Beryl

Historia niektórych pierwiastków sięga głęboko w dzieje cywilizacji. Pomijając złoto, srebro, miedź i żelazo, które nadały nazwy mitycznym wiekom ludzkości, jednym z najstarszych jest beryl. Co prawda nie znano go w postaci czystej, ale jego związki cenione były już prawie 4 tysiące lat temu. Wtedy to starożytni Egipcjanie rozpoczęli eksploatację położonych na pustyni nubijskiej i sławnych na cały ówczesny świat kopalni beryli. Stamtąd kupieckie karawany rozwoziły je w najdalsze strony, dotarły aż do Chin.

Za panowania królowej Kleopatry Rzymianie zapoznali z tymi cennymi klejnotami całą Europę. Nic więc dziwnego, że złej sławy cesarz Neron, będący krótkowidzem, używał oszlifowanego szmaragdu (odmiana berylu) do patrzenia (pewnie i na wielki pożar Rzymu). Również w późniejszych stuleciach beryl zapisał się niejednokrotnie na kartach historii. Przez wieki na posiadanie minerałów berylu mogli pozwolić sobie tylko najzamożniejsi, a i obecnie nie jest to bynajmniej pierwiastek ogólnie dostępny.

Choć odznacza się cennymi właściwościami, o czym Czytelnicy zechcą się przekonać w dalszej części artykułu, nie występuje w dużych ilościach i trudno będzie mu "zbłądzić po strzechy". Beryl należy do 2. grupy układu okresowego pierwiastków. Oprócz niego członkami rodziny metali ziem alkalicznych (tak też nazywa się berylowce, ponieważ ich tlenki "dawniej ziemie" reagując z wodą tworzą roztwory o odczynie zasadowym) są magnez, wapń, stront, bar i nasz "polski" rad.

Występują na Ziemi w różnych ilościach: magnez i wapń to jedne z najbardziej rozpowszechnionych i mających najwięcej zastosowań pierwiastków, strontu i baru nie ma zbyt dużo, berylu jest bardzo mało, a rad to pierwiastek śladowy.

Z powodu swojej reaktywności nie istnieją w postaci wolnej, tylko jako związki. Beryl dość wyraźnie różni się od pozostałych członków grupy stosunkowo niewielką aktywnością, wysoką wytrzymałością mechaniczną i amfoterycznym charakterem. Te cechy zbliżają go do glinu. Podobnie zachowują się czołowe pierwiastki grup 1. i 13. upodabniając się odpowiednio do drugich pierwiastków w grupach 2. i 14. (tzw. zasada diagonalnego podobieństwa). Dla świata ożywionego magnez i wapń to pierwiastki o kluczowym znaczeniu, pozostałe są w mniejszym lub większym stopniu toksyczne.

Związki berylu były znane już od starożytności, a i sam metal poznano dosyć wcześnie, u schyłku XVIII wieku. Dokonał tego francuski chemik L. Vaquelin w 1798 roku, analizując minerał beryl (nawiasem mówiąc, Vaquelin miał wtedy swoje "pięć minut" w tym samym roku jako pierwszy zidentyfikował chrom). Nowemu pierwiastkowi nadano nazwę glucin i symbol Gl od słodkiego smaku jego soli (z gr. glykos=słodki, stąd także cukier glukoza i aminokwas glicyna), ale wkrótce zmieniono ją na taką, jaką nosi minerał, w którym go odkryto (jednakże Francuzi do dziś używają pierwotnego miana).

Wspomniane już chemiczne podobieństwo berylu do glinu przysporzyło niemało kłopotów podczas tworzenia tablicy układu okresowego. Mianowicie, beryl przez lata uważano za pierwiastek trójwartościowy i dopiero Mendelejew zmienił jego wartościowość na równą dwa (przy okazji skorygował błędnie wyznaczoną masę atomową) oraz prawidłowo umiejscowił w swojej tablicy. Późniejsze dokładne pomiary potwierdziły prawdziwość przewidywań genialnego rosyjskiego chemika. Historia znajomości człowieka z berylem rozpoczęła się od minerałów. Od starożytności wydobywano różne odmiany beryli (glinokrzemian berylu z domieszkami innych metali, nadających mu rozmaite zabarwienie).

Najbardziej cenione z nich to zielone szmaragdy, których kolor spowodowany jest obecnością śladowych ilości chromu.

Słynne złoża w Górnym Egipcie mają już tylko znaczenie historyczne obecnie najwięcej szmaragdów pochodzi z Ameryki Południowej (znajdowane na Dolnym Śląsku nie mają, niestety, wartości jubilerskiej), a coraz częściej wytwarza się je syntetycznie. Innymi poszukiwanymi berylami są błękitny akwamaryn (z łac. aqua marina = woda morska), złocisty heliodor oraz bezbarwne kryształy mogące imitować diamenty. Oprócz jubilerskich zastosowań, oszlifowane kryształy berylu służyły jako pierwsze okulary, stąd prawdopodobnie ich niemiecka nazwa - Brille. Innym cennym minerałem jest mieszany tlenek berylu i glinu - chryzoberyl. Okazy beryli, które nie znajdą uznania jubilerów ani kolekcjonerów, stosuje się jako surowiec do produkcji czystego metalu.

Połączenia berylu nie mają praktycznego znaczenia (oprócz tlenku, używanego jako materiał żaroodporny, składnik cementów dentystycznych oraz nowoczesnych spieków z trudnotopliwymi metalami cermetów).

W pracy ze związkami berylu należy zachować ostrożność (mimo słodkiego smaku są trujące, a wdychany pył berylowy powoduje ciężkie schorzenia dróg oddechowych), ale wydobyty z nich poprzez elektrolizę stopionych soli metal ma bardzo cenne właściwości: niewielką gęstość (lżejszy od glinu), najwyższą temperaturę topnienia wśród metali lekkich, bardzo dobre własności mechaniczne oraz dość dużą odporność na korozję (na powietrzu pokrywa się warstwą stosunkowo mało reaktywnego tlenku - pasywacja). Te cechy czynią z niego pożądany materiał konstrukcyjny dla lotnictwa i przemysłu kosmicznego. Ponadto pył berylowy służy jako wysokowydajny materiał pędny dla silników rakietowych (ma duże ciepło spalania). Bogate dziedziny gospodarki mogą sobie pozwolić na stosowanie konstrukcji z berylu, ale ponieważ bohater naszego artykułu nie należy do najtańszych metali, jego zastosowanie jest, niestety, ograniczone.

Na szczęście nawet niewielki dodatek berylu znacznie zwiększa wytrzymałość i odporność na zmęczenie stopów z innymi metalami. Najbardziej znane są stopy berylu z miedzią oraz niklem. Te ostatnie cechują się wytrzymałością na zmęczenie i odpornością na korozję większą niż najlepsza stal. Produkuje się z nich sprężyny i narzędzia chirurgiczne. Stopy z miedzią, brązy berylowe, są bardzo twarde i nie iskrzą przy uderzeniu. Znalazły więc zastosowanie w kopalniach, gazowniach, wytwórniach materiałów wybuchowych - wszędzie tam, gdzie iskra mogłaby spowodować katastrofę. Śladowa domieszka berylu w miedzi powoduje znaczne zwiększenie jej przewodności elektrycznej, co umożliwia produkcję kabli o mniejszym przekroju i w konsekwencji zmniejszenie zużycia tego cennego metalu.

Również rozwój wiedzy o budowie materii, a obecnie energetyka jądrowa i radiologia wiele zawdzięczają berylowi. Metal ten jest jednym z najlepiej pochłaniających cząstki alfa (jądra helu-4) pierwiastków, a w zachodzącej reakcji jądrowej powstają neutrony. Właśnie w wyniku jednej z takich przemian zostały zidentyfikowane te poszukiwane od początku XX wieku cząstki elementarne (J. Chadwick w 1932 roku, trzy lata później otrzymał Nagrodę Nobla za swe odkrycie). Ampułki z proszkiem berylowym, zmieszanym z preparatem alfa promieniotwórczym (np. gazowym radonem), były w latach 30-tych ubiegłego wieku źródłami neutronów i pozwoliły dokonać wielu odkryć, np. sztucznej promieniotwórczości (małżonkowie Irena i Frederik

Joliot-Curie również otrzymali Nagrodę Nobla w 1935 roku) i rozszczepienia jądra atomowego (L. Meitner, O. Hahn, F. Strassmann; Nagroda Nobla dla O. Hahna w 1944 roku). Beryl jest pierwiastkiem o bardzo małym przekroju czynnym na pochłanianie neutronów i wydajnie je odbijającym. Z tego też powodu jest stosowany jako moderator (spowalnia neutrony) i reflektor tych cząstek w technice jądrowej i bombach atomowych.

Mała liczba atomowa berylu powoduje, że praktycznie nie pochłania on promieniowania rentgenowskiego (absorpcja promieni X silnie zależy od liczby protonów w jądrze danego pierwiastka). Własność ta powoduje, że używany jest jako okienko przepuszczające promienie RTG w aparatach rentgenowskich i urządzeniach badawczych stosujących ten zakres widma elektromagnetycznego. Jest regułą, że pierwiastki o niewielkich liczbach atomowych (położone na początku tablicy układu okresowego) występują liczniej od tych, które posiadają więcej protonów w jądrach. Beryl jednakże łamie tę prawidłowość - nie dość, że ma tylko jeden trwały izotop, to jest go bardzo niewiele zarówno na Ziemi, jak i w całym Wszechświecie (odpowiedzialne za ten fakt jest "zużywanie" berylu w procesach pochłaniania powszechnie występującego promieniowania alfa).

Czytelnicy z pewnością przekonali się, że bohater niniejszego artykułu to wyjątkowo cenna substancja, nie tylko z powodu niezwykłej urody minerałów, jakie tworzy, ale i swoich własności. Fizyczna wytrzymałość i chemiczna odporność już dziś zapewniły mu trwałe miejsce w najbardziej rozwiniętych technologicznie działach gospodarki - lotnictwie, astronautyce i energetyce jądrowej. Nic nie wskazuje na to, że w przyszłości jego rola mogłaby zmaleć, wręcz przeciwnie: znajdzie wielu chętnych odbiorców i w innych dziedzinach. Szkoda tylko, że przyroda nie obdarzyła nas obfitszymi jego zasobami.