Berílio

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Berílio,  4 Be
Be-140g.jpg
Berílio
Pronúncia/ B ə r ɪ l i ə m / ( bə- RIL -ee-əm )
Aparênciabranco-cinza metálico
Peso atômico padrão A r, std (Be) 9.012 1831 (5) [1]
Berílio na tabela periódica
Hidrogênio Hélio
Lítio Berílio Boro Carbono Azoto Oxigênio Flúor Néon
Sódio Magnésio Alumínio Silício Fósforo Enxofre Cloro Argônio
Potássio Cálcio Escândio Titânio Vanádio Cromo Manganês Ferro Cobalto Níquel Cobre Zinco Gálio Germânio Arsênico Selênio Bromo Krypton
Rubídio Estrôncio Ítrio Zircônio Nióbio Molibdênio Tecnécio Rutênio Ródio Paládio Prata Cádmio Índio Lata Antimônio Telúrio Iodo Xenon
Césio Bário Lantânio Cério Praseodímio Neodímio Promécio Samário Europium Gadolínio Térbio Disprósio Holmium Erbium Túlio Itérbio Lutécio Háfnio Tântalo Tungstênio Rênio Ósmio Iridium Platina Ouro Mercúrio (elemento) Tálio Liderar Bismuto Polônio Astatine Radon
Francium Rádio Actínio Tório Protactínio Urânio Neptúnio Plutônio Americium Curium Berquélio Californium Einsteinium Fermium Mendelévio Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seabórgio Bohrium Hassium Meitnerium Darmstádio Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
-

Be

Mg
lítioberílioboro
Número atômico ( Z )4
Grupogrupo 2 (metais alcalino-terrosos)
Períodoperíodo 2
Bloquear  bloco s
Configuração de elétron[ Ele ] 2s 2
Elétrons por camada2, 2
Propriedades físicas
Fase em  STPsólido
Ponto de fusão1560  K (1287 ° C, 2349 ° F)
Ponto de ebulição2742 K (2469 ° C, 4476 ° F)
Densidade (próximo à  rt )1,85 g / cm 3
quando líquido (em  mp )1,690 g / cm 3
Ponto crítico5205 K, MPa (extrapolado)
Calor de fusão12,2  kJ / mol
Calor da vaporização292 kJ / mol
Capacidade de calor molar16,443 J / (mol · K)
Pressão de vapor
P  (Pa) 1 10 100 1 mil 10 k 100 k
em  T  (K) 1462 1608 1791 2023 2327 2742
Propriedades atômicas
Estados de oxidação0, [2] +1, [3] +2 (um  óxido anfotérico )
Eletro-negatividadeEscala de Pauling: 1,57
Energias de ionização
  • 1o: 899,5 kJ / mol
  • 2º: 1757,1 kJ / mol
  • 3o: 14.848,7 kJ / mol
  • ( mais )
Raio atômicoempírico: 112  pm
Raio covalente96 ± 15h
Raio de Van der Waals153 pm
Color lines in a spectral range
Linhas espectrais de berílio
Outras propriedades
Ocorrência naturalprimordial
Estrutura de cristalhexagonal compacta-fim (HCP)
Hexagonal close packed crystal structure for beryllium
Velocidade do som haste fina12.890 m / s (à  temperatura ambiente ) [4]
Expansão térmica11,3 µm / (m⋅K) (a 25 ° C)
Condutividade térmica200 W / (m⋅K)
Resistividade elétrica36 nΩ⋅m (a 20 ° C)
Ordenação magnéticadiamagnético
Suscetibilidade magnética molar−9,0 × 10 −6  cm 3 / mol [5]
Módulo de Young287 GPa
Módulo de cisalhamento132 GPa
Módulo de massa130 GPa
Coeficiente de Poisson0,032
Dureza de Mohs5,5
Dureza Vickers1670 MPa
Dureza Brinell590–1320 MPa
Número CAS7440-41-7
História
DescobertaLouis Nicolas Vauquelin (1798)
Primeiro isolamentoFriedrich Wöhler e Antoine Bussy (1828)
Isótopos principais de berílio
Isótopo Abundância Meia-vida ( t 1/2 ) Modo de decaimento produtos
7 Be vestígio 53,12 d ε 7 Li
γ -
9 Be 100% estábulo
10 Be vestígio 1,39 × 10 6  y β - 10 B
Category Categoria: Berílio
| referências

O berílio é um elemento químico com o símbolo Be e número atômico 4. É um metal alcalino-terroso cinza-aço, forte, leve e quebradiço . É um elemento divalente que ocorre naturalmente apenas em combinação com outros elementos para formar minerais. As gemas notáveis ​​com alto teor de berílio incluem o berilo ( água-marinha , esmeralda ) e o crisoberilo . É um elemento relativamente raro no universo , geralmente ocorrendo como produto da fragmentaçãode núcleos atômicos maiores que colidiram com os raios cósmicos . Dentro dos núcleos das estrelas, o berílio se esgota à medida que se funde em elementos mais pesados. O berílio constitui cerca de 0,0004 por cento em massa da crosta terrestre. A produção mundial anual de berílio de 220 toneladas é geralmente produzida pela extração do mineral berilo , um processo difícil porque o berílio se liga fortemente ao oxigênio .

Em aplicações estruturais, a combinação de alta rigidez flexural , estabilidade térmica , condutividade térmica e baixa densidade (1,85 vezes a da água) tornam o metal berílio um material aeroespacial desejável para componentes de aeronaves, mísseis , espaçonaves e satélites . [6] Por causa de sua baixa densidade e massa atômica , o berílio é relativamente transparente aos raios X e outras formas de radiação ionizante ; portanto, é o material de janela mais comum para equipamentos de raios-X e componentes de detectores de partículas . [6]Quando adicionado como um elemento de liga ao alumínio , cobre (notavelmente a liga de cobre-berílio ), ferro ou níquel , o berílio melhora muitas propriedades físicas. [6] Por exemplo, ferramentas e componentes feitos de ligas de cobre-berílio são fortes e duros e não criam faíscas quando atingem a superfície do aço. No ar, a superfície do berílio oxida prontamente à temperatura ambiente para formar uma camada de passivação1–10 nm de espessura que o protege de oxidação e corrosão. O metal oxida em massa (além da camada de passivação) quando aquecido acima de 500 ° C e queima brilhantemente quando aquecido a cerca de 2500 ° C.

O uso comercial de berílio requer o uso de equipamento apropriado de controle de poeira e controles industriais em todos os momentos, devido à toxicidade das poeiras contendo berílio inaladas, que podem causar uma doença alérgica crônica com risco de vida em algumas pessoas, chamada beriliose . [7]

Características

Propriedades físicas

Berílio é uma cinza e disco de aço de metal que é quebradiço à temperatura ambiente e tem um hexagonal compacta-fim estrutura cristalina . [6] Tem uma rigidez excepcional ( módulo de Young 287 GPa) e um ponto de fusão de 1287 ° C. O módulo de elasticidade do berílio é aproximadamente 50% maior do que o do aço. A combinação desse módulo e uma densidade relativamente baixa resulta em uma velocidade de condução de som excepcionalmente rápida no berílio - cerca de 12,9 km / s em condições ambientais . Outras propriedades significativas são o alto calor específico (1925 J · kg −1 · K −1 ) e condutividade térmica (216 W · m −1 · K −1 ), que tornam o berílio o metal com as melhores características de dissipação de calor por unidade de peso. Em combinação com o coeficiente relativamente baixo de expansão térmica linear (11,4 × 10 −6 K −1 ), essas características resultam em uma estabilidade única sob condições de carregamento térmico. [8]

Propriedades nucleares

O berílio que ocorre naturalmente, exceto por uma leve contaminação pelos radioisótopos cosmogênicos, é o berílio-9 isotopicamente puro, que tem um spin nuclear de3/2. O berílio tem uma grande seção transversal de espalhamento para nêutrons de alta energia, cerca de 6 barns para energias acima de aproximadamente 10 keV. Portanto, ele funciona como um refletor de nêutrons e moderador de nêutrons , efetivamente desacelerando os nêutrons para a faixa de energia térmica abaixo de 0,03 eV, onde a seção transversal total é pelo menos uma ordem de magnitude menor - o valor exato depende fortemente da pureza e do tamanho de os cristalitos no material.

O único isótopo primordial de berílio 9 Be também sofre uma reação de nêutrons (n, 2n) com energias de nêutrons acima de 1,9 MeV, para produzir 8 Be, que quase imediatamente se divide em duas partículas alfa. Assim, para nêutrons de alta energia, o berílio é um multiplicador de nêutrons , liberando mais nêutrons do que absorve. Esta reação nuclear é: [9]

9
4
Ser
+ n → 2 4
2
Ele
+ 2 n

Os nêutrons são liberados quando os núcleos de berílio são atingidos por partículas alfa energéticas [8], produzindo a reação nuclear

9
4
Ser
+ 4
2
Ele
12
6
C
+ n

Onde 4
2
Ele
é uma partícula alfa e 12
6
C
é um núcleo de carbono-12 . [9] O berílio também libera nêutrons sob o bombardeio de raios gama. Assim, o berílio natural bombardeado por alfas ou gama de um radioisótopo adequado é um componente chave da maioria das fontes de nêutrons de reação nuclear alimentadas por radioisótopos para a produção de nêutrons livres em laboratório.

Pequenas quantidades de trítio são liberadas quando9
4
Ser
núcleos absorvem nêutrons de baixa energia na reação nuclear de três etapas

9
4
Ser
+ n → 4
2
Ele
+ 6
2
Ele
,    6
2
Ele
6
3
Li
+ β - ,    6
3
Li
+ n → 4
2
Ele
+ 3
1
H

Observe que 6
2
Ele
tem meia-vida de apenas 0,8 segundos, β - é um elétron, e6
3
Li
tem uma seção transversal de alta absorção de nêutrons. O trítio é um radioisótopo preocupante nos fluxos de resíduos de reatores nucleares. [10]

Propriedades ópticas

Como um metal, o berílio é transparente ou translúcido para a maioria dos comprimentos de onda dos raios X e raios gama , o que o torna útil para as janelas de saída de tubos de raios X e outros aparelhos semelhantes.

citação necessária

Isótopos e nucleossíntese

Ambos os isótopos estáveis ​​e instáveis ​​de berílio são criados nas estrelas, mas os radioisótopos não duram muito. Acredita-se que a maior parte do berílio estável no universo foi originalmente criado no meio interestelar, quando os raios cósmicos induziram a fissão em elementos mais pesados ​​encontrados no gás interestelar e na poeira. [11] O berílio primordial contém apenas um isótopo estável, 9 Be e, portanto, o berílio é um elemento monoisotópico e mononuclídico .

Gráfico mostrando variações na atividade solar, incluindo variação no número de manchas solares (vermelho) e concentração de 10 Be (azul). Observe que a escala de berílio está invertida, portanto, aumentos nesta escala indicam níveis inferiores de 10 Be

O 10 Be cosmogênico radioativo é produzido na atmosfera da Terra pela fragmentação do oxigênio pelos raios cósmicos . [12] 10 Be se acumula na superfície do solo , onde sua meia-vida relativamente longa (1,36 milhão de anos) permite um longo tempo de residência antes de se decompor em boro -10. Assim, 10 Be e seus produtos derivados são usados ​​para examinar a erosão natural do solo , a formação do solo e o desenvolvimento de solos lateríticos , e como um substituto para medição das variações da atividade solar e da idade dos núcleos de gelo . [13] A produção de 10 Be é inversamente proporcional à atividade solar, porque o aumento do vento solar durante os períodos de alta atividade solar diminui o fluxo de raios cósmicos galácticos que atingem a Terra. [12] Explosões nucleares também formam 10 Be pela reação de nêutrons rápidos com 13 C no dióxido de carbono do ar. Este é um dos indicadores de atividades anteriores em locais de teste de armas nucleares . [14] O isótopo 7Be (meia-vida de 53 dias) também é cosmogênico e mostra uma abundância atmosférica ligada a manchas solares, bem como 10 Be.

8 Be tem uma meia-vida muito curta de cerca de 8 × 10 - 17  s, o que contribui para seu papel cosmológico significativo, já que elementos mais pesados ​​que o berílio não poderiam ter sido produzidos por fusão nuclear no Big Bang . [15] Isso se deve à falta de tempo suficiente durante a fase de nucleossíntese do Big Bang para produzir carbono pela fusão de núcleos de 4 He e as concentrações muito baixas de berílio-8 disponível . O astrônomo britânico Sir Fred Hoyle mostrou pela primeira vez que os níveis de energia de 8 Be e 12 C permitem a produção de carbono pelos chamadosprocesso triplo alfa em estrelas movidas a hélio, onde mais tempo de nucleossíntese está disponível. Esse processo permite que o carbono seja produzido nas estrelas, mas não no Big Bang. O carbono criado pelas estrelas (a base da vida baseada no carbono ) é, portanto, um componente dos elementos do gás e da poeira ejetada por estrelas AGB e supernovas (ver também nucleossíntese do Big Bang ), bem como a criação de todos os outros elementos com átomos números maiores do que o do carbono. [16]

Os elétrons 2s do berílio podem contribuir para a ligação química. Portanto, quando 7 Be decai por captura de elétron- L , ele o faz retirando elétrons de seus orbitais atômicos que podem estar participando da ligação. Isso torna sua taxa de decaimento dependente em um grau mensurável de seus arredores químicos - uma ocorrência rara no decaimento nuclear. [17]

O isótopo conhecido de berílio com vida mais curta é o 13 Be, que se decompõe por meio da emissão de nêutrons . Tem meia-vida de 2,7 × 10 −21 s. 6 Be também tem vida muito curta, com meia-vida de 5,0 × 10 −21 s. [18] Os isótopos exóticos 11 Be e 14 Be são conhecidos por exibir um halo nuclear . [19] Este fenômeno pode ser entendido como os núcleos de 11 Be e 14 Be têm, respectivamente, 1 e 4 nêutrons orbitando substancialmente fora do modelo clássico de Fermi 'gota d'água' do núcleo.

Ocorrência

Minério de berílio com moeda de 1US ¢ para escala
A esmeralda é um composto natural de berílio.

O Sol tem uma concentração de 0,1 partes por bilhão (ppb) de berílio. [20] O berílio tem uma concentração de 2 a 6 partes por milhão (ppm) na crosta terrestre. [21] É mais concentrado nos solos, 6 ppm. [22] Traços de 9 Be são encontrados na atmosfera terrestre. [22] A concentração de berílio na água do mar é de 0,2–0,6 partes por trilhão . [22] [23] Na água dos riachos, no entanto, o berílio é mais abundante com uma concentração de 0,1 ppb. [24]

O berílio é encontrado em mais de 100 minerais, [25] mas a maioria é incomum a rara. Os minerais mais comuns que contêm berílio incluem: bertrandita (Be 4 Si 2 O 7 (OH) 2 ), berila (Al 2 Be 3 Si 6 O 18 ), crisoberila (Al 2 BeO 4 ) e fenacita (Be 2 SiO 4 ). Formas preciosas de berilo são água-marinha , berilo vermelho e esmeralda . [8] [26][27] A cor verde em formas de berilo com qualidade de gema vem de quantidades variáveis ​​de cromo (cerca de 2% para esmeralda). [28]

Os dois principais minérios de berílio, berilo e bertrandita, são encontrados na Argentina, Brasil, Índia, Madagascar, Rússia e Estados Unidos. [28] As reservas mundiais totais de minério de berílio são superiores a 400.000 toneladas. [28]

Produção

A extração do berílio de seus compostos é um processo difícil devido a sua alta afinidade por oxigênio em temperaturas elevadas e sua capacidade de reduzir a água quando seu filme de óxido é removido. Atualmente, os Estados Unidos, China e Cazaquistão são os únicos três países envolvidos na extração em escala industrial de berílio. [29] O Cazaquistão produz berílio a partir de um concentrado armazenado antes do colapso da União Soviética por volta de 1991. Este recurso tornou-se quase esgotado em meados da década de 2010. [30]

A produção de berílio na Rússia foi interrompida em 1997 e deve ser retomada na década de 2020. [31] [32]

O berílio é mais comumente extraído do mineral berilo , que é sinterizado com um agente de extração ou derretido em uma mistura solúvel. O processo de sinterização envolve a mistura de berilo com fluorossilicato de sódio e soda a 770 ° C (1.420 ° F) para formar fluoroberyilato de sódio , óxido de alumínio e dióxido de silício . [6] O hidróxido de berílio é precipitado de uma solução de fluoroberyilato de sódio e hidróxido de sódio em água. A extração de berílio usando o método de fusão envolve a moagem do berilo em um pó e seu aquecimento a 1.650 ° C (3.000 ° F). [6]O fundido é rapidamente resfriado com água e então reaquecido 250 a 300 ° C (482 a 572 ° F) em ácido sulfúrico concentrado , produzindo principalmente sulfato de berílio e sulfato de alumínio . [6] A amônia aquosa é então usada para remover o alumínio e o enxofre, deixando o hidróxido de berílio.

O hidróxido de berílio criado usando o método de sinterização ou fusão é então convertido em fluoreto de berílio ou cloreto de berílio . Para formar o fluoreto, fluoreto de hidrogênio de amônio aquoso é adicionado ao hidróxido de berílio para produzir um precipitado de tetrafluoroberilato de amônio, que é aquecido a 1.000 ° C (1.830 ° F) para formar fluoreto de berílio. [6] O aquecimento do fluoreto a 900 ° C (1.650 ° F) com magnésio forma o berílio finamente dividido, e o aquecimento adicional a 1.300 ° C (2.370 ° F) cria o metal compacto. [6] O aquecimento do hidróxido de berílio forma o óxido, que se torna cloreto de berílio quando combinado com carbono e cloro. Eletrólisede cloreto de berílio fundido é então usado para obter o metal. [6]

Propriedades químicas

Estrutura do produto da hidrólise trimérica de berílio
Hidrólise do berílio em função do pH. Moléculas de água anexadas a Be são omitidas neste diagrama

Um átomo de berílio tem a configuração eletrônica [He] 2s 2 . O estado de oxidação predominante do berílio é +2; o átomo de berílio perdeu seus dois elétrons de valência. Estados de oxidação mais baixos foram encontrados em, por exemplo, compostos bis (carbeno). [33] O comportamento químico do berílio é em grande parte resultado de seus pequenos raios atômicos e iônicos . Portanto, ele tem um potencial de ionização muito alto e forte polarização enquanto está ligado a outros átomos, razão pela qual todos os seus compostos são covalentes . Sua química tem semelhanças com a química do alumínio, um exemplo de relação diagonal .

À temperatura ambiente, a superfície do berílio forma uma camada de passivação de óxido de 1−10 nm de espessura que impede outras reações com o ar, exceto para o espessamento gradual do óxido até cerca de 25 nm. Quando aquecido acima de cerca de 500 ° C, a oxidação no metal a granel progride ao longo dos limites do grão. [34] Uma vez que o metal é inflamado no ar por aquecimento acima do ponto de fusão do óxido em torno de 2500 ° C, o berílio queima brilhantemente, formando uma mistura de óxido de berílio e nitreto de berílio . O berílio se dissolve prontamente em ácidos não oxidantes , como HCl e H 2 SO 4 diluído , mas não em ácido nítricoou água, pois isso forma o óxido. Esse comportamento é semelhante ao do alumínio. O berílio também se dissolve em soluções alcalinas. [6] [35]

Os compostos binários de berílio (II) são poliméricos no estado sólido. BeF 2 tem uma estrutura semelhante à sílica com tetraedros BeF 4 compartilhados nos cantos . BeCl 2 e BeBr 2 têm estruturas de cadeia com tetraedros compartilhados de aresta. O óxido de berílio , BeO, é um sólido refratário branco , que possui a estrutura cristalina wurtzita e uma condutividade térmica tão alta quanto a de alguns metais. BeO é anfotérico . Sulfeto de berílio , seleneto e telureto são conhecidos, todos com a estrutura de zincblenda .[36] Nitreto de berílio , Be 3 N 2 é um composto de alto ponto de fusão que é prontamente hidrolisado. A azida de berílio, BeN 6 é conhecida e o fosforeto de berílio, Be 3 P 2 tem uma estrutura semelhante a Be 3 N 2 . Vários boretos de beríliosão conhecidos, como Be 5 B, Be 4 B, Be 2 B, BeB 2 , BeB 6 e BeB 12 . O carboneto de berílio , Be 2 C, é um composto refratário vermelho-tijolo que reage com a água para dar metano .[36] Nenhum siliceto de beríliofoi identificado. [35]

Os halogenetos BeX 2 (X = F, Cl, Br, I) possuem uma estrutura molecular monomérica linear na fase gasosa. [35] Os complexos dos haletos são formados com um ou mais ligantes doando um total de dois pares de elétrons. Esses compostos obedecem à regra do octeto . Outros complexos de 4 coordenadas, como o íon-água [Be (H 2 O) 4 ] 2+, também obedecem à regra do octeto.

Soluções de sais de berílio, como sulfato de berílio e nitrato de berílio , são ácidas devido à hidrólise do íon [Be (H 2 O) 4 ] 2+ . A concentração do primeiro produto da hidrólise, [Be (H 2 O) 3 (OH)] + , é inferior a 1% da concentração de berílio. O produto de hidrólise mais estável é o íon trimérico [Be 3 (OH) 3 (H 2 O) 6 ] 3+ . Hidróxido de berílio , Be (OH) 2, é insolúvel em água a pH 5 ou mais. Consequentemente, os compostos de berílio são geralmente insolúveis em pH biológico. Por causa disso, a inalação de pó de metal de berílio por pessoas leva ao desenvolvimento da condição fatal de beriliose . Be (OH) 2 se dissolve em soluções fortemente alcalinas . No acetato de berílio básico, o átomo de oxigênio central é rodeado por um tetraedro de átomos de berílio. [36] O difluoreto de berílio , ao contrário dos outros difluoretos alcalino-terrosos, é muito solúvel em água. [37] Soluções aquosas deste sal contêm íons como [Be (H 2 O) 3 F] + . [38] [39][40] [41] O hidróxido de berílio reage com o bifluoreto de amônio para formar o sal de amônio do complexo de tetrafluoroberilato, [(H 4 N + ) 2 ] [BeF 4 2– ].

Química orgânica

A química do organoberyllium é limitada à pesquisa acadêmica devido ao custo e toxicidade do berílio, derivados de berílio e reagentes necessários para a introdução do berílio, como o cloreto de berílio . Compostos organometálicos de berílio são conhecidos por serem altamente reativos [42] Exemplos de compostos organoberílio conhecidos são dineopentilberílio , [43] beriloceno (Cp 2 Be), [44] [45] [46] [47] dialilberílio (por reação de troca de dietil berílio com trialil boro), [48] bis (1,3-trimetilsililalil) berílio [49] e Be (mes) 2. [42]Os ligantes também podem ser arilos [50] e alcinilos. [51]

História

O mineral berilo , que contém berílio, tem sido usado pelo menos desde a dinastia ptolomaica do Egito. [52] No primeiro século EC , o naturalista romano Plínio, o Velho, mencionou em sua enciclopédia História Natural que o berilo e a esmeralda ("smaragdus") eram semelhantes. [53] O Papiro Graecus Holmiensis , escrito no terceiro ou quarto século EC, contém notas sobre como preparar esmeralda e berilo artificiais. [53]

Louis-Nicolas Vauquelin descobriu o berílio

As primeiras análises de esmeraldas e berilos por Martin Heinrich Klaproth , Torbern Olof Bergman , Franz Karl Achard e Johann Jakob Bindheim sempre produziram elementos semelhantes, levando à conclusão falaciosa de que ambas as substâncias são silicatos de alumínio . [54] O mineralogista René Just Haüy descobriu que ambos os cristais são geometricamente idênticos e pediu ao químico Louis-Nicolas Vauquelin uma análise química. [52]

Em um artigo de 1798 lido no Institut de France , Vauquelin relatou que encontrou uma nova "terra" dissolvendo o hidróxido de alumínio da esmeralda e do berilo em um álcali adicional . [55] Os editores da revista Annales de Chimie et de Physique chamaram a nova terra de "glucina" devido ao sabor doce de alguns de seus compostos. [56] Klaproth preferia o nome "berilina" devido ao fato de que a ítria também formava sais doces. [57] [58] O nome "berílio" foi usado pela primeira vez por Wöhler em 1828. [59]

Friedrich Wöhler foi um dos homens que isolou independentemente o berílio

Friedrich Wöhler [60] e Antoine Bussy [61] isolaram independentemente o berílio em 1828 pela reação química do potássio metálico com cloreto de berílio , como segue:

BeCl 2 + 2 K → 2 KCl + Be

Usando uma lâmpada de álcool, Wöhler aqueceu camadas alternadas de cloreto de berílio e potássio em um cadinho de platina fechado por arame. A reação acima ocorreu imediatamente e fez com que o cadinho ficasse branco e quente. Após resfriar e lavar o pó cinza-escuro resultante, ele viu que era feito de partículas finas com um brilho metálico escuro. [62] O potássio altamente reativo foi produzido pela eletrólise de seus compostos, um processo descoberto 21 anos antes. O método químico usando potássio rendeu apenas pequenos grãos de berílio, dos quais nenhum lingote de metal poderia ser fundido ou martelado.

A eletrólise direta de uma mistura fundida de fluoreto de berílio e fluoreto de sódio por Paul Lebeau em 1898 resultou nas primeiras amostras puras (99,5 a 99,8%) de berílio. [62] No entanto, a produção industrial começou apenas após a Primeira Guerra Mundial. O envolvimento industrial original incluía subsidiárias e cientistas relacionados com a Union Carbide and Carbon Corporation em Cleveland OH e Siemens & Halske AG em Berlim. Nos Estados Unidos, o processo foi conduzido por Hugh S. Cooper, diretor da The Kemet Laboratories Company. Na Alemanha, o primeiro processo de sucesso comercial para a produção de berílio foi desenvolvido em 1921 por Alfred Stock e Hans Goldschmidt . [63]

Uma amostra de berílio foi bombardeada com raios alfa da decomposição do rádio em um experimento de 1932 por James Chadwick que descobriu a existência do nêutron . [28] Este mesmo método é usado em uma classe de fontes de nêutrons de laboratório baseadas em radioisótopos que produzem 30 nêutrons para cada milhão de partículas α. [21]

A produção de berílio teve um rápido aumento durante a Segunda Guerra Mundial, devido à crescente demanda por ligas duras de berílio-cobre e fósforos para lâmpadas fluorescentes . A maioria das primeiras lâmpadas fluorescentes usava ortossilicato de zinco com conteúdo variável de berílio para emitir luz esverdeada. Pequenas adições de tungstato de magnésio melhoraram a parte azul do espectro para produzir uma luz branca aceitável. Os fósforos à base de halofosfato substituíram os fósforos à base de berílio depois que o berílio foi considerado tóxico. [64]

A eletrólise de uma mistura de fluoreto de berílio e fluoreto de sódio foi usada para isolar o berílio durante o século XIX. O alto ponto de fusão do metal torna esse processo mais consumidor de energia do que os processos correspondentes usados ​​para os metais alcalinos . No início do século 20, a produção de berílio pela decomposição térmica do iodeto de berílio foi investigada após o sucesso de um processo semelhante para a produção de zircônio , mas esse processo se mostrou antieconômico para a produção em volume. [65]

O metal berílio puro não se tornou prontamente disponível até 1957, embora tenha sido usado como liga de metal para endurecer e endurecer o cobre muito antes. [28] O berílio pode ser produzido reduzindo os compostos de berílio, como o cloreto de berílio, com potássio metálico ou sódio. Atualmente, a maior parte do berílio é produzida pela redução do fluoreto de berílio com magnésio . [66] O preço no mercado americano de lingotes de berílio fundidos a vácuo era de cerca de $ 338 por libra ($ 745 por quilo) em 2001. [67]

Entre 1998 e 2008, a produção mundial de berílio diminuiu de 343 para cerca de 200 toneladas . Em seguida, aumentou para 230 toneladas em 2018, das quais 170 toneladas vieram dos Estados Unidos. [68] [69]

Etimologia

Recebeu o nome de berilo , um mineral semiprecioso, do qual foi isolado pela primeira vez. [70] [71] [72]

Aplicações

Janelas de radiação

Alvo de berílio que converte um feixe de prótons em um feixe de nêutrons
Uma folha quadrada de berílio montada em uma caixa de aço para ser usada como uma janela entre uma câmara de vácuo e um microscópio de raios-X . O berílio é altamente transparente aos raios X devido ao seu baixo número atômico .

Por causa de seu baixo número atômico e baixíssima absorção para raios-X, a mais antiga e ainda uma das mais importantes aplicações do berílio é em janelas de radiação para tubos de raios-X . [28] Exigências extremas são colocadas na pureza e limpeza do berílio para evitar artefatos nas imagens de raios-X. Folhas finas de berílio são usadas como janelas de radiação para detectores de raios X, e a absorção extremamente baixa minimiza os efeitos de aquecimento causados ​​por raios X de alta intensidade e baixa energia típicos da radiação síncrotron . Janelas à prova de vácuo e tubos de feixe para experimentos de radiação em síncrotrons são fabricados exclusivamente com berílio. Em configurações científicas para vários estudos de emissão de raios-X (por exemplo, espectroscopia de raios-X de dispersão de energia) o porta-amostra é geralmente feito de berílio porque seus raios-X emitidos têm energias muito mais baixas (≈100 eV) do que os raios-X da maioria dos materiais estudados. [8]

O baixo número atômico também torna o berílio relativamente transparente às partículas energéticas . Portanto, ele é usado para construir o tubo de feixe ao redor da região de colisão em configurações de física de partículas , como todos os quatro experimentos de detector principal no Grande Colisor de Hádrons ( ALICE , ATLAS , CMS , LHCb ), [73] o Tevatron e no SLAC. A baixa densidade do berílio permite que os produtos de colisão atinjam os detectores circundantes sem interação significativa, sua rigidez permite que um poderoso vácuo seja produzido dentro do tubo para minimizar a interação com os gases, sua estabilidade térmica permite que funcione corretamente em temperaturas de apenas alguns graus acima do zero absoluto , e sua natureza diamagnética impede que interfira com os complexos sistemas de ímã multipolar usados ​​para orientar e focar os feixes de partículas . [74]

Aplicações mecânicas

Por causa de sua rigidez, peso leve e estabilidade dimensional em uma ampla faixa de temperatura, o metal berílio é usado para componentes estruturais leves nas indústrias de defesa e aeroespacial em aeronaves de alta velocidade , mísseis guiados , espaçonaves e satélites , incluindo o telescópio James Webb . Vários foguetes de combustível líquido usaram bicos de foguete feitos de berílio puro. [75] [76] O pó de berílio foi estudado como combustível de foguete , mas esse uso nunca se materializou. [28] Um pequeno número de quadros de bicicletas extremamente sofisticadosforam construídos com berílio. [77] De 1998 a 2000, a equipe de Fórmula 1 da McLaren usou motores Mercedes-Benz com pistões de liga de alumínio e berílio . [78] O uso de componentes do motor de berílio foi proibido após um protesto da Scuderia Ferrari . [79]

A mistura de cerca de 2,0% de berílio com cobre forma uma liga chamada cobre-berílio, que é seis vezes mais forte do que o cobre sozinho. [80] Ligas de berílio são usadas em muitas aplicações por causa de sua combinação de elasticidade, alta condutividade elétrica e condutividade térmica , alta resistência e dureza , propriedades não magnéticas, bem como boa resistência à corrosão e fadiga . [28] [6] Essas aplicações incluem ferramentas anti-faíscas que são usadas perto de gases inflamáveis ​​( berílio níquel ), em molase membranas (níquel- berílio e ferro-berílio ) usadas em instrumentos cirúrgicos e dispositivos de alta temperatura. [28] [6] Tão pouco quanto 50 partes por milhão de berílio com liga de magnésio líquido leva a um aumento significativo na resistência à oxidação e diminuição na inflamabilidade. [6]

Chave ajustável de cobre berílio

A alta rigidez elástica do berílio levou ao seu uso extensivo em instrumentação de precisão, por exemplo, em sistemas de orientação inercial e nos mecanismos de suporte para sistemas ópticos. [8] Ligas de berílio e cobre também foram aplicadas como um agente de endurecimento em " pistolas Jason ", que eram usadas para retirar a pintura dos cascos dos navios. [81]

O berílio também foi usado para cantiléveres em pontas de cartucho de fonógrafo de alto desempenho, onde sua extrema rigidez e baixa densidade permitiam que os pesos de rastreamento fossem reduzidos para 1 grama, mas ainda rastreiam passagens de alta frequência com distorção mínima. [82]

Uma das principais aplicações anteriores do berílio era nos freios de aviões militares devido à sua dureza, alto ponto de fusão e excepcional capacidade de dissipar calor . As considerações ambientais levaram à substituição por outros materiais. [8]

Para reduzir custos, o berílio pode ser ligado a quantidades significativas de alumínio , resultando na liga AlBeMet (um nome comercial). Esta mistura é mais barata do que o berílio puro, embora ainda retenha muitas propriedades desejáveis.

Espelhos

Os espelhos de berílio são de particular interesse. Espelhos de grande área, freqüentemente com uma estrutura de suporte em favo de mel , são usados, por exemplo, em satélites meteorológicos onde baixo peso e estabilidade dimensional de longo prazo são críticos. Espelhos de berílio menores são usados ​​em sistemas de orientação ótica e em sistemas de controle de fogo , por exemplo, nos tanques de batalha principais Leopard 1 e Leopard 2 de fabricação alemã . Nestes sistemas, é necessário um movimento muito rápido do espelho, o que novamente impõe baixa massa e alta rigidez. Normalmente, o espelho de berílio é revestido com revestimento de níquel químico rígidoque pode ser mais facilmente polido para um acabamento óptico mais fino do que o berílio. Em algumas aplicações, porém, a peça bruta de berílio é polida sem qualquer revestimento. Isso é particularmente aplicável à operação criogênica em que a incompatibilidade de expansão térmica pode fazer com que o revestimento se deforme. [8]

O Telescópio Espacial James Webb [83] terá 18 seções hexagonais de berílio para seus espelhos. Como o JWST enfrentará uma temperatura de 33 K, o espelho é feito de berílio banhado a ouro, capaz de lidar com o frio extremo melhor do que o vidro. O berílio se contrai e deforma menos que o vidro - e permanece mais uniforme - nessas temperaturas. [84] Pela mesma razão, a ótica do Telescópio Espacial Spitzer é inteiramente construída em metal berílio. [85]

Aplicações magnéticas

Uma esfera de berílio oco usado em um giroscópio da Stratofortress Boeing B-52 aeronaves [86]

O berílio não é magnético. Portanto, as ferramentas fabricadas com materiais à base de berílio são usadas por equipes de eliminação de engenhos explosivos navais ou militares para trabalhar nas minas navais ou próximas delas, uma vez que essas minas geralmente têm detonadores magnéticos . [87] Eles também são encontrados em materiais de manutenção e construção perto de máquinas de ressonância magnética (MRI) por causa dos altos campos magnéticos gerados. [88] Nos campos das comunicações de rádio e radares poderosos (geralmente militares) , ferramentas manuais feitas de berílio são usadas para sintonizar os clístrons altamente magnéticos , magnetrons ,tubos de ondas viajantes , etc., que são usados ​​para gerar altos níveis de potência de microondas nos transmissores . [89]

Aplicações nucleares

Placas finas ou folhas de berílio às vezes são usadas em projetos de armas nucleares como a camada mais externa dos poços de plutônio nos estágios primários das bombas termonucleares , colocadas para circundar o material físsil . Essas camadas de berílio são bons "impulsores" para a implosão do plutônio-239 e são bons refletores de nêutrons , assim como nos reatores nucleares moderados com berílio . [90]

O berílio também é comumente usado em algumas fontes de nêutrons em dispositivos de laboratório nos quais são necessários relativamente poucos nêutrons (em vez de ter que usar um reator nuclear ou um gerador de nêutrons alimentado por acelerador de partículas ). Para este propósito, um alvo de berílio-9 é bombardeado com partículas alfa energéticas de um radioisótopo como polônio -210, rádio -226, plutônio -238 ou amerício -241. Na reação nuclear que ocorre, um núcleo de berílio é transmutado em carbono-12 e um nêutron livre é emitido, viajando aproximadamente na mesma direção que a partícula alfa estava se dirigindo. TalFontes de nêutrons de berílio impulsionadas por decaimento alfa , chamadas iniciadores de nêutrons "urchin" , foram usadas em algumas das primeiras bombas atômicas . [90] Fontes de nêutrons nas quais o berílio é bombardeado com raios gama de um radioisótopo de decaimento gama também são usadas para produzir nêutrons de laboratório. [91]

Dois pacotes de combustível CANDU: cada um com cerca de 50 cm de comprimento e 10 cm de diâmetro. Observe os pequenos apêndices nas superfícies revestidas de combustível

O berílio também é usado na fabricação de combustível para reatores CANDU . Os elementos de combustível têm pequenos apêndices que são brasados ​​por resistência ao revestimento de combustível usando um processo de brasagem por indução com Be como o material de enchimento de brasagem. As almofadas de rolamento são soldadas no lugar para evitar o contato do feixe de combustível com o tubo de pressão e as almofadas espaçadoras entre os elementos são soldadas para evitar o contato entre os elementos.

O berílio também é usado no laboratório de pesquisa de fusão nuclear Joint European Torus e será usado no ITER mais avançado para condicionar os componentes que ficam de frente para o plasma. [92] O berílio também foi proposto como material de revestimento para barras de combustível nuclear , devido à sua boa combinação de propriedades mecânicas, químicas e nucleares. [8] O fluoreto de berílio é um dos sais constituintes da mistura de sal eutético FLiBe , que é usado como solvente, moderador e refrigerante em muitos projetos hipotéticos de reator de sal fundido , incluindo o reator de fluoreto líquido de tório (LFTR). [93]

Acoustics

O baixo peso e a alta rigidez do berílio o tornam útil como material para drivers de alto- falantes de alta frequência . Como o berílio é caro (muitas vezes mais do que o titânio ), difícil de moldar devido à sua fragilidade e tóxico se manuseado incorretamente, os tweeters de berílio são limitados a casas de ponta, [94] [95] [96] áudio profissional e endereços públicos formulários. [97] [98] Alguns produtos de alta fidelidade foram fraudulentamente alegados como sendo feitos desse material. [99]

Alguns cartuchos fonográficos de última geração usavam cantiléveres de berílio para melhorar o rastreamento reduzindo a massa. [100]

Eletrônico

O berílio é um dopante do tipo p em semicondutores compostos III-V . É amplamente utilizada em materiais, tais como GaAs , AlGaAs , InGaAs e InAlAs cultivadas por epitaxia de feixe molecular (MBE). [101] A folha de berílio laminada cruzada é um excelente suporte estrutural para placas de circuito impresso na tecnologia de montagem em superfície . Em aplicações eletrônicas críticas, o berílio é tanto um suporte estrutural quanto um dissipador de calor . A aplicação também requer um coeficiente de expansão térmica que combina bem com a alumina e o vidro de poliimida substratos . O composto de óxido de berílio e óxido de berílio " E-Materials " foi especialmente projetado para essas aplicações eletrônicas e tem a vantagem adicional de que o coeficiente de expansão térmica pode ser ajustado para corresponder a diversos materiais de substrato. [8]

O óxido de berílio é útil para muitas aplicações que requerem as propriedades combinadas de um isolante elétrico e um excelente condutor de calor, com alta resistência e dureza e um ponto de fusão muito alto. O óxido de berílio é freqüentemente usado como uma placa base isolante em transistores de alta potência em transmissores de radiofrequência para telecomunicações. O óxido de berílio também está sendo estudado para uso no aumento da condutividade térmica de pelotas de combustível nuclear de dióxido de urânio . [102] Compostos de berílio foram usados ​​em lâmpadas fluorescentes , mas esse uso foi descontinuado por causa da doença beriliose que se desenvolveu nos trabalhadores que estavam fazendo os tubos. [103]

Saúde

O berílio é um componente de várias ligas dentais . [104] [105]

Segurança e saúde

O berílio é um problema de saúde e segurança para os trabalhadores. A exposição ao berílio no local de trabalho pode levar a uma resposta imunológica de sensibilização e pode, com o tempo, desenvolver a doença crônica do berílio (CBD). [106] O Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional (NIOSH) dos Estados Unidos pesquisa esses efeitos em colaboração com um grande fabricante de produtos de berílio. O objetivo desta pesquisa é prevenir a sensibilização e o CBD, desenvolvendo uma melhor compreensão dos processos de trabalho e exposições que podem representar um risco potencial para os trabalhadores, e desenvolver intervenções eficazes que irão reduzir o risco de efeitos adversos à saúde. O NIOSH também realiza pesquisas genéticas sobre sensibilização e CBD, independentemente desta colaboração. [106]O Manual de Métodos Analíticos do NIOSH contém métodos para medir a exposição ocupacional ao berílio. [107]

Precauções

Berílio
Perigos
Pictogramas GHS GHS06: ToxicGHS08: Health hazard
Palavra-sinal GHS Perigo
H301 , H315 , H317 , H319 , H330 , H335 , H350i , H372
P201 , P260 , P280 , P284 , P301 , P304 , P310 , P330 , P340 [108]
NFPA 704 (diamante de fogo)
4
3
3

Aproximadamente 35 microgramas de berílio são encontrados no corpo humano médio, uma quantidade não considerada prejudicial. [109] O berílio é quimicamente semelhante ao magnésio e, portanto, pode removê-lo das enzimas , causando o mau funcionamento delas. [109] Como o Be 2+ é um íon pequeno e altamente carregado, ele pode facilmente entrar em muitos tecidos e células, onde tem como alvo específico os núcleos das células, inibindo muitas enzimas, incluindo aquelas usadas para sintetizar DNA. Sua toxicidade é exacerbada pelo fato de que o corpo não tem meios para controlar os níveis de berílio e, uma vez dentro do corpo, o berílio não pode ser removido. [110] Beriliose crônica é uma doença pulmonare doença granulomatosa sistêmica causada pela inalação de poeira ou fumos contaminados com berílio; grandes quantidades durante um curto período de tempo ou pequenas quantidades durante um longo período podem causar esta doença. Os sintomas da doença podem levar até cinco anos para se desenvolver; cerca de um terço dos pacientes morrem e os sobreviventes ficam incapacitados. [109] A Agência Internacional de Pesquisa sobre o Câncer (IARC) lista os compostos de berílio e berílio como carcinógenos de categoria 1 . [111] Nos EUA, a Administração de Segurança e Saúde Ocupacional (OSHA) designou um limite de exposição permissível (PEL) no local de trabalho com uma média ponderada no tempo (TWA) de 2 µg / m3 e um limite de exposição constante de 5 µg / m 3 ao longo de 30 minutos, com um limite máximo de pico de 25 µg / m 3 . O Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional (NIOSH) estabeleceu um limite de exposição recomendado (REL) de 500 ng / m 3 constantes . O valor IDLH (imediatamente perigoso para a vida e saúde) é de 4 mg / m 3 . [112] A toxicidade do berílio é semelhante à de outros metais tóxicos, como arsênio e mercúrio . [113] [114]

A toxicidade do berílio finamente dividido (poeira ou pó, principalmente encontrado em ambientes industriais onde o berílio é produzido ou usinado) está muito bem documentada. O metal berílio sólido não apresenta os mesmos riscos que a poeira inalada no ar, mas qualquer risco associado ao contato físico está mal documentado. Os trabalhadores que manuseiam peças de berílio acabadas são rotineiramente aconselhados a manuseá-los com luvas, tanto por precaução quanto porque muitas, se não a maioria das aplicações de berílio, não toleram resíduos de contato com a pele, como impressões digitais.

A doença aguda de berílio na forma de pneumonite química foi relatada pela primeira vez na Europa em 1933 e nos Estados Unidos em 1943. Uma pesquisa descobriu que cerca de 5% dos trabalhadores em fábricas de lâmpadas fluorescentes em 1949 nos Estados Unidos tinham doenças pulmonares relacionadas ao berílio . [115] A beriliose crônica se assemelha à sarcoidose em muitos aspectos, e o diagnóstico diferencial costuma ser difícil. Matou alguns dos primeiros trabalhadores no projeto de armas nucleares, como Herbert L. Anderson . [116]

O berílio pode ser encontrado na escória de carvão. Quando a escória é formulada em um agente abrasivo para jateamento de tinta e ferrugem de superfícies duras, o berílio pode se espalhar pelo ar e se tornar uma fonte de exposição. [117]

Os primeiros pesquisadores provaram o berílio e seus vários compostos para verificar a doçura, a fim de verificar sua presença. O equipamento de diagnóstico moderno não necessita mais deste procedimento altamente arriscado e nenhuma tentativa deve ser feita para ingerir esta substância altamente tóxica. [6] Berílio e seus compostos devem ser manuseados com muito cuidado e precauções especiais devem ser tomadas ao realizar qualquer atividade que possa resultar na liberação de poeira de berílio ( câncer de pulmãoé um resultado possível da exposição prolongada à poeira carregada de berílio). Embora o uso de compostos de berílio em tubos de iluminação fluorescente tenha sido descontinuado em 1949, o potencial de exposição ao berílio existe nas indústrias nuclear e aeroespacial e no refino de metal berílio e derretimento de ligas contendo berílio, fabricação de dispositivos eletrônicos e o manuseio de outro material contendo berílio. [118]

Um teste bem-sucedido para o berílio no ar e em superfícies foi recentemente desenvolvido e publicado como um padrão de consenso voluntário internacional ASTM D7202. O procedimento usa bifluoreto de amônio diluído para dissolução e detecção de fluorescência com berílio ligado a hidroxibenzoquinolina sulfonada, permitindo detecção até 100 vezes mais sensível do que o limite recomendado para concentração de berílio no local de trabalho. A fluorescência aumenta com o aumento da concentração de berílio. O novo procedimento foi testado com sucesso em uma variedade de superfícies e é eficaz para a dissolução e detecção de ultratraços de óxido de berílio refratário e berílio silicioso (ASTM D7458). [119] [120]

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Fontes citadas

Leitura adicional

Ligações externas