베릴륨, Beryllium

 

 

베릴륨, Beryllium
원자 기호	Be
원자 번호	4
족, 주기, 구역	2족, 2주기, s-구역
전자배치	1s22s2
베릴륨의 스펙트럼
원소 분류	알칼리토금속
원자량	9.012182(3)
상태	고체
밀도	1.85 g·cm−3
녹는점	1560 K, 1287 °C
끓는점	2742 K, 2469 °C
융해열	12.2 kJ/mol
기화열	297 kJ/mol
열용량	16.443 J·mol−1·K−1
산화수	+2, -1(양쪽성 산화물)
전기음성도	1.57 (폴링 척도)
이온화에너지	1st: 899.5 kJ·mol−1 2nd: 1757.1 kJ·mol−1 3rd: 14848.7 kJ·mol−1
원자 반지름	112 pm
공유 반지름	96±3 pm
반데르발스 지름	153 pm
결정 구조	육방정계
자기성	반자성
전기 저항	(20 °C) 36 nΩ·m
열전도율	200 W·m−1·K−1
음속	12870 m·s−1
열팽창계수	(25 °C) 11.3 µm·m−1·K−1
영률	287 GPa
전단탄성계수	132 GPa
부피탄성계수	130 GPa
모스굳기	5.5

Beryllium베릴륨은 원자번호 4, 기호 Be를 가지는 원소이다. 베릴륨은 2가 원소로 자연에서는 다른 원소와 함께 미네랄로 존재한다. 베릴륨을 함유하고 있는 광석으로는 녹주석beryl(아쿠아마린, 에메랄드)과 금록석chrysoberyl이다. 원소로 있을 때는 금속 회색을 띄고 강하고 가벼운 알칼리토금속이다.

[왼쪽 위부터 시계방향으로 베릴륨 금속, 금록석, 에메랄드, 아쿠아마린]

베릴륨은 베릴륨구리처럼 초기에 합금에서 강화제로 사용되었다. 베릴륨은 높은 굽힘강성률, 열 안정성, 열 전도율과 낮은 밀도(물의 1.85배)는 베릴륨을 비행기, 미사일, 우주선과 통신위성에 사용되는 질 좋은 물질로 만들었다. 낮은 밀도와 원자량 때문에, 베릴륨은 X-ray에 대해서 상대적으로 투명하다. 그래서 베릴륨은 X-ray 장비에서 가장 흔히 쓰이는 X-ray 창문이 되었다.

베릴륨 금속의 상업적인 이용은 베릴륨 먼지를 흡입했을 때 독성이 있기 때문에 어렵다. 베릴륨은 조직을 부식시키고 어떤 사람에게는 베릴륨중독증berylliosis이라는 만성적인 생명을 위협하는 알러지 질병이 일어날 수 있다. 항성에서 베릴륨이 합성될 때 매우 짧은 시간 존재하는 만큼, 우주나 지구에서 상대적으로 희귀한 금속이 되었고 식물이나 동물의 삶에서 필요하지도, 쓸모있지도 않고 알려지지도 않은 원소가 되었기 때문이다.

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 물리적인 성질

베릴륨은 아주 뛰어난 굽힘강성률flexural rigidity (영률Young's modulus이 287GPa이다)과 꽤 높은 녹는점을 가지고 있다. 베릴륨의 탄성계수modulus of elasticity는 강철보다 약 50% 더 크다. 이런 성질들의 조합과 상대적으로 낮은 밀도는 표준 상태에서 베릴륨에서의 음속이 12.9km/s 라는 매우 빠른 속도라는 결과를 만들어낸다. 특징적인 성질인 매우 높은 비열(1925 J·kg⁻¹·K⁻¹)과 열전도율(216 W·m⁻¹·K⁻¹)은 베릴륨을 단위 무게당 가장 열손실이 많은 금속으로 만든다. 이런 성질과 더불어 상대적으로 낮은 열팽창률(11.4×10⁻⁶ K⁻¹)로 인해 열을 가하는 작업속에서 안정성이 있게 된다.


 핵 성질

베릴륨의 주된 동위원소인 ⁹Be은 중성자 하나와 반응하여 ⁸Be와 중성자 두개가 되고 그 즉시 두개의 알파입자로 붕괴된다. 그래서 베릴륨이 중성자 증폭기역할을 한다. 이 핵반응은 다음과 같다.
 

9
4Be + n → 2(4
2He) + 2n

 금속으로서의 베릴륨은 X선과 감마선의 대부분의 파장에서 투명해서 X-ray tube의 출구 창문으로 유용하게 사용된다. 베릴륨은 실험실에서 적은 수의 자유 중성자를 만들때도 유용하다. 베릴륨핵이 에너지가 있는 알파 입자와 충돌하면서 중성자를 내놓는 핵반응을 하게 된다.

9
4Be + 4
2He → 12
6C + n

동위원소와 핵합성

 베릴륨은 단 하나의 안정한 동위원소 ⁹Be가 있고, 따라서 Monoisotopic element이다. Cosmogenic인 ¹⁰Be은 대기중의 산소나 질소가 우주선에 의해 핵파쇄되어 생성된다.  Cosmogenic ¹⁰Be은 굉장히 긴 반감기(136만년)를 가져서 ¹⁰B로 붕괴하기 전에 토양에 축적된다. 그래서 ¹⁰Be은 토양의 침식, 생성 등의 연대를 측정하는데 사용된다.

 ¹⁰Be의 생성은 태양의 활동과 반비례한다. 그 이유는 태양의 자기장 활동이 증가하여 태양풍이 증가하면 지구에 도달하는 은하의 우주선 흐름이 줄기 때문이다. 또한 핵폭발도 공기중에 있는 이산화탄소의 ¹³C과 고속의 중성자가 반응하여 ¹⁰Be를 형성한다. 그래서 ¹⁰Be은 핵실험 장소의 과거 활동도를 가르키는 지표중 하나이다.

반감기가 53일인 다른 동위원소인 ⁷Be역시 cosmogenic이다. ⁷Be 역시 ¹⁰Be과 같이 태양의 흑점의 수와 관련이 있다. ⁸Be은 7×10⁻¹⁷ s로 매우 짧은 반감기를 가져서 우주론에서 중요한 역할을 가지는데, 빅뱅 이후 핵합성에서 베릴륨보다 더 무거운 핵들이 합성되지 못했을 수도 있기 때문이다. 이것은 빅뱅 이후의 핵합성에서 탄소가 합성될 될 때 ⁴He와 아주 낮은 농도의 ⁸Be과 반응을 해야하기 때문이다. 영국의 천문학자 Fred Hoyle경은 Triple-alpha process라고 부르는 항성에 헬륨-연료로 더 많은 핵합성을 하게 될 때 ⁸Be과 ¹²C 의 에너지 레벨이 탄소를 생성하게 만든다. 그래서 초신성에서 배출된 가스와 먼지가 탄소 기반의 삶을 만들 수 있게 되었다.

베릴륨의 안쪽 전자들은 화학 결합에 참여할 수 있다. 그래서 ⁷Be가 결합에 참여하는 원자 오비탈로부터 전자 포획으로 붕괴한다. 그래서 붕괴 속도는 전자 배치에 의존하게 된다.

가장 짧게 사는 베릴륨의 동위원소 ¹³Be은 중성자 방출을 통해 붕괴한다. ¹³Be의 반감기는  2.7 × 10⁻²¹ s이며, ⁶Be 역시 매우 짧은 반감기인 5.0 × 10⁻²¹ s를 가진다. ¹¹Be와 ¹⁴Be는 nuclear halo로 알려져 있다.

베릴륨의 불안정한 동위원소들은 항성에서 생성되지만 오래 존재하지 않는다. 그리고 안정한 베릴륨은 성간 기체와 먼지에 있는 더 무거운 원소가 우주선에 의해 분열되면서 생성되는 것으로 생각한다.

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존재

베릴륨 광석

 

 베릴륨은 우주에서 드물다. 무게로 따진 농도는 1ppb있으며, 베릴륨과 비슷하게 존재하는 붕소를 제외한 나이오븀(Nb)앞에 있는 모든 원소들보다 적게 존재한다. 베릴륨은 류테늄처럼 태양에서도 0.1ppb 만큼 존재하여 매우 드물다.

 지구 표면에 있는 암석에 존재하는 베릴륨의 원소 농도는 4~6ppm 존재한다. 베릴륨은 알려진 4000 종류의 미네랄 중에서 약 100종류에서 주요 구성 원소이다. 버트랜다이트(Bertrandite, Be₄Si₂O₇(OH)₂), 녹주석(beryl, Al₂Be₃Si₆O₁₈), 금록석(chrysoberyl, Al₂BeO₄), 페나카이트(Phenakite, Be₂SiO₄)가 대표적인 광물이다. 녹주석 중에는 아쿠아마린, 에메랄드 등이 있다. 바닷물에서 베릴륨은 스칸듐보다 희귀해서 0.0006ppb 존재한다. 반대로 육수에서는 0.1ppb 만큼 존재한다.

생산

 높은 온도에서 산소와의 높은 반응성과 산화막을 제거하면 물을 환원시키는 능력때문에 화합물로부터 베릴륨을 추출하는 것은 어려운 과정이다. 19세기에 플루오린화 베릴륨과 플루오린화 소듐의 혼합물의 전기분해는 베릴륨을 추출하는 방법으로 사용되었는데, 금속의 높은 녹는점때문에 알칼리 금속 공정에 사용되는 에너지보다 더 많은 에너지가 필요하였다. 20세기 초기에 아이오딘화 베릴륨의 열분해를 통한 베릴륨의 생산은 비슷한 공정이 필요한 지르코늄 생산을 성공적으로 도와주었지만, 대량 생산을 위한 공정에서는 비경제적이였다.

 순수한 베릴륨 금속이 구리와 합금을 만들었을 때 더 단단하게 만들 수 있다하더라도 1957년까지 쉽게 사용할 수 없었다. 베릴륨은 염소화 베릴륨과 같은 베릴륨 화합물과 금속 포타슘이나 소듐과 함께 환원시켜야 했다. 현재 베릴륨이 가장 많이 생산되는 방식은 순수한 마그네슘과 함께 플루오린화 베릴륨을 환원시키는 것이다. 2001년 미국 시장에서 진공 상태의 베릴륨의 가격은 1kg당 745$이다. 이 공정의 화학식은 다음과 같다.

BeF₂ + Mg → MgF₂ + Be

 베릴륨의 채광과 생산은 미국의 한 회사 Brush Wellman Inc.가 독점하고 있다.

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 화학적인 성질

 베릴륨 금속은 전기화학 순서에서 알루미늄 바로 위에 있어서 화학적인 성질을 예측할 수 있다. 하지만 산화막이 보호하고 있어 붉은색 불꽃 아래에선 반응하지 않는다. 일단 발화하면 베릴륨은 산화 베릴륨과 질화 베릴륨을 형성한다. 베릴륨은 황산이 약간 있는 염산처럼 산소를 포함하지 않은 산에 쉽게 녹는다. 하지만 질산에서는 산화물을 형성하게 된다. 이런 행동은 금속 알루미늄과 비슷하다. 베릴륨은 알루미늄과 비슷해서 따뜻한 알칼리 용액에 녹아서 beryllate 음이온(Be(OH)₄²⁻)형성하고 수소 기체를 발생시킨다.

pH에 따른 베릴륨의 가수분해 그래프. 베릴륨에 배위된 물 분자는 생략했다.

 베릴륨 원자는 전자 베치 [He] 2s²를 가진다. 베릴륨 화합물에서 두개의 전자를 잃어 베릴륨은 +2가의 산화수를 가진다. 베릴륨의 더 낮은 전자가는 금속이 BeCl₂가 녹을 때 증거를 발견할 수 있다. 작은 원자 반지름 베릴륨의 결합에 공유결합에 큰 특징을 준다. 베릴륨은 [Be(H₂O)₄]²⁺나 tetrahaloberyllates(BeX₄²⁻)처럼 거의 모든 화합물은 4배위수로 존재한다. 이런 특성은 EDTA를 리간드로 분석화학에서 사용한다. EDTA는 octahedral complex를 형성하는데 Al³⁺ 와 같은 양이온들이 방해를 할 수 있다.

 
황산 베릴륨이나 질산 베릴륨과 같은 베릴륨 염의 용액은 산성을 띄는데 그 이유는 [Be(H₂O)₄]²⁺  이유의 가수분해 때문이다.

[Be(H₂O)₄]²⁺ + H₂O [Be(H₂O)₃(OH)]⁺ + H₃O⁺

 다른 가수분해 화합물은 삼합체 이온인 [Be₃(OH)₃(H₂O)₆]³⁺을 포함한다. 수산화 베릴륨 Be(OH)₂은 생명체 내의 pH인 pH 6이하의 산성 용액에서도 녹지 않는다. 수산화 베릴륨은 양쪽성이고 알칼리 용액에 매우 잘 녹는다.

 베릴륨은 많은 비금속 원소와 2원소 화합물을 형성한다. BeF₂는 코너에 BeF₄를 포함한 실리카와 비슷한 구조를 가진다. BeCl₂와 BeBr₂는 끝이 tetrahedral 구조인 사슬 구조를 가진다. 모든 할로젠화 베릴륨은 기체상에서 선형 단분자 구조를 가진다.

 산화 베릴륨 BeO는 하얀색의 열에 강한 고체로, 섬유아연석(wurtzite) 결정 구조를 가지고 다른 금속만큼 높은 열전도성이 있다. BeO 역시 양쪽성 물질이다. 베릴륨의 염은 Be(OH)₂와 산을 사용해서 생성한다. 베릴륨 황화물(BeS)와 베릴륨 셀렌화물(BeSe), 베릴륨 텔루륨화물(BeTe)이 알려져있고 모두 Zincblende 구조를 가진다.

베릴륨 질화물 Be₃N₂ 은 높은 녹는점을 가진 화합물로 쉽게 가수분해된다. 베릴륨 아자이드 BeN₆가 존재하고, 베릴륨 인화물(Be₃P₂)은 Be₃N₂ 와 비슷한 구조를 가진다. 염기성 베릴륨 질화물과 베릴륨 아세테이트는 비슷한 사면체 구조를 가지는데 네 꼭지점에 베릴륨 원자가 있고 중심에 산화 이온이 있다. 베릴륨 붕소화물도 여러가지가 알려져있는데 Be₅B, Be₄B, Be₂B, BeB₂, BeB₆, BeB₁₂ 가 있다. 베릴륨 탄화물 Be₂C는 내열성의 빨간색 화합물인데 물과 반응하여 메탄을 발생시킨다. 베릴륨 실리콘화합물은 알려진 것이 없다. 

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역사

 일찍이 에메랄드와 녹주석의 분석을 하면 두 광물이 비슷한 원소로 이루어져있었는데, 두 광물 모두 알루미늄 규산염이 있다는 잘못된 결론에 이르렀다. 광물학자 아유이(René Just Haüy)가 두 광물이 매우 유사하단 것을 밝혀냈고, 화학자 보클랭(Louis-Nicolas Vauquelin)에게 화학 분석을 부탁하였다. 보클랭은 알루미늄 수화물에 알칼리를 더해 베릴륨으로부터 알루미늄을 분리하였다. 보클랭은 이 새로운 원소의 이름을 베릴륨 화합물이 단맛을 낸다고 하여 Glucinum 이라고 지었다.

뵐러(Friedrich Wöhler)와 뷔시(Antoine Bussy)는 1828년 독자적으로 금속 포타슘과 염화 베릴륨의 반응을 통해 베릴륨을 분리하였다.

BeCl₂ + 2 K → 2 KCl + Be

어원

베릴륨Beryllium은 많은 언어로부터 유래했는데 라틴어 Beryllus, 프랑스어 Béry, 그리스어 βήρυλλος를 토함한다. 뜻은 전부 '창백해진다'는 것으로 녹주석 광물이 창백함, 연함을 언급하는 것이다. 베릴륨은 또다른 이름인  glucinium(글루시늄)또는 glucinum(글루시넘)과 화학기호 Gl을 가졌었다.