베릴륨

3. 특성

베릴륨은 강철 회색의 단단한 금속으로, 상온에서는 취성이 강하며 밀집육방정계 결정 구조를 갖는다.^[5] 뛰어난 강성(영률 287 GPa)과 1287°C의 녹는점을 지니며, 탄성률은 강철보다 약 35% 높다. 이러한 탄성률과 상대적으로 낮은 밀도의 조합은 베릴륨에서 비정상적으로 빠른 음속(일반적인 조건에서 약 12.9km/s)을 초래한다. 높은 비열(1925 J/(kg·K))과 열전도율(216W/(m·K))은 베릴륨을 단위 중량당 최고의 열 방출 특성을 가진 금속으로 만든다. 또한, 낮은 선형 열팽창 계수(11.4um/mK)와 결합하여 열 부하 조건에서 독특한 안정성을 제공한다.^[6]

1798년 루이-니콜라 보클랭은 베릴륨 화합물이 단맛을 갖는다는 점에 착안하여 "글루키늄(glucinium, 구 원소기호 Gl)"이라고 명명했다. (그리스어로 "단맛"을 의미하는 glykys에서 유래)^[128] 1828년 마르틴 하인리히 클라프로트는 녹주석(beryl, 그리스어로 beryllos)에서 유래한 "베릴륨"으로 명명했다.^[129][130]

베릴륨은 주기율표에서 2족 원소에 속하지만, 칼슘이나 스트론튬보다 13족 원소인 알루미늄과 성질이 유사하다.^[136] 염색 반응에서 칼슘이나 스트론튬은 발색하지만, 베릴륨은 무색이다.^[137] 따라서 베릴륨은 2족 원소이지만, 알칼리 토류 금속에는 포함시키지 않는 경우도 있다.^[138] 베릴륨의 이원 화합물 구조는 아연과도 유사하다.^[139]

베릴륨 원자의 전자배치는 [He]2s²이다. 원자 반지름이 작고 이온화 에너지가 커서 전하를 완전히 분리하기 어렵기 때문에 베릴륨 화합물은 공유 결합성을 갖는다.^[150] 베릴륨 이온은 크기가 작고 2+ 전하를 가지므로 파이언스의 법칙에 따라 공유 결합성이 생긴다.^[134] 2주기 원소에서 원자량이 커질수록 이온화 에너지가 증가하지만, 베릴륨은 붕소보다 이온화 에너지가 크다. 이는 베릴륨의 최외각 전자가 2s 궤도에 있고, 붕소는 2p 궤도에 있기 때문이다. 2p 궤도 전자는 s 궤도 전자에 의한 차폐 효과(유효 핵전하 참조)를 받아 이온화 에너지가 낮아진다.^[151]

베릴륨의 단체는 환원성이 매우 강하며, 표준 산화환원전위 E⁰는 -1.85 V이다.^[146] 알루미늄보다 이온화 경향이 크지만, 표면이 산화물 막(산화 피막)으로 덮여 부동태화되어 고온에서도 공기나 물과 반응하지 않는다. 그러나 점화되면 빛을 내며 연소하여 산화베릴륨과 질화베릴륨 혼합물이 생성된다.^[147]

일반적으로 베릴륨은 표면에 산화 피막이 있어 산에 대한 내성이 강하지만, 산화 피막을 제거한 순수한 베릴륨은 염산이나 묽은 황산과 같이 산화력이 없는 산에는 쉽게 용해된다. 질산과 같이 산화력이 있는 산에는 서서히 용해된다. 강알칼리에서는 옥소산 이온인 베릴륨산 이온(Be(OH)₄²⁻)을 형성하여 수소 기체를 발생시키면서 용해된다. 이러한 산과 알칼리에 대한 성질은 알루미늄과 유사하다.^[148]

3. 1. 물리적 특성

3. 2. 화학적 특성

3. 3. 핵적 특성

3. 4. 동위 원소

4. 존재

베릴륨은 지각에 약 2.8 ppm^[286], 토양에 약 6 ppm^[287], 해수에 0.0006 ppb^[286][288], 담수에 0.1 ppb^[289] 정도 존재한다. 100종류 이상의 광물에서 발견되나^[290], 대부분 희귀하다. 주요 원료는 녹주석(Al₂Be₃(SiO₃)₆), 금록석(Al₂BeO₄), 페나카이트(Be₂SiO₄) 등이며^{[291][292][293]}, 아쿠아마린이나 에메랄드 등으로 산출되는 경우도 있다.^{[291][292][293]} 아르헨티나, 브라질, 인도, 마다가스카르, 러시아, 미국 등지에 많이 분포되어 있으며, 전 세계 베릴륨 광석 매장량은 40만 톤 이상이다.^[277] 인체에도 미량 포함되어 있다.^[294]

5. 생산

베릴륨은 주로 녹주석(Be₃Al₂(SiO₃)₆)에서 추출하여 얻는다. 녹주석을 규불화 나트륨(Na₂SiF₆)과 함께 700 °C 이상으로 가열하면 수용성의 플루오린화 베릴륨(BeF₂)이 생성된다. 플루오린화 베릴륨은 다시 1,300 °C 이상에서 마그네슘으로 환원시키거나 수용액을 pH 12로 조절하여 수산화 베릴륨(Be(OH)₂)을 침전시켜 얻기도 한다.^[273][297] 마그네슘으로 환원시켜 얻을 경우의 반응식은 아래와 같다.

:BeF₂ + Mg → Be + MgF₂

한편, 수산화 베릴륨은 가열하면 산화 베릴륨(BeO)이 되며, 이것을 탄소와 염소와 반응시키면 염화 베릴륨(BeCl₂)이 생성된다. 이 물질을 염화 나트륨(NaCl)과 함께 용융시킨 후 전기분해하면 순수한 베릴륨을 얻을 수 있다.^[273][297]

산업 규모로 베릴륨 생산에 관여하고 있는 국가는 미국, 중국, 카자흐스탄 뿐이다.^[27] 카자흐스탄은 1991년경 소련 해체 이전에 비축된 농축물에서 베릴륨을 생산한다.^[28] 러시아의 베릴륨 생산은 1997년 중단되었고, 2020년대에 재개될 계획이다.^[29][30]

6. 이용

베릴륨은 항공우주, 원자력, 금속 공업, 세라믹 제조 등에 널리 사용되며, 합금 형태로 치과용 재료, 전자 제품, 스포츠 용품, 휠체어 및 각종 도구를 제작하는 데 쓰인다.^[298][314] 그러나 대부분 군사적으로 사용되는 것으로 추정되므로 관련 정보가 공개되지 않은 것도 있다.^[299]

베릴륨은 밀도가 낮고 원자량이 작아 X선 및 기타 전리 방사선에 대해 투과성을 나타내며, 이러한 특성을 이용하여 X선 장치나 입자 물리학 실험에서 X선 투과 창으로 사용된다.

베릴륨의 용도는 다음과 같이 다양하다.

6. 1. 합금

6. 2. 원자력

6. 3. 전기·전자

6. 4. 기타

• 산화 베릴륨은 세라믹 제조에 이용된다.^[286][314]
• 베릴륨은 가볍고 열팽창률이 낮아 반사 망원경의 거울에 사용된다. 대표적인 예로 제임스 웹 우주 망원경은 금이 도금된 육각형 베릴륨 거울 18개를 장착하였으며,^[307] 스피처 우주 망원경 또한 베릴륨 거울을 장착하였다.^[308][309]
• MRI 영상 장치에 들어가면 강한 자기장이 형성되므로 유지 및 제작에 이용된다.^[310]
• 베릴륨은 금속으로서 대부분의 파장의 X선과 감마선에 대해 투명하거나 반투명하여, X선관 및 기타 유사 장치의 출력 창에 유용하게 사용된다.^[9]

• 베릴륨은 소립자 물리학 실험 장치에서 고에너지 입자를 충돌시키는 장소 주변의 빔라인을 구축하기 위한 재료로 사용된다. 예를 들어, 거대 하드론 충돌기 실험에서 주요 4개의 검출기 모두 (ALICE 검출기, ATLAS 검출기, CMS 검출기, LHCb 검출기)와^[211] 테바트론, SLAC 국립 가속기 연구소에서 사용되고 있다.

• 지뢰와 같은 폭발물은 일반적으로 자기에 반응하여 폭발하는 자기 신관을 가지고 있기 때문에, 군의 지뢰 제거 작업에서는 비자성체인 베릴륨이나 그 합금으로 만든 도구를 사용한다.^[220] 이러한 도구는 또한 강력한 자기장을 발생시키는 자기공명영상(MRI) 기기 근처에서 사용되는 정비 도구나 건축 자재에도 사용된다.^[221]
• 베릴륨은 질량이 작고 강성이 높아 음향 재료에서 스피커의 진동판 등에 사용되고 있다. 베릴륨을 이용한 고음역 스피커 진동판으로 사용된 사례로는 야마하^[226]·파이오니아^[227] 등의 음향기기 제조업체 제품이 있다.
• 베릴륨 광물인 녹주석 중 상태가 좋은 것은 보석으로 사용된다.^{[145][237][238]} 녹주석에서 유래한 보석으로는, 불순물로 크롬을 포함하여 진한 녹색을 띠는 에메랄드, 2가의 철을 포함하여 청록색을 띠는 아쿠아마린, 3가의 철을 포함하여 황색을 띠는 골든 베릴, 망간을 포함하는 레드 베릴이나 모르가나이트 등이 있다.^[239][240]

7. 분석

베릴륨은 알칼리 토류 금속보다 알루미늄 등과 성질이 유사하여, 알루미늄, 철, 크롬, 희토류 원소 등과 같은 그룹으로 분석된다. 이들은 암모니아에 의한 알칼리성 조건에서 수산화물의 침전을 생성하기 때문에 암모니아족이라고 불린다.^[172]

베릴륨(Be)은 알칼리성 상태에서 모린과 반응시켜 노란색 형광을 관찰하여 정성 분석할 수 있다. 이 형광은 햇빛에서는 잘 보이지 않으므로, 자외선을 비춰 관찰한다. 베릴륨과 모린의 반응을 방해하는 이온이 없다면, 10⁻⁶의 비율에서도 강한 발색을 관찰할 수 있을 만큼 분석 감도가 높으며, 검출 한계는 0.02 ng (10⁻⁹ g)이다.^[173][174] 리튬이나 스칸듐, 다량의 칼슘이나 아연 등도 모린과 반응하여 형광을 나타내지만, 발광 강도가 약해 일반적으로 문제가 되지 않는다. 칼슘은 피로인산, 아연은 시안화물을 첨가하여 반응을 억제할 수 있다.^[173]

베릴륨은 암모니아에 의해 수산화물 침전을 생성하므로, 이를 이용해 중량 분석을 할 수 있다.^[175] 수산화물 침전은 pH 6.5~10에서 생성되며, 암모니아가 과잉되어 pH가 너무 높아지면 침전이 다시 녹는다.^[176] 얻어진 수산화물을 여과하고 세척한 후 강하게 가열하면 산화베릴륨이 되고, 그 무게를 측정하여 베릴륨 농도를 분석한다. 분석 시료 용액에 탄산염이나 이산화탄소가 포함되면 탄산베릴륨으로 용액에 남아 오차가 발생하고, 염화물이 잔류하면 염화베릴륨이 되어 휘발되므로 오차의 원인이 된다.^[175] 광석 등 다성분 시료에서 베릴륨을 분석할 때는 알루미늄이나 철 등의 성분을 분리해야 한다.^[177] 중탄산나트륨으로 처리하여 베릴륨을 수용성 탄산염으로 만들어 분리하거나,^[178] 규소를 많이 포함하는 경우 탄산나트륨을 이용한 알칼리 용융법을 사용한다.^[179] 이온 교환막법이나 수은 전극을 이용한 전기 분해 등도 이용된다.^[174]

용액 중 미량의 베릴륨 분석에는 전기로 가열 원자흡광 광도법(AAS) 또는 유도결합플라즈마 발광 분석법(ICP-AES), 유도결합플라즈마 질량 분석법(ICP-MS)이 사용된다. AAS의 흡수 파장은 234.9 nm이며, ICP-AES의 발광 파장은 313.042 nm이다. AAS에서는 시료 용액을 염산 또는 질산으로, ICP-AES 및 ICP-MS에서는 질산으로 산성으로 조정하여 분석한다. 해수와 같이 다른 염류를 많이 포함하는 시료는 EDTA와 아세틸아세톤을 사용하여 용매 추출법으로 베릴륨을 분리한다.^[180] 가장 감도가 높은 베릴륨 분석 방법은 트리플루오로아세틸아세톤을 사용하여 휘발성 베릴륨 착체로 만들어 가스크로마토그래피를 사용하여 분석하는 방법이 있으며, 1971년에 검출 한계 0.08 pg(10⁻¹² g)의 분석 정밀도가 보고되었다.^[181]

8. 위험성

인체에는 0.4ppb 정도의 미량의 베릴륨이 포함되어 있으나,^[294] 인체에 해가 될 정도의 양은 아니다.^[277] 그러나 베릴륨은 화학적으로 마그네슘과 비슷하여 체내의 효소에서 마그네슘을 치환하는데, 이로 인해 효소가 제 기능을 수행하지 못하므로 독성을 띤다.^[275][277] 국제 암 연구 기관(IARC)은 베릴륨과 그 화합물을 1급 발암물질로 규정했다.^[312]

1933년 유럽에서 최초로 보고된 베릴륨증은^[313] 주로 고농도의 베릴륨에 노출되었을 경우에 발생한다.^[313] 베릴륨증은 폐와 순환계에 악영향을 미치며, 특히 폐에 들어가면 폐부종, 폐암 등의 심각한 폐 질환을 일으킨다.^[314][315] 유육종증과 여러 면에서 유사하여 감별 진단이 어렵다.^[298] 베릴륨증은 베릴륨에 노출되더라도 여러 달 정도의 기간을 두고 일어나지만 아예 증상이 나타나지 않는 경우도 있다.^[298] 주로 베릴륨을 포함하는 먼지나 매연 등을 호흡기를 통해 직접 흡입하는 것이 원인이며, 피부나 눈에 노출되어도 염증이 생길 수 있다.^[311]

베릴륨이 발견된 이후 초기 화학자들은 베릴륨 화합물의 단맛을 이용하여 직접 맛을 보아 확인하였으나, 이는 매우 위험한 방법이다.^[286]

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