બેરિલિયમ

બેરિલિયમ : આવર્તક કોષ્ટકના 2જા (અગાઉના IIA) સમૂહનું રાસાયણિક ધાતુતત્વ. સંજ્ઞા Be. તેના કોઈ સ્થાયી સમસ્થાનિકો નથી. બાંધકામ માટે ઉપયોગી તેવી તે હલકામાં હલકી ધાતુ છે અને તેની ઘનતા ઍલ્યુમિનિયમ કરતાં ત્રીજા ભાગની છે. બેરિલિયમની મુખ્ય ખનિજ બેરિલ (beryl) અને ઍલ્યુમિનિયમની ખનિજ એલ્યુમિનાના ગુણધર્મોમાં સામ્ય હોવાથી લાંબા સમય સુધી બેરિલિયમનાં સંયોજનોને ભૂલથી ઍલ્યુમિનિયમનાં સંયોજનો ગણવામાં આવતાં હતાં. 1798માં વોક્વેલિને બેરિલ ખનિજનો અભ્યાસ કરી તેમાં રહેલા તત્વને તેના ગળ્યા સ્વાદને કારણે ‘ગ્લુસિનિયમ’ નામ આપ્યું હતું. 1828માં વૉહલર અને બુસીએ એકબીજાથી સ્વતંત્ર રીતે બેરિલિયમ ક્લૉરાઇડનું પોટૅશિયમ ધાતુ વડે અપચયન કરી બેરિલિયમ ધાતુ મેળવી હતી. તેની મુખ્ય ખનિજ બેરિલ ઉપરથી વૉહલરે તત્વનું નામ બેરિલિયમ આપ્યું હતું. 1898માં ફ્રેન્ચ રસાયણવિદ્ લેબ્યુએ વિદ્યુતવિભાજન દ્વારા 99.5 %થી 99.8 % શુદ્ધ ધાતુ મેળવી હતી.

પ્રાપ્તિસ્થાન અને ખનિજો : કુદરતમાં ઘણી (લગભગ 50 જેટલી) ખનિજોમાં બેરિલિયમ મળી આવે છે. જોકે નિયમિત ઘટક હોય તેવી તો 30 જેટલી જ ખનિજો છે. પૃથ્વીના પોપડામાં તેનું પ્રમાણ 0.005 % જેટલું છે. વિપુલતાની ર્દષ્ટિએ તેનો ક્રમ 32મો છે, જે હલકા તત્વ માટે આશ્ચર્યજનક ગણાય. એમ માનવામાં આવે છે કે ઉચ્ચ ઊર્જાવાળા પ્રોટૉન કણોના સંઘાત(collision)ને કારણે બેરિલિયમ નાભિકનો નાશ થતો હશે. તેની અગત્યની ખનિજો બ્રાઝિલ, આર્જેન્ટિના, કૅનેડા, યુ.એસ., કૉન્ગો, રૉડેશિયા, ઝિમ્બાબ્વે, મોઝામ્બિક, દક્ષિણ-પશ્ચિમ આફ્રિકા, દક્ષિણ આફ્રિકા અને ભારતમાં મળી આવે છે. ભારતમાં અજમેર, ઉદેપુર, બિહાર અને ઓરિસામાં આવેલી અબરખની ખાણોમાં બેરિલિયમ મળી આવે છે.

તેની અગત્યની ખનિજો નીચે પ્રમાણે છે : (i) બેરિલ, Be₃Al₂Si₆O₁₈ અથવા 3BeO·Al₂O₃·6SiO₂·(14 % BeO અથવા 5 % Be) : અલ્પ પ્રમાણમાં આ ખનિજ પારદર્શક, વિવિધરંગી સ્વરૂપમાં પણ મળે છે. લીલા અને નીલા (વાદળી) રંગની રત્નો જેવી દેખાતી ખનિજ ઝવેરાતી-બેરિલ (gem beryl) કહેવાય છે. પીરોજ (aquamarine), પન્ના (લીલમ) (emerald) જેવી કીમતી બેરિલ ઉપર દર્શાવેલું આદર્શ સંઘટન ધરાવે છે. (ii) ક્રાયસૉબેરિલ : BeO·Al₂O₃ (7 % BeO); (iii) ઉટાહમાં 0.5 % Be ધરાવતી મોન્ટ મોરિલોનાઇટ માટીમાં પરિક્ષેપિત બટ્રેન્ડાઇટ (4BeO·2SiO₂·H₂O) રૂપે પણ તે મળી આવે છે; (iv) આ ઉપરાંત ફેલ્સ્પાર અને અબરખ (mica) જેવી સિલિકેટ ખનિજોમાં પણ બેરિલિયમ અલ્પ પ્રમાણમાં હોય છે.

નિષ્કર્ષણ અને ધાતુકર્મ : મોટાભાગની બેરિલ ખનિજ સપાટી ઉપરની ખાણોમાંથી હાથે વીણીને પ્રાપ્ત કરવામાં આવે છે. 0.4થી 0.9 મેટ્રિક ટન જેટલા બેરિલ સ્ફટિકો મેળવવા લગભગ 100 મેટ્રિક ટન જેટલા ખડકોને છાણવા પડે છે. 0.5 % કે વધુ બેરિલ ધરાવતા અયસ્કોમાંથી પ્લવનવિધિ (floatation) દ્વારા 80 %થી 90 % જેટલા બેરિલની ઉપલબ્ધિ (recovery) કરી શકાય છે. બેરિલિયમ ધાતુ અને તેનાં સંયોજનો મેળવવા માટે વર્ષે-દહાડે લગભગ ચાર હજારથી દસ હજાર મેટ્રિક ટન જેટલી ખનિજનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આ માટેની વ્યાપારિક ખનિજમાં 11 %થી 13 % જેટલો BeO હોય છે.

અયસ્કમાંથી બેરિલિયમ ઑક્સાઇડ (BeO) કે હાઇડ્રૉક્સાઇડ[Be(OH)₂] મેળવવા માટે બે રીતો વપરાય છે.

ચૂર્ણિત બેરિલને સોડિયમ ફ્લુઓફેરેટ સાથે મિશ્ર કરી તેની ઈંટો બનાવી 750° સે. સુધી ગરમ કરવામાં આવે છે.

3BeO·Al₂O₃·6SiO₂ + 2Na₃FeF₆  →  6SiO₂ + Fe₂O₃ + Al₂O₃ + 3Na₂BeF₆

જલદ્રાવ્ય સોડિયમ બેરિલિયમ ફ્લોરાઇડને અદ્રાવ્ય ઑક્સાઇડથી અલગ કરવામાં આવે છે. દ્રાવણમાં કૉસ્ટિક સોડા અથવા એમોનિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ ઉમેરવાથી Be(OH)₂ અવક્ષિપ્ત થાય છે. આ હાઇડ્રૉક્સાઇડને ગરમ કરી (800° સે.) BeO મેળવવામાં આવે છે.

સલ્ફેટ પદ્ધતિમાં અયસ્કને ખૂબ તપાવી (1625° સે.) તેને પાણી વડે છમકારવામાં આવે છે. કાચ જેવા બેરિલને હજુ વધુ ઉષ્મા-માવજત આપતાં BeO ઘન દ્રાવણમાંથી અલગ પડે છે. છિદ્રાળુ દ્રવ્ય(frit)ને દળી તેને 200°થી 300° સે. તાપમાને સલ્ફ્યુરિક ઍસિડની માવજત આપવામાં  આવે છે. મળતા દ્રાવ્ય બેરિલિયમ અને ઍલ્યુમિનિયમ સલ્ફેટને પાણી વડે નિક્ષાલન દ્વારા અલગ કરવામાં આવે છે. ઍલ્યુમિનિયમને દૂર કરવા એમોનિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ ઉમેરી સ્ફટિકીકરણ કરવામાં આવે છે. આયર્ન (Fe) અને નિકલ (Ni^–) દ્રાવણમાં રહે તે માટે દ્રાવણમાં કિલેટકારક (chelating) સંયોજનો ઉમેરવામાં આવે છે. તે પછી તેમાં પૂરતો કૉસ્ટિક સોડા ઉમેરી બેરિલિયમને સોડિયમ બેરિલેટમાં ફેરવવામાં આવે છે. આ બેરિલેટનું જળવિભાજન કરવાથી Be(OH)₂ અવક્ષિપ્ત થાય છે. દ્રાવક નિષ્કર્ષણ પદ્ધતિ દ્વારા પણ બેરિલિયમ-સંયોજનો અલગ પાડી શકાય છે.

બેરિલિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ અથવા ઑક્સાઇડની એમોનિયમ બાઇફ્લોરાઇડ સાથેની પ્રક્રિયાથી (NH₄)₂ BeF₄માં ફેરવવામાં આવે છે. દ્રાવણમાંના મૅંગેનીઝ, ક્રોમિયમ, ઍલ્યુમિનિયમ અને ભારે ધાતુઓ દૂર કરવા વિશિષ્ટ પ્રક્રિયાઓ કરવામાં આવે છે. ત્યારબાદ મળતા શુદ્ધ દ્રાવણને ગરમ કરી તેનું સ્ફટિકીકરણ કરવામાં આવે છે. સ્ફટિકોને 900°થી 1100° સે. તાપમાને ગરમ કરવાથી BeF₂ મળે છે. BeF₂માં ઉચિત-તત્વપ્રમાણની રીતે (stoichiometrically) જરૂરી હોય તેના 75 % જેટલી મૅગ્નેશિયમ ધાતુ મિશ્ર કરી 900° સે. તાપમાને અપચયન કરવામાં આવે છે. પ્રક્રિયા પૂરી થયે તાપમાન વધારી 1400° સે. કરતાં બેરિલિયમ એકઠું થાય છે. આ ધાતુને ગ્રૅફાઇટના બીબા(molds)માં ઢાળી લેવામાં આવે છે.

વિદ્યુતવિભાજનની રીતમાં BeO અને કાર્બન ઉપર 1000° સે. તાપમાને ક્લોરિન વાયુ પસાર કરવામાં આવે છે. ઊર્ધ્વીકૃત BeCl₂ને 400° સે.એ રાખેલા શીતકમાં એકઠો કરવામાં આવે છે. નિકલ અથવા સ્ટેઇનલેસ સ્ટીલના પાત્રને કૅથોડ અને ગ્રૅફાઇટને ઍનોડ તરીકે વાપરી BeCl₂ અને NaClના બનેલા વિદ્યુતવિભાજનનું 370° સે. તાપમાને વિદ્યુતવિભાજન કરવામાં આવતાં બેરિલિયમની પતરીઓ (flake) મળે છે.

ગુણધર્મો : બેરિલિયમ ચાંદી જેવી ભૂખરા-સફેદ રંગની, કઠણ પણ બરડ, વજનમાં હલકી ધાતુ છે. શુદ્ધ ધાતુમાં બરડતા અને કઠિનતા હોતાં નથી. તેના કેટલાક ભૌતિક ગુણધર્મો નીચે પ્રમાણે છે :

પરમાણુભાર	9.0121
પરમાણુ-ક્રમાંક	4
ઇલેક્ટ્રૉનીય સંરચના	1s2 2s2
ગલનબિંદુ (° સે.)	1280
ઉત્કલનબિંદુ (° સે.)	2970
ઘનતા	1.85
ઑક્સિડેશન-અવસ્થા	+2
પારમાણ્વિક વ્યાસ (નેમી)	0.2221
પારમાણ્વિક કદ (ઘન સેમી./મોલ)	4.96
આયનીકરણ ઊર્જા (eV) (Be → Be2+)	27.4
વિશિષ્ટ ઉષ્મા (કૅલરી) (ગ્રા.) (° સે.), (20°થી 100° સે.)	0.43–0.52
માનક વિભવ (E°Be/Be2+) (વોલ્ટ)	–1.69

બેરિલિયમનું પરમાણુકદ નાનું હોવાથી તેની વિદ્યુતઋણતા વધુ છે. આથી તે આવર્તક કોષ્ટકના બીજા (IIA) સમૂહની અન્ય આલ્કલાઇન મૃદ્ ધાતુઓ કરતાં વિલક્ષણ વર્તન ધરાવે છે; જેમ કે, તેનાં સંયોજનો જ્યોતને વિશિષ્ટ રંગ આપતાં નથી; તે પેરૉક્સિ-સંયોજનો બનાવતું નથી; અને તેનાં સલ્ફેટ-સંયોજનો પાણીમાં દ્રાવ્ય હોય છે. તેનાં સંયોજનો આયોનિકને બદલે સહસંયોજક બંધ ધરાવે છે.

સામાન્ય તાપમાને શુષ્ક હવાની બેરિલિયમ ઉપર અસર થતી નથી, પણ ભેજવાળી હવામાં તેનું ઉપચયન થઈ તેની સપાટી પર ઑક્સાઇડનું સંરક્ષણાત્મક પડ ઉત્પન્ન થાય છે. ભૂકારૂપમાં ધાતુ હવામાં પ્રજ્વલિત થઈ સળગી ઊઠે છે અને ઑક્સાઇડ બનાવે છે.

2Be + O₂ → 2BeO

હાઇડ્રોજન સાથે તેની સીધી પ્રક્રિયા થતી નથી, પરંતુ નાઇટ્રોજન સાથે તે નાઇટ્રાઇડ, જ્યારે આયોડીન સિવાયનાં હેલોજન તત્વો સાથે હેલાઇડ બનાવે છે.

મંદ ઍસિડમાં ઓગળી તે હાઇડ્રોજન વાયુ ઉત્પન્ન કરે છે; દા.ત.,

Be + H₂SO₄ → BeSO₄ + H₂

ઠંડો નાઇટ્રિક ઍસિડ બેરિલિયમને નિષ્ક્રિય બનાવે છે, જ્યારે ગરમ ઍસિડમાં ઓગળી તે નાઇટ્રોજન ડાયૉક્સાઇડ ઉત્પન્ન કરે છે :

Be + 4HNO₃ → Be(NO₃)₂ + 2H₂O + NO₂

ગરમ આલ્કલિમાં તે ઓગળીને બેરિલેટ-સંયોજનો બનાવી હાઇડ્રોજનને મુક્ત કરે છે :

Be + 2NaOH → Na₂BeO₂ + H₂

આવર્તક કોષ્ટકમાંનું બેરિલિયમ એક એવું તત્વ છે કે જે બેકી (even) પરમાણુક્રમાંક અને ફક્ત એક જ સ્થાયી સમસ્થાનિક ધરાવે છે. જોકે તેનાં રેડિયોધર્મી સમસ્થાનિકો કૃત્રિમ રીતે બનાવી શકાયાં છે. બેરિલિયમની ઘણી કેન્દ્રકીય પ્રક્રિયાઓમાં ન્યૂટ્રૉન ઉત્પન્ન થાય છે. રેડિયમ-બેરિલિયમના મિશ્રણમાં ⁹Be(α, n)¹²C પ્રક્રિયા થવાથી દર 10⁶ વિખંડન (disintegrations) દીઠ 460 ન્યૂટ્રૉન ઉત્પન્ન થતા હોવાથી તે ન્યૂટ્રૉનના સ્રોત તરીકે વપરાય છે. ઉચ્ચ ઊર્જાવાળાં ગૅમા-કિરણો દ્વારા પણ ન્યૂટ્રૉન ઉત્પન્ન થાય છે.

આ ઉપરાંત ન્યૂટ્રૉનના સારા વિમંદક (moderator) તરીકે પણ બેરિલિયમ કામ આપે છે.

બેરિલિયમની રજ શ્વાસમાં જાય તો તેનાથી બેરિલૉસિસ નામનો ફેફસાંનો રોગ થાય છે, જે ઘાતક નીવડી શકે છે, તેમાંથી ફેફસાંનું કૅન્સર થવાની પણ સંભાવના રહે છે.

સંયોજનો : બેરિલિયમનાં સંયોજનો ઍલ્યુમિનિયમનાં સંયોજનો સાથે સામ્ય ધરાવે છે. બેરેલિયમ ઑક્સાઇડ (BeO) સફેદ, અસ્ફટિકમય, પાણીમાં અદ્રાવ્ય પદાર્થ છે. તે વિશિષ્ટ સિરેમિક પદાર્થ છે. તેની ઘનતા 3.016 અને ગ.બિં. 2570° સે. છે. તે ઍસિડ અને આલ્કલિમાં દ્રાવ્ય છે. બેરિલિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ કે નાઇટ્રેટને ગરમ કરવાથી તે મેળવી શકાય છે. ગરમ કરતાં તે પીગળીને સખત બને છે. મોઝ માપક્રમ પર તેની કઠિનતા 9 છે અને તે ઍસિડ કે આલ્કલિમાં ઓગળતો નથી.

બેરિલિયમની હાઇડ્રોક્લોરિક ઍસિડ સાથેની પ્રક્રિયાથી અથવા બેરિલિયમને ક્લોરીનમાં બાળવાથી બેરિલિયમ ક્લોરાઇડ (BeCl₂) મળે છે. તે પાણીમાં ખૂબ દ્રાવ્ય તથા આલ્કોહૉલ, બેન્ઝીન, ઈથર જેવાં દ્રાવકોમાં પણ દ્રાવ્ય છે. બેરિલિયમ ઑક્સાઇડની નાઇટ્રિક ઍસિડ સાથેની પ્રક્રિયા દ્વારા અથવા બેરિલિયમ સલ્ફેટની બેરિયમ નાઇટ્રેટ સાથેની પ્રક્રિયાથી બેરિલિયમ નાઇટ્રેટ [Be(NO₃)₂·3H₂O] બને છે. ગરમ, સાંદ્ર સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ સાથેની બેરિલિયમ ઑક્સાઇડની પ્રક્રિયા દ્વારા બેરિલિયમ સલ્ફેટ (BeSO₄·4H₂O) મળે છે. આવાં બેરિલિયમ ક્ષારોનાં જલીય દ્રાવણો ઍસિડી હોય છે.

બેરિલિયમનાં કાર્બધાત્વિકી સંકીર્ણો પણ બનાવી શકાય છે. ગિન્યાર્ડ પ્રક્રિયક અથવા કાર્બલિથિયમ સંયોજનો માટે BeCl₂ની પ્રક્રિયાથી બેરિલિયમ-આલ્કિલ સંયોજનો મળે છે :

2RMgx + BeCl₂ → R₂Be + 2MgCl₂

ઉપયોગો : બેરિલિયમની કૉપર સાથેની તથા નિકલ સાથેની મિશ્રધાતુઓ ઔદ્યોગિક રીતે ઉપયોગી છે. આ Be–Cu મિશ્રધાતુઓ કેન્દ્રકીય ભઠ્ઠીઓમાં ઉપયોગી છે. બેરિલિયમ બ્રૉન્ઝ પણ એક ઉપયોગી મિશ્રધાતુ છે. oil–0.5 % Be ઉમેરવાથી Al–Mg મિશ્રધાતુના કણો બારીક બને છે અને તેની તરલતા વધે છે. મૅગ્નેશિયમમાં 0.005 % Be ઉમેરવાથી તેનું ઑક્સિડેશન અને પ્રજ્વલન ઘટે છે. 62 % Be – 38 % Al ધરાવતી લૉકમિશ્રધાતુ (Lock alloy) વિમાન માટે ઉપયોગી જણાઈ છે. પાતળી ચાદર અથવા પતરી(foil)ના રૂપમાં તે X-કિરણ નળીઓની બારી માટેના દ્રવ્ય તરીકે વપરાય છે. આને લીધે ઊંચી તીવ્રતાવાળાં X-કિરણ પુંજ (beams) મેળવી શકાય છે.

Be ધાતુ અને BeO કેન્દ્રકીય ભઠ્ઠીઓમાં પરાવર્તક દ્રવ્યો તરીકે ઉપયોગી છે. ભઠ્ઠીનાં ઇંધનો માટેનાં પાત્રો તરીકે અથવા મિશ્રધાતુ બનાવવા માટેના તત્વ તરીકે પણ તે કામ આપે છે. આથી આ ધાતુનો સૌથી વધુ ઉપયોગ કેન્દ્રીય ભઠ્ઠીઓમાં વિખંડન-ન્યૂટ્રૉન(fission neutrons)ની ગતિ ઘટાડવા માટેના વિમંદક તરીકે તથા કેન્દ્રીય અંતર્ભાગ(core)માંથી ન્યૂટ્રૉનના ક્ષરણ(leakage)ને ઘટાડવા માટેના પરાવર્તક તરીકે થાય છે.

BeO ઇલેક્ટ્રૉન ટ્યૂબમાં, રેઝિસ્ટરના અંતર્ભાગમાં, ક્લિસ્ટ્રૉન નળીઓની બારીઓ માટે, કાચ, સિરેમિક અને પ્લાસ્ટિકમાં ઉમેરણ (additive) તરીકે તથા કાર્બનિક પ્રક્રિયાઓ માટે ઉદ્દીપક તરીકે વપરાય છે. બેરિલિયમનાં અન્ય સંયોજનો બનાવવા પણ તે વપરાય છે. BeO આચ્છાદિત ક્રૂસિબલનો ઉપયોગ ઊંચી શુદ્ધતાવાળી અથવા સક્રિય ધાતુઓને પિગાળવા માટે થાય છે. શુદ્ધ સ્વરૂપમાં BeCl₂ કાર્બનિક પ્રક્રિયાઓ માટે ઉદ્દીપક તરીકે AlCl₃ને બદલે વપરાય છે.

વિમાનના ભાગો તથા મિસાઇલ બનાવવા માટેના દ્રવ્ય તરીકે તેની ઉપયોગિતા સારી ગણાઈ હોઈ તે માટે સક્રિય સંશોધનો ચાલી રહ્યાં છે.

ચિત્રા સુરેન્દ્ર દેસાઈ