เบริลเลียม

เดิม Louis-Nicolas Vauquelin ตั้งชื่อว่า กลูซิเนียม ( สัญลักษณ์อดีด Gl, glucinium ) มาจากภาษากรีก glykys แปลว่า “หวาน” เนื่องจากสารประกอบเบริลเลียมมีความหวาน ในปี ค.ศ. 1828 Martin Heinrich Klaproth ตั้งชื่อว่า เบริลเลียม ตามชื่อแร่ เบริล ( Beryl, ภาษากรีก Beryllos )

ในการวิเคราะห์ช่วงแรก แร่เบริลกับมรกตพบสารที่คล้ายคลึงกัน จึงสรุปผิดเป็นอะลูมิเนียมซิลิเคต และนักแร่วิทยา René Just Haüy พบว่าแร่สองชนิตนี้มีโครงสร้างผลึกที่คล้ายกันมาก จึงพบนักเคมี Louis-Nicolas Vauquelin เพื่อวิเคราะห์แร่ทางเคมี  ในปี ค.ศ. 1797 Vauquelin แยกสารประกอบเบริลเลียมออกจากอะลูมิเนียมโดยนำแร่เบริลปฏิกิริยากับเบสจนเกิดการหลอมเหลวของอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์^[6]

ปี ค.ศ. 1828 Friedrich Wöhler^[7] และ Antoine Busy^[8] ต่างก็สามารถแยกธาตุเบริลเลียมด้วยวิธีปฏิกิริยาโลหะโพแทสเซียมกับเบริลเลียมคลอไรด์

${\displaystyle {\ce {BeCl2 + 2K -> 2KCl + Be}}}$

วิธีนี้สามารถสร้างได้แค่เม็ดโลหะเบริลเลียมขนาดเล็กเนื่องจากผลิตโพแทสเซียมด้วยวิธีการแยกด้วยไฟฟ้าจากสารประกอบโพแทสเซียมจึงไม่สามารถสร้างแท่งโลหะเบริลเลียมด้วยวิธีหล่อหรือวิธีตีรูป^[9] ปี ค.ศ. 1898 Paul Lebeau เก็บตัวอย่างโลหะเบริลเลียมบริสุทธิ์ด้วยวิธีการแยกด้วยไฟฟ้าของสารละลายเบริลเลียมฟลูออไรด์และโซเดียมฟลูออไรด์ ^[10]ในศตวรรษที่ 19 เมื่อพบสารประกอบเบริลลียมใหม่ นอกจากรายงานจุดหลอมเหลวกับค่าการละลายแล้วยังรายงานรสชาติเป็นเรื่องปกติ^[11]

การผลิตเบริลเลียมมีตั้งแต่ก่อนสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง แต่เริ่มผลิตปริมาณมากในต้นทศวรรษ 1930 ปริมาณผลิตของเบริลเลียมเพิ่มมากขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองเนื่องจากความต้องการของโลหะผสมเบริลเลียมที่แข็งแรงและสารเรืองแสงบนหลอดฟลูออเรสเซนต์เพิ่ม หลอดฟลูออเรสเซนต์ช่วงแรกใช้สารออร์โทซิงค์ซิลิเคตที่ผสมเบริลเลียมแต่หลังจากพบความเป็นพิษ ใช้สารประเภทฮาโลฟอสเฟตเป็นสารเรืองสารแทน^[12] การใช้เบริลเลียมในช่วงแรกยังใช้เป็นเบรกของเครื่องบินทหารเนื่องจากมีความแข็ง จุดหลอมแหลวสูง และมีความสามารถในการระบายความร้อนสูง แต่ด้วยการคำนึงถึงสิ่งแวดล้อมจึงแทนเป็นวัสดุอื่น ๆ^[13]

เบริลเลียมผลิตจากแร่ธาตุอย่างแร่เบริล แร่เบริลเป็นแร่รัตนชาติที่มีชื่อเรียกอื่นว่า อะความารีน และ มรกต ตามสีที่เกิดจากสิ่งเจือปนในแร่ โครงสร้างผลึกที่เสถียรสุดในอุณหภูมิและความดันปกติคือ Hexagonal close-packed โลหะบริสุทธิ์มีสีเทาขาว และเมื่ออยู่ในอากาศจะเกิดชั้นออกไซด์ ทำให้อยู่อย่างเสถียร มีค่าความแข็งในระดับ 6 ถึง 7 ในมาตราโมสซึ่งแข็งและเปราะในอุณหภูมิห้อง และเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความเหนียวจะเพิ่มขึ้น สามารถละลายในทั้งสภาวะกรดและเบส ไอโซโทปที่เสถียรของเบริลเลียมไม่ได้สังเคราะห์ด้วยการสังเคราะห์นิวเคลียสในดาวฤกษ์แต่สังเคราะห์จากการแตกเป็นเสี่ยงโดยรังสีคอสมิกของธาตุหนักอย่างคาร์บอนและไนโตรเจน

ในตารางธาตุ เบริลเลียมจัดอยู่ในธาตุหมู่ 2 แต่มีสมบัติคล้ายกับอะลูมิเนียมที่อยู่ในธาตุหมู่ 13 มากกว่าแคลเซียมและสตรอนเซียมที่อยู่ในหมู่เดียวกัน ยกตัวอย่างเช่น แคลเซียมและสตรอนเซียมเมื่อตรวจสีเปลวไฟจะมีสีแต่เบริลเลียมไม่มีสี^[14] จึงมีบางครั้งไม่จัดเบริลเลียมอยู่ในธาตุโลหะแอลคาไลน์เอิร์ท ถึงแม้จัดอย่ในธาตุหมู่ 2 นอกจากนั้นสารประกอบไบนารีของเบริลเลียมมีโครงสร้างคล้ายกับของสังกะสี

สมบัติทางกายภาพ

เบริลเลียมมีไอโซโทปที่เสถียรอยู่ 2 ไอโซโทป และในอุณหภูมิและความดันปกติ ( ที่อุณหภูมิและความดันปกติมาตรฐาน ) มีโครงสร้างผลึกที่เสถียรที่สุดคือ Hexagonal close-packed ซึ่งมีค่าคงที่แลตทิซเป็น a=2.268Å, b=3.594Å เมื่ออยู่ในสภาวะอุณหภูมิสูง โครงสร้างผลึกแบบ Body-centered cubic จะเสถียรมากที่สุด มีค่าความแข็งในระดับ 6 ถึง7 ^[15]ในมาตราโมสเป็นค่าที่แข็งสุดในธาตุหมู่ 2 แต่เปราะจนสามารถทำเป็งผงโดยการทุบตีได้ อย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นความเหนียวจะเพิ่มขึ้น จึงมีความสามารถทางเครื่องกลสูง เหมาะสำหรับการใช้ในงานที่อุณหภูมิสูงอย่างเตาปฏิกรณ์ฟิวชั่น แต่ใช้ในงานเช่นนี้ กรณีอุณหภูมิต่ำกว่า 400°C สมบัติความเหนียวจะต่ำลงถึงขั้นมีปัญหาในการใช้งาน ความถ่วงจำเพาะเท่ากับ 1.816 จุดหลอมเหลวเท่ากับ 1,284°C จุดเดือดเท่ากับ 2,767°C

เบริลเลียมมีค่ามอดูลัสของยังเท่ากับ 287GPa เป็นค่าที่มากกว่าค่ามอดูลัสของยังของเหล็กถึง 50 ดังนั้นมีความทนทานต่อการหักงอสูง ค่ามอดูลัสของยังที่สูงแสดงถึงความแข็งแกร่งของเบริลเลียมดีมาก และมีความเสถียรสูงในสภาวะที่ภารทางความร้อนมากจึงนิยมใช้เป็นชิ้นส่วนโครงสร้างของยานอวกาศและอากาศยาน นอกจากนั้นค่ามอดูลัสของยังที่สูงและเบริลเลียมมีความหนาแน่นค่อนข้างต่ำ ทำให้สมบัติการนำเสียงสูงถึงประมาณ 12.9 กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งค่านี้เปลี่ยนแปลงตามสิ่งแวดล้อม จากสมบัตินี้นิยมใช้เป็นแผ่นสั่นของลำโพงหรือเครื่องเสียงอื่น ๆ^[16]

สมบัติทางเคมี

ธาตุเบริลเลียมมีความสามารถในการปฏิกิริยารีดักชันสูง ศักยภาพการเกิดรีดักชันE₀มีค่าเท่ากับ -1.85V ซึ่งค่านี้เกิดจากแนวโน้มเกิดเป็นไอออนที่สูงกว่าอะลูมิเนียมจึงคาดว่ามีความสามารถในปฏิกิริยา แต่พื้นผิวจะเกิดชั้นออกไซด์ที่เสถียรจึงไม่เกิดปฏิกิริยากับน้ำและออกซิเจน แต่เมื่อเกิดปฏิกิริยาแล้วจะเกิดปฏิกิริยาเผาไหม้และได้สารผสมเบริลเลียมออกไซด์และเบริลเลียมไนไตรด์^[17]

เบริลเลียมที่มีชั้นออกไซด์จะมีความต้านทานกับกรด แต่เมื่อเบริลเลียมที่เอาชั้นออกไซด์ออกแล้วปฏิกิริยากับกรดที่มีความสามารถในการออกซิเดชันน้อยจะเกิดปฏิกิริยาอย่างรวดเร็ว ถ้าปฏิกิริยากับกรดที่มีความสามารถในการออกซิเดชันมากจะปฏิกิริยาช้า และปฏิกิริยากับเบสแก่จะเกิดไอออน${\displaystyle {\ce {[Be(OH)4 ]^2-}}}$ และแก๊สไฮโดรเจน ซึ่งมีสมบัติคล้ายกับอะลูมิเนียม^[18] เบริลเลียมยังสามารถปฏิกิริยากับน้ำเกิดไฮโดรเจนและเบริลเลียมไฮดรอกไซด์ ซึ่งเบริลเลียมไฮดรอกไซด์มีค่าการละลายต่ำและติดกับผิวเบริลเลียมจึงไม่เกิดปฏิกิริยาต่อเมื่อเบริลเลียมบริเวณพื้นผิวปฏิกิริยาทั้งหมด

การจัดเรียงอิเล็กตรอนของเบลิเลียมคือ[He]2s² เบริลเลียมมีพลังงานไอออไนเซชันสูงเมื่อเทียบกับขนาดอะตอม เบริลเลียมจึงยากที่จะเกิดเป็นไอออนและทำให้สารประกอบของเบริลเลียมเกิดพันธะโคเวเลนต์^[19] สาเหตุอีกอย่างคือเกิดจากความหนาแน่นประจุสูง จากFajans' rules ไอออนบวกที่ขนาดเล็กและมีความหนาแน่นประจุสูงจะดึงเวเลนซ์อิเล็กตรอนของไอออนบวก ( เรียกว่าโพลาไรซ์ ) ทำให้เกิดพันธะโคเวเลนต์ เบริลเลียมมีขนาดเล็กและมีประจุ 2+ จึงเกิดพันธะโคเวเลนต์^[20] ธาตุในคาบที่ 2 มีแนวโน้มของพลังงานไอออไนเซชันตามมวลอะตอม แต่เบริลเลียมมีพลังงานไอออไนเซชันสูงกว่าโบรอนที่มีมวลมากกว่า สาเหตุเกิดจากเวเลนซ์อิเล็กตรอนของเบริลเลียมอยู่ในออร์บิทัล2s และเวเลนซ์อิเล็กตรอนของโบรอนอยู่ในออร์บิทัล2p อิเล็กตรอนในออร์บิทัล2pจะรับผลกระทบจากปรากฏการณ์การบังของอิเล็กตรอน(Shielding effect)ทำให้พลังงานไอออไนเซชันของอิเล็กตรอนในออร์บิทัล2pลดลง แต่อิเล้กตรอนในออร์บิทัล2sจะไม่ได้รับผลกระทบจากปรากฏการดังกล่าวจึงมีพลังงานไอออไนเซชันมากกว่าอิเล็กตรอนในออร์บิทัล2p เป็นสาเหตุที่เบริลเลียมมีพลังงานไอออไนเซชันมากกว่าโบรอน^[21]

สารเชิงซ้อนโคออร์ดิเนชันหรือไอออนเชิงซ้อนโคออร์ดิเนชันของเบริลเลียมส่วนใหญ่เกิด4พันธะโคออร์ดิเนตโคเวเลนต์ ยกตัวอย่างเช่น ${\displaystyle {\ce {[Be(H2O)4]^2+}}}$ , ${\displaystyle {\ce {[BeX4]^2-}}}$ EDTAจะเกิดเป็นลิแกนด์ของเบริลเลียมเกิดสารเชิงซ้อนทรงแปดหน้ามากกว่าลิแกนด์อื่นๆจึงนิยมใช้ในการวิเคราะห์สาร เช่น เมื่อเติมEDTAลงในสารเชิงซ้อนอะซิติลอะซิโตนกับเบริลเลียม EDTAจะเกิดสารเชิงซ้อนแทนที่อะซิติลอะซิโตนและอะซิติลอะซิโตนจะหลุดออก สามารถสกัดเบริลเลียมด้วยสารละลายได้ วิธีนี้อาจจะถูกรบกวนโดยไอออนบวกอื่นๆเช่นAl^3+[22]

• ใช้ในหลอดไฟเรืองแสง
• สปริงนาฬิกาซึ่งต้องต้านอำนาจแม่เหล็ก และรับแรงแปรอยู่ตลอดเวลานั้น ทำจากทองแดงผสมเบริลเลียม (Beryllium-Coppers Alloys)
• โลหะผสมนิกเกิล–เบริลเลียม (Ni-Be Alloys) แข็งมาก ทนการกัดกร่อนได้ดี ใช้ทำเครื่องมือผ่าตัด
• ใช้เป็นประโยชน์และวัตถุโครงสร้างของเท็คโนโลยีทางอวกาศ
• ใช้เป็นตัวโมเดอเรเตอร์ (moderator) และ reflector ในเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์
• ใช้ทำหน้าต่างพิเศษสำหรับหลอดรังสี -X
• โลหะเจือ Be–Cu ใช้เติมในเชื้อเพลิงจรวด

เมื่อร่างกายได้รับเบริลเลียมจะมีความอันตรายจึงเป็นอุปสรรคต่อใช้ในเชิงพาณิชย์ เบริลเลียมมีการกัดกร่อนเนื้อเยื่อจนเกิดโรคเบริลเลียมเรื้อรังที่อันตรายถึงเสียชีวิต

ผลกระทบต่อร่างกาย

เบริลเลียมเป็นสารที่มีความอันตรายสูง ก่อโรคร้ายแรงต่อบริเวณปอดที่รู้จักกันในชื่อ Berylliosis โรคเบริลเลียมเรื้อรัง เบริลเลียมเป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิตในน้ำและเป็นสารกัดกร่อนเนื้อเยื่อ เมื่อสูดดมสารประกอบที่ลาลายได้จะก่อโรคเบริลเลียมเฉียบพลันเป็นโรคกลุ่มปอดบวมทางเคมีเมื่อสัมผัสกับผิวโดยตรงเกิดอักเสบ

โรคเบริลเลียมเรื้อรัง (CBD) มีระยะฟักตัวตั้งแต่อาทิตย์ถึง 20 ปี อัตราเสียชีวิต 37%^[23]และถ้าเป็นหญิงตั้งครรภ์จะมีอัตรามากกว่า โดยทั่วไปแล้วโรคเบริลเลียมเรื้อรังเป็นโรคภูมิต้านตนเอง คาดมีคนที่รู้สึกโรคได้ต่ำกว่า 5% กลไกเกิดโรคคือ เบริลเลียมส่งผลต่อการทำงานของเอนไซม์ทำให้ยับยั้งการแบ่งเซลและเมแทบอลิซึม โรคโรคเบริลเลียมเรื้อรังมีอาการคล้ายกับโรค Sarcoidosis จึงแยกโรคนี้เป็นสำคัญต่อการวินิฉัยโรค

โดยทั่วไปแล้วโรคเบริลเลียมเฉียบพลันเป็นโรคปอดบวมทางเคมี มีกลไกเกิดโรคที่แตกต่างจากโรคเบริลเลียมเรื้อรังมีนิยามว่าเป็น "โรคปอดที่เกิดจากเบริลเลียมใน 1 ปี" และปริมาณเบริลเลียมที่ได้รับกับความหนักของอาการมีความสัมพันธ์กัน ทราบว่าเกิดโรคเมื่อมีความเข้มข้นเบริลเลียมสูงกว่า 1000μg/m³และ ไม่เกิดโรคเมื่อต่ำกว่า 100μg/m³

ปัจจุบันจำนวนผู้ป่วยโรคโรคเบริลเลียมเฉียบพลันลดลงเนื่องจากมีการแก้ไขสภาพแวดล้อมการทำงานและตั้งเกณฑ์ แต่ยังเกิดโรคเบริลเลียมเรื้อรังจำนวนมากในอุตสาหกรรมที่ใช้เบริลเลียม พบว่ามีผู้ป่วยโรคในโรงงานที่รักษาเกณฑ์และคนที่ไม่ได้อยู่ในโรงงานยังได้รับเบริลเลียมจากการเผาผลาญเชื้อเพลิงฟอสซิล

องกรณ์ IARC ภายใต้ WHO ประกาศว่าเบริลเลียมและสารประกอบเบริลเลียมเป็นสารก่อมะเร็ง (Type1)^[24] สำนักงานประเมินความอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและอนามัยรัฐแคลิฟอร์เนีย(OEHHA)ได้คำนวณค่าเกณฑ์ความปลอดภับว่า 1μg/L และหน่วยงานสารพิษและทะเบียนโรคได้คำณวนเกณฑ์ความเสี่ยงต่ำสุดเท่ากับ 0.002 mg/kg/วัน^[25] เบริลเลียมไม่ได้เมตาบอลิซึมในร่างกายจึงเมื่อเข้าไปแล้วถ่ายออกได้น้อยและส่วนใหญ่สะสมในกระดูกและถ่ายออกทางปัสสวะ^[26]

ประวัติศาสตร์โรคเบริลเลียม

ค.ศ. 1933 มีรายงานว่าปอดบวมทางเคมีครั้งแรกที่เยอรมนี และต่อมา ค.ศ. 1946 มีรายงานโรคเบริลเลียมเรื้อรังที่สหรัฐอเมริกา โรคนี้พบมากในโรงงานผลิตหลอดฟลูออเรสเซนต์และโรงงานสกัดเบริลเลียมใน ค.ศ. 1949 จึงยกเลิกใช้เบริลเลียมในการผลิตหลอดฟลูออเรสเซนต์^[27]และต้นทศวรรษ 1950 มีการตั้งเกณฑ์ความเข้มข้นสูงสุดเป็น 25μg/m³ มีการแก้ไขสภาพแวดล้อมดังกล่าว จำนวนผู้ป่วยโรคเบริลเลียมเฉียบพลันลดลงอย่างรวดเร็วแต่ยังมีการใช้เบริลเลียมในอุตสาหกรรมนิวเคลียร์และอากาศยานและยานอวกาศ โลหะผสม การผลิตอุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกส์ค.ศ. 1952 สหรัฐอเมริกาเริ่มมีระบบจดทะเบียนโรคเบริลเลียมและก่อนปี ค.ศ. 1983 ได้จด 888 อาการ ในระบบนี้มีเกณฑ์วินิฉัย 6 เกณฑ์และถ้าตรงกับ 3 เกณฑ์จะถูกวินิฉัยเป็นโรคเบริลเลียมเรื้อรัง ในปี ค.ศ. 2001 ใช้เกณฑ์ที่ 3 เกณฑ์คือตรวจสอบทางจุลพยาธิวิทยาโดยการตัดเนื้อเยื่อในปอดและตรวจ ตรวสสอบ lymphocyte blast–transformation และตรวจระยะเวลาที่อยู่กับเบริลเลียม

เบริลเลียมนิยมใช้เป็นสารเร่งปฏิกิริยานิวเคลียร์ในระเบิดปรมณูจึงมีนักวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาระเบิดปรมณูหลายคนเสียชีวิตด้วยโรคเบริลเลียมเช่น นักฟิสิกส์สหรัฐอเมริกา Herbert L. Anderson ที่เกี่ยวข้องกับโครงการแมนฮัตตัน^[28]

ความสามารถการระเบิด

เบริลเลียมมีชั้นออกไซด์ห่อหุ้มจึงเป็นโลหะที่ไม่ว่องไวต่อปฏิกิริยา แต่มีสมบัติที่เมื่อเกิดติดไฟแล้วจะเผาไหม้ได้อย่างรวดเร็วจึงมีความเสี่ยงต่อเกิดการระเบิดฝุ่นเมื่อมีผงเบริลเลียมกระจายในอากาศ

• ATSDR Case Studies in Environmental Medicine: Beryllium Toxicity U.S. Department of Health and Human Services
• It's Elemental – Beryllium
• MSDS: ESPI Metals
• Beryllium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• National Institute for Occupational Safety and Health – Beryllium Page
• National Supplemental Screening Program (Oak Ridge Associated Universities)

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับ เบริลเลียม

^[1]