4 Be ベリリウム 9.012
アルカリ土類金属 s-block Period 2 Group 2

ベリリウム

Be · Element 4 · Alkaline earth metals

A stiff, feather-light metal that is transparent to X-rays and lethally toxic as dust.

20°Cでの状態 固体
原子量 9.012 u
ELECTRON CONFIGURATION [He] 2s²

構造

ベリリウム原子

環の上の点を示す図ではありません。占有された各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。

軌道雲

測定値

性質一覧

各バーは、その性質についてベリリウムが118元素の中でどこに位置するかを示しています。

物理的

密度 1.85 g/cm³ 15%
融点 1560 K 65%
沸点 2743 K 53%
比熱 1.825 J/g·K
熱伝導率 200 W/m·K 95%

原子

原子半径 112 pm 11%
共有結合半径 96 pm
ファンデルワールス半径 153 pm

電子

電気陰性度 1.57 48%
イオン化エネルギー 899.2 kJ/mol 80%
電子親和力

存在

地殻中の存在度 2.8 mg/kg 61%

同定

元素記号Be
原子番号4
原子量9.012 u
分類アルカリ土類金属
ブロックs
結晶構造六方最密充填構造
酸化数+2
発見年1798
発見者Louis-Nicolas Vauquelin

出典:IUPAC 2021標準原子量 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST。~が付いた値は、測定値ではなく予測値です。

縮尺どおりの大きさ

How big is a ベリリウム atom?

Radius 112 pm — that is 0.112 nm, so about 4464 million of them side by side would span a millimetre.

熱範囲

Solid, liquid, gas — and when

ベリリウム is liquid over a 1183 K window, from 1560 K to 2743 K.

位置

表での位置

ベリリウム sits in period 2, group 2. Everything in group 2 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

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物語

ベリリウムとは何か、そしてどのように発見されたか

融点が高く、軽くて強い金属です。粉末状では有毒です。

The discovery of ベリリウム

甘い謎の解明

ベリリウムの発見は、優れた化学者、有毒な結晶、そして真の性質が明らかになる前に「グルシニウム」(甘いもの)という呼び名を得た、非常に発見が難しい金属が関わる、20年にわたる探偵物語のようなものです。

フランスでの発見(1797年)

Louis-Nicolas Vauquelinはフランスの薬剤師・化学者で、パリの研究室でエメラルドと緑柱石の結晶を分析していたとき、驚くべき発見をしました。これらの美しい緑色と青色の宝石には、溶解すると特徴的な甘い味を生じる未知の元素が含まれていました。そのため、ギリシャ語の「glykys」(甘い)に由来する「グルシニウム」という名前が付けられました。

Vauquelinは前年にクロムを発見してすでに有名でしたが、ベリリウムははるかに困難でした。化学分析によって元素の存在は確認できましたが、純粋な金属を単離できなかったのです。彼が作った甘味のある化合物は、実際にはベリリウム塩でした。現在では極めて有毒であることが分かっています。幸い、Vauquelinが味見した量はごくわずかでした。

ドイツでの突破口(1828年)

純粋なベリリウムを単離する競争は、30年以上にわたってヨーロッパの化学者たちを夢中にさせました。突破口は、独立して研究していた2人の優れたドイツ人科学者によって同時にもたらされました。

Friedrich Wöhlerは、尿素の合成で知られ、「生気論」説を否定した人物です。彼は巧妙な方法を開発しました。白金るつぼ内で塩化ベリリウムを金属カリウムとともに加熱し、純粋なベリリウムの小さな銀色の粒を生成したのです。一方、フランスのAntoine Bussyは、カリウムとフッ化ベリリウムを使って同様の方法を用いました。

Wöhlerは成功について、「ベリリウムの金属塩基を単離することに成功した……小さく、鋼灰色で、非常に硬い塊として現れる」と記述しました。2人はともに大きな困難に直面しました。ベリリウムは融解するために1,287°Cを超える温度を必要とし、その酸化物は貫通できない保護層を形成したのです。

名称をめぐる論争

フランスとドイツの化学者の間で、激しい命名争いが起こりました。フランス側は「グルシニウム」(Gl)を主張し、ドイツ側は鉱物の緑柱石にちなんで「ベリリウム」(Be)を支持しました。この論争は1957年まで続き、国際純正・応用化学連合が正式に「ベリリウム」を選定しました。ただし、一部のフランス語とロシア語の文献では、1970年代になっても「グルシニウム」が使われていました。

産業革命(1900年代~1940年代)

ベリリウムは、Alfred Stockが1916年頃にドイツでより優れた精製法を開発するまで、研究室内の珍しい物質にとどまっていました。アルミニウムより軽く、鋼鉄より強いという金属の驚くべき性質は、第二次世界大戦中に軍の注目を集めました。マンハッタン計画では核兵器の中性子反射体としてベリリウムが使用され、この無名だった元素は突然、戦略的に重要なものとなりました。

用途

ベリリウムの用途

航空宇宙・防衛用途

ベリリウムは現代の航空宇宙工学の基盤であり、「宇宙時代の金属」という呼び名を得ています。その卓越した性質により、失敗が許されない重要な用途では代替できない材料となっています。

宇宙船・衛星技術

NASAはJames Webb Space Telescopeの鏡にベリリウムを大きく利用しています。18個の六角形のベリリウムセグメントが主鏡を構成しています。ベリリウムの熱安定性により、鏡は宇宙の極端な温度変化(-223°C~+123°C)の中でも正確な形状を維持できます。Boeingは、鋼鉄より40%軽量でありながら寸法安定性を保てるため、衛星部品にベリリウムを使用しています。

軍事・防衛システム

F-22 RaptorおよびF-35 Lightning II戦闘機は、誘導システムとレーダー部品にベリリウムを使用しています。Lockheed Martinは、電磁干渉を最小限に抑える必要があるミサイル誘導システムにベリリウム銅合金を組み込んでいます。ベリリウムはX線を透過するため、核兵器の起爆装置や原子炉制御棒に不可欠です。

精密製造

0.5~3%のベリリウムを含むベリリウム銅(BeCu)合金は、世界最高品質のばねや電気接点を生み出します。Materion Corporationなどの企業は、次の用途向けにBeCu部品を製造しています。

  • 医療機器:MRI装置、CTスキャナー、手術器具
  • 電子機器:高級オーディオ機器、スマートフォン部品、コンピューターコネクター
  • 自動車:アンチロック・ブレーキセンサー、エアバッグシステム、燃料噴射部品

原子力用途

ベリリウムは原子炉内で中性子反射体および減速材として機能します。中性子吸収断面積が小さいため、中性子を原子炉の炉心へ反射して効率を高めるのに適しています。また、石油井の検層や材料試験に用いる中性子源にも使用されています。

特殊工具

火花が発生しないベリリウム銅製工具は、石油精製所、化学工場、採掘作業などの爆発性環境で不可欠です。これらの工具は、可燃性の気体や粉じんに着火する危険な火花を防ぎます。

電子機器・テクノロジー

  • 高級オーディオ機器:Focal、TAD、Yamahaのスピーカーに使われるベリリウム製ドームツイーターによる優れた音の再現
  • スマートフォン部品:iPhoneやSamsung Galaxyの充電ポートやボタンに使われるベリリウム銅製ばね
  • コンピューターコネクター:USBポート、HDMIケーブル、マザーボードソケットに使われる金めっきベリリウム銅接点
  • 精密機器:スイス製時計部品、医療機器用ばね、科学計測ツール

自動車産業

  • 安全システム:エアバッグ作動センサーやアンチロック・ブレーキ部品に使われるベリリウム銅
  • 高性能車:Formula 1やNASCARでは、高回転エンジン用のBeCu製バルブスプリングを使用
  • 電気自動車:TeslaなどのEVメーカーは、バッテリー管理システムにベリリウム合金を使用

航空宇宙用途

  • 民間航空機:Boeing 787やAirbus A350では、アビオニクスや航法システムにベリリウムを使用
  • 宇宙ミッション:SpaceX Falcon 9、NASAの火星探査車、国際宇宙ステーションの部品
  • 衛星:GPS衛星、気象観測システム、通信衛星

産業機器
  • 火花が発生しない工具:爆発性環境向けのレンチ、ハンマー、ドライバー
  • 溶接機器:電極ホルダー、抵抗溶接用電極
  • 石油・ガス産業:掘削機器、バルブ部品、安全工具

由来

天然での存在

2.8 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 61% of elements

地球上での分布

ベリリウムは希少で価値の高い元素であり、地殻中の存在度はわずか2.8 ppmです。そのため、銀や白金よりも希少です。乏しい存在量にもかかわらず、ベリリウムは地質学的過程と宇宙現象の両方で重要な役割を果たしています。

主な鉱物資源

最も重要なベリリウム鉱石は緑柱石(Be₃Al₂Si₆O₁₈)で、純粋な場合は美しい宝石になります。

  • エメラルド:クロムによって緑色になった緑柱石で、コロンビア、ザンビア、ブラジルで産出します
  • アクアマリン:鉄の微量成分による青色の緑柱石で、ブラジル、マダガスカル、パキスタンで採掘されます
  • モルガナイト:マンガンによって桃色になった緑柱石で、カリフォルニアとマダガスカルで発見されています
  • ヘリオドール:ウランの微量成分による黄金色の緑柱石で、ウクライナとナミビアで産出します

その他のベリリウム鉱物には、主にユタ州のSpor Mountainで産出するベルトランダイト(Be₄Si₂O₇(OH)₂)や、希少なキャッツアイとアレキサンドライトを含むクリソベリル(BeAl₂O₄)があります。

世界の採掘事業

ベリリウム生産では米国が優位を占めており、Materion Corporationのユタ州の鉱山が世界のベリリウムのおよそ85%を生産しています。中国は新疆ウイグル自治区で小規模な鉱山を操業しており、カザフスタンとモザンビークでは新たな採掘事業が始まっています。ユタ州のSpor Mountain鉱山には、世界最大の既知のベルトランダイト鉱床があります。

宇宙での起源

ベリリウムには興味深い宇宙史があります。ほとんどの元素とは異なり、ベリリウムは恒星内元素合成では形成されません。恒星内部の高温で破壊されるためです。その代わり、ベリリウム-9は宇宙線破砕によって生成されます。これは、高エネルギー宇宙線が宇宙空間で炭素や酸素の原子核に衝突し、それらを分解してベリリウムを形成する現象です。

この過程により、ベリリウムは「宇宙論的年代計」となります。科学者は、隕石や宇宙試料中のベリリウム同位体を測定することで、宇宙線の年齢を推定できます。

取り扱い

安全性

極めて危険な物質に関する警告

ベリリウムは人類に知られている中で最も有毒な金属の一つです。ごく微量でも重篤で不可逆的な肺疾患を引き起こす可能性があります。この元素を扱う際は、どのような形態であっても最高レベルの安全対策が必要です。

ベリリウム症 ― 静かな殺し屋

慢性ベリリウム疾患(CBD)は、ベリリウム粒子を吸入することで起こる、治癒不能で進行性の肺疾患です。症状は曝露から数十年後に現れることもあり、次のようなものがあります。

  • 進行する息切れと慢性的なせき
  • 胸痛と極度の疲労
  • 体重減少と寝汗
  • 最終的に呼吸不全と死に至ります

この疾患は曝露した作業員の2~6%に発症し、一部の人は遺伝的にかかりやすい傾向があります。治療法はありません。できるのはコルチコステロイドによる症状管理だけです。

OSHA規則と曝露限界

許容曝露限界(PEL):2.0 μg/m³(8時間の時間加重平均)

短時間曝露限界:5.0 μg/m³(15分間の平均)

アクションレベル:0.1 μg/m³(医学的監視を開始する基準)

必要な安全対策

  • 工学的管理:HEPAフィルター付き換気、陰圧作業区域、密閉工程
  • 個人用保護具:全面形の空気清浄式呼吸用保護具(最低APF 25)、使い捨て防護服、ニトリル手袋
  • 医学的監視:初回および毎年の胸部X線検査、肺機能検査、ベリリウムリンパ球増殖試験
  • 除染:専用シャワー設備、独立した更衣区域、汚染衣類の廃棄

緊急時の手順

吸入:直ちに新鮮な空気の場所へ移し、症状がなくても医師の診察を受けてください

皮膚への接触:せっけんと水で十分に洗い、汚染された衣類を脱いでください

眼への接触:15分以上水で洗い流し、直ちに医療処置を受けてください

飲み込んだ場合:無理に吐かせず、直ちに医師の診察を受けてください

安全な保管と取り扱い

立ち入りを制限した指定区域で、密閉されたラベル付き容器に保管してください。ベリリウムで汚染された区域を乾式清掃してはいけません。HEPAバキュームシステムだけを使用してください。許可を受けた業者を通じて有害廃棄物として処分してください。

簡単な回答

ベリリウム:よくある質問

What is ベリリウム?

ベリリウム (symbol Be) is element 4 on the periodic table, a アルカリ土類金属 in period 2, group 2. A stiff, feather-light metal that is transparent to X-rays and lethally toxic as dust. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of ベリリウム?

ベリリウム's ground-state electron configuration is [He] 2s², giving 2 occupied shells holding 2, 2 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of ベリリウム?

ベリリウム melts at 1560 K (1286.9 °C) and boils at 2743 K (2469.9 °C).

What is the atomic mass of ベリリウム?

The standard atomic weight of ベリリウム is 9.012 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is ベリリウム?

ベリリウム has a density of 1.85 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of ベリリウム is about 1.9× heavier.

What is the electronegativity of ベリリウム?

ベリリウム has a Pauling electronegativity of 1.57. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.

Who discovered ベリリウム, and when?

ベリリウム was discovered in 1798 by Louis-Nicolas Vauquelin. It is named after from the gemstone beryl.

How common is ベリリウム on Earth?

ベリリウム makes up about 2.8 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.