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ベリリウムは化学元素であり、記号 はBe、原子番号は4です。鋼灰色で、硬く、強く、軽量で、脆いアルカリ土類金属です。二価元素であり、他の元素と結合して鉱物を形成する場合にのみ自然界に存在します。ベリリウムを多く含む宝石には、ベリル（アクアマリン、エメラルド、レッドベリル）やクリソベリルなどがあります。宇宙では比較的まれな元素であり、通常は宇宙線と衝突したより大きな原子核の核破砕の産物として存在します。恒星の中心部では、ベリリウムはより重い元素に融合するため、枯渇しています。ベリリウムは、地球の地殻の質量の約0.0004パーセントを占めています。世界の年間ベリリウム生産量は220トンで、通常は鉱物ベリルからの抽出によって製造されますが、ベリリウムは酸素と強く結合するため、このプロセスは困難です。
構造用途では、ベリリウムは高い曲げ剛性、熱安定性、熱伝導率、低密度（水の1.85倍）の組み合わせにより、航空機部品、ミサイル、宇宙船、衛星に望ましい航空宇宙材料となっています。[ 13 ]ベリリウムは密度と原子量が低いため、 X線やその他の電離放射線に対して比較的透明です。そのため、X線装置や粒子検出器の部品の最も一般的な窓材となっています。[ 13 ]アルミニウム、銅（特にベリリウム銅合金）、鉄、ニッケルに合金元素として添加すると、ベリリウムは多くの物理的特性を向上させます。[ 13 ]例えば、ベリリウム銅合金で作られた工具や部品は丈夫で硬く、鋼の表面に当たっても火花が発生しません。空気中では、ベリリウムの表面は室温で容易に酸化され、1～10 nm の厚さの不動態層を形成し、それ以上の酸化や腐食から保護します。 [ 14 ]金属は500 °C (932 °F)以上に加熱されると、バルク (不動態層を超えて)が酸化され、[ 15 ]約2,500 °C (4,530 °F)まで加熱されると、明るく燃えます。[ 16 ]
ベリリウムの商業利用には、常に適切な粉塵制御装置と産業用制御の使用が求められます。なぜなら、吸入されたベリリウム含有粉塵は有毒であり、一部の人に慢性的な生命を脅かすアレルギー疾患であるベリリウム症を引き起こす可能性があるからです。 [ 17 ]ベリリウム症は、典型的には慢性肺線維症として現れ、重症の場合は右心不全や死に至ることもあります。[ 18 ]
ベリリウムは鋼灰色で硬い金属で、室温では脆く、六方最密充填結晶構造を持つ。[ 13 ]非常に高い剛性（ヤング率287 GPa）と1287 ℃の融点を持つ。ベリリウムの弾性率は鋼の弾性率より約35%高い。この弾性率と比較的低い密度の組み合わせにより、ベリリウムでは異常に高い音速（常温で約12.9 km/s）が得られる。すべての金属の中で、ベリリウムは単位重量あたり最も多くの熱を放散し、高い比熱（ 1925 J·kg −1 ·K −1 ) および熱伝導率 (216 W·m −1 ·K −1 )。ベリリウムの導電率と比較的低い線膨張係数（11.4 × 10 −6 K −1 ) は、極端な温度差下でも他に類を見ない安定性をもたらします。[ 19 ] : 11.1
宇宙線によって生成される放射性同位体によるわずかな汚染を除けば、天然に存在するベリリウムは同位体的に純粋なベリリウム-9であり、[1] 核スピンは 3/2 − である。[ 12 ]ベリリウムの非弾性散乱断面積は中性子エネルギーに比例して増加するため、[ 20 ]高エネルギー中性子を大幅に減速させることができる。[ 21 ]したがって、中性子反射材および中性子減速材として機能する。中性子減速の正確な強さは、材料中の結晶粒の純度とサイズに依存する。[ 22 ]
同位体9Beは高速中性子と(n, 2n)中性子反応を起こし、8Beを生成する。8Beはほぼ瞬時に2つのアルファ粒子に分裂する。したがって、高エネルギー中性子に対して、ベリリウムは中性子増倍体であり、吸収する中性子よりも多くの中性子を放出する。この核反応は次の通りである。[ 23 ]
同位体はアルファ粒子が衝突すると中性子を放出する。[ 19 ]核反応
非常に発熱反応であり、高速中性子を放出する。[ 23 ]
同位体は、十分なエネルギーのガンマ線を吸収すると（光崩壊）[ 24 ]、有用な断面積で中性子を放出することもある。
したがって、適切な放射性同位体からのアルファ線またはガンマ線を照射された天然ベリリウムは、実験室での使用において最も一般的な放射性同位体駆動中性子源である。[ 25 ] [ 26 ]
最後に、 3段階の核反応において、高エネルギー中性子によって少量のトリチウムも放出される。
6 2トリチウムの半減期はわずか 0.8 秒で、β−は電子であり、 6 3 Li は中性子吸収断面積が大きい。これは、出力中性子 3 個がトリトンに置き換えられ、ベータ崩壊によってその変換が可能になる中性子増倍反応に相当する。トリチウムは、原子炉廃棄物ストリームで懸念される放射性同位体である。 [ 27 ]
金属であるベリリウムは、ほとんどの波長のX線やガンマ線に対して透明または半透明であるため、 X線管などの装置の出力窓として有用である。 [ 28 ]
天然ベリリウムは、安定同位体であるベリリウム9のみで構成されています。ベリリウムは、偶数の原子番号を持つ唯一の単一同位体元素です。 [ 1 ]
ベリリウム7とベリリウム8は恒星核合成の重要な中間体ですが、長くは存在しません。宇宙のベリリウムは、宇宙線が星間ガスや塵に含まれるより重い元素の核分裂を誘発した際に、星間物質中で生成されたと考えられています。このプロセスは宇宙線破砕と呼ばれます。[ 29 ] [ 30 ]
約10億分の1（ビッグバン核合成で生成された原始原子の10 −9 ) は7Beであった。これは、宇宙の温度が十分に低下して小さな原子核が安定できるようになったときの物質の密度が低いことの結果である。このような原子核を生成するには、低密度ではまれな核衝突が必要である。[ 31 ] : 297 7Beは不安定で、標準条件下で半減期 53.22 日で電子捕獲により7Liに崩壊するが、初期宇宙では原子は完全にイオン化されており、電子捕獲は重要ではなかった。7Beから Li への変換は、再結合の時期近くになって初めて完了した。[ 32 ]
同位体7Beも宇宙線生成核種であり、大気中の存在量は太陽活動に反比例する。[ 33 ] 7Be は電子捕獲によってのみ崩壊し、ベリリウムの 2s 電子は化学結合に関与する価電子である。したがって、7Beが L-電子捕獲によって崩壊する場合、結合に関与している可能性のある原子軌道から電子を奪うことで崩壊する。これにより、崩壊速度は測定可能な程度に化学的環境に依存することになる 。これは核崩壊ではまれな現象である。[ 34 ]
7Beは高エネルギー加速器の冷却水でも生成され、水から高純度で抽出して科学実験用に販売することができる。[ 35 ]
同位体10 Be も同様に宇宙線起源であり、窒素と酸素の宇宙線核破砕によって同じ方法で生成されます。 [ 36 ]その挙動が異なるのは、半減期が 138万7000 年と非常に長いためです。土壌表面に完全に蓄積し、ホウ素-10に崩壊するまでに長い滞留時間があります。そのため、 10 Be とその娘核種は、自然の土壌侵食、土壌形成、ラテライト土壌の発達を調べるために、また太陽活動の変動や氷床コアの年代を測定するための指標として使用されます。[ 37 ] 7 Beと同様に、10 Be の生成は太陽活動と反比例します。太陽活動が活発な時期に太陽風が増加すると、地球に到達する銀河宇宙線のフラックスが減少するためです。[ 38 ]核爆発でも、空気中の二酸化炭素中の13 Cと高速中性子の反応によって10 Be が生成されます。これは核兵器実験場での過去の活動を示す指標の一つである。[ 39 ]
8Beは不安定ですが、恒星のヘリウム燃焼におけるトリプルアルファ過程において重要な役割を果たす基底状態共鳴を持っています。イギリスの天文学者フレッド・ホイル卿が天体物理学的分析のみに基づいて最初に提唱したように、 8Beと12Cのエネルギー準位は、炭素生成過程における3つのアルファ粒子間の有効断面積を増加させることで炭素核合成を可能にします。宇宙における主な炭素生成反応は ここで、4 He はアルファ粒子である。[ 40 ]
11Beと14Beのエキゾチック同位体は核ハローを示すことが知られています。つまり、これらの原子核はそれぞれ、予想される核半径のかなり外側を周回する1個と4個の中性子を持ち[ 41 ]、いずれの場合も中性子が浮遊する中心核は10Beの1つです。
ベリリウムは100種類以上の鉱物に含まれていますが、[ 42 ]そのほとんどは珍しいか希少です。より一般的なベリリウム含有鉱物には、ベルトランダイト( Be 4 Si 2 O 7 (OH) 2 )、ベリル( Al 2 Be 3 Si 6 O 18 )、クリソベリル( Al 2 BeO 4 )、フェナカイト( Be 2 SiO 4 ) などがあります。ベリルの貴重な形態には、アクアマリン、レッドベリル、エメラルドがあります。[ 19 ] [ 43 ] [ 44 ]宝石質のベリルの緑色は、さまざまな量のクロム (エメラルドの場合は約2%) に由来します。[ 45 ]
ベリリウムの主要鉱石であるベリルとベルトランダイトは、アルゼンチン、ブラジル、インド、マダガスカル、ロシア、米国で産出される。[ 45 ]ベリリウム鉱石の世界総埋蔵量は40万トン以上である。[ 45 ]
太陽には、0.1 ppb ( 10 億分の0.1 ) のベリリウムが含まれています。[ 46 ]ベリリウムは地殻に 2 ～ 6 ppm (百万分の2 ～ 6) 含まれており、47 番目に豊富な元素です。 [ 47 ] [ 48 ]土壌に最も多く含まれており (6 ppm)、地球の大気には微量の9Beが含まれています。 [ 48 ]海水中のベリリウム濃度は 0.2 ～ 0.6 ppt (1兆分の0.2 ～ 0.6 )です。[ 48 ] [ 49 ]しかし、河川水にはベリリウムがより多く含まれており、濃度は 0.1 ppb です。[ 50 ]
ベリリウムを化合物から抽出することは、高温での酸素に対する高い親和性と、酸化膜を除去すると水を還元する能力のため、困難なプロセスです。現在、工業規模でベリリウムを抽出しているのは、米国、中国、カザフスタンの3か国のみです。[ 51 ]カザフスタンは、1991年頃のソビエト連邦崩壊前に備蓄された濃縮物からベリリウムを生産しています。この資源は、2010年代半ばまでにほぼ枯渇しました。[ 52 ]
ロシアでのベリリウム生産は1997年に停止され、2020年代に再開される予定である。[ 53 ] [ 54 ]
ベリリウムは、抽出剤を使用して焼結するか、溶解して可溶性混合物にするかのいずれかの方法で、鉱物ベリルから最も一般的に抽出されます。焼結プロセスでは、ベリルをフッ化ケイ酸ナトリウムとソーダと770 ℃（1,420 °F）で混合して、フッ化ベリル酸ナトリウム、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素を生成します。[ 13 ]水酸化ベリリウムは、フッ化ベリル酸ナトリウムと水酸化ナトリウムの水溶液から沈殿します。溶融法によるベリリウムの抽出では、ベリルを粉末に粉砕し、1,650 ℃（3,000 °F）に加熱します。溶融物は水で急速に冷却され、その後濃硫酸中で250～300 ℃（482～572 °F）に再加熱され、主に硫酸ベリリウムと硫酸アルミニウムが生成されます。次に、水酸化アンモニウム水溶液を用いてアルミニウムと硫黄を除去し、水酸化ベリリウムを残す。[ 13 ]
焼結法または溶融法のいずれかを使用して製造された水酸化ベリリウムは、その後、フッ化ベリリウムまたは塩化ベリリウムに変換されます。フッ化物を生成するには、水酸化ベリリウムにフッ化水素アンモニウム水溶液を加えてテトラフルオロベリリウムアンモニウムの沈殿物を生成し、これを1,000 °C (1,830 °F)に加熱してフッ化ベリリウムを生成します。[ 13 ]フッ化物をマグネシウムとともに900 °C (1,650 °F)に加熱すると、微細なベリリウムが生成され、さらに1,300 °C (2,370 °F)に加熱すると、緻密な金属が生成されます。[ 13 ]水酸化ベリリウムを加熱すると、酸化ベリリウムが生成され、これが炭素と塩素と結合すると塩化ベリリウムになります。溶融塩化ベリリウムの電気分解を使用して金属を取得します。[ 13 ]
ベリリウム原子の電子配置は [He] 2s 2です。ベリリウムの主な酸化状態は +2 であり、ベリリウム原子は両方の価電子を失います。ベリリウムの化学的挙動は、主にその小さな原子半径とイオン半径の結果です。そのため、イオン化ポテンシャルが非常に高く、二価の陽イオンを形成しません。代わりに、固体BeCl 2のように、重合する傾向のある 2 つの共有結合を形成します。[ 13 ] : 37その化学的性質は、対角関係の例であるアルミニウムのそれと類似しています。[ 55 ] : 107反対方向には、ベリリウムは電子密度に引き付けられ、水素結合 に似た分子間力を生成します。[ 56 ]
室温では、ベリリウムの表面には1～10 nmの厚さの酸化物不動態層が形成され、酸化物が徐々に厚くなり約25 nmに達する以外は、空気とのそれ以上の反応を防ぎます 。約500 °C以上に加熱すると 、金属内部への酸化は粒界に沿って進行します。[ 15 ]酸化物の融点である約2500 °C以上に加熱して空気中で金属が着火すると、ベリリウムは明るく燃焼し、[ 16 ]酸化ベリリウムと窒化ベリリウムの混合物を形成します。ベリリウムは、HClや希硫酸などの非酸化性酸には容易に溶解しますが、硝酸や水には溶解しません。これは、硝酸や水では酸化物が形成されるためです。この挙動はアルミニウムと同様です。ベリリウムはアルカリ溶液にも溶解し、反応します。[ 13 ] [ 55 ] : 112
ベリリウム(II)の二元化合物は固体状態ではポリマー状である。BeF 2 は、頂点を共有するBeF 4四面体を持つシリカのような構造を持つ。BeCl 2とBeBr 2は、辺を共有する四面体を持つ鎖状構造を持つ。酸化ベリリウム、BeO は、ウルツ鉱型結晶構造を持ち、一部の金属と同じくらい高い熱伝導率を持つ白色の耐火固体である。BeO は両性である。硫化ベリリウム、セレン化ベリリウム、テルル化ベリリウムが知られており、すべて閃亜鉛鉱型構造を持つ。[ 57 ]窒化ベリリウム、Be 3 N 2は、容易に加水分解される高融点化合物である。アジ化ベリリウム、BeN 6が知られており、リン化ベリリウム、Be 3 P 2はBe 3 N 2と同様の構造を持つ。Be 5 B、Be 4 B、Be 2 B、BeB 2、BeB 6、BeB 12など、多くのベリリウムホウ化物が知られています。ベリリウム炭化物Be 2 Cは、水と反応してメタンを生成する耐火性のレンガ色の化合物です。[ 57 ]ベリリウムケイ化物は、純粋なベリリウムとシリコンの自発的な反応によって形成される、さまざまなサイズのナノクラスターの形で確認されています。 [ 58 ] [ 59 ]ハロゲン化物BeX 2 (X = F、Cl、Br、および I) は、気相で直線状の単量体分子構造を持っています。[ 55 ] : 117
ベリリウムの低酸化状態錯体は極めてまれである。例えば、形式的には+1の酸化状態のベリリウムを含むBe-Be結合を持つ安定な錯体が報告されている。[ 8 ]また、Mg-Be結合を持つ錯体では、0の酸化状態のベリリウムも知られている。[ 6 ]
硫酸ベリリウムや硝酸ベリリウムなどのベリリウム塩溶液は、 [ Be(H₂O ) ₄ ] ²⁺イオンの加水分解により酸性になります。最初の加水分解生成物である[ Be(H₂O ) ₃ ( OH)] ⁺の濃度は、ベリリウム濃度の1%未満です。最も安定な加水分解生成物は三量体イオン[ Be₃ (OH) ₃ (H₂O ) ₆ ] ³⁺です。水酸化ベリリウム、Be(OH) ₂は、pH 5以上の水には溶けません。したがって、ベリリウム化合物は一般的に生物学的pHでは溶けません。このため、ベリリウム金属粉塵の吸入は、致命的なベリリウム症の発症につながります。Be(OH)₂は強アルカリ溶液に溶解します。[ 60 ]
ベリリウム(II)は、水和イオン[ Be(H2O ) 4 ] 2+中の水分子がベリリウムイオンに非常に強く結合しているため、単座配位子との錯体はほとんど形成しません。注目すべき例外は、フッ化物イオンとの一連の水溶性錯体です。 [ 61 ]
ベリリウム(II)は、酸素供与原子を含む二座配位子と多くの錯体を形成する。[ 60 ]種[ Be3O (H2PO4 ) 6 ] 2−は、中心に3配位の酸化物イオンを持つことで注目に値する。塩基性酢酸ベリリウム、Be4O (OAc) 6は、ベリリウム原子の四面体に囲まれた酸化物イオンを持つ。[ 62 ]
マロン酸イオンなどの有機配位子の場合、錯体形成時に酸が脱プロトン化する。供与原子は2つの酸素原子である。
錯体の形成は金属イオン加水分解反応と競合し、陰イオンと水酸化物イオンの両方を含む混合錯体も形成される。例えば、二座配位子が1つ以上の水分子ペアを置換した環状三量体の誘導体が知られている。[ 63 ]
グリコール酸などの脂肪族ヒドロキシカルボン酸は、溶液中では比較的弱い単座配位子錯体を形成し、その中でヒドロキシル基はそのまま残ります。固体状態では、ヒドロキシル基は脱プロトン化する可能性があります。六量体Na 4 [ Be 6 (OCH 2 (O)O) 6 ]は、ずっと以前に単離されています。[ 63 ] [ 64 ]芳香族ヒドロキシ配位子（すなわちフェノール）は、比較的強い錯体を形成します。例えば、チロンとの錯体では、log K 1および log K 2の値がそれぞれ 12.2 および 9.3 であることが報告されています。[ 63 ] [ 65 ]
ベリリウムは一般的にアミン配位子に対する親和性がかなり低い。[ 63 ] [ 66 ]アミノ酸との錯体に関する初期の報告は多数あるが、発表当時は同時進行する加水分解反応が理解されていなかったため、残念ながら信頼性に欠ける。log β の値は 6 ～ 7 程度と報告されている。加水分解反応との競合のため、生成度は小さい。[ 63 ] [ 66 ]
有機金属ベリリウム化合物は高い反応性を持つことが知られています。[ 67 ]既知の有機ベリリウム化合物の例としては、ジネオペンチルベリリウム、[ 68 ]ベリロセン( Cp 2 Be )、[ 69 ] [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]ジアリルベリリウム (ジエチルベリリウムとトリアリルボロンの交換反応による)、[ 73 ]ビス(1,3-トリメチルシリルアリル)ベリリウム、[ 74 ] Be( mes ) 2、[ 67 ]および (ベリリウム(I) 錯体) ジベリロセン[ 8 ]があります。配位子はアリール[ 75 ]やアルキニル[ 76 ]であることもあります。
ベリリウムを含む鉱物ベリルは、少なくともエジプトのプトレマイオス朝時代から使用されてきた。[ 77 ]西暦3世紀または4世紀に書かれたパピルス・グラエクス・ホルミエンシスには、人工エメラルドとベリルの作り方に関する記述がある。[ 78 ]
マルティン・ハインリヒ・クラプロート、トルベルン・オロフ・ベルクマン、フランツ・カール・アシャール、ヨハン・ヤコブ・ビントハイムによるエメラルドとベリルの初期分析では、常に類似した元素が示され、両方の物質がケイ酸アルミニウムであるという誤った結論につながった。[ 79 ]鉱物学者のルネ・ジュスト・アユイは、両方の結晶が幾何学的に同一であることを発見し、化学者のルイ＝ニコラ・ヴォークランに化学分析を依頼した。[ 77 ]
1798年にフランス学士院で発表された論文で、ヴォークランはエメラルドとベリルの水酸化アルミニウムを別のアルカリに溶解することで新しい「土」を発見したと報告した。[ 80 ]雑誌『Annales de chimie et de physique 』の編集者は、その化合物の一部が甘い味がすることから、この新しい土を「グルシン」と名付けた。[ 81 ] [ 82 ]ベリリウムという名称は、 1828年にフリードリヒ・ヴェーラーによって初めて使用された。[ 83 ] [ 84 ]ベリリウムとグルシンは、1949年にIUPACがベリリウムを元素の標準名として採用するまで、同時に使用されていた。 [ 85 ] [ 86 ]
フリードリヒ・ヴェーラー[ 84 ]とアントワーヌ・ビュッシー[ 87 ]は、1828年に金属カリウムと塩化ベリリウムの化学反応によってベリリウムを独立に単離した。その反応式は以下の通りである。
ヴェーラーはアルコールランプを用いて、白金るつぼに塩化ベリリウムとカリウムを交互に重ねて加熱した。上記の反応はすぐに起こり、るつぼは白熱した。冷まして得られた灰黒色の粉末を洗浄すると、それは暗い金属光沢を持つ微粒子でできていることがわかった。[ 88 ]反応性の高いカリウムは、その化合物の電気分解によって生成された。 [ 89 ]彼はベリリウム粒子を溶かすことには成功しなかった。[ 88 ]
20世紀初頭、ベリリウムの生産プロセスは非常に高価だった。しかし、ベリル鉱石からベリリウムを抽出する費用対効果の高いプロセスが開発されると状況は一変した。1920年にはベリリウム1ポンドの生産コストは5,000ドルだったが、1931年には50ドルになった。[ 90 ]
1898年にポール・ルボーが溶融したフッ化ベリリウムとフッ化ナトリウムの混合物を直接電気分解した結果、初めて純度99.5～99.8%のベリリウムが得られた。 [ 88 ]しかし、工業生産が始まったのは第一次世界大戦後である。当初の工業的関与には、オハイオ州クリーブランドのユニオン・カーバイド・アンド・カーボン社とベルリンのシーメンス・アンド・ハルスケAGに関連する子会社や科学者が含まれていた。米国では、ケメット研究所の所長ヒュー・S・クーパーがこのプロセスを統括していた。ドイツでは、1921年にアルフレッド・ストックとハンス・ゴールドシュミットがベリリウムを生産する最初の商業的に成功したプロセスを開発しました。[ 91 ]
1932年にジェームズ・チャドウィックが行った実験では、ベリリウムのサンプルにラジウムの崩壊によるアルファ線を照射し、中性子の存在を発見した。[ 45 ]この同じ方法は、100万個のアルファ粒子につき30個の中性子を生成する放射性同位体ベースの実験室用中性子源の一種で使用されている。[ 47 ]
第二次世界大戦中、硬質ベリリウム銅合金や蛍光灯用蛍光体の需要が高まったため、ベリリウムの生産量は急速に増加した。初期の蛍光灯のほとんどは、ベリリウム含有量の異なるオルトケイ酸亜鉛を使用して緑色の光を発していた。少量のタングステン酸マグネシウムを添加することでスペクトルの青色部分が改善され、許容できる白色光が得られた。ベリリウムに毒性があることが判明した後、ベリリウム系蛍光体はハロリン酸塩系蛍光体に置き換えられた。[ 92 ]
19世紀には、フッ化ベリリウムとフッ化ナトリウムの混合物の電気分解によってベリリウムが単離された。この金属の融点が高いため、このプロセスはアルカリ金属に使用される同様のプロセスよりもエネルギーを多く消費する。20世紀初頭には、ジルコニウムの製造における同様のプロセスの成功を受けて、ヨウ化ベリリウムの熱分解によるベリリウムの製造が研究されたが、このプロセスは大量生産には非経済的であることが判明した。[ 93 ]
純粋なベリリウム金属は、銅を硬化・強化するための合金金属としてずっと以前から使用されていたにもかかわらず、1957年まで容易に入手できませんでした。[ 45 ]ベリリウムは、塩化ベリリウムなどのベリリウム化合物を金属カリウムまたはナトリウムで還元することによって製造できます。現在、ほとんどのベリリウムは、フッ化ベリリウムをマグネシウムで還元することによって製造されています。[ 94 ]真空鋳造ベリリウムインゴットの米国市場での価格は、2001年には1ポンドあたり約338ドル（1キログラムあたり745ドル）でした。[ 95 ]
1998年から2008年の間に、世界のベリリウム生産量は343トンから約200トンに減少した。その後、2018年までに230トンに増加し、そのうち170トンは米国からの生産であった。[ 96 ] [ 97 ]
ベリリウムは、最初に単離された半貴石ベリルにちなんで名付けられました。 [ 98 ] [ 99 ] [ 100 ]マーティン・クラプロートは、ベリルとエメラルドが同じ元素を共有していることを独自に突き止め、イットリアも甘塩を形成するという事実から「ベリリナ」という名前を好みました。 [ 101 ] [ 83 ]
ハンフリー・デービーはそれを単離することに失敗したが、発見された土壌の名前であるグルシナに由来して、この新しい金属にグルシウムという名前を提案した。この名前の変形であるグルシニウムまたはグルシナム（記号Gl）は20世紀まで使用され続けた。[ 102 ]
原子番号が小さく、X 線に対する吸収率が非常に低いため、ベリリウムの最も古く、現在でも最も重要な用途の 1 つは、X 線管の放射線窓です。[ 45 ] X 線画像にアーティファクトが生じないように、ベリリウムの純度と清浄度には極めて高い要求が課せられます。ベリリウムは X 線に対して透明であるため、より鮮明で効率的な画像化が可能になり、X 線窓に使用されます。[ 104 ]薄いベリリウム箔は X 線検出器の放射線窓として使用され、その極めて低い吸収率により、シンクロトロン放射に典型的な高強度、低エネルギーの X 線によって引き起こされる加熱効果を最小限に抑えます。シンクロトロンでの放射線実験用の真空密閉窓とビーム管は、ベリリウムのみで製造されています。さまざまな X 線放出研究 (例えば、エネルギー分散型 X 線分光法) のための科学的な装置では、試料ホルダーは通常ベリリウムで作られています。これは、ベリリウムから放出される X 線が、研究対象となるほとんどの材料からの X 線よりもはるかに低いエネルギー (約 100 eV) を持っているためです。[ 19 ]
原子番号が小さいため、ベリリウムは高エネルギー粒子に対して比較的透明です。そのため、大型ハドロン衝突型加速器（ALICE、ATLAS、CMS、LHCb）の4つの主要検出器実験[ 105 ] 、テバトロン、SLACなどの粒子物理学実験装置における衝突領域の周囲にビームパイプを構築するために使用されています。ベリリウムの密度が低いため、衝突生成物は大きな相互作用なしに周囲の検出器に到達でき、その剛性によりパイプ内に強力な真空を作り出してガスとの相互作用を最小限に抑えることができ、その熱安定性により絶対零度よりわずか数度高い温度で正しく機能し、その反磁性により粒子ビームの方向制御と集束に使用される複雑な多極磁石システムとの干渉を防ぎます。[ 106 ]
ベリリウム金属は、その剛性、軽量性、広い温度範囲での寸法安定性から、防衛および航空宇宙産業の軽量構造部品として、高速航空機、誘導ミサイル、宇宙船、衛星（ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を含む）に使用されています。いくつかの液体燃料ロケットでは、純粋なベリリウム製のロケットノズルが使用されています。 [ 107 ] [ 108 ]ベリリウムの高い弾性剛性により、慣性誘導システムや光学システムの支持機構など、精密計測機器に広く使用されています。 [ 19 ]ベリリウム粉末自体がロケット燃料として研究されましたが、この用途は実現しませんでした。[ 45 ]ごく少数の超高級自転車フレームがベリリウムで製造されています。[ 109 ] 1998年から2000年にかけて、マクラーレンF1チームは、ベリリウムアルミニウム合金ピストンを備えたメルセデス・ベンツエンジンを使用しました。[ 110 ]スクーデリア・フェラーリの抗議を受けて、ベリリウム製エンジン部品の使用は禁止された。[ 111 ]ベリリウムの以前の主な用途は、その硬度、高い融点、および優れた放熱能力のため、軍用機のブレーキであった。環境への配慮から、他の材料による代替が行われている。[ 19 ]
銅に約 2.0% のベリリウムを混ぜると、銅単体よりも 6 倍強いベリリウム銅と呼ばれる合金が形成されます。 [ 112 ]ベリリウム合金は、弾性、高い電気伝導率と熱伝導率、高い強度と硬度、非磁性特性、優れた耐食性と耐疲労性を兼ね備えているため、多くの用途で使用されています。[ 45 ] [ 13 ]これらの用途には、可燃性ガスの近くで使用される非発火性工具 (ベリリウムニッケル)、スプリング、外科用器具に使用される膜 (ベリリウムニッケルとベリリウム鉄)、および高温デバイスが含まれます。[ 45 ] [ 13 ]液体マグネシウムに 50 ppm 程度のベリリウムを合金化すると、耐酸化性が大幅に向上し、可燃性が低下します。[ 13 ]
ベリリウム銅合金は、船体の塗料を剥がすために使用された「ジェイソンピストル」の硬化剤としても使用されました。 [ 113 ]
ベリリウム銅合金は、現代の航空宇宙および防衛用途、特に導電性、耐食性、疲労強度のバランスが求められる高性能電気コネクタ、バッテリー安全ヒューズ、マイクロスイッチにも広く使用されています。[ 114 ]
高性能航空宇宙産業向けにAlBeMetという商標名で開発された、ベリリウムとアルミニウムを組み合わせた金属マトリックス複合材料は、軽量でありながらアルミニウム単体の4倍の剛性を持つ。 [ 115 ]
大型のベリリウムミラーは、ハニカム支持構造を持つことが多く、例えば、軽量性と長期的な寸法安定性が重要な気象衛星などに使用されています。小型のベリリウムミラーは、光学誘導システムや射撃管制システム、例えばドイツ製のレオパルト1およびレオパルト2主力戦車などに使用されています。これらのシステムでは、ミラーの非常に高速な動きが求められるため、やはり低質量と高剛性が要求されます。通常、ベリリウムミラーには、ベリリウムよりも容易に精密な光学仕上げに研磨できる硬質の無電解ニッケルめっきが施されています。用途によっては、ベリリウムブランクをコーティングなしで研磨することもあります。これは、熱膨張の不一致によってコーティングが座屈する可能性がある極低温動作に特に適しています。 [ 19 ]
ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の鏡は、それぞれ薄い金の層でメッキされた18個の六角形のベリリウム製セクションで構成されています。[ 116 ] JWSTは33 Kの温度にさらされるため、鏡はガラスよりも極低温に耐えられる金メッキベリリウムで作られています。ベリリウムはガラスよりも収縮や変形が少なく、そのような温度でもより均一な状態を保ちます。[ 117 ]同じ理由で、スピッツァー宇宙望遠鏡の光学系はすべてベリリウム金属で作られています。[ 118 ]
ベリリウムは非磁性です。そのため、ベリリウムをベースとした材料で作られた工具は、海軍や軍の爆発物処理班が機雷上またはその近辺での作業に使用します。これらの機雷には磁気信管が一般的に使用されているためです。[ 120 ]また、発生する磁場が強いため、磁気共鳴画像診断装置（MRI）の近くのメンテナンスや建設資材にも使用されています。 [ 121 ]
高純度ベリリウムは、原子炉において減速材[ 122 ]、反射材、または燃料要素の被覆材として使用できます。 [ 123 ] [ 124 ] 薄いベリリウム板または箔は、核兵器設計において、熱核爆弾の一次段階におけるプルトニウムピットの最外層として、核分裂性物質を囲むように配置されることがあります。これらのベリリウム層は、プルトニウム239の爆縮を促進する優れた「推進材」であり、ベリリウム減速原子炉と同様に、優れた中性子反射材でもあります。[ 125 ]
ベリリウムは、比較的少数のニュートロンしか必要としない実験装置（原子炉や粒子加速器駆動のニュートロン発生器を使用する必要がない）のニュートロン源によく使用されます。この目的のために、ベリリウム-9は、ポロニウム-210、ラジウム-226、プルトニウム-238、またはアメリシウム-241などのアルファ粒子源と混合されます。[ 25 ]発生する核反応では、ベリリウム原子核が炭素-12に変換され、1つの自由ニュートロンが放出され、アルファ粒子が向かっていたのとほぼ同じ方向に進みました。このようなアルファ崩壊駆動のベリリウムニュートロン源は、「ウニ」ニュートロンイニシエーターと呼ばれ、初期の原子爆弾の一部で使用されました。[ 125 ]ガンマ崩壊放射性同位体からのガンマ線をベリリウムに照射する中性子源も、実験室用中性子を生成するために使用されている。[ 24 ]
CANDU炉の燃料製造にはベリリウムが使用されています。燃料要素には、Beをろう材として用いた誘導ろう付けプロセスで燃料被覆管に抵抗ろう付けされる小さな付属物があります。ベアリングパッドは、燃料集合体とそれを含む圧力管との接触を防ぐために所定の位置にろう付けされ、要素間スペーサーパッドは、要素同士の接触を防ぐためにろう付けされます。[ 126 ]
ベリリウムは、欧州共同トーラス核融合研究施設で使用されており、より高度なITERではプラズマに面するコンポーネントの調整に使用される予定です。[ 127 ]ベリリウムは、機械的、化学的、および核特性の優れた組み合わせのため、核燃料棒の被覆材として提案されています。[ 19 ]フッ化ベリリウムは、共晶塩混合物FLiBeの構成塩の1つであり、液体フッ化物トリウム原子炉（LFTR）を含む多くの仮想溶融塩原子炉設計で溶媒、減速材、および冷却材として使用されています。[ 128 ]
ベリリウムは軽量で剛性が高いため、高周波スピーカーのドライバーの材料として有用です。ベリリウムは高価（チタンの何倍もの価格）で、脆いため成形が難しく、取り扱いを誤ると有毒であるため、ベリリウムツイーターはハイエンドのホームオーディオ[ 129 ] [ 130 ] [ 131 ] 、プロオーディオ、および公共放送用途に限られています。[ 132 ] [ 133 ]一部の高忠実度製品は、この材料で作られていると偽って主張されています。[ 134 ]
ベリリウムは高性能蓄音機カートリッジのスタイラスのカンチレバーに使用され、その極めて高い剛性と低密度により、高周波部分を最小限の歪みで追跡しながら、トラッキングウェイトを1グラムまで減らすことができました。[ 135 ]
音響増幅システムでは、音の伝搬速度が増幅器の共振周波数に直接影響し、それによって可聴高周波音の範囲に影響します。ベリリウムは、他の金属と比較して音の伝搬速度が非常に速いため際立っています。[ 136 ]この独自の特性により、ベリリウムはより高い共振周波数を実現できるため、高品質スピーカーの振動板として理想的な材料となっています。 [ 137 ]
ベリリウムは、III-V族化合物半導体のp型ドーパントです。分子線エピタキシー（MBE）で成長させたGaAs、AlGaAs、InGaAs、InAlAsなどの材料に広く使用されています。 [ 138 ]クロスロールベリリウムシートは、表面実装技術におけるプリント回路基板の優れた構造支持体です。重要な電子機器用途では、ベリリウムは構造支持体とヒートシンクの両方の役割を果たします。また、この用途では、アルミナやポリイミドガラス基板によく適合する熱膨張係数も必要です。ベリリウム-酸化ベリリウム複合材料「E-Materials」は、これらの電子機器用途向けに特別に設計されており、熱膨張係数をさまざまな基板材料に合わせて調整できるという利点もあります。[ 19 ]
酸化ベリリウムは、電気絶縁体と優れた熱伝導体という特性を兼ね備え、高強度、高硬度、非常に高い融点を持つ多くの用途に有用です。酸化ベリリウムは、電気通信用無線周波数送信機の高出力トランジスタの絶縁体ベースプレートとして頻繁に使用されています。酸化ベリリウムは、二酸化ウラン核燃料ペレットの熱伝導率を高める用途で研究されています。[ 139 ]ベリリウム化合物は蛍光灯に使用されていましたが、蛍光灯製造作業員にベリリウム症が発生したため、この使用は中止されました。 [ 140 ]
ベリリウムは、いくつかの歯科用合金の成分です。[ 141 ] [ 142 ]ベリリウム§ 放射線窓で述べた標準的なX線装置に加えて、CTスキャナーやマンモグラフィー装置などの医療画像装置では、ベリリウムの強度と軽量性が耐久性と性能を向上させます。[ 143 ]ベリリウムは、血液、HIV、その他の疾患の分析装置に使用されます。[ 144 ]ベリリウム合金は、医療処置用の外科器具、光学ミラー、レーザーシステムに使用されます。[ 145 ] [ 146 ]
平均的な人間の体内には約35 マイクログラムのベリリウムが存在し、これは有害とは考えられていない量である。[ 148 ]ベリリウムは化学的にマグネシウムに似ているため、酵素からマグネシウムを置換し、酵素の機能不全を引き起こす可能性がある。[ 148 ] Be 2+は電荷が高く小さいイオンであるため、多くの組織や細胞に容易に入り込み、特に細胞核を標的として、DNA合成に使用されるものを含む多くの酵素を阻害する。ベリリウムの毒性は、体内にベリリウムのレベルを制御する手段がなく、一度体内に入るとベリリウムを除去できないという事実によって悪化する。[ 149 ]
慢性ベリリウム病（CBD）、またはベリリウム症は、ベリリウムで汚染された粉塵や煙を吸入することによって引き起こされる肺および全身の肉芽腫性疾患です。短期間に大量のベリリウムを吸入した場合も、長期間に少量のベリリウムを吸入した場合も、この疾患を引き起こす可能性があります。この疾患の症状が現れるまでには最大5年かかる場合があり、患者の約3分の1が死亡し、生存者は障害を抱えることになります。[ 148 ]国際がん研究機関（IARC）は、ベリリウムおよびベリリウム化合物をカテゴリー1の発がん性物質としてリストしています。[ 150 ]
米国では、労働安全衛生局（OSHA）が、ベリリウムおよびベリリウム化合物の許容曝露限界（PEL）を、8時間時間加重平均（TWA）で0.2 μg/m 3、15分間のサンプリング期間における短期曝露限界 で2.0 μg/m 3と定めている。国立労働安全衛生研究所（NIOSH）は、推奨曝露限界（REL）の上限値を0.5 μg/m 3と定めている。IDLH （生命および健康に即時危険）値は4 mg/m 3である。[ 151 ]ベリリウムの毒性は、ヒ素や水銀などの他の有毒なメタロイド/金属と同程度である。[ 152 ] [ 153 ]
職場でのベリリウムへの曝露は、免疫反応の過敏化を引き起こし、時間の経過とともにベリリウム症の発症につながる可能性があります。[ 154 ]米国のNIOSHは、ベリリウム製品の大手メーカーと協力してこれらの影響を研究しています。NIOSHはまた、この協力とは別に、過敏化とCBDに関する遺伝子研究も行っています。[ 154 ]
化学性肺炎の形での急性ベリリウム病は、1933年にヨーロッパで、1943年に米国で初めて報告された。1949年の調査では、米国の蛍光灯製造工場の労働者の約5%がベリリウム関連の肺疾患を患っていたことが判明した。 [ 155 ]慢性ベリリウム症は多くの点でサルコイドーシスに似ており、鑑別診断はしばしば困難である。ハーバート・L・アンダーソンなど、初期の核兵器設計に携わった労働者の中には、この病気で亡くなった者もいる。[ 156 ]
ベリリウムは石炭スラグ中に含まれていることがある。スラグが硬い表面から塗料や錆をブラストするための研磨剤として配合されると、ベリリウムが空気中に飛散し、曝露源となる可能性がある。[ 157 ]
蛍光灯におけるベリリウム化合物の使用は1949年に中止されましたが、原子力産業や航空宇宙産業、ベリリウム金属の精製やベリリウム含有合金の溶解、電子機器の製造、その他のベリリウム含有物質の取り扱いにおいて、ベリリウムへの曝露の可能性が存在します。[ 158 ]
初期の研究者たちは、ベリリウムとその様々な化合物をその甘味から識別するという非常に危険な方法に取り組んでいました。空気中および表面上のベリリウムの現代的な試験法が開発され、国際的な自主的合意規格であるASTM D7202として公表されています。この手順では、希釈した二フッ化アンモニウムを用いて溶解し、スルホン化ヒドロキシベンゾキノリンに結合したベリリウムの蛍光を検出します。これにより、職場におけるベリリウム濃度の推奨限度よりも最大100倍高い感度で検出できます。蛍光はベリリウム濃度の上昇とともに増加します。この新しい手順は様々な表面で試験され、微量濃度の難溶性酸化ベリリウムおよびケイ酸ベリリウムの溶解と検出に有効です（ASTM D7458）。[ 159 ] [ 160 ] NIOSH分析法マニュアルには、ベリリウムへの職業曝露を測定する方法が記載されています。[ 161 ]
