⁺ überwiegend kovalent. Häufig ist die Koordinationszahl vier, meist mit tetraedrischer Anordnung. Beryllium kann aber auch drei-, zwei- oder einfach koordiniert vorkommen.

Vorkommen und Gewinnung

Die wichtigsten berylliumhaltigen Minerale sind Beryll, Be₃Al₂Si₆O₁₈, und Bertrandit, Be₄Si₂O₇(OH)₂. Beryll kommt vor allem in Pegmatiten vor, Bertrandit stammt aus nichtpegmatitischen Quellen. Aquamarin und Smaragd sind Beryll-Varietäten und werden als Schmucksteine genutzt. Die weltweit förderbaren Vorräte wurden auf etwa 80.000 Tonnen geschätzt; bekannte globale Lagerstätten lagen 2022 bei rund 100.000 Tonnen Beryllium, davon 60 % in den USA. Für 2019 und 2020 wird jeweils ein gerundeter weltweiter Abbau von 250 Tonnen genannt.

Bei der Herstellung wird Beryll, der meist auch Aluminium und Eisen enthält, aufgeschlossen und das Beryllium von diesen Begleitstoffen getrennt. Über Berylliumhydroxid entstehen Berylliumfluorid oder wasserfreies Berylliumchlorid. Metallisches Beryllium kann durch Reduktion bei 1300 °C gewonnen werden: BeF₂ + Mg → MgF₂ + Be. Hochreines Metall wird durch Schmelzflusselektrolyse hergestellt, etwa aus Berylliumchlorid mit Lithiumchlorid bei 500 °C. Die Weltjahresproduktion von Berylliummetall betrug 2018 etwa 230 t.

Isotope und Kernreaktionen

Es sind 12 Berylliumisotope von ⁵Be bis ¹⁶Be bekannt. Nur ⁹Be mit fünf Neutronen ist stabil und macht natürliches Beryllium zu 100 % aus. Die langlebigsten radioaktiven Isotope sind das kosmogene ⁷Be mit einer Halbwertszeit von 53,22 Tagen und das ebenfalls kosmogene ¹⁰Be mit 1,51 Millionen Jahren. ⁷Be zerfällt durch Elektroneneinfang zu ⁷Li, ¹⁰Be durch Betazerfall zu ¹⁰B.

¹⁰Be entsteht durch Höhenstrahlung in der Atmosphäre und wird unter anderem zur Datierung der Freilegung von Gestein sowie des Gletscherrückzugs verwendet. Seine Konzentration hängt mit kosmischer Strahlung, Erdmagnetfeld, Sonnenaktivität und Aerosolen zusammen; Einschlüsse in Eisbohrkernen ermöglichen Untersuchungen über viele Jahrtausende. Das extrem kurzlebige ⁸Be mit einer Halbwertszeit von etwa 10⁻¹⁷ Sekunden zerfällt bevorzugt in zwei Alphateilchen und ist für den Drei-Alpha-Prozess bei der Bildung schwererer Elemente in Sternen wichtig.

Alphastrahlung kann aus ⁹Be Neutronen freisetzen: ⁹Be + ⁴α → ¹²C + n. Diese Reaktion trug zur Entdeckung des Neutrons durch James Chadwick bei und wird weiterhin für Neutronenquellen genutzt.

Verwendung und wichtige Legierungen

Mehr als 85 % des weltweit erzeugten Berylliums werden für Legierungen mit weniger als 60 % Beryllium eingesetzt; etwa 10 % dienen Produkten aus reinem Beryllium oder Legierungen mit mehr als 60 % Beryllium. Reines Beryllium wird wegen seines hohen Preises und der Gesundheitsgefahr nur gezielt eingesetzt: als Fenster für Röntgenröhren und Röntgen- oder Gammastrahlungsdetektoren, als Neutronenquelle zusammen mit Alphastrahlern, als Moderator oder Neutronenreflektor sowie in Kernfusionsanlagen. Sein geringes Gewicht und seine geringe Wärmeausdehnung machen es auch für Spiegel von Weltraumteleskopen wie dem James-Webb-Weltraumteleskop geeignet. In Teilchenbeschleunigern dient es für vakuumdichte Röhren in Detektoren.

Beryllium-Aluminium-Legierungen werden für stark beanspruchte, leichte Bauteile in Luft- und Raumfahrt verwendet. Der wichtigste Anwendungsbereich ist Berylliumkupfer (CuBe, CuCoBe): Dafür werden 70 bis 80 % des weltweit hergestellten Berylliums genutzt. Diese Legierungen verbinden Härte, Elastizität, Zug- und Ermüdungsfestigkeit mit Korrosionsbeständigkeit sowie guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit. Typische Anwendungen sind funkenfreie, nichtmagnetische Werkzeuge, Kontakt- und Relaisfedern, Präzisionssockel für ICs, Schweißelektroden, Ventilsitze und Gleitlager. Berylliumoxid ist ein gut wärmeleitender elektrischer Isolator für Hochfrequenz-Leistungstransistoren, Zirkulatoren und Hochlastwiderstände, wird wegen seiner Giftigkeit aber wenn möglich ersetzt.

Nachweis und gesundheitlicher Schutz

Beryllium lässt sich unter anderem atomspektroskopisch mit ICP-AES, ICP-MS oder Atomabsorptionsspektroskopie nachweisen. Nasschemisch kann es als Berylliumhydroxid gefällt werden. Photometrische Nachweise nutzen Komplexe, beispielsweise mit Morin oder Chinalizarin. In alkalischer Lösung bildet Be(II) mit Morin einen fluoreszierenden Farblack; die analoge Aluminiumverbindung fluoresziert unter diesen Bedingungen nicht.

Beryllium und seine Verbindungen können allergische Kontaktekzeme sowie granulomatöse Erkrankungen von Haut und Lunge auslösen. Gelangen Salze oder Partikel in verletzte Haut, können Ulcera oder Nekrosen entstehen. Besonders das Einatmen von Beryllium, Berylliumfluorid oder Berylliumoxid kann akute Entzündungen der Atemwege, Pneumonitis und in schweren Fällen Lungenödeme verursachen. Nach bis zu 5 Jahren, in Einzelfällen bis zu 30 Jahren, kann Berylliose auftreten, eine chronische Lungenerkrankung mit Epitheloidzellgranulomen. Sie kann durch einen Lymphozytentransformationstest nachgewiesen werden. Verschlucktes Beryllium wird überwiegend ausgeschieden und gilt als relativ ungefährlich.

Aktuelle Studien nennen eine überschießende allergische Reaktion als Ursache der Wirkungen; auch die krebserregende Wirkung sei nicht eindeutig nachgewiesen. Zugleich wurde Beryllium nach einer deutschen Neubewertung im REACH-Verfahren aufgrund seiner Einstufung als krebserzeugend Kategorie 1B sowie STOT RE1 und SE3 als Stoff mit sehr hoher Besorgniswürdigkeit bewertet. Feste berylliumhaltige Legierungen in Endprodukten bergen keine besonderen Risiken, doch bei Bearbeitung und Recycling müssen Absaugung und Abkapselung das Einatmen freigesetzter Partikel verhindern.