베릴륨

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베릴륨(4Be)
4 LiBeB


Be

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리버모륨 (미확정)
우눈셉튬 (미확정)
우누녹튬 (미확정)
육방정계
4 전자 껍질
4Be
일반적 성질
, 주기, 구역 2족, 2주기, s-구역
화학 계열 알칼리 토금속
겉보기 금속성의 밝은 회색
Be,4.jpg
원자 질량 9.012182(3) g/mol
전자 배열 1s2 2s2
준위전자 2, 2
베릴륨의 전자껍질 (2, 2)
물리적 성질
상태 고체
밀도 (실온) 1.85 g·cm−3
액체 밀도 (녹는점) 1.690 g·cm−3
녹는점 1560 K
끓는점 2742 K
융해열 7.895 kJ/mol
기화열 297 kJ/mol
열용량 (25 °C) 16.443 J/(mol·K)
증기압
압력(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
온도(K) 1462 1608 1791 2023 2327 2742
원자의 성질
산화수 2
(양쪽성 산화물)
전기 음성도 1.57 (폴링 척도)
이온화 에너지 1차: 899.5 kJ/mol
2차: 1757.1 kJ/mol
3차: 14848.7 kJ/mol
원자 반지름 105 pm
원자 반지름 (계산) 112 pm
공유 반지름 90 pm
그 밖의 성질
결정 구조 육방정계
자기적 질서 반자성
전기저항률 (20 °C) 35.6 nΩ·m
열전도율 (300 K) 200 W/(m·K)
열팽창계수 (25 °C) 11.3 µm·m−1·K−1
음속 (막대) (실온) 12870 m/s
영률 287 GPa
전단 탄성 계수 132 GPa
푸아송 비 0.032
모스 굳기 5.5
비커스 굳기 1670 MPa
브리넬 굳기 600 MPa
CAS 등록번호 7440-41-7
주요 동위 원소
동위체 존재비 반감기 DM DE
(MeV)
DP
7Be 합성 53.12d ε - 7Li
γ 0.477 -
9Be 100% 안정
10Be 미량 1.51×106y β- 0.556 10B
동위 원소 목록

베릴륨(←영어: beryllium 버릴리엄[*], 문화어: 베릴리움←독일어: Beryllium 베릴리움[*])은 알칼리 토금속에 속하는 화학 원소로 기호는 Be(←라틴어: beryllium 베릴리움[*])이고 원자 번호는 4이다. 실온에서 가볍고 단단하며 부서지기 쉬운 은회색의 금속으로 존재한다. 2가 양이온이 되려는 경향이 있고 자연에서는 순수한 형태로 발견되지 않으며, 주로 녹주석, 금록석 등에서 산출된다. 우주에서는 항성 핵합성에 의해 생성된 베릴륨의 수명이 짧으므로 그 존재 비율이 매우 작다.

베릴륨은 알루미늄, 구리, , 니켈 등의 금속과 혼합하여 합금을 만들면 여러 가지 물리적 성질이 향상되는 효과를 볼 수 있다. 또한, 비중이 1.85로 가볍고 단단한데다가 열 전도율이 높아 미사일, 우주선, 인공위성 등 항공우주 분야와 전기·전자, 원자력, 합금 등에 사용된다.[1]

특성[편집]

화학적 특성[편집]

베릴륨 화합물은 2족 원소의 화합물이 보통 이온 결합 물질인 것과는 다르게 공유 결합 물질로 간주된다. 이는 다른 알칼리 토금속에 비해 원자 반지름의 크기가 작은 것에 기인하며,[2] 같은 이유로 2족 원소의 산화물은 보통 염기성을 띠는 반면, 산화 베릴륨(BeO)은 양쪽성 물질로 작용한다. 이러한 성질은 같은 2족 원소들보다 3족 원소인 알루미늄에 더 가까우며, 이는 베릴륨과 알루미늄에서 전하량과 원자 반지름의 비율이 비슷하기 때문이다.[2] 공기 중에서 반응할 경우, 표면에 산화 피막이 형성되어 1000℃ 이상으로 가열될 때까지 반응하지 않으며, 발화하면 밝은 빛을 내면서 질화 베릴륨(Be3N2)과 산화 베릴륨이 생성된다.[3] 고온에서는 할로젠, , 암모니아, 탄소 등과 반응하여 화합물을 형성하며, 이 밖에 , 셀레늄, 텔루륨과의 화합물과 다양한 붕화물(Be5B, Be4B, Be2B, BeB2, BeB6, BeB12)이 알려져 있다. 또, 염산이나 묽은 황산에는 쉽게 녹지만 저온의 진한 질산이나 에서는 표면에 산화 피막이 형성되므로 잘 반응하지 않으며, 알칼리성 용액에서는 Be(OH)42- 이온을 형성하고 수소 기체를 발생시키며 녹는다.[2][4]

베릴륨은 원자가 전자가 2개이며, 주로 +2의 산화수를 가진다. 따라서 주로 2개의 공유 결합을 형성하여 화학 반응에 참여한다. 옥텟 규칙에 따르면 원자들은 원자가 전자 8개를 채워 비활성 기체와 같이 안정한 상태로 되려는 경향이 있으나, 베릴륨은 착화합물에서 배위수가 4가 되려는 경향이 있는데, 이는 2개의 공유 결합이 8개의 전자 중 절반을 채우기 때문이다.[2] 이러한 화학적 성질로 인해 베릴륨 화합물은 고분자의 형태를 가질 수 있다.

대표적인 화합물로는 BeO, Be(OH)2, 녹주석(Be3Al2(SiO3)6) 등이 있다.

물리적 특성[편집]

베릴륨은 실온에서 은회색의 단단한 금속으로, 육방 밀집 구조결정 구조를 가지고 있다.[2] 전성연성이 낮고 부서지기 쉬우나, 강도가 크고 탄성 계수가 강철의 1.33배 정도로 뛰어나며[5] 비중은 1.85로 비교적 낮은 밀도를 가진다. 열 전도율은 216 W·m−1·K−1로 비교적 높은 반면 열팽창률은 11.3 µm·m−1·K−1로 낮아 다양한 분야에서 사용된다.

또, 알파 입자를 충돌시켰을 때 아래 반응식과 같이 중성자를 방출하는 성질이 있다.

9Be + 4He → 12C + n

이러한 성질을 이용하여 알파 붕괴하는 원소들과의 혼합물이 중성자원으로 많이 사용된다. 그리고 다른 금속 원소들에 비해 X선감마선을 투과하는 능력이 월등히 뛰어나 X선관의 창을 만들 때도 사용된다.[5][4] 열중성자에 대한 흡수 단면적도 커서 원자로에서 중성자 감속재핵연료의 피복재로도 사용된다.

동위 원소[편집]

베릴륨의 동위 원소들은 모두 항성에서 생성되나, 수명이 길지는 않다. 현재 우주에 존재하는 대부분의 안정한 베릴륨은 성간물질에 있는 중원소들이 우주선과 상호작용하여 생성된 것으로 추정된다.[6] 생성된 베릴륨은 현재까지도 9Be의 한 가지 안정 동위 원소로만 이루어져 있으며, 7Be(반감기 약 53일), 10Be(반감기 약 140만 년)을 제외한 나머지 방사성 동위 원소들은 모두 반감기가 15초 미만이다.

미량 방사성 동위 원소10Be대기 중의 산소질소우주선 파쇄를 거침으로써 생성된다.[7][4] 10Be은 토양에 축적되며, 약 140만 년의 반감기를 거쳐 10B로 붕괴한다. 반응식은 아래와 같다.

10Be → 10B + e- + \overline{\nu}_e

10Be와 그 붕괴 생성물의 비율은 토양의 형성 및 침식, 라테라이트 연구, 태양 활동의 변화와 빙핵의 연대를 측정하는 데 사용된다.[8] 특히 태양 활동의 활동성과 10Be의 생성 비율은 반비례하는데, 이는 태양 활동이 활발한 동안 태양풍이 강해져 지구에 도달하는 우주선의 양을 감소시키기 때문이다.[7] 또, 고속의 중성자와 대기 중의 이산화 탄소에 일정 비율로 존재하는 13C과 반응할 때도 10Be이 생성되므로 과거에 행해진 핵실험의 증거가 될 수 있다.[4][9]

한편, 베릴륨은 최외각 전자가 아닌 가장 안쪽 전자껍질의 전자도 화학 결합에 참여할 수 있다. 반감기가 약 53.2일인 7Be은 미량 방사성 동위 원소이며, 10Be과 같이 태양 활동에 따라 그 양이 변한다. 이 동위 원소는 전자 포획을 통해 붕괴하는데 이 때 결합에 참여하는 원자 궤도를 도는 전자를 포획할 수 있다. 이러한 점 때문에 전자 배치에 따라 붕괴 속도가 달라지는 현상이 나타나는데, 이는 방사성 붕괴에서 매우 드문 현상이다.[10]

역사[편집]

베릴륨이 포함된 광물인 녹주석이집트 프톨레마이오스 왕조 이전부터 알려져 있던 것으로 추정된다.[11] 1798년에는 프랑스의 화학자 니콜라 루이 보클랭에메랄드녹주석을 비교, 분석하는 과정에서 베릴륨 염을 발견하고, 단맛이 난다는 사실을 밝혔다.[12][4] 이후 1828년에는 독일의 화학자 프리드리히 뵐러와 프랑스의 앙투안 뷔시가 각각 아래와 같은 화학 반응식처럼 염화 베릴륨(BeCl2)을 칼륨과 반응시켜 처음으로 순수한 베릴륨을 발견하였다.[13][14]

BeCl2 + 2 K → Be + 2 KCl

발견 당시 단맛을 내는 베릴륨 염에서 이름을 따 달다는 뜻의 그리스어 '글루코스(그리스어: γλυκος)'에서 유래한 글루시늄(Glucinium, 원소 기호: Gl)으로 명명되었으나, 1957년 녹주석(영어: beryl)의 이름을 딴 베릴륨으로 공식 변경되었다.

1932년에는 제임스 채드윅폴로늄에서 방출되는 알파 입자를 베릴륨 판에 충돌시킨 후에 방출되는 투과력이 강한 방사선파라핀에 쬐는 실험을 통해 중성자를 발견하였다.[5][15] 이후로는 알파 붕괴를 통해 붕괴하는 원소들과 베릴륨을 혼합하여 중성자원으로 사용하였으며, 1942년 엔리코 페르미가 최초로 제어된 핵분열 연쇄 반응을 일으킬 때도 알파 붕괴하는 라듐과 베릴륨을 섞은 중성자원이 사용되었다.[5]

존재[편집]

지구의 지각에는 약 2.8 ppm[16] 정도의 베릴륨이 포함되어 있으며, 그 중 토양에서 6 ppm[17] 정도로 가장 많이 축적되어 있다. 해수에는 0.0006 ppb 정도로 미량 포함되어 있으며,[16][18] 담수에는 0.1 ppb 정도 존재한다.[19] 대기 중에서도 극소량 발견된다.[7]

베릴륨은 100종류 이상의 광물에서 발견되나, 대부분은 희귀한 광물이다.[20] 주요 원료는 녹주석(Al2Be3(SiO3)6), 금록석(Al2BeO4), 페나카이트(Be2SiO4) 등이 있으며, 드물게 아쿠아마린이나 에메랄드 등으로 산출되는 경우도 있다.[21][22][23] 이들 광물이 띠는 색은 그 안에 포함된 소량의 크로뮴의 농도에 따라 달라진다.[7] 아르헨티나, 브라질, 인도, 마다가스카르, 러시아, 미국 등지에 많이 분포되어 있으며, 전 세계 베릴륨 광석의 매장량은 40만 톤 이상이다.[7] 인체에도 미량 포함되어 있다.[24]

이용[편집]

베릴륨은 항공우주, 원자력, 금속 공업, 세라믹 제조 등에 널리 사용되며, 합금의 형태로 치과용 재료, 전자 제품, 스포츠 용품, 휠체어 및 각종 도구를 제작하는 데 쓰인다.[25][1] 그러나 대부분 군사적으로 사용되는 것으로 추정되므로 관련 정보가 공개되지 않은 것도 있다.[26]

합금[편집]

베릴륨구리로 만든 도구

베릴륨은 구리니켈, 과 혼합하여 강도가 높은 합금을 만드는 데 사용된다. 구리에 베릴륨을 2% 가량 첨가하여 만든 베릴륨구리는 구리보다 강도가 약 6배 정도 커지고 내마모성 합금이기 때문에 내마모성이 필요한 강력 용수철, 자이로스코프, 가속도계, 항공기 엔진, 도구 등에 사용된다.[16][4] 특히 폭발의 위험이 있는 곳에서는 충격을 가해도 불꽃이 튀지 않는 도구를 사용해야 하는데, 베릴륨구리는 그 강도가 매우 커서 불꽃이 잘 튀지 않는다.[5]

니켈에 2% 정도의 베릴륨을 첨가한 베릴륨니켈은 용수철, 용접 도구, 클립, 전열기의 제작에 사용되며, 치과에서는 의치로도 사용된다.[16][4][1] 베릴륨 합금은 고속 항공기, 미사일, 인공위성, 우주선의 여러 가지 부품에 사용되며,[16][27][28] 자전거 프레임과 골프채 등 스포츠 용품에도 사용된다.[29][25] 또, 베릴륨은 마그네슘이나 합금 등 다른 금속의 산화 방지에도 이용되며,[5][2] 한때는 군용기의 브레이크에 사용되다가 환경오염 문제로 인해 다른 금속으로 대체되었다.[21]

원자력[편집]

베릴륨은 다른 중성자원에 비해 상대적으로 적은 양의 중성자를 발생시켜야 하는 실험에서 중성자원으로 쓰인다. 베릴륨의 유일한 안정 동위 원소베릴륨-9알파 입자와 충돌하면 중성자를 발생시키는 점을 이용한 것으로, 보통 알파 붕괴를 통해 붕괴하는 폴로늄, 라듐, 플루토늄, 아메리슘 등의 방사성 동위 원소를 사용한다. 베릴륨-9 원자핵과 알파 입자가 충돌하면 탄소-12 원자와 중성자가 생성되며, 그 반응식은 아래와 같다.

9Be + 4He → 12C + n

이러한 중성자원은 초기의 핵무기에 사용되기도 하였다.[30] 또, 베릴륨은 감마선을 쬘 때도 중성자가 방출되므로 감마 붕괴하는 방사성 동위 원소들과 함께 사용하여 중성자원으로 쓰기도 한다.[31]

베릴륨 화합물은 원자로에서 냉각재나 감속재로 사용되기도 한다. 플루오린화 베릴륨용융염 원자로에서 감속재, 냉각재, 용매의 성분으로 사용되며,[32] 산화 베릴륨(BeO)은 중성자 감속재로 사용된다.

전기·전자[편집]

베릴륨은 방열을 요하는 전자 회로에서 인쇄 회로 기판과 방열판으로 사용되며, 반도체 첨가물, 트랜지스터와 X선관의 창으로 사용되기도 한다.[1][7] 특히 산화 베릴륨은 절연체이면서도 열 전도율이 뛰어나며, 매우 단단하고 녹는점도 높아 고출력 트랜지스터와 라디오 송신기에 사용된다. 그리고 베릴륨은 가볍고 단단한 성질이 있어 고성능 스피커의 떨림판으로 이용된다.[4] 또, 베릴륨 화합물은 한때 형광등 제조에 사용되기도 했으나, 현재는 독성으로 인해 그 사용이 중단되었다.[33]

그 외[편집]

제임스 웹 우주 망원경에 사용되는 거울

위험성[편집]

베릴륨은 독성이 강하여 분말이 폐에 들어가면 심각한 폐질환을 일으키므로 주의하여 취합해야 한다.[25]

같이 보기[편집]

주석[편집]

  1. U.S. Department of Labor - Occupational Safety and Health Administration. Beryllium and Chronic Beryllium Disease.
  2. (1994) 《Concise Encyclopedia Chemistry》, trans. rev. Eagleson, Mary, Berlin: Walter de Gruyter
  3. (영어) Norman Greenwood, Alan Earnshaw (1997). 《Chemistry of the Elements》. Butterworth-Heinemann. ISBN 0080379419
  4. 박준우 (2011년 9월 7일). 단맛을 내는 독성이 큰 원소, 베릴륨.
  5. Encyclopaedia Britannica: 베릴륨. 2014년 10월 23일에 확인.
  6. Ekspong, G. (1992). 《Physics: 1981–1990》. World Scientific, 172 ff.쪽. ISBN 978-981-02-0729-8
  7. John Emsley. 《Nature's Building Blocks: An A–Z Guide to the Elements》. Oxford University Press.. ISBN 0-19-850340-7
  8. Beryllium: Isotopes and Hydrology. University of Arizona, Tucson.
  9. Whitehead, N; Endo, S; Tanaka, K; Takatsuji, T; Hoshi, M; Fukutani, S; Ditchburn, Rg; Zondervan, A (2008년 02월). A preliminary study on the use of (10)Be in forensic radioecology of nuclear explosion sites. 《Journal of environmental radioactivity》 99 (2): 260–70. PMID 17904707. doi:10.1016/j.jenvrad.2007.07.016.
  10. Johnson, Bill (1993). How to Change Nuclear Decay Rates. University of California, Riverside.
  11. (영어) Mary Elvira Weeks (1968). 《Discovery of the Elements》. Journal of Chemical Education
  12. Vauquelin, Louis-Nicolas (1798년). De l'Aiguemarine, ou Béril; et découverie d'une terre nouvelle dans cette pierre. 《Annales de Chimie》 26: 155–169.
  13. Wöhler, Friedrich (1828년). Ueber das Beryllium und Yttrium. 《Annalen der Physik und Chemie》 89 (8): 577–582. doi:10.1002/andp.18280890805. Bibcode1828AnP....89..577W.
  14. Bussy, Antoine (1828년). D'une travail qu'il a entrepris sur le glucinium. 《Journal de Chimie Medicale》 (4): 456–457.
  15. 김종권, 김성진, 김대규, 문연호. 《하이탑 고등학교 물리 I》. 두산동아
  16. It's Elemental - The Element Beryllium. Jefferson Lab.
  17. Merck contributors (2006). 《The Merck Index: An Encyclopedia of Chemicals, Drugs, and Biologicals》, 14th, Whitehouse Station, NJ, USA: Merck Research Laboratories, Merck & Co., Inc.. ISBN 0-911910-00-X
  18. Abundance in oceans. 《Mark Winter, The University of Sheffield and WebElements Ltd, UK》. WebElements.
  19. Abundance in stream water. 《Mark Winter, The University of Sheffield and WebElements Ltd, UK》. WebElements.
  20. Mindat search on Be.
  21. Behrens, V. (2003). 〈11 Beryllium〉, Beiss, P.: 《Landolt-Börnstein – Group VIII Advanced Materials and Technologies: Powder Metallurgy Data. Refractory, Hard and Intermetallic Materials》. Berlin: Springer, 1–11쪽. doi:10.1007/10689123_36. ISBN 978-3-540-42942-5
  22. (2009) 〈Sources of Beryllium〉, 《Beryllium chemistry and processing》, 20–26쪽. ISBN 978-0-87170-721-5
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  25. U.S. Department of Labor - Occupational Safety and Health Administration. Preventing Adverse Health Effects From Exposure to Beryllium on the Job.
  26. Petzow, Günter et al. "Beryllium and Beryllium Compounds" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2005, Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002/14356007.a04_011.pub2
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  28. Schwartz, Mel M. (2002). 《Encyclopedia of materials, parts, and finishes》. CRC Press, 62쪽. ISBN 1-56676-661-3
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  30. Barnaby, Frank (1993). 《How nuclear weapons spread》. Routledge, 35쪽. ISBN 0-415-07674-9
  31. Byrne, J. Neutrons, Nuclei, and Matter, Dover Publications, Mineola, NY, 2011, ISBN 0486482383, pp. 32–33.
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  35. (2004년) The Spitzer Space Telescope Mission. 《Astrophysical Journal Supplement》 154: 1. arXiv:astro-ph/0406223. doi:10.1086/422992. Bibcode2004ApJS..154....1W.
  36. Beryllium related details from NASA publisher =NASA. 2008년 5월 29일에 보존된 문서.

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