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| 外見 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 灰白色 |
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| 一般特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 名称, 記号, 番号 | ベリリウム, Be, 4 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 分類 | 卑金属 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 族, 周期, ブロック | 2, 2, s | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 原子量 | 9.012182(3) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電子配置 | [He] 2s2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電子殻 | 2, 2（画像） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 物理特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 色 | 銀白色 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 相 | 固体 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 密度（室温付近） | 1.85 g/cm3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融点での液体密度 | 1.690 g/cm3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融点 | 1560 K, 1287 °C, 2349 °F | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 沸点 | 2742 K, 2469 °C, 4476 °F | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | 7.895 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 蒸発熱 | 297 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱容量 | (25 °C) 16.443 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 蒸気圧 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 原子特性 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 酸化数 | 3, 2, 1 (両性酸化物) |
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| 電気陰性度 | 1.57（ポーリングの値） | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| イオン化エネルギー | 1st: 899.5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 原子半径 | 112 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 共有結合半径 | 96 ± 3 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ファンデルワールス半径 | 153 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| その他 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | 六方晶系 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 磁性 | 反磁性 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱伝導率 | (300 K) 200 W/(m·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱膨張率 | (25 °C) 11.3 µm/(m·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 音の伝わる速さ （微細ロッド） |
(r.t.) 12870 m/s | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ヤング率 | 287 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 剛性率 | 132 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 体積弾性率 | 130 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ポアソン比 | 0.032 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モース硬度 | 6.5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ビッカース硬度 | 1670 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ブリネル硬度 | 600 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CAS登録番号 | 7440-41-7 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 主な同位体 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 詳細はベリリウムの同位体を参照 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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ベリリウム（新ラテン語: beryllium[1], 英: beryllium [bəˈrɪliəm]）は原子番号 4 の元素である。元素記号は Be。第2族元素に属し、原子量は 9.01218。ベリリウムは緑柱石などの鉱物から産出される。緑柱石は不純物に由来する色の違いによってアクアマリンやエメラルドなどと呼ばれ、宝石としても用いられる。常温常圧で安定した結晶構造は六方最密充填構造(HCP)である。単体は銀白色の金属で、空気中では表面に酸化被膜が生成され安定に存在できる。モース硬度は6から7を示し、硬く、常温では脆いが、高温になると展延性が増す。酸にもアルカリにも溶解する。ベリリウムの安定同位体は恒星の元素合成においては生成されず、宇宙線による核破砕によって炭素や窒素などのより重い元素から生成される。
ベリリウムは主に合金の硬化剤として利用され、その代表的なものにベリリウム銅合金がある。また、非常に強い曲げ強さ、熱的安定性および熱伝導率の高さ、金属としては比較的低い密度などの物理的性質を利用して、高速航空機やミサイル、宇宙船、通信衛星などの軍事産業や航空宇宙産業において構造部材として用いられる。ベリリウムは低密度かつ原子量が小さいためX線やその他電離放射線に対して透過性を示し、その特性を利用してX線装置や粒子物理学の試験におけるX線透過窓として用いられる。
ベリリウムを含有する塵は人体へと吸入されることによって毒性を示すため、その商業利用には技術的な難点がある。ベリリウムは細胞組織に対して腐食性であり、慢性ベリリウム症と呼ばれる致死性の慢性疾患を引き起こす。
ベリリウムは周期表の上では第2族元素に属しているが、その性質は同じ族の元素であるカルシウムやストロンチウムよりもむしろ第13族元素であるアルミニウムに類似している[2]。たとえば、カルシウムやストロンチウムは炎色反応によって発色するが、ベリリウムは無色である[3]。そのため、ベリリウムは第2族元素ではあるが、アルカリ土類金属には含めないこともある[4]。また、ベリリウムの二元化合物の構造は亜鉛とも類似している[5]。
ベリリウムの常温、常圧（標準状態）における安定した結晶構造は六方最密充填構造(HCP)であり、その格子定数は a = 2.268 Å、b = 3.594 Å である[6]。モース硬度6から7[7]と第2族元素の中で最も硬いが、粉砕によって粉末にできるほど脆い[8]。しかしながら、高温になると展延性が増すため[9]、核融合炉のような高温条件で利用する用途において高い機械的性質を発揮することができる[10]。この用途では、400 ℃を下回る温度になると使用上問題となるレベルにまで展延性が低下してしまう[10]。比重は 1.816、融点は 1284 ℃、沸点は 2767 ℃である[8]。
ベリリウムのヤング率は287 GPa と鉄のヤング率より50 %も高く[11]、非常に強い曲げ強さを有している。このような高いヤング率の高さに由来してベリリウムの剛性は非常に優れており、後述の熱負荷の大きい環境における安定性も相まって宇宙船や航空機などの構造部材に利用されている。また、このヤング率の大きさと、ベリリウムが比較的低密度であるという物性が組み合わさることにより、周囲の状況に応じて変化するものの、およそ 12.9 km/s という著しく高い音の伝導性を示す。この性質を利用して音響材料におけるスピーカーの振動板などに用いられている。ベリリウムの他の重要な特性としては、1925 J・kg−1・K−1 という高い比熱および、216 W・m−1・K−1 という高い熱伝導率が挙げられ、これらの物性によってベリリウムは単位重量当たりの放熱物性に最も優れた金属である。この放熱物性を利用した用途としてヒートシンク材料が挙げられ、電子材料などにおいて活用されている。またこれらの物性は、11.4×10−6 K−1 という比較的低い線形熱膨張率や1284 ℃という高い融点も相まって、熱負荷の大きな状況下における非常に高い安定性をもたらしている[12]。
ベリリウムの単体は還元性が非常に強く、その標準酸化還元電位 E0 は −1.85 V である[13]。この標準電位の値はイオン化傾向においてアルミニウムの上に位置しているため大きな化学活性が期待されるが、実際には表面が酸化物の膜（酸化被膜）に覆われて不動態化するため高温に熱した状態でさえも空気や水と反応しない。しかしながら、一旦点火すれば輝きながら燃焼して酸化ベリリウムと窒化ベリリウムの混合物が形成される[14]。
ベリリウムは通常、表面に酸化被膜を形成しているため酸に対しての強い耐性を示すが、酸化被膜を取り除いた純粋なベリリウムでは塩酸や希硫酸のような酸化力を持たない酸に対しては容易に溶解する。硝酸のような酸化力を有する酸に対してはゆっくりとしか溶解しない。また、強アルカリに対してはオキソ酸イオンであるベリリウム酸イオン (Be(OH)42−) を形成して水素ガスを発生させながら溶解する。このような酸やアルカリに対する性質はアルミニウムと類似している[15]。ベリリウムは水とも水素を発生させながら反応するが、水との反応によって生じる水酸化ベリリウムは水に対する溶解度が低く金属表面に被膜を形成するため、金属表面のベリリウムが反応しきればそれ以上反応は進行しない[16]。
ベリリウム原子の電子配置は [He] 2s2 である。ベリリウムはその原子半径の小ささに対してイオン化エネルギーが大きいため電荷を完全に分離することは難しく、そのためベリリウムの化合物は共有結合性を有している[17]。第2周期元素は原子量が大きくなるにしたがってイオン化エネルギーも増大する法則が見られるがベリリウムはその法則から外れており、より原子量の大きなホウ素よりもイオン化エネルギーが大きい。これは、ベリリウムの最外殻電子が2s軌道上にあり、ホウ素の最外殻電子は2p軌道上にあることに起因している。2p軌道の電子は内殻に存在するs軌道の電子によって遮蔽効果（有効核電荷も参照）を受けるため、2p軌道に存在する最外殻電子のイオン化エネルギーが低下する。一方で2s軌道の電子は遮蔽効果を受けないため、相対的に2p軌道の電子よりもイオン化エネルギーが大きくなり、これによってベリリウムとホウ素の間でイオン化エネルギーの大きさの逆転が生じる[18]。
ベリリウムの錯体もしくは錯イオンは、たとえばテトラアクアベリリウム(II)イオン (Be[(H2O)4]2+) やテトラハロベリリウム酸イオン (BeX42−) のように、多くの場合4配位を取る[17]。EDTA は他の配位子よりも優先してベリリウムに配位して八面体形の錯体を形成するため、分析技術にこの性質が利用される。たとえば、ベリリウムのアセチルアセトナト錯体に EDTA を加えると、EDTA がアセチルアセトンよりも優先してベリリウムとの間で錯体を形成してアセチルアセトンが分離するため、ベリリウムを溶媒抽出することができる。このような EDTA を用いた錯体形成においては Al3+ のような他の陽イオンによって悪影響を受けることがある[19]。
硫酸ベリリウムや硝酸ベリリウムのようなベリリウム塩の溶液は イオンの加水分解によって酸性を示す。
加水分解による他の生成物には、3量体イオン が含まれる。
ベリリウムは多くの非金属原子と二元化合物を形成する。無水ハロゲン化物としては、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素との化合物が知られており、固体状態においては橋掛け結合によって重合している[17]。フッ化ベリリウム (BeF2) は、二酸化ケイ素のような角を共有した BeF4 の四面体構造を取り、ガラス状においては無秩序な直鎖構造を取る[20]。塩化ベリリウムおよび臭化ベリリウムは両端を共有した直鎖状の構造を取る。全てのハロゲン化ベリリウムは、気体の状態においては線形のモノマー分子構造を取る[17][14]。塩化ベリリウムは金属ベリリウムを塩素と直接反応させることによって得られ、これは塩化アルミニウムと同様の製法である[21]。
酸化ベリリウムはウルツ鉱型構造を取る耐火性の白色結晶であり、金属と同じぐらい高い熱伝導率を有する。酸化ベリリウムは2種類の多形が存在し、低温型の酸化ベリリウムは熱したアルカリ溶液などに溶解するが、高温では相転移してより安定な構造となり濃硫酸に硫酸アンモニウムを加えた熱シロップのみにしか溶解しなくなる[15]。他のベリリウムと第16族元素との化合物は硫化ベリリウムや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、それらは全て閃亜鉛鉱型構造を取る[22]。水酸化ベリリウムは両性を示し[15]、その酸性水溶液が他のベリリウム塩を合成する出発原料とされる[14]。
窒化ベリリウム (Be3N2) は非常に加水分解をしやすい、高融点な化合物である。アジ化ベリリウム (BeN6) およびリン化ベリリウム (Be3P2) は窒化ベリリウムと類似した構造を有していることが知られている。塩基性硝酸ベリリウムおよび塩基性酢酸ベリリウムは4つのベリリウム原子が中心の酸素イオンに配位した四面体構造を取る[22]。Be5B、Be4B、Be2B、BeB2、BeB6、BeB12 のようないくつかのホウ素化ベリリウムも知られている。炭化ベリリウム (Be2C) は耐火性のレンガ色をした化合物であり、水と反応してメタンを発生させる[22]。ケイ素化ベリリウムは同定されていない[14]。
ベリリウムは、高エネルギーな中性子線に対して広い散乱断面積を有しており、その散乱断面積は0.01 eV を上回るものに対しておよそ6 バーンである。散乱断面積の正確な値はベリリウムの結晶サイズや純度に強く依存するため実際の散乱断面積は1桁ほど低くなり、ベリリウムが効果的に減速させることのできる中性子線のエネルギー範囲は0.03 eV 以上のものに限られる。このため、ベリリウムは高エネルギーな熱中性子は効果的に減速させることができるものの、エネルギーの低い冷中性子は減速させることができずに透過してしまう。この性質を利用して様々なエネルギーを持つ中性子の中から冷中性子のみを取り出すためのフィルターとして利用される[23]。
ベリリウムの主な同位体である 9Be は (n, 2n) 中性子反応によって1つの中性子を消費して2つの中性子を放出し、2つのアルファ粒子に分裂する。したがって、ベリリウムの中性子反応は消費する中性子よりも多くの中性子を放出して系内の中性子を増加させる。
金属としてのベリリウムは大部分のX線およびガンマ線を透過するため、X線管などのX線装置におけるX線の出力窓として有用である。ベリリウムはまた、ベリリウムの原子核と高速のアルファ粒子との衝突によって中性子線を放出するため、実験における比較的少数の中性子線を得るための良好な中性子線源である[12]。
ベリリウムの安定同位体は 9Be のみであり、したがってベリリウムはモノアイソトピック元素である。9Be は恒星において宇宙線の陽子が炭素などのベリリウムよりも重い元素を崩壊させることによって生成され、超新星爆発によって宇宙中に分散する。このようにして宇宙中にチリやガスとして分散した 9Be は、分子雲を形成する原子の1つてして星形成に寄与し、新しくできた星の構成元素として取り込まれる[25]。
10Beは、地球の大気に含まれる酸素および窒素が宇宙線による核破砕を受けることで生成される。宇宙線による核破砕によって生成したベリリウム同位体の大気中の滞在時間は成層圏で1年程度、対流圏で1か月程度とされており、その後は地表面に蓄積する。10Be はベータ崩壊によって 10B になるものの、その136万年という比較的長い半減期のために 10Be として地表面に長期間滞留し続ける。そのため、10Be およびその娘核種は、自然界における土壌の侵食や形成、ラテライトの発達などを調査するのに利用される[26]。また、太陽の磁気的活動が活発化すると太陽風が増大し、その期間は太陽風の影響によって地球に到達する銀河宇宙線が減少するため、銀河宇宙線によって生成される 10Be の生成量は太陽活動の活発さに反比例して減少する。したがって 10Be は、同様に宇宙線によって生成される 14C（炭素14）とともに太陽活動の変動を記録しているため、極地方のアイスコア中に残された 10 Be および 14C の解析することで、過去の太陽活動の変遷を間接的に知ることができる[27]。
核爆発もまた 10Be の生成源であり、核爆発によって発生した高速中性子が大気中の二酸化炭素に含まれる13C と反応することによって生成される。これは、核実験試験場の過去の活動を示す指標の一つである[28]。
半減期53日の同位体 7Be もまた宇宙線によって生成され、その大気中の存在量は 10Be と同様に太陽活動と関係している。8Be の半減期はおよそ 7 × 10−17 秒と非常に短く、この半減期の短さはベリリウムよりも重い元素がビッグバン原子核合成によっては生成されなかった原因ともなっている[29]。すなわち、8Be の半減期が非常に短いためにビッグバン原子核合成段階の宇宙において核融合反応に利用できる 8Be の濃度が非常に低く、そのような低濃度な 8Be が 4He と核融合して炭素を合成するにはビッグバン原子核合成段階の時間が不十分であったことに起因する。イギリスの天文学者であるフレッド・ホイルは、8Be および 12C のエネルギー準位から、より多くの時間を元素合成に利用することが可能なヘリウムを燃料とする恒星内であれば、いわゆるトリプルアルファ反応と呼ばれる反応によって炭素の生成が可能であることを示し、それによって超新星によって放出されるチリとガスから炭素を基礎とした生命の創生が可能となることを明らかにした[30]。
ベリリウムの最も内側の電子は化学結合に関与することができるため、7Be の電子捕獲による崩壊は、化学結合に関与することのできる原子軌道から電子を奪うことによって起こる。その崩壊確率はベリリウムの電子構成に大部分を依存しており、核崩壊において希なケースである[31]。
既知のベリリウム同位体のうち最も半減期が短いものは中性子放出によって崩壊する13Be であり、その半減期は2.7 × 10−21 秒である。6Be もまた非常に半減期が短く、5.0 × 10−21 秒である[32]。エキゾチック原子核である 11Be および 14Be は、中性子が原子核の周りを周回する中性子ハローを示すことが知られている[33]。この現象は、液滴模型において、古典的なトーマス・フェルミ理論による表面対称エネルギーの影響によって、中性子の分布が陽子分布よりも外部に大きく広がっていると理解することができる[34]。
ベリリウムの不安定な同位体元素は恒星内元素合成においても生成されるが、これらは生成後すぐに崩壊する[35]。
なお、原子番号が偶数で、安定同位体が1つしかない元素はベリリウムだけである[36]。通常、原子番号が20以下の元素においては、ベーテ・ヴァイツゼッカーの質量公式のペアリング項に現われるように、陽子と中性子が偶数であるものは奇数のものと比較して結合エネルギーが大きく安定であるのに加え、対称性項に現われるように陽子数と中性子数が同数のものほどのため安定となるが、陽子数および中性子数が共に4である 8Be は例外的に不安定である[37]。これは、8Be の崩壊生成物である 4He が魔法数を取っているため非常に安定であることによる。
ベリリウムの性質はアルカリ土類金属よりもアルミニウムなどと類似しているため、ベリリウムの分析方法はアルミニウムや鉄、クロム、希土類元素などと同一のグループとして扱わる。このようなグループはアンモニアによるアルカリ性の条件において水酸化物の沈殿を生じることからアンモニア属と呼ばれる[38]。
ベリリウムはアルカリ性の状態で3, 5, 7, 2', 4'-ペンタヒドロキシフラボン（モリン）と反応させることで黄色の蛍光を観察することができるため、この反応を利用して定性分析を行うことができる。この蛍光は日光ではあまり発色しないため、発色を観察するためには紫外線の照射を行う。このベリリウムとモリンとの反応を阻害するようなイオンが共存していなければ、1 ppmの濃度でも十分に強い発色を観察することができるほどに分析感度が高く、この方法での検出限界は0.02 ng (10−9 g) である[39][40]。モリンはリチウムやスカンジウム、大量のカルシウムや亜鉛などとも反応して蛍光を発するため、これらのイオンが共存しているとベリリウムの検出を阻害するが、その発光強度は弱いため通常は問題とならない。また、カルシウムはピロリン酸、亜鉛はシアン化物を加えることによってそれらの元素とモリンとの反応を抑制することができる[39]。
ベリリウムはアンモニアによって水酸化物の沈殿を生じるため、これを利用して重量分析を行うことができる[41]。この水酸化物の沈殿は pH 6.5 から 10 までの範囲で生じ、アンモニア添加量が過剰になり pH が高くなりすぎると水酸化物の沈殿が再溶解してしまう[42]。得られた水酸化物を濾過、洗浄した後、強熱することで水酸化ベリリウムを酸化ベリリウムとし、その重量を計量することでベリリウム濃度が分析される。この方法を用いる場合、分析試料の溶液中に炭酸塩もしくは炭酸ガスが含まれると、水酸化ベリリウムとして沈殿せずに炭酸ベリリウムとして溶液中に残ってしまうため分析結果に誤差が生る原因となる。また、沈殿の洗浄が不十分で塩化物が残留していると、強熱時に水酸化ベリリウムと反応して塩化ベリリウムとなって揮発してしまうため、こちらも誤差の原因になる[41]。鉱石中のベリリウムの分析などの多成分中のベリリウムを分析する際には、アルミニウムや鉄などの成分がベリリウムと同様の条件で水酸化物の沈殿を生成するため、前処理を行いこれらの元素を分離する必要がある[43]。通常用いられる方法としては、一旦不純物を含んだ水酸化物の沈殿を生成させ、その水酸化物を炭酸水素ナトリウムで処理してベリリウムを水溶性の炭酸塩として水に溶解させることで鉄やアルミニウムから分離する方法が用いられる[44]。また、ケイ素を多く含む場合は炭酸ナトリウムを用いたアルカリ溶融法が用いられる[45]。このような古典的手法のほか、イオン交換膜法や水銀電極を用いた電気分解などの方法も利用される[40]。
溶液中の微量のベリリウムの分析には電気炉加熱原子吸光光度法 (AAS) もしくは誘導結合プラズマ発光分析法 (ICP-AES)、誘導結合プラズマ質量分析法 (ICP-MS) が用いられる。AAS の吸収波長は234.9 nm であり、ICP-AES の発光波長は313.042 nm が用いられる。AAS では試料溶液は塩酸もしくは硝酸で酸性に調整し、ICP-AES および ICP-MS では硝酸で酸性に調整して分析を行う。海水のような他の塩類を多く含む試料を測定する場合には、EDTA およびアセチルアセトンを用いて溶媒抽出法によりベリリウムを分離する[46]。最も感度の高いベリリウムの分析手法としては、トリフルオロアセチルアセトンを用いて揮発性のベリリウム錯体としてガスクロマトグラフィーを用いて分析する方法が挙げられ、検出限界0.08 pg (10−12 g) という分析精度が1971年に報告されている[47]。
ベリリウムという名前は緑柱石（beryl, ギリシア語で beryllos）に由来している。ベリリウム塩類が甘みを持つことから、かつてはグルシニウム（glucinium, ギリシア語で甘さを意味する glykys から）と呼ばれた[48]。
初期の分析において緑柱石とエメラルドは常に類似した成分が検出されており、この物質はケイ酸アルミニウムであると誤って結論付けられていた。鉱物学者であったルネ＝ジュスト・アユイはこの二つの結晶が著しい類似点を示すことを発見し、彼はこれを化学的に分析するために化学者であるルイ＝ニコラ・ヴォークランに尋ねた。1797年、ヴォークランは緑柱石をアルカリで処理することによって水酸化アルミニウムを溶解させ、アルミニウムからベリリウム酸化物を分離させることに成功した[49]。ヴォークランはベリリウム化合物が甘みを持つことから、この新しい元素をグルシニウムと命名した[50]。1828年にフリードリヒ・ヴェーラー[51]とアントワーヌ・ビュシー[52]がそれぞれ独立に、金属カリウムと塩化ベリリウムを反応させることによるベリリウムの単離に成功した。
カリウムは、当時新しく発見された方法である電気分解によってカリウム化合物より生産されていた。この化学的手法によって得られるベリリウムは小さな粒状であり、金属ベリリウムのインゴットを鋳造もしくは鍛造することは出来なかった。同年、ドイツの化学者マルティン・ハインリヒ・クラプロートがこの元素を緑柱石にちなんでベリリウムを命名した[53]。1898年、ポール・ルボー（英語版）はフッ化ベリリウムとフッ化ナトリウムの混合融液を直接電気分解することによって、初めて純粋なベリリウムの試料を得た[50]。
第一次世界大戦以前にも有意な量のベリリウムが生産されていたが、大規模生産が始まったのは1930年代初期からである。ベリリウムの生産量は、硬いベリリウム銅合金および蛍光灯の蛍光体用途の需要の伸びによって、第二次世界大戦中に急速に増加した。初期の蛍光灯にはベリリウムを含有したオルトケイ酸亜鉛が使用されていたが、後にベリリウムの有毒性が発見されたためハロリン酸系蛍光体に置き換えられた[54]。また、ベリリウムの初期の主要な用途の一つとして、その硬さや融点の高さ、非常に優れたヒートシンク性能を利用した軍用機のブレーキへの利用が挙げられるが、こちらも環境への配慮から別の材料に代替された[12]。
ベリリウムは宇宙において非常に希な元素で、宇宙全体の平均濃度の推定値は重量濃度で1 ppb（10億分の1）であり、ニオブより原子量の小さい元素の中ではホウ素と並んで最も存在率が小さい[55]。太陽内部でも重量濃度0.1 ppbと希であり、レニウムと同程度の存在量である[56]。一方、地球におけるベリリウム濃度は、地表の岩石中の重量濃度の推定値でおよそ2.8から5 ppm[57]、海水中でおよそ0.0006 ppb[58]、河川の水においては海水中よりは多くおよそ0.1 ppbである[59][60]。太陽中のベリリウム濃度が地球上のベリリウム濃度と比較して著しく低い原因は、太陽の燃焼における核反応で消費されるためと考えられている[61]。
地表の岩石中のベリリウム濃度は前述のようにおよそ2.8から5 ppmであるが、ベリリウム鉱石によって高濃度にベリリウムが存在する地域もある[57]。ベリリウムは約4,000種類の既知の鉱石のうち、約100種類の鉱石において主成分となっており[62]、その中でも重要なものは、ベルトラン石（英語版） (Be4Si2O7(OH)2)、緑柱石 (Al2Be3Si6O18) およびフェナカイト (Be2SiO4) である[63]。このようなベリリウム鉱石は主にマグマの冷却過程に由来するペグマタイト中で濃縮される[64]。また、ベリリウム鉱石は凝灰岩や閃長岩からも発見されており[65]、これらはすべて火山活動に由来する火成岩や火山砕屑岩である。また、土壌中のベリリウムは植物によってわずかに吸収され、カラマツなど特定の植物はベリリウムを蓄積する[66]。
大気中のベリリウム濃度は先進国の都市部でおよそ0.03から0.07 ng/m3ほどであるが、ベリリウムの大気への主要供給源は化石燃料の燃焼によるものであるため、工業化の進んでいない国においてはさらに低濃度になると推測されている。1987年のアメリカ合衆国環境保護庁のデータによれば、自然におけるベリリウムの大気への放出量は年間5.2 tほどであるが、化石燃料の燃焼を含む人類の活動によるベリリウムの大気への放出量は年間187.4 tにも及ぶ[67]。
ベリリウムは高温状態で酸素と高い親和性を示すなどの性質を有しているため、ベリリウム化合物から金属ベリリウムを精製することは非常に困難である。19世紀の間は金属ベリリウムを得るための方法として、フッ化ベリリウムとフッ化ナトリウムの混合物を電気分解するという方法が用いられていた[50]。しかしこのような方法は、ベリリウムの融点が高いために金属ベリリウムの製造に類似した方法を用いるアルカリ金属の製造と比較して多くのエネルギーが必要だった。20世紀の初めには、ヨウ化ベリリウムの熱分解によるベリリウムの生産法が研究され、ジルコニウムの生産法に類似した方法が成功を収めたが、この方法では大量生産において経済的に採算が取れないことが判明した[68]。2007年現在では、ベリリウム鉱石中の酸化ベリリウムを処理することによってフッ化ベリリウムとし、それをマグネシウムを用いて還元させることで生産されている[69]。
この金属ベリリウムの精製に用いられるフッ化ベリリウムは、主にベリリウム鉱物である緑柱石を原料として生産される[8]。ベリリウム鉱石は石英と同程度の比重であるために比重差を利用した選鉱を行うことができず多くの場合選鉱は手作業に頼っているが、ベリリウム鉱石にガンマ線を照射することでベリリウムから放出された中性子を検出して選別する自動装置も開発されている[70]。こうして選鉱された緑柱石からベリリウムを抽出するために硫酸処理が行われるが、鉱石のままでは硫酸と400度で反応させたとしてもベリリウムはほとんど溶解しないため、前処理としてアルカリ処理もしくは熱処理が行われる[71]。アルカリ処理はケイ素を多く含む試料を分析する際に用いられるアルカリ溶融法と同様の原理でケイ素と金属を分離する方法であり、ベリリウム鉱石に水酸化ナトリウムや炭酸ナトリウムのようなアルカリを加えて溶融させる[71]。熱処理は1650度以上の高温に加熱することで緑柱石を溶融させて鉱石中のベリリウムを完全に酸化ベリリウムとした後、再度900度に加熱することで二酸化ケイ素から遊離させてベリリウムの溶解性を高める方法である[71]。このようにしてベリリウムを溶出させやすいように前処理を行った後、硫酸処理を行うことで硫酸ベリリウムの溶液として鉱石からベリリウムを抽出することができる[8]。得られた硫酸ベリリウム溶液をアルカリで中和することで水酸化ベリリウムの沈殿が得られ、これをフッ化アンモニウムと反応させた後、熱分解させることによってフッ化ベリリウムが生産される[8]。また、ベリリウム鉱石中からベリリウムを分離抽出する方法としては他にも、ヘキサフルオロケイ酸ナトリウムを加えて700度で溶融させテトラフルオロベリリウム酸ナトリウムとして抽出する方法や[72]、ベリリウム鉱石を炭素と共に塩素気流下、630度以上で塩素と直接反応させて塩化ベリリウムとして抽出する方法などがある[73]。このようにして得られた塩化ベリリウムを溶融塩電解することでも金属ベリリウムを生産することができる[69]。この方法では、塩化ベリリウムの電気伝導度が非常に低く電解効率が悪いため、塩化ナトリウムが助剤として加えられる[15]。
工業規模でのベリリウム産出に関与しているのはアメリカ、中国およびカザフスタンの3国のみである[74]。2008年時点のアメリカにおけるベリリウムおよびベリリウム化合物の主な生産者はブラッシュ・エンジニアード・マテリアルズ社である[75]。ブラッシュ・エンジニアード・マテリアルズ社では、ベリリウムを製錬するための原料の大部分を自身が所有するスポール山の鉱床（ユタ州）から産出されるベリリウム鉱石（ベルトラン石を含む）から得ている。ベリリウムの製錬および他の精製は、ユタ州デルタ（英語版）の北10マイルにある工場で行われており[76]、その場所はインターマウンテン・パワー・プロジェクトによる発電設備から近くかつ町からも離れているために選ばれた[77]。1998年から2008年までの間、ベリリウムの世界の生産量は343トンからおよそ200トンにまで減少しており、200トンのうち176トン (88%) はアメリカで生産されている[78][79]。真空鋳造によって製造されたベリリウムインゴットの2001年におけるアメリカ市場でのキログラム単価は745ドルであった[80]。
ベリリウムの用途には、その物理的性質を利用したX線装置や構造材、鏡（ベリリウムミラー）、合金材料、音響材料としての用途、磁気的性質を利用した工具製造、電子物性を利用した電子材料、核的性質を利用した中性子源や、ベリリウム鉱石の外観の美しさを利用した宝石としての用途が挙げられる。この中には核兵器やミサイル、射撃管制装置などの軍事的用途も含まれ、そのような分野に関する詳細な情報を入手することは難しい[81]。また、ベリリウムの毒性により、過去に用いられていた蛍光材料としての用途は既に他の代替材料に置き換えられており、ベリリウム銅合金なども代替材料の開発が進められている。
ベリリウムはX線を透過させるための窓に用いられる。ベリリウムは原子番号が小さく電子の数が少ないため、X線に対する透過率が非常に高い。そのため、X線源やビームライン、X線望遠鏡などの検出器用の窓に用いられる。この用途においては、X線像に不要な像が写り込むことを回避するためにベリリウムの純度と清潔さが最も要求される。また、X線探知機のX線放射窓としてもベリリウムの薄膜が用いられている。これは、ベリリウムのX線吸収率が非常に低いことによって、高強度のシンクロトロン放射光に典型的な低エネルギーX線に起因する熱の影響を最小限に留めることができるためである。さらに、シンクロトロンによる放射線試験のための真空気密窓およびビームチューブの素材にはベリリウムのみが用いられている。他にも、エネルギー分散型X線分析などの様々なX線を利用した分析機器においてはベリリウム製のサンプルホルダーが常用される。これは、ベリリウムから発生する特性X線や蛍光X線の有するエネルギーが100 eV以下と分析試料由来のX線と比較して非常に低く、試料の分析データに影響を与えないためである[12]。
ベリリウムはまた、素粒子物理学の実験装置において高エネルギー粒子を衝突させる場所周辺のビームラインを構築するための素材として用いられる。たとえば、大型ハドロン衝突型加速器の実験における主要な4つの検出器全て（ALICE検出器、ATLAS検出器、CMS検出器（英語版）、LHCb検出器（英語版））[82]やテバトロン、SLAC国立加速器研究所において用いられている。このような用途においてはベリリウムが持つ様々な性質が効果的に働いている。すなわち、ベリリウムの原子番号の小ささに由来する高エネルギー粒子に対する透過性が比較的高いという性質や、ベリリウムの密度が低いという性質によって、粒子の衝突によって発生した生成物を重大な相互作用なしに周囲の検出器へと誘導することができる。また、ベリリウムは剛性が高いためベリリウムのパイプ内を非常に高真空にでき、残留した気体分子による相互作用を最小限にすることができる。さらに、ベリリウムは熱的に非常に安定しているため、絶対零度よりわずかに高い程度の極低温においても正常に機能することができる。その上、ベリリウムの反磁性を有する性質によって、粒子線を収束させて検出器まで導くために用いられる複雑な多極電磁石システムへの干渉を防ぐことができる[83]。
ベリリウムは剛性が大きく、軽く、広い温度範囲における寸法安定性を有しているため、防衛産業や航空宇宙産業において軽量な構造部材として、たとえば、高速航空機やミサイル、宇宙船、通信衛星などに用いられる。液体燃料ロケットには高純度ベリリウムのロケットエンジンノズルが用いられている[84][85]。また、少数ではあるものの自転車のフレームにも用いられている[86]。また、ベリリウムは硬く、融点が高く、さらに非常に優れたヒートシンク性能を有しているため、軍用機やレース車両のブレーキディスクに用いられていたが、環境への配慮のため代替材料が用いられている[12][87]。
ベリリウムは優れた弾性剛性を有しているため、例えばジャイロスコープによる慣性航法装置や光学系のための支持構造物などの精密機器に利用される[12]。
ベリリウムミラーは、気象衛星のような低重量および長期間の寸法安定性が重要とされる用途に対する大面積の鏡（しばしばハニカムミラー（英語版））に用いられる。たとえば、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の主鏡はベリリウム製であり[88]、同様の理由でスピッツァー宇宙望遠鏡もベリリウム製の反射望遠鏡が用いられている[89]。
また、より小さなベリリウムミラーは光学的な制御システムや射撃管制装置に用いられる。例えば、ドイツの主力戦車であるレオパルト1やレオパルド2に用いられている[90]。これらのシステムには鏡の非常に迅速な動きが要求されるため、ベリリウムの低重量かつ高剛性な性質が必要とされる。通常このベリリウムミラーは、光学的仕上げ材による研磨をより容易に行えるように無電解ニッケルめっきによって被覆される。しかしながら極低温条件で用いる場合などには、熱膨張率の違いによって被覆材に歪みが生じてしまうため、このような用途においては被覆材を用いずに直接磨き上げられる[12]。
機雷などの爆発物は磁気に反応して爆発する磁気信管を一般的に備えているため、軍による機雷の除去作業では磁性を持たないベリリウムやその合金から作られる器具が用いられる[91]。それらはまた、強い磁場を発生させる核磁気共鳴画像法 (MRI) の機械の近くで用いられるメンテナンス器具や建設材料にも用いられる[92]。無線通信や強力なレーダー（通常は軍用）の分野においては、非常に磁気の強いクライストロン (Klystron) やマグネトロン、進行波管などの高レベルなマイクロ波を発生させるための送信機が使われるため、それらを調整するためにもまたベリリウム製の手工具が用いられる[93]。
ベリリウムは低質量かつ高剛性であるため、およそ12.9 km/sと高い音の伝導率を示す。ベリリウムのこの物性を利用して、高音域スピーカーの振動板として主にドーム型に成形し使用される。しかしながら、ベリリウムはしばしばチタン以上に高価であり、その脆性の高さにより成形が困難であり、処置を誤れば製品の毒性を封印できないため、ベリリウム製のツイーターはハイエンドな家庭用や業務用オーディオ、Public Addressなどの用途に限られている[94][95][96]。高音域スピーカーの振動板としての使用例としては、ヤマハ[97]・パイオニア[98]等の音響機器メーカーの製品があり、グレース製レコード針のカンチレバーに用いられた例がある[99]。また、その熱伝導率の良さから、セラミック送信管（アイマック（英語版）社製、eimac 8873）の本体および純正放熱用熱伝導体として酸化ベリリウムが採用された例がある[100]。ベリリウムは他の金属との合金としても頻繁に利用されるが、その合金組成に明記されないこともある[101]。
ベリリウムの薄いプレートやホイールは、しばしばテラー・ウラム型のような熱核爆弾において、核融合燃料に「点火」するためのトリガーである第一段階の核分裂爆弾を囲うプルトニウムピットの最外層として用いられる。このようなベリリウムの層は、239Pu を爆縮させるための良好な核反応促進材であり、初期の実験的な原子炉において中性子反射減速材として利用されていたように良好な中性子反射体でもある[102]。
ベリリウムはまた、比較的少ない中性子を必要とする原子炉規模以下の実験用途において、一般的に中性子源として用いられる。この目的のための 9Be ターゲット材は、210Po や 226Ra、239Pu、241Am などの放射性同位体から放出される高エネルギーなアルファ粒子を衝突させることで中性子が取り出される。この時に起こる核反応によって、9Be は 12C になり、遊離した中性子はアルファ粒子が移動するのと同じ方向へ放出される。ベリリウムはそのような中性子源として、urchin と呼ばれる中性子点火器（英語版）として初期の原子爆弾にも利用されていた[102]。
ベリリウムは欧州連合のトーラス共同研究施設における核融合研究所においても利用されており、より高度なITERにおいてプラズマに直接接する部分の素材としても利用されている[103]。ベリリウムはまた、その機械的、化学的、核的な物性の組み合わせの良さから、核燃料棒の被覆素材としての利用も提案されている[12]。フッ化ベリリウムは、溶融塩原子炉設計の多くの仮定において、溶媒、減速材および冷却材としての使用が想定されている、共晶塩であるフッ化リチウムベリリウム（英語版）を構成する塩の1つである[104]。
ベリリウムはIII-V族半導体においてP型半導体のドーパントである。それは、分子線エピタキシー法 (MBE) によって製造されるヒ化ガリウムやヒ化アルミニウムガリウム（英語版）、ヒ化インジウムガリウム（英語版）、ヒ化インジウムアルミニウム（英語版）のような素材において広く用いられている[105]。クロス圧延されたベリリウムのシートはプリント基板への表面実装における優れた構造支持体である。電子材料におけるベリリウムの重要な用途は、構造支持のみならずヒートシンク素材としての用途がある。この用途においては、アルミナおよびポリイミドガラス基盤と調和した熱膨張率が必要とされる。これらの電子的用途のために特別に設計されたベリリウム-酸化ベリリウム複合材料は「E-Material（英語版）」と呼ばれ、様々な基盤素材に合わせて熱膨張率を調整できる利点がある[12]。
電気絶縁性および優れた熱伝導率、高い耐久性、硬さ、非常に高い融点という複数の特性が要求されるような多くの用途において、酸化ベリリウムが利用される。酸化ベリリウムは、電気通信のための無線周波送信機におけるパワートランジスタの絶縁基盤として多用される。酸化ベリリウムはまた、酸化ウランの核燃料ペレットにおいて熱伝導性を向上させるための用途が検討されている[106]。ベリリウム化合物は蛍光灯にも用いられていたが、ベリリウムを用いた蛍光灯の製造工場で働く労働者にベリリウム中毒が発症したため、この用途でのベリリウムの利用は中止された[107]。
ベリリウム鉱物である緑柱石のうち状態の良い物は宝石として利用される[12][108][109]。緑柱石由来の宝石としては、不純物としてクロムを含み濃い緑色を呈するエメラルド、2価の鉄を含み水色を呈するアクアマリン、3価の鉄を含み黄色を呈するゴールデンベリル、マンガンを含むレッドベリルやモルガナイトなどがある[110][111]。
同じくベリリウム鉱物である金緑石からなる宝石には、宝石の表面に猫の目のような細い光の筋が見えるキャッツアイ効果を示す猫目石や、光源の種類によって見える色が変化する変色効果を示すアレキサンドライトといった特殊な効果を示すものがあり、キャッツアイ効果と変色効果を併せ持つものも存在する[112]。アレキサンドライトの赤紫色は不純物として含まれる鉄によるものである。
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銅 (Cu) に0.15%から2.0%程度を混ぜてベリリウム銅合金として利用される。銅よりもはるかに強く、純銅に近い良好な電気伝導性がある。膨張率はステンレス鋼や鋼（はがね）に近い。ゆっくり変化する磁界に対し高い透磁率をもつ[113]。銅合金の中でも優れた機械的強度を持っており、電気回路のコネクタなどで使われるバネの材料に用いられる[114]。また、磁化しにくい・打撃を受けても火花が出ない特徴を持つ[115]ことから、石油化学工業などの爆発雰囲気の中で使用する防爆工具に安全保持上用いることもある。ベリリウム銅合金はまた、Jason pistols と呼ばれる船から錆やペンキをはぎ取るのに用いられる針状の器具にも用いられる[116]。また、銅の代わりにニッケルを用いた合金も同様に利用される[117]。ベリリウム銅合金はベリリウムの持つ毒性のために代替材料の開発が進められており、実用化されているものもある[118][119][120]。
また、アルミベリリウム合金も軽量かつ強度が高い特徴があり、F1レーシングカーの部品（安全性の観点から2004年以降は使用禁止）や航空機の部品にも使用されている[121]。
堆積学分野では同位体の10Beおよび7Beと鉛の同位体210Pbの存在比率により、地層の堆積物の輸送がどのようなイベントで生じたのか、つまり「ゆっくりと安定した堆積なのか」「河川の氾濫や洪水、嵐による急激な堆積なのか」などを調べることが可能である[122]。
| NFPA 704 |
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1
3
0
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| 金属ベリリウムに対するファイア・ダイアモンド表示[123] |
ベリリウムは人体への曝露によってベリリウム肺症もしくは慢性ベリリウム症として知られる深刻な慢性肺疾患を引き起こすように極めて毒性の高い物質であり[124]、水棲生物に対しても非常に強い毒性を示す[123]。また、細胞組織に対して腐食性であるため、可溶性塩の吸入によって化学性肺炎である急性ベリリウム症を引き起こし、皮膚との接触によって炎症が引き起こされる[124]。
慢性ベリリウム症は数週間から20年以上と非常に個人差の大きい潜伏期間があり、その死亡率は37%で、妊婦においてはさらに死亡率が高くなる[124]。慢性ベリリウム症は基本的には自己免疫疾患であり、感受性を有する人は5%以下であると見られている[125]。慢性ベリリウム症におけるベリリウムの毒性の機序は、ベリリウムが酵素に影響を与えることで代謝や細胞複製が阻害されることによる[124]。慢性ベリリウム中毒は多くの点でサルコイドーシスに類似しており、鑑別診断においてはこれらを見分けることが重要とされる[126]。
急性ベリリウム症は基本的には化学性肺炎であり、慢性ベリリウム症とは異なる機序によるものである。その定義は「継続期間1年未満のベリリウム由来の肺疾患」[127]とされており、ベリリウムへの曝露量と症状の重さには直接的な因果関係が見られる。ベリリウム濃度が1000 μg/m3以上になると発症し、100 μg/m3未満では発症しないことが明らかとなっている[128]。
急性ベリリウム症は最高曝露量の設定による作業環境の改善に伴い減少しているが、慢性ベリリウム症はベリリウムを扱う産業において多く発生しており[124][129]、ベリリウムの許容濃度を順守している工場においても慢性ベリリウム疾患の発症した例が確認されている[130]。また、このような産業に関わらない人々にも化石燃料の燃焼に起因する極微量の曝露がみられる[131]。
ベリリウムおよびベリリウム化合物は、WHO の下部機関 IARC より発癌性がある (Type1) と勧告されている[132]。カリフォルニア州環境保健有害性評価局が算出した公衆健康目標のガイドライン値は1 μg/L、有害物質疾病登録局が算出した最小リスク濃度は0.002 mg/kg/day（体重1キロ当たり、1日に0.002mg）とされている[133]。ベリリウムは生体内で代謝されないため、一度体内に取り込まれたベリリウムは排出されにくく[131]、主に骨に蓄積されて尿により排出される[134]。
1933年（昭和8年）、ドイツにおいて「化学性肺炎」という形で急性ベリリウム症が初めて報告され、ついで1946年（昭和21年）には慢性ベリリウム症がアメリカで報告された[135]。このような症例は蛍光灯工場やベリリウム抽出プラントにおいて多くみられたため、1949年（昭和24年）には蛍光灯におけるベリリウムの利用が中止され、1950年代初頭にはベリリウムの最高曝露濃度が25 μg/m3に定められた。こうして作業環境が大幅に改善されたことによって急性ベリリウム症の罹患率は激減したが、核産業や航空宇宙産業、ベリリウム銅などの合金、電子装置の製造などの分野においてはベリリウムの利用が続いている。1952年（昭和27年）、アメリカ合衆国でベリリウム症例登録制度がはじまり、1983年（昭和58年）までに888件の症例が登録された[124]。この制度においては6つの診断基準が定められ、そのうち3つが当てはまると慢性ベリリウム症であるとして登録されるようになっていた[126]。検査技術の向上した2001年（平成13年）現在では、肺の経気管支の生体組織診断などによる組織病理学的な確認、リンパ球幼若化試験およびベリリウムの曝露歴の3点が診断基準とされている[125]。ベリリウムは原子爆弾の核反応促進材に利用されるため、初期の原子爆弾の開発に携わった研究者の幾人かはベリリウム中毒によって命を落としている（例えばアメリカの核物理学者でありマンハッタン計画にも携わったハーバート・L・アンダーソン（英語版）[136]）。
ベリリウムは酸化被膜のために反応性に乏しい金属であるが一度着火すると燃焼しやすい性質であるため、空気中にベリリウムの粉塵が存在している状態では粉塵爆発が起こる危険性がある[124]。
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表・話・編・歴
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| 1 | H | He | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2 | Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3 | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4 | K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | |||||||||||||||||||||||||
| 5 | Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | |||||||||||||||||||||||||
| 6 | Cs | Ba | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn | |||||||||||
| 7 | Fr | Ra | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og | |||||||||||
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| General properties | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Pronunciation | /bəˈrɪliəm/ bə-RIL-ee-əm |
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| Appearance | white-gray metallic | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Standard atomic weight (Ar, std) | 7000901218310000000♠9.0121831(5)[1] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Beryllium in the periodic table | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Atomic number (Z) | 4 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Group, period | group 2 (alkaline earth metals), period 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Block | s-block | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Element category | alkaline earth metal | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Electron configuration | [He] 2s2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Electrons per shell
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2, 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Physical properties | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Phase (at STP) | solid | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Melting point | 1560 K (1287 °C, 2349 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Boiling point | 2742 K (2469 °C, 4476 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Density (near r.t.) | 1.85 g/cm3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| when liquid (at m.p.) | 1.690 g/cm3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Critical point | 5205 K, MPa (extrapolated) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Heat of fusion | 12.2 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Heat of vaporization | 292 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Molar heat capacity | 16.443 J/(mol·K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Vapor pressure
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| Atomic properties | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Oxidation states | +2, +1[2] (an amphoteric oxide) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Electronegativity | Pauling scale: 1.57 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ionization energies |
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| Atomic radius | empirical: 112 pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Covalent radius | 96±3 pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Van der Waals radius | 153 pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Miscellanea | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Crystal structure | hexagonal close-packed (hcp) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Speed of sound thin rod | 12,890 m/s (at r.t.)[3] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Thermal expansion | 11.3 µm/(m·K) (at 25 °C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Thermal conductivity | 200 W/(m·K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Electrical resistivity | 36 nΩ·m (at 20 °C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Magnetic ordering | diamagnetic | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Magnetic susceptibility | −9.0·10−6 cm3/mol[4] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Young's modulus | 287 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Shear modulus | 132 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Bulk modulus | 130 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Poisson ratio | 0.032 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Mohs hardness | 5.5 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Vickers hardness | 1670 MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Brinell hardness | 590–1320 MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CAS Number | 7440-41-7 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| History | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Discovery | Louis Nicolas Vauquelin (1798) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| First isolation | Friedrich Wöhler & Antoine Bussy (1828) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Main isotopes of beryllium | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Beryllium is a chemical element with symbol Be and atomic number 4. It is a relatively rare element in the universe, usually occurring as a product of the spallation of larger atomic nuclei that have collided with cosmic rays. Within the cores of stars beryllium is depleted as it is fused and creates larger elements. It is a divalent element which occurs naturally only in combination with other elements in minerals. Notable gemstones which contain beryllium include beryl (aquamarine, emerald) and chrysoberyl. As a free element it is a steel-gray, strong, lightweight and brittle alkaline earth metal.
Beryllium improves many physical properties when added as an alloying element to aluminium, copper (notably the alloy beryllium copper), iron and nickel.[5] Beryllium does not form oxides until it reaches very high temperatures. Tools made of beryllium copper alloys are strong and hard and do not create sparks when they strike a steel surface. In structural applications, the combination of high flexural rigidity, thermal stability, thermal conductivity and low density (1.85 times that of water) make beryllium metal a desirable aerospace material for aircraft components, missiles, spacecraft, and satellites.[5] Because of its low density and atomic mass, beryllium is relatively transparent to X-rays and other forms of ionizing radiation; therefore, it is the most common window material for X-ray equipment and components of particle detectors.[5] The high thermal conductivities of beryllium and beryllium oxide have led to their use in thermal management applications.
The commercial use of beryllium requires the use of appropriate dust control equipment and industrial controls at all times because of the toxicity of inhaled beryllium-containing dusts that can cause a chronic life-threatening allergic disease in some people called berylliosis.[6]
Beryllium is a steel gray and hard metal that is brittle at room temperature and has a close-packed hexagonal crystal structure.[5] It has exceptional stiffness (Young's modulus 287 GPa) and a reasonably high melting point. The modulus of elasticity of beryllium is approximately 50% greater than that of steel. The combination of this modulus and a relatively low density results in an unusually fast sound conduction speed in beryllium – about 12.9 km/s at ambient conditions. Other significant properties are high specific heat (1925 J·kg−1·K−1) and thermal conductivity (216 W·m−1·K−1), which make beryllium the metal with the best heat dissipation characteristics per unit weight. In combination with the relatively low coefficient of linear thermal expansion (11.4×10−6 K−1), these characteristics result in a unique stability under conditions of thermal loading.[7]
Naturally occurring beryllium, save for slight contamination by the cosmogenic radioisotopes, is isotopically pure beryllium-9, which has a nuclear spin of 3/2. Beryllium has a large scattering cross section for high-energy neutrons, about 6 barns for energies above approximately 10 keV. Therefore, it works as a neutron reflector and neutron moderator, effectively slowing the neutrons to the thermal energy range of below 0.03 eV, where the total cross section is at least an order of magnitude lower – exact value strongly depends on the purity and size of the crystallites in the material.
The single primordial beryllium isotope 9Be also undergoes a (n,2n) neutron reaction with neutron energies over about 1.9 MeV, to produce 8Be, which almost immediately breaks into two alpha particles. Thus, for high-energy neutrons, beryllium is a neutron multiplier, releasing more neutrons than it absorbs. This nuclear reaction is:[8]
Neutrons are liberated when beryllium nuclei are struck by energetic alpha particles[7] producing the nuclear reaction
Beryllium also releases neutrons under bombardment by gamma rays. Thus, natural beryllium bombarded either by alphas or gammas from a suitable radioisotope is a key component of most radioisotope-powered nuclear reaction neutron sources for the laboratory production of free neutrons.
Small amounts of tritium are liberated when 9
4Be
nuclei absorb low energy neutrons in the three-step nuclear reaction
Note that 6
2He
has a half-life of only 0.8 seconds, β− is an electron, and 6
3Li
has a high neutron absorption cross-section. Tritium is a radioisotope of concern in nuclear reactor waste streams.[9]
As a metal, beryllium is transparent to most wavelengths of X-rays and gamma rays, making it useful for the output windows of X-ray tubes and other such apparatus.
Both stable and unstable isotopes of beryllium are created in stars, but the radioisotopes do not last long. It is believed that most of the stable beryllium in the universe was originally created in the interstellar medium when cosmic rays induced fission in heavier elements found in interstellar gas and dust.[10] Primordial beryllium contains only one stable isotope, 9Be, and therefore beryllium is a monoisotopic element.
Radioactive cosmogenic 10Be is produced in the atmosphere of the Earth by the cosmic ray spallation of oxygen.[11] 10Be accumulates at the soil surface, where its relatively long half-life (1.36 million years) permits a long residence time before decaying to boron-10. Thus, 10Be and its daughter products are used to examine natural soil erosion, soil formation and the development of lateritic soils, and as a proxy for measurement of the variations in solar activity and the age of ice cores.[12] The production of 10Be is inversely proportional to solar activity, because increased solar wind during periods of high solar activity decreases the flux of galactic cosmic rays that reach the Earth.[11] Nuclear explosions also form 10Be by the reaction of fast neutrons with 13C in the carbon dioxide in air. This is one of the indicators of past activity at nuclear weapon test sites.[13] The isotope 7Be (half-life 53 days) is also cosmogenic, and shows an atmospheric abundance linked to sunspots, much like 10Be.
8Be has a very short half-life of about 7×10−17 s that contributes to its significant cosmological role, as elements heavier than beryllium could not have been produced by nuclear fusion in the Big Bang.[14] This is due to the lack of sufficient time during the Big Bang's nucleosynthesis phase to produce carbon by the fusion of 4He nuclei and the very low concentrations of available beryllium-8. The British astronomer Sir Fred Hoyle first showed that the energy levels of 8Be and 12C allow carbon production by the so-called triple-alpha process in helium-fueled stars where more nucleosynthesis time is available. This process allows carbon to be produced in stars, but not in the Big Bang. Star-created carbon (the basis of carbon-based life) is thus a component in the elements in the gas and dust ejected by AGB stars and supernovae (see also Big Bang nucleosynthesis), as well as the creation of all other elements with atomic numbers larger than that of carbon.[15]
The 2s electrons of beryllium may contribute to chemical bonding. Therefore, when 7Be decays by L-electron capture, it does so by taking electrons from its atomic orbitals that may be participating in bonding. This makes its decay rate dependent to a measurable degree upon its chemical surroundings – a rare occurrence in nuclear decay.[16]
The shortest-lived known isotope of beryllium is 13Be which decays through neutron emission. It has a half-life of 2.7 × 10−21 s. 6Be is also very short-lived with a half-life of 5.0 × 10−21 s.[17] The exotic isotopes 11Be and 14Be are known to exhibit a nuclear halo.[18] This phenomenon can be understood as the nuclei of 11Be and 14Be have, respectively, 1 and 4 neutrons orbiting substantially outside the classical Fermi 'waterdrop' model of the nucleus.
The Sun has a concentration of 0.1 parts per billion (ppb) of beryllium.[19] Beryllium has a concentration of 2 to 6 parts per million (ppm) in the Earth's crust.[20] It is most concentrated in the soils, 6 ppm.[21] Trace amounts of 9Be are found in the Earth's atmosphere.[21] The concentration of beryllium in sea water is 0.2–0.6 parts per trillion.[21][22] In stream water, however, beryllium is more abundant with a concentration of 0.1 ppb.[23]
Beryllium is found in over 100 minerals,[24] but most are uncommon to rare. The more common beryllium containing minerals include: bertrandite (Be4Si2O7(OH)2), beryl (Al2Be3Si6O18), chrysoberyl (Al2BeO4) and phenakite (Be2SiO4). Precious forms of beryl are aquamarine, red beryl and emerald.[7][25][26] The green color in gem-quality forms of beryl comes from varying amounts of chromium (about 2% for emerald).[27]
The two main ores of beryllium, beryl and bertrandite, are found in Argentina, Brazil, India, Madagascar, Russia and the United States.[27] Total world reserves of beryllium ore are greater than 400,000 tonnes.[27]
The extraction of beryllium from its compounds is a difficult process due to its high affinity for oxygen at elevated temperatures, and its ability to reduce water when its oxide film is removed. The United States, China and Kazakhstan are the only three countries involved in the industrial-scale extraction of beryllium.[28] Beryllium production technology is in early stages of development in Russia after a 20-year hiatus.[29]
Beryllium is most commonly extracted from the mineral beryl, which is either sintered using an extraction agent or melted into a soluble mixture. The sintering process involves mixing beryl with sodium fluorosilicate and soda at 770 °C (1,420 °F) to form sodium fluoroberyllate, aluminium oxide and silicon dioxide.[5] Beryllium hydroxide is precipitated from a solution of sodium fluoroberyllate and sodium hydroxide in water. Extraction of beryllium using the melt method involves grinding beryl into a powder and heating it to 1,650 °C (3,000 °F).[5] The melt is quickly cooled with water and then reheated 250 to 300 °C (482 to 572 °F) in concentrated sulfuric acid, mostly yielding beryllium sulfate and aluminium sulfate.[5] Aqueous ammonia is then used to remove the aluminium and sulfur, leaving beryllium hydroxide.
Beryllium hydroxide created using either the sinter or melt method is then converted into beryllium fluoride or beryllium chloride. To form the fluoride, aqueous ammonium hydrogen fluoride is added to beryllium hydroxide to yield a precipitate of ammonium tetrafluoroberyllate, which is heated to 1,000 °C (1,830 °F) to form beryllium fluoride.[5] Heating the fluoride to 900 °C (1,650 °F) with magnesium forms finely divided beryllium, and additional heating to 1,300 °C (2,370 °F) creates the compact metal.[5] Heating beryllium hydroxide forms the oxide, which becomes beryllium chloride when combined with carbon and chlorine. Electrolysis of molten beryllium chloride is then used to obtain the metal.[5]
Beryllium's chemical behavior is largely a result of its small atomic and ionic radii. It thus has very high ionization potentials and strong polarization while bonded to other atoms, which is why all of its compounds are covalent.[5] It is more chemically similar to aluminium than its close neighbors in the periodic table due to having a similar charge-to-radius ratio.[5] An oxide layer forms around beryllium that prevents further reactions with air unless heated above 1000 °C.[5][30] Once ignited, beryllium burns brilliantly forming a mixture of beryllium oxide and beryllium nitride.[30] Beryllium dissolves readily in non-oxidizing acids, such as HCl and diluted H2SO4, but not in nitric acid or water as this forms the oxide.[5] This behavior is similar to that of aluminium metal. Beryllium also dissolves in alkali solutions.[5]
Beryllium hydrolysis as a function of pH
The beryllium atom has the electronic configuration [He] 2s2. The two valence electrons give beryllium a +2 oxidation state and thus the ability to form two covalent bonds; the only evidence of lower valence of beryllium is in the solubility of the metal in BeCl2,[31] and in two neutral beryllium bis(carbene) compounds in which the Be center bears a formal oxidation state of zero.[32] Due to the octet rule, atoms tend to seek a valence of 8 in order to resemble a noble gas. Beryllium tries to achieve a coordination number of 4 because its two covalent bonds fill half of this octet.[5] Tetracoordination allows beryllium compounds, such as the fluoride or chloride, to form polymers.
This characteristic is employed in analytical techniques using EDTA as a ligand. EDTA preferentially forms octahedral complexes – thus absorbing other cations such as Al3+ which might interfere – for example, in the solvent extraction of a complex formed between Be2+ and acetylacetone.[33] Beryllium(II) readily forms complexes with strong donating ligands such as phosphine oxides and arsine oxides. There have been extensive studies of these complexes which show the stability of the O-Be bond.[citation needed]
Solutions of beryllium salts, e.g. beryllium sulfate and beryllium nitrate, are acidic because of hydrolysis of the [Be(H2O)4]2+ ion.
Other products of hydrolysis include the trimeric ion [Be3(OH)3(H2O)6]3+. Beryllium hydroxide, Be(OH)2, is insoluble even in acidic solutions with pH less than 6, that is at biological pH. It is amphoteric and dissolves in strongly alkaline solutions.
Beryllium forms binary compounds with many non-metals. Anhydrous halides are known for F, Cl, Br and I. BeF2 has a silica-like structure with corner-shared BeF4 tetrahedra. BeCl2 and BeBr2 have chain structures with edge-shared tetrahedra. All beryllium halides have a linear monomeric molecular structure in the gas phase.[30]
Beryllium difluoride, BeF2, is different than the other difluorides. In general, beryllium has a tendency to bond covalently, much more so than the other alkaline earths and its fluoride is partially covalent (although still more ionic than its other halides). BeF2 has many similarities to SiO2 (quartz) a mostly covalently bonded network solid. BeF2 has tetrahedrally coordinated metal and forms glasses (is difficult to crystallize). When crystalline, beryllium fluoride has the same room temperature crystal structure as quartz and shares many higher temperature structures also. Beryllium difluoride is very soluble in water,[34] unlike the other alkaline earth difluorides. (Although they are strongly ionic, they do not dissolve because of the especially strong lattice energy of the fluorite structure.) However, BeF2 has much lower electrical conductivity when in solution or when molten than would be expected if it were fully ionic.[35][36][37][38]
| Order and disorder in difluorides | |
| The strong and stable ionic fluorite structure adopted by calcium difluoride and many other difluorides | Disordered structure of beryllium glass (sketch, two dimensions) |
Beryllium oxide, BeO, is a white refractory solid, which has the wurtzite crystal structure and a thermal conductivity as high as in some metals. BeO is amphoteric. Salts of beryllium can be produced by treating Be(OH)2 with acid.[30] Beryllium sulfide, selenide and telluride are known, all having the zincblende structure.[31]
Beryllium nitride, Be3N2 is a high-melting-point compound which is readily hydrolyzed. Beryllium azide, BeN6 is known and beryllium phosphide, Be3P2 has a similar structure to Be3N2. Basic beryllium nitrate and basic beryllium acetate have similar tetrahedral structures with four beryllium atoms coordinated to a central oxide ion.[31] A number of beryllium borides are known, such as Be5B, Be4B, Be2B, BeB2, BeB6 and BeB12. Beryllium carbide, Be2C, is a refractory brick-red compound that reacts with water to give methane.[31] No beryllium silicide has been identified.[30]
The mineral beryl, which contains beryllium, has been used at least since the Ptolemaic dynasty of Egypt.[39] In the first century CE, Roman naturalist Pliny the Elder mentioned in his encyclopedia Natural History that beryl and emerald ("smaragdus") were similar.[40] The Papyrus Graecus Holmiensis, written in the third or fourth century CE, contains notes on how to prepare artificial emerald and beryl.[40]
Early analyses of emeralds and beryls by Martin Heinrich Klaproth, Torbern Olof Bergman, Franz Karl Achard, and Johann Jakob Bindheim always yielded similar elements, leading to the fallacious conclusion that both substances are aluminium silicates.[41] Mineralogist René Just Haüy discovered that both crystals are geometrically identical, and he asked chemist Louis-Nicolas Vauquelin for a chemical analysis.[39]
In a 1798 paper read before the Institut de France, Vauquelin reported that he found a new "earth" by dissolving aluminium hydroxide from emerald and beryl in an additional alkali.[42] The editors of the journal Annales de Chimie et de Physique named the new earth "glucine" for the sweet taste of some of its compounds.[43] Klaproth preferred the name "beryllina" due to the fact that yttria also formed sweet salts.[44][45] The name "beryllium" was first used by Wöhler in 1828.[46]
Friedrich Wöhler[47] and Antoine Bussy[48] independently isolated beryllium in 1828 by the chemical reaction of metallic potassium with beryllium chloride, as follows:
Using an alcohol lamp, Wöhler heated alternating layers of beryllium chloride and potassium in a wired-shut platinum crucible. The above reaction immediately took place and caused the crucible to become white hot. Upon cooling and washing the resulting gray-black powder he saw that it was made of fine particles with a dark metallic luster.[49] The highly reactive potassium had been produced by the electrolysis of its compounds, a process discovered 21 years before. The chemical method using potassium yielded only small grains of beryllium from which no ingot of metal could be cast or hammered.
The direct electrolysis of a molten mixture of beryllium fluoride and sodium fluoride by Paul Lebeau in 1898 resulted in the first pure (99.5 to 99.8%) samples of beryllium.[49] The first commercially successful process for producing beryllium was developed in 1932 by Alfred Stock and Hans Goldschmidt.[49] Their process involves the electrolysis of a mixture of beryllium fluorides and barium, which causes molten beryllium to collect on a water-cooled iron cathode.
A sample of beryllium was bombarded with alpha rays from the decay of radium in a 1932 experiment by James Chadwick that uncovered the existence of the neutron.[27] This same method is used in one class of radioisotope-based laboratory neutron sources that produce 30 neutrons for every million α particles.[20]
Beryllium production saw a rapid increase during World War II, due to the rising demand for hard beryllium-copper alloys and phosphors for fluorescent lights. Most early fluorescent lamps used zinc orthosilicate with varying content of beryllium to emit greenish light. Small additions of magnesium tungstate improved the blue part of the spectrum to yield an acceptable white light. Halophosphate-based phosphors replaced beryllium-based phosphors after beryllium was found to be toxic.[50]
Electrolysis of a mixture of beryllium fluoride and sodium fluoride was used to isolate beryllium during the 19th century. The metal's high melting point makes this process more energy-consuming than corresponding processes used for the alkali metals. Early in the 20th century, the production of beryllium by the thermal decomposition of beryllium iodide was investigated following the success of a similar process for the production of zirconium, but this process proved to be uneconomical for volume production.[51]
Pure beryllium metal did not become readily available until 1957, even though it had been used as an alloying metal to harden and toughen copper much earlier.[27] Beryllium could be produced by reducing beryllium compounds such as beryllium chloride with metallic potassium or sodium. Currently most beryllium is produced by reducing beryllium fluoride with purified magnesium. The price on the American market for vacuum-cast beryllium ingots was about $338 per pound ($745 per kilogram) in 2001.[52]
Between 1998 and 2008, the world's production of beryllium had decreased from 343 to about 200 tonnes, of which 176 tonnes (88%) came from the United States.[53][54]
Early precursors of the word beryllium can be traced to many languages, including Latin Beryllus; French Béry; Greek βήρυλλος, bērullos, beryl; Prakrit veruliya (वॆरुलिय); Pāli veḷuriya (वेलुरिय), veḷiru (भेलिरु) or viḷar (भिलर्) – "to become pale", in reference to the pale semiprecious gemstone beryl. The original source is probably the Sanskrit word वैडूर्य (vaidurya), which is of South Indian origin and could be related to the name of the modern city of Belur.[55] For about 160 years, beryllium was also known as glucinum or glucinium (with the accompanying chemical symbol "Gl",[56] or "G" [57]), the name coming from the Greek word for sweet: γλυκυς, due to the sweet taste of beryllium salts.[58]
Because of its low atomic number and very low absorption for X-rays, the oldest and still one of the most important applications of beryllium is in radiation windows for X-ray tubes.[27] Extreme demands are placed on purity and cleanliness of beryllium to avoid artifacts in the X-ray images. Thin beryllium foils are used as radiation windows for X-ray detectors, and the extremely low absorption minimizes the heating effects caused by high intensity, low energy X-rays typical of synchrotron radiation. Vacuum-tight windows and beam-tubes for radiation experiments on synchrotrons are manufactured exclusively from beryllium. In scientific setups for various X-ray emission studies (e.g., energy-dispersive X-ray spectroscopy) the sample holder is usually made of beryllium because its emitted X-rays have much lower energies (~100 eV) than X-rays from most studied materials.[7]
Low atomic number also makes beryllium relatively transparent to energetic particles. Therefore, it is used to build the beam pipe around the collision region in particle physics setups, such as all four main detector experiments at the Large Hadron Collider (ALICE, ATLAS, CMS, LHCb),[59] the Tevatron and the SLAC. The low density of beryllium allows collision products to reach the surrounding detectors without significant interaction, its stiffness allows a powerful vacuum to be produced within the pipe to minimize interaction with gases, its thermal stability allows it to function correctly at temperatures of only a few degrees above absolute zero, and its diamagnetic nature keeps it from interfering with the complex multipole magnet systems used to steer and focus the particle beams.[60]
Because of its stiffness, light weight and dimensional stability over a wide temperature range, beryllium metal is used for lightweight structural components in the defense and aerospace industries in high-speed aircraft, guided missiles, spacecraft, and satellites. Several liquid-fuel rockets have used rocket nozzles made of pure beryllium.[61][62] Beryllium powder was itself studied as a rocket fuel, but this use has never materialized.[27] A small number of extreme high-end bicycle frames have been built with beryllium.[63] From 1998 to 2000, the McLaren Formula One team used Mercedes-Benz engines with beryllium-aluminium-alloy pistons.[64] The use of beryllium engine components was banned following a protest by Scuderia Ferrari.[65]
Mixing about 2.0% beryllium into copper forms an alloy called beryllium copper that is six times stronger than copper alone.[66] Beryllium alloys are used in many applications because of their combination of elasticity, high electrical conductivity and thermal conductivity, high strength and hardness, nonmagnetic properties, as well as good corrosion and fatigue resistance.[27][5] These applications include non-sparking tools that are used near flammable gases (beryllium nickel), in springs and membranes (beryllium nickel and beryllium iron) used in surgical instruments and high temperature devices.[27][5] As little as 50 parts per million of beryllium alloyed with liquid magnesium leads to a significant increase in oxidation resistance and decrease in flammability.[5]
The high elastic stiffness of beryllium has led to its extensive use in precision instrumentation, e.g. in inertial guidance systems and in the support mechanisms for optical systems.[7] Beryllium-copper alloys were also applied as a hardening agent in "Jason pistols", which were used to strip the paint from the hulls of ships.[67]
Beryllium was also used for cantilevers in high performance phonograph cartridge styli, where its extreme stiffness and low density allowed for tracking weights to be reduced to 1 gram, yet still track high frequency passages with minimal distortion.[68]
An earlier major application of beryllium was in brakes for military airplanes because of its hardness, high melting point, and exceptional ability to dissipate heat. Environmental considerations have led to substitution by other materials.[7]
To reduce costs, beryllium can be alloyed with significant amounts of aluminium, resulting in the AlBeMet alloy (a trade name). This blend is cheaper than pure beryllium, while still retaining many desirable properties.
Beryllium mirrors are of particular interest. Large-area mirrors, frequently with a honeycomb support structure, are used, for example, in meteorological satellites where low weight and long-term dimensional stability are critical. Smaller beryllium mirrors are used in optical guidance systems and in fire-control systems, e.g. in the German-made Leopard 1 and Leopard 2 main battle tanks. In these systems, very rapid movement of the mirror is required which again dictates low mass and high rigidity. Usually the beryllium mirror is coated with hard electroless nickel plating which can be more easily polished to a finer optical finish than beryllium. In some applications, though, the beryllium blank is polished without any coating. This is particularly applicable to cryogenic operation where thermal expansion mismatch can cause the coating to buckle.[7]
The James Webb Space Telescope[69] will have 18 hexagonal beryllium sections for its mirrors. Because JWST will face a temperature of 33 K, the mirror is made of gold-plated beryllium, capable of handling extreme cold better than glass. Beryllium contracts and deforms less than glass – and remains more uniform – in such temperatures.[70] For the same reason, the optics of the Spitzer Space Telescope are entirely built of beryllium metal.[71]
Beryllium is non-magnetic. Therefore, tools fabricated out of beryllium-based materials are used by naval or military explosive ordnance disposal teams for work on or near naval mines, since these mines commonly have magnetic fuzes.[72] They are also found in maintenance and construction materials near magnetic resonance imaging (MRI) machines because of the high magnetic fields generated.[73] In the fields of radio communications and powerful (usually military) radars, hand tools made of beryllium are used to tune the highly magnetic klystrons, magnetrons, traveling wave tubes, etc., that are used for generating high levels of microwave power in the transmitters.[74]
Thin plates or foils of beryllium are sometimes used in nuclear weapon designs as the very outer layer of the plutonium pits in the primary stages of thermonuclear bombs, placed to surround the fissile material. These layers of beryllium are good "pushers" for the implosion of the plutonium-239, and they are good neutron reflectors, just as in beryllium-moderated nuclear reactors.[75]
Beryllium is also commonly used in some neutron sources in laboratory devices in which relatively few neutrons are needed (rather than having to use a nuclear reactor, or a particle accelerator-powered neutron generator). For this purpose, a target of beryllium-9 is bombarded with energetic alpha particles from a radioisotope such as polonium-210, radium-226, plutonium-238, or americium-241. In the nuclear reaction that occurs, a beryllium nucleus is transmuted into carbon-12, and one free neutron is emitted, traveling in about the same direction as the alpha particle was heading. Such alpha decay driven beryllium neutron sources, named "urchin" neutron initiators, were used in some early atomic bombs.[75] Neutron sources in which beryllium is bombarded with gamma rays from a gamma decay radioisotope, are also used to produce laboratory neutrons.[76]
Beryllium is also used in fuel fabrication for CANDU reactors. The fuel elements have small appendages that are resistance brazed to the fuel cladding using an induction brazing process with Be as the braze filler material. Bearing pads are brazed on to prevent fuel bundle to pressure tube contact, and inter-element spacer pads are brazed on to prevent element to element contact.
Beryllium is also used at the Joint European Torus nuclear-fusion research laboratory, and it will be used in the more advanced ITER to condition the components which face the plasma.[77] Beryllium has also been proposed as a cladding material for nuclear fuel rods, because of its good combination of mechanical, chemical, and nuclear properties.[7] Beryllium fluoride is one of the constituent salts of the eutectic salt mixture FLiBe, which is used as a solvent, moderator and coolant in many hypothetical molten salt reactor designs, including the liquid fluoride thorium reactor (LFTR).[78]
The low weight and high rigidity of beryllium make it useful as a material for high-frequency speaker drivers. Because beryllium is expensive (many times more than titanium), hard to shape due to its brittleness, and toxic if mishandled, beryllium tweeters are limited to high-end home,[79][80][81] pro audio, and public address applications.[82][83] Some high-fidelity products have been fraudulently claimed to be made of the material.[84]
Some high-end phonograph cartridges used beryllium cantilevers to improve tracking by reducing mass.[85]
Beryllium is a p-type dopant in III-V compound semiconductors. It is widely used in materials such as GaAs, AlGaAs, InGaAs and InAlAs grown by molecular beam epitaxy (MBE).[86] Cross-rolled beryllium sheet is an excellent structural support for printed circuit boards in surface-mount technology. In critical electronic applications, beryllium is both a structural support and heat sink. The application also requires a coefficient of thermal expansion that is well matched to the alumina and polyimide-glass substrates. The beryllium-beryllium oxide composite "E-Materials" have been specially designed for these electronic applications and have the additional advantage that the thermal expansion coefficient can be tailored to match diverse substrate materials.[7]
Beryllium oxide is useful for many applications that require the combined properties of an electrical insulator and an excellent heat conductor, with high strength and hardness, and a very high melting point. Beryllium oxide is frequently used as an insulator base plate in high-power transistors in radio frequency transmitters for telecommunications. Beryllium oxide is also being studied for use in increasing the thermal conductivity of uranium dioxide nuclear fuel pellets.[87] Beryllium compounds were used in fluorescent lighting tubes, but this use was discontinued because of the disease berylliosis which developed in the workers who were making the tubes.[88]
Beryllium is a component of several dental alloys.[89][90]
Beryllium is a health and safety issue for workers. Exposure to beryllium in the workplace can lead to a sensitization immune response and can over time develop chronic beryllium disease (CBD).[91] The National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) in the United States researches these effects in collaboration with a major manufacturer of beryllium products. The goal of this research is to prevent sensitization and CBD by developing a better understanding of the work processes and exposures that may present a potential risk for workers, and to develop effective interventions that will reduce the risk for adverse health effects. NIOSH also conducts genetic research on sensitization and CBD, independently of this collaboration.[91] The NIOSH Manual of Analytical Methods contains methods for measuring occupational exposures to beryllium.[92]
Approximately 35 micrograms of beryllium is found in the average human body, an amount not considered harmful.[93] Beryllium is chemically similar to magnesium and therefore can displace it from enzymes, which causes them to malfunction.[93] Because Be2+ is a highly charged and small ion, it can easily get into many tissues and cells, where it specifically targets cell nuclei, inhibiting many enzymes, including those used for synthesizing DNA. Its toxicity is exacerbated by the fact that the body has no means to control beryllium levels, and once inside the body the beryllium cannot be removed.[94] Chronic berylliosis is a pulmonary and systemic granulomatous disease caused by inhalation of dust or fumes contaminated with beryllium; either large amounts over a short time or small amounts over a long time can lead to this ailment. Symptoms of the disease can take up to five years to develop; about a third of patients with it die and the survivors are left disabled.[93] The International Agency for Research on Cancer (IARC) lists beryllium and beryllium compounds as Category 1 carcinogens.[95] In the US, the Occupational Safety and Health Administration (OSHA) has designated a permissible exposure limit (PEL) in the workplace with a time-weighted average (TWA) 0.002 mg/m3 and a constant exposure limit of 0.005 mg/m3 over 30 minutes, with a maximum peak limit of 0.025 mg/m3. The National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) has set a recommended exposure limit (REL) of constant 0.0005 mg/m3. The IDLH (immediately dangerous to life and health) value is 4 mg/m3.[96]
The toxicity of finely divided beryllium (dust or powder, mainly encountered in industrial settings where beryllium is produced or machined) is very well-documented. Solid beryllium metal does not carry the same hazards as airborne inhaled dust, but any hazard associated with physical contact is poorly documented. Workers handling finished beryllium pieces are routinely advised to handle them with gloves, both as a precaution and because many if not most applications of beryllium cannot tolerate residue of skin contact such as fingerprints.
Acute beryllium disease in the form of chemical pneumonitis was first reported in Europe in 1933 and in the United States in 1943. A survey found that about 5% of workers in plants manufacturing fluorescent lamps in 1949 in the United States had beryllium-related lung diseases.[97] Chronic berylliosis resembles sarcoidosis in many respects, and the differential diagnosis is often difficult. It killed some early workers in nuclear weapons design, such as Herbert L. Anderson.[98]
Beryllium may be found in coal slag. When the slag is formulated into an abrasive agent for blasting paint and rust from hard surfaces, the beryllium can become airborne and become a source of exposure.[99]
Early researchers tasted beryllium and its various compounds for sweetness in order to verify its presence. Modern diagnostic equipment no longer necessitates this highly risky procedure and no attempt should be made to ingest this highly toxic substance.[5] Beryllium and its compounds should be handled with great care and special precautions must be taken when carrying out any activity which could result in the release of beryllium dust (lung cancer is a possible result of prolonged exposure to beryllium-laden dust). Although the use of beryllium compounds in fluorescent lighting tubes was discontinued in 1949, potential for exposure to beryllium exists in the nuclear and aerospace industries and in the refining of beryllium metal and melting of beryllium-containing alloys, the manufacturing of electronic devices, and the handling of other beryllium-containing material.[100]
A successful test for beryllium in air and on surfaces has been recently developed and published as an international voluntary consensus standard ASTM D7202. The procedure uses dilute ammonium bifluoride for dissolution and fluorescence detection with beryllium bound to sulfonated hydroxybenzoquinoline, allowing up to 100 times more sensitive detection than the recommended limit for beryllium concentration in the workplace. Fluorescence increases with increasing beryllium concentration. The new procedure has been successfully tested on a variety of surfaces and is effective for the dissolution and ultratrace detection of refractory beryllium oxide and siliceous beryllium (ASTM D7458).[101][102]
Beryllium compounds
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Periodic table
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(Large cells)
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