베릴륨

베릴륨은 원소 기호 Be, 원자 번호 4번, 주기율표의 2족, 2주기에 위치하는 금속 원소이다. 대부분은 토양에 있으며 100종 이상의 광물에서 발견된다. 베릴륨은 태양에서도 약 0.1 ppb의 양이 발견되며 지구에는 약 2-6 ppm 정도가 존재한다. 베트르랑다이트나 베릴, 금록석, 페나카이트 등의 화합물에 포함되어 있으며 아쿠아마린이나 에메랄드 형태로도 발견된다. 순수한 베릴륨으로 존재하지는 않기 때문에 베릴륨 화합물에서 추출하여 얻게 된다. 동위원소 특징으로 인하여 원자력 관련 응용 분야에 사용되며 구리나 니켈 철 등과 혼합하여 강도 높은 합금 형태로 항공우주, 금속 및 세라믹 가공 등의 목적에 이용되기도 한다.¹⁾

베릴륨 ()

목차

1798년 프랑스의 루이 니콜라 보클랭(Louis-Nicholas Vauquelin)이 에메랄드와 베릴 내에 존재하는 원소를 규명하였고, 1828년 독일 화학자 프리드리히 뵐러(Friedrich Wölhler)와 프랑스의 앙투안 뷔시 (A. Bussy)가 각각 독립적인 연구를 통해서 염화 베릴륨 BeCl₂을 백금(Pt) 도가니 내의 포타슘(K)과 반응시켜서 베릴륨을 얻어냈다.

@@NAMATH_INLINE@@\ce{ BeCl2 + 2K -> Be + 2KCl }@@NAMATH_INLINE@@

1898년 프랑스의 화학자 폴 르뷰(Paul Lebeau)가 플루오르화 베릴륨과 플루오르화 소듐의 혼합물을 용융시킨 후 전기분해를 통해 고순도(99.5~99.8%)의 베릴륨을 얻었다.

베릴륨은 고온에서 산화되기 쉽고 물을 환원시킬 수 있기 때문에 베릴륨 화합물에서 순수한 베릴륨을 추출하려면 많은 에너지가 필요하다.. 베릴(beryl, Be₃Al₂(SiO₃)₆)과 베르트랑다이트(bertrandite (4BeO₂SiO₂H₂O))의 화학적인 처리를 통해서 얻을 수도 있고, 미국은 제2차 세계대전 이후부터 실질적으로 무수 플루오르화 베릴륨 BeF₂ (anhydrous)과 마그네슘 환원 반응을 통해서 생산하고 있다. 수산화 베릴륨(beryllium hydroxide)과 플루오르화수소 암모늄(ammonium bifluoride) 용액을 혼합하고 침전시키면 플루오르화베릴산 암모늄 (ammonium fluoroberyllate)을 결정으로 얻을 수 있다. 플루오르화베릴산 암모늄은 고온(900-1000 °C)에서 플루오르화 베릴륨(액체)과 플루오르화 암모늄(기체)으로 분해되기 때문에, 플루오르화 베릴륨을 마그네슘으로 환원시킬 수 있다. 플루오르화 베릴륨과 마그네슘은 고온(900°C)에서 베릴륨과 플루오르화 마그네슘을 생성한다. 미국, 중국, 카자흐스탄 등에서 베릴 생산에 관련된 산업이 있는 것으로 알려져 있다.

베릴륨은 주기율표에서 알칼리 토금속에 해당하는 2족의 가장 상위에 위치하는 원소로써 원자 번호는 4이며 원소 기호는 Be이다.

베릴륨은 원자의 질량이 9.012 u이며 상온에서는 은회색의 단단한 금속 형태로 존재하고, 육방 밀집 구조(a close-packed hexagonal crystal structure)의 결정 구조를 가지고 있다. 4개의 전자를 가지고 있으며 전자 배치는 1s²2s² 로 1s와 2s 각각의 오비탈에 두 개의 전자가 쌍을 이루며 서로 반대의 스핀으로 존재한다. 원자가 전자가 2개이며 주로 전자 두 개를 잃고 +2인 산화수를 가지게 된다. 녹는점은 1287 ℃ (1560 K)이며 끓는점은 2468 ℃ (2741 K)이다. 밀도는 1.85 g/cm³ 이고 동위원소로는 ⁹Be가 존재한다.

X-선이 베릴륨을 투과하기 때문에 X-선 실험을 위한 튜브의 조성 물질로 사용되며, 감마선을 투과하는 성질도 가지고 있다. 알파 입자를 충돌시켰을 때 중성자를 방출하는 성질(⁹Be + ⁴He → ¹²C + n)도 있어서 알파 붕괴하는 원소들과의 혼합물이 중성자의 자원으로 사용되기도 한다. 또한 열중성자에 대한 산란 단면적이 크기 때문에 핵연료의 피복재나 원자로의 중성자 감속재에 사용된다. 베릴륨 자체는 전성과 연성이 낮으며 고체 탄성률인 영률(Young’s modulus)이 287 GPa로 크다. 열전도율은 216 W/(m K)로 매우 높으나 열에 의한 팽창률은 11.3 µm/(m K)로 낮아서 고온에서도 팽창률이 낮다. 이에 따라서 단위 무게 당 열을 빠르게 잃어버리는 대표적인 금속이 된다.

베릴륨은 2족 원소의 알칼리 토금속에 속하며 원자의 반지름의 크기가 작다. 원자의 반지름의 크기가 작기 때문에 화학적인 성질이 알루미늄과 유사하며, 베릴륨 화합물은 일반적으로 공유 결합의 특성을 보인다. 베릴륨의 주변에 쌓인 얇은 산화층은 베릴륨이 산화되는 것을 방지하지만 1000 ℃ 이상의 고온에서는 대기와 반응하여 산화 베릴륨(BeO)과 질화 베릴륨(Be₃N₂)을 형성한다. 2족 원소의 화합물들은 일반적으로 이온 결합 물질에 해당하며 염기성을 보이지만 베릴륨 화합물은 양쪽성 성질을 갖는다. 산화 베릴륨은 높은 녹는점을 가지며(2507 ℃) 내화성을 갖는 무색의 결정이다. 물이나 질산에는 녹지 않지만, 진한 황산이나 염산, 알칼리 수용액에는 녹는다. 베릴륨의 수산화 화합물 형태인 수산화 베릴륨 (Be(OH)₂) 도 양쪽성 물질로, 베릴륨 염을 생성할 때 산과 반응시켜서 얻을 수 있다.

베릴륨은 고성능 집적회로 기판, 원자력, 항공 우주 등 다양한 산업적 용도에 사용된다. 높은 강도를 요구하는 산업적 용도에 적합하도록 구리나 니켈, 철 등과의 합금을 통하여 베릴륨 합금을 만든다. 예를 들어, 베릴륨 구리(CuBe)의 경우에는 내마모성 합금이기 때문에 강력 용수철, 항공기 브레이크, 가속도계, 항공기 엔진, 고성능 오디오 등에 사용된다. 특히 높은 강도의 베릴륨 구리에 충격을 가해도 불꽃이 튀지 않기 때문에 폭발의 위험이 있는 곳에서 사용된다. 니켈 베릴륨 합금은 용수철, 용접 도구, 클립, 전열기의 제작에 사용된다. 위의 항공기의 프레임 외에도 자전거 프레임과 골프채 등의 고강도 소재로써 활용되고 있다.

1. A. James Stonehouse (8 October 1985). 'Physics and chemistry of beryllium' (PDF). MATERION.