El berilio es un elemento químico con el símbolo Be y número atómico 4. Es un elemento relativamente raro en el universo , que generalmente ocurre como producto de la espalación de núcleos atómicos más grandes que han chocado con los rayos cósmicos . Dentro de los núcleos de las estrellas, el berilio se agota a medida que se fusiona en elementos más pesados. Es un elemento divalente que se produce naturalmente solo en combinación con otros elementos en minerales. Las piedras preciosas notables que contienen berilio incluyen berilo ( aguamarina , esmeralda ) ycrisoberilo . Como elemento libre es un metal alcalinotérreo de color gris acero, fuerte, ligero y quebradizo .
Berilio | |||||||||||||||||||||||
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Pronunciación | / B ə r ɪ l i ə m / | ||||||||||||||||||||||
Apariencia | blanco-gris metalizado | ||||||||||||||||||||||
Peso atómico estándar A r, std (Be) | 9.012 1831 (5) [1] | ||||||||||||||||||||||
Berilio en la tabla periódica | |||||||||||||||||||||||
Número atómico ( Z ) | 4 | ||||||||||||||||||||||
Grupo | grupo 2 (metales alcalinotérreos) | ||||||||||||||||||||||
Período | período 2 | ||||||||||||||||||||||
Cuadra | bloque s | ||||||||||||||||||||||
Configuración electronica | [ Él ] 2 s 2 | ||||||||||||||||||||||
Electrones por capa | 2, 2 | ||||||||||||||||||||||
Propiedades físicas | |||||||||||||||||||||||
Fase en STP | sólido | ||||||||||||||||||||||
Punto de fusion | 1560 K (1287 ° C, 2349 ° F) | ||||||||||||||||||||||
Punto de ebullición | 2742 K (2469 ° C, 4476 ° F) | ||||||||||||||||||||||
Densidad (cerca de rt ) | 1,85 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||
cuando es líquido (a mp ) | 1.690 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||
Punto crítico | 5205 K, MPa (extrapolado) | ||||||||||||||||||||||
Calor de fusión | 12,2 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||
Calor de vaporización | 292 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||
Capacidad calorífica molar | 16,443 J / (mol · K) | ||||||||||||||||||||||
Presión de vapor
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Propiedades atómicas | |||||||||||||||||||||||
Estados de oxidación | 0, [2] +1, [3] +2 (un óxido anfótero ) | ||||||||||||||||||||||
Electronegatividad | Escala de Pauling: 1,57 | ||||||||||||||||||||||
Energías de ionización |
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Radio atómico | empírico: 112 pm | ||||||||||||||||||||||
Radio covalente | 96 ± 3 pm | ||||||||||||||||||||||
Radio de Van der Waals | 153 pm | ||||||||||||||||||||||
Líneas espectrales de berilio | |||||||||||||||||||||||
Otras propiedades | |||||||||||||||||||||||
Ocurrencia natural | primordial | ||||||||||||||||||||||
Estructura cristalina | hexagonal compacto (hcp) | ||||||||||||||||||||||
Velocidad de sonido varilla fina | 12,890 m / s (a ta ) [4] | ||||||||||||||||||||||
Expansión térmica | 11,3 µm / (m⋅K) (a 25 ° C) | ||||||||||||||||||||||
Conductividad térmica | 200 W / (m⋅K) | ||||||||||||||||||||||
Resistividad electrica | 36 nΩ⋅m (a 20 ° C) | ||||||||||||||||||||||
Orden magnético | diamagnético | ||||||||||||||||||||||
Susceptibilidad magnética molar | −9,0 × 10 −6 cm 3 / mol [5] | ||||||||||||||||||||||
El módulo de Young | 287 GPa | ||||||||||||||||||||||
Módulo de corte | 132 GPa | ||||||||||||||||||||||
Módulo de volumen | 130 GPa | ||||||||||||||||||||||
Relación de Poisson | 0.032 | ||||||||||||||||||||||
Dureza de Mohs | 5.5 | ||||||||||||||||||||||
Dureza Vickers | 1670 MPa | ||||||||||||||||||||||
Dureza Brinell | 590-1320 MPa | ||||||||||||||||||||||
Número CAS | 7440-41-7 | ||||||||||||||||||||||
Historia | |||||||||||||||||||||||
Descubrimiento | Louis Nicolas Vauquelin (1798) | ||||||||||||||||||||||
Primer aislamiento | Friedrich Wöhler y Antoine Bussy (1828) | ||||||||||||||||||||||
Isótopos principales del berilio | |||||||||||||||||||||||
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En aplicaciones estructurales, la combinación de alta rigidez a la flexión , estabilidad térmica , conductividad térmica y baja densidad (1,85 veces la del agua) hacen que el berilio metálico sea un material aeroespacial deseable para componentes de aeronaves, misiles , naves espaciales y satélites . [6] Debido a su baja densidad y masa atómica , el berilio es relativamente transparente a los rayos X y otras formas de radiación ionizante ; por lo tanto, es el material de ventana más común para equipos de rayos X y componentes de detectores de partículas . [6] Las altas conductividades térmicas del berilio y el óxido de berilio han llevado a su uso en aplicaciones de gestión térmica. Cuando se agrega como un elemento de aleación al aluminio , cobre (en particular la aleación de cobre-berilio ), hierro o níquel , el berilio mejora muchas propiedades físicas. [se necesita un ejemplo ] [6] Las herramientas hechas de aleaciones de cobre-berilio son fuertes y duras y no crean chispas cuando golpean una superficie de acero. El berilio no forma óxidos hasta que alcanza temperaturas muy altas.
El uso comercial de berilio requiere el uso de equipos de control de polvo apropiados y controles industriales en todo momento debido a la toxicidad de los polvos que contienen berilio inhalados que pueden causar una enfermedad alérgica crónica potencialmente mortal en algunas personas llamada beriliosis . [7]
Caracteristicas
Propiedades físicas
El berilio es un metal duro y gris acero que es frágil a temperatura ambiente y tiene una estructura cristalina hexagonal compacta . [6] Tiene una rigidez excepcional ( módulo de Young 287 GPa) y un punto de fusión de 1287 C. El módulo de elasticidad del berilio es aproximadamente un 50% mayor que el del acero. La combinación de este módulo y una densidad relativamente baja da como resultado una velocidad de conducción del sonido inusualmente rápida en el berilio, aproximadamente 12,9 km / s en condiciones ambientales . Otras propiedades importantes son el calor específico elevado (1925 J · kg −1 · K −1 ) y conductividad térmica (216 W · m −1 · K −1 ), que hacen del berilio el metal con mejores características de disipación de calor por unidad de peso. En combinación con el coeficiente de expansión térmica lineal relativamente bajo (11,4 × 10 −6 K −1 ), estas características dan como resultado una estabilidad única en condiciones de carga térmica. [8]
Propiedades nucleares
El berilio natural, salvo una ligera contaminación por los radioisótopos cosmogénicos, es berilio-9 isotópicamente puro, que tiene un giro nuclear de3/2. El berilio tiene una gran sección transversal de dispersión para neutrones de alta energía, aproximadamente 6 graneros para energías superiores a aproximadamente 10 keV. Por lo tanto, funciona como reflector de neutrones y moderador de neutrones , reduciendo la velocidad de los neutrones al rango de energía térmica por debajo de 0.03 eV, donde la sección transversal total es al menos un orden de magnitud menor; el valor exacto depende en gran medida de la pureza y el tamaño de los cristalitos en el material.
El único isótopo primordial de berilio 9 Be también sufre una reacción de neutrones (n, 2n) con energías de neutrones de aproximadamente 1,9 MeV, para producir 8 Be, que casi inmediatamente se rompe en dos partículas alfa. Por lo tanto, para los neutrones de alta energía, el berilio es un multiplicador de neutrones que libera más neutrones de los que absorbe. Esta reacción nuclear es: [9]
- 9
4Ser
+ n → 2 4
2Él
+ 2 n
Los neutrones se liberan cuando los núcleos de berilio son golpeados por partículas alfa energéticas [8] que producen la reacción nuclear.
- 9
4Ser
+ 4
2Él
→ 12
6C
+ n
dónde 4
2Él
es una partícula alfa y 12
6C
es un núcleo de carbono-12 . [9] El berilio también libera neutrones bajo el bombardeo de rayos gamma. Por lo tanto, el berilio natural bombardeado por alfa o gammas de un radioisótopo adecuado es un componente clave de la mayoría de las fuentes de neutrones de reacción nuclear impulsadas por radioisótopos para la producción de laboratorio de neutrones libres.
Se liberan pequeñas cantidades de tritio cuando9
4Ser
Los núcleos absorben neutrones de baja energía en la reacción nuclear de tres pasos.
- 9
4Ser
+ n → 4
2Él
+ 6
2Él
, 6
2Él
→ 6
3Li
+ β - , 6
3Li
+ n → 4
2Él
+ 3
1H
Tenga en cuenta que 6
2Él
tiene una vida media de solo 0,8 segundos, β - es un electrón, y6
3Li
tiene una sección transversal de alta absorción de neutrones. El tritio es un radioisótopo preocupante en las corrientes de desechos de los reactores nucleares. [10]
Propiedades ópticas
Como metal, el berilio es transparente o translúcido a la mayoría de las longitudes de onda de los rayos X y rayos gamma , lo que lo hace útil para las ventanas de salida de los tubos de rayos X y otros aparatos similares.
Isótopos y nucleosíntesis
En las estrellas se crean isótopos estables e inestables de berilio, pero los radioisótopos no duran mucho. Se cree que la mayor parte del berilio estable del universo se creó originalmente en el medio interestelar cuando los rayos cósmicos indujeron la fisión en elementos más pesados que se encuentran en el gas y el polvo interestelar. [11] El berilio primordial contiene solo un isótopo estable, 9 Be, y por lo tanto el berilio es un elemento monoisotópico y mononuclídico .
El 10 Be radiactivo cosmogénico se produce en la atmósfera de la Tierra por la espalación de oxígeno de los rayos cósmicos . [12] 10 Be se acumula en la superficie del suelo , donde su vida media relativamente larga (1,36 millones de años) permite un tiempo de residencia prolongado antes de descomponerse en boro -10. Por lo tanto, el 10 Be y sus productos secundarios se utilizan para examinar la erosión natural del suelo , la formación del suelo y el desarrollo de los suelos lateríticos , y como un proxy para medir las variaciones en la actividad solar y la edad de los núcleos de hielo . [13] La producción de 10 Be es inversamente proporcional a la actividad solar, porque el aumento del viento solar durante períodos de alta actividad solar disminuye el flujo de rayos cósmicos galácticos que llegan a la Tierra. [12] Las explosiones nucleares también forman 10 Sé por la reacción de neutrones rápidos con 13 C en el dióxido de carbono en el aire. Este es uno de los indicadores de la actividad pasada en los sitios de prueba de armas nucleares . [14] El isótopo 7 Be (vida media 53 días) también es cosmogénico y muestra una abundancia atmosférica ligada a las manchas solares, muy similar al 10 Be.
8 Be tiene una vida media muy corta de aproximadamente 8 × 10 - 17 s que contribuye a su importante papel cosmológico, ya que los elementos más pesados que el berilio no podrían haber sido producidos por fusión nuclear en el Big Bang . [15] Esto se debe a la falta de tiempo suficiente durante la fase de nucleosíntesis del Big Bang para producir carbono mediante la fusión de núcleos de 4 He y las concentraciones muy bajas de berilio-8 disponible . El astrónomo británico Sir Fred Hoyle demostró por primera vez que los niveles de energía de 8 Be y 12 C permiten la producción de carbono mediante el llamado proceso triple alfa en estrellas alimentadas con helio donde hay más tiempo de nucleosíntesis disponible. Este proceso permite que se produzca carbono en las estrellas, pero no en el Big Bang. El carbono creado por estrellas (la base de la vida basada en el carbono ) es, por tanto, un componente de los elementos del gas y el polvo expulsados por las estrellas AGB y las supernovas (véase también la nucleosíntesis del Big Bang ), así como la creación de todos los demás elementos con elementos atómicos. números mayores que los del carbono. [dieciséis]
Los electrones 2s del berilio pueden contribuir al enlace químico. Por lo tanto, cuando 7 Be decae por captura de electrones L , lo hace tomando electrones de sus orbitales atómicos que pueden estar participando en la unión. Esto hace que su tasa de desintegración dependa en un grado medible de su entorno químico, una ocurrencia rara en la desintegración nuclear. [17]
El isótopo de berilio de vida más corta que se conoce es el 13 Be, que se desintegra por emisión de neutrones . Tiene una vida media de 2,7 × 10 −21 s. 6 Be también tiene una vida muy corta con una vida media de 5.0 × 10 −21 s. [18] Se sabe que los isótopos exóticos 11 Be y 14 Be exhiben un halo nuclear . [19] Este fenómeno puede entenderse como que los núcleos de 11 Be y 14 Be tienen, respectivamente, 1 y 4 neutrones orbitando sustancialmente fuera del modelo clásico de "gota de agua" de Fermi del núcleo.
Ocurrencia
El Sol tiene una concentración de 0,1 partes por billón (ppb) de berilio. [20] El berilio tiene una concentración de 2 a 6 partes por millón (ppm) en la corteza terrestre. [21] Está más concentrado en los suelos, 6 ppm. [22] Se encuentran trazas de 9 Be en la atmósfera de la Tierra. [22] La concentración de berilio en el agua de mar es de 0,2 a 0,6 partes por billón . [22] [23] En el agua corriente, sin embargo, el berilio es más abundante con una concentración de 0.1 ppb. [24]
El berilio se encuentra en más de 100 minerales, [25] pero la mayoría son poco comunes o raros. Los minerales que contienen berilio más comunes incluyen: bertrandita (Be 4 Si 2 O 7 (OH) 2 ), berilo (Al 2 Be 3 Si 6 O 18 ), crisoberilo (Al 2 BeO 4 ) y fenakita (Be 2 SiO 4 ). Las formas preciosas de berilo son aguamarina , berilo rojo y esmeralda . [8] [26] [27] El color verde en las formas de berilo con calidad de gema proviene de cantidades variables de cromo (alrededor del 2% para la esmeralda). [28]
Los dos minerales principales de berilio, berilo y bertrandita, se encuentran en Argentina, Brasil, India, Madagascar, Rusia y Estados Unidos. [28] Las reservas mundiales totales de mineral de berilio superan las 400 000 toneladas. [28]
Producción
La extracción de berilio de sus compuestos es un proceso difícil debido a su alta afinidad por el oxígeno a temperaturas elevadas y su capacidad para reducir el agua cuando se elimina su película de óxido. Actualmente, Estados Unidos, China y Kazajstán son los únicos tres países involucrados en la extracción de berilio a escala industrial. [29] Kazajstán produce berilio a partir de un concentrado almacenado antes de la desintegración de la Unión Soviética alrededor de 1991. Este recurso casi se ha agotado a mediados de la década de 2010. [30]
La producción de berilio en Rusia se detuvo en 1997 y está previsto que se reanude en la década de 2020. [31] [32]
El berilio se extrae más comúnmente del mineral berilo , que se sinteriza con un agente de extracción o se funde en una mezcla soluble. El proceso de sinterización implica mezclar berilo con fluorosilicato de sodio y sosa a 770 ° C (1420 ° F) para formar fluoroberilato de sodio , óxido de aluminio y dióxido de silicio . [6] El hidróxido de berilio se precipita a partir de una solución de fluoroberilato de sodio e hidróxido de sodio en agua. La extracción de berilio mediante el método de fusión implica moler el berilo en un polvo y calentarlo a 1.650 ° C (3.000 ° F). [6] La masa fundida se enfría rápidamente con agua y luego se recalienta de 250 a 300 ° C (482 a 572 ° F) en ácido sulfúrico concentrado , produciendo principalmente sulfato de berilio y sulfato de aluminio . [6] A continuación, se utiliza amoníaco acuoso para eliminar el aluminio y el azufre, dejando hidróxido de berilio.
El hidróxido de berilio creado utilizando el método de sinterización o fusión se convierte luego en fluoruro de berilio o cloruro de berilio . Para formar el fluoruro, se agrega fluoruro de hidrógeno y amonio acuoso al hidróxido de berilio para producir un precipitado de tetrafluoroberilato de amonio, que se calienta a 1000 ° C (1830 ° F) para formar fluoruro de berilio. [6] Calentar el fluoruro a 900 ° C (1,650 ° F) con magnesio forma berilio finamente dividido, y un calentamiento adicional a 1,300 ° C (2,370 ° F) crea el metal compacto. [6] El calentamiento del hidróxido de berilio forma el óxido, que se convierte en cloruro de berilio cuando se combina con carbono y cloro. Luego se usa la electrólisis de cloruro de berilio fundido para obtener el metal. [6]
Propiedades químicas
Un átomo de berilio tiene la configuración electrónica [He] 2s 2 . El estado de oxidación predominante del berilio es +2; el átomo de berilio ha perdido sus dos electrones de valencia. Se han encontrado estados de oxidación más bajos, por ejemplo, en compuestos bis (carbeno). [33] El comportamiento químico del berilio es en gran parte el resultado de sus pequeños radios atómicos e iónicos . Por lo tanto, tiene potenciales de ionización muy altos y una fuerte polarización mientras está unido a otros átomos, razón por la cual todos sus compuestos son covalentes . Su química tiene similitudes con la química del aluminio, un ejemplo de relación diagonal . Se forma una capa de óxido en la superficie del berilio metálico que evita reacciones posteriores con el aire a menos que se caliente por encima de los 1000 ° C. Una vez encendido, el berilio arde brillantemente formando una mezcla de óxido de berilio y nitruro de berilio . El berilio se disuelve fácilmente en ácidos no oxidantes , como HCl y H 2 SO 4 diluido , pero no en ácido nítrico o agua, ya que esto forma el óxido. Este comportamiento es similar al del aluminio metálico. El berilio también se disuelve en soluciones alcalinas. [6] [34]
Los compuestos binarios de berilio (II) son poliméricos en estado sólido. BeF 2 tiene una estructura similar a la sílice con tetraedros BeF 4 compartidos en las esquinas . BeCl 2 y BeBr 2 tienen estructuras de cadena con tetraedros de borde compartido. El óxido de berilio , BeO, es un sólido refractario blanco, que tiene la estructura cristalina de wurtzita y una conductividad térmica tan alta como la de algunos metales. BeO es anfótero . Se conocen sulfuro , seleniuro y telururo de berilio , todos con estructura de zincblenda . [35] El nitruro de berilio , Be 3 N 2 es un compuesto de alto punto de fusión que se hidroliza fácilmente. Se conoce la azida de berilio, BeN 6 y el fosfuro de berilio, Be 3 P 2 tiene una estructura similar a Be 3 N 2 . Se conocen varios boruros de berilio , como Be 5 B, Be 4 B, Be 2 B, BeB 2 , BeB 6 y BeB 12 . El carburo de berilio , Be 2 C, es un compuesto refractario de color rojo ladrillo que reacciona con el agua para producir metano . [35] No se ha identificado siliciuro de berilio . [34]
Los haluros BeX 2 (X = F, Cl, Br, I) tienen una estructura molecular monomérica lineal en la fase gaseosa. [34] Los complejos de haluros se forman con uno o más ligandos que donan un total de dos pares de electrones. Tales compuestos obedecen a la regla del octeto . Otros complejos de 4 coordenadas como el aqua-ion [Be (H 2 O) 4 ] 2+ también obedecen la regla del octeto.
Las soluciones de sales de berilio, como el sulfato de berilio y el nitrato de berilio , son ácidas debido a la hidrólisis del ión [Be (H 2 O) 4 ] 2+ . La concentración del primer producto de hidrólisis, [Be (H 2 O) 3 (OH)] + , es menos del 1% de la concentración de berilio. El producto de hidrólisis más estable es el ion trimérico [Be 3 (OH) 3 (H 2 O) 6 ] 3+ . El hidróxido de berilio , Be (OH) 2 , es insoluble en agua a un pH de 5 o más. En consecuencia, los compuestos de berilio son generalmente insolubles a pH biológico. Debido a esto, la inhalación de polvo metálico de berilio por parte de las personas conduce al desarrollo de la condición fatal de beriliosis . Be (OH) 2 se disuelve en soluciones fuertemente alcalinas . En el acetato de berilio básico, el átomo de oxígeno central está rodeado por un tetraedro de átomos de berilio. [35] El difluoruro de berilio , a diferencia de los otros difluoruros alcalinotérreos, es muy soluble en agua. [36] Las soluciones acuosas de esta sal contienen iones como [Be (H 2 O) 3 F] + . [37] [38] [39] [40] El hidróxido de berilio reacciona con bifluoruro de amonio para formar la sal de amonio del complejo de tetrafluoroberilato, [(H 4 N + ) 2 ] [BeF 4 2– ].
Química Orgánica
La química del organoberilio se limita a la investigación académica debido al costo y la toxicidad del berilio, los derivados del berilio y los reactivos necesarios para la introducción del berilio, como el cloruro de berilio . Se sabe que los compuestos organometálicos de berilio son altamente reactivos [41] Ejemplos de compuestos organoberilios conocidos son dineopentilberilio , [42] berilloceno (Cp 2 Be), [43] [44] [45] [46] dialilberilio (por reacción de intercambio de dietil berilio con trialil boro), [47] bis (1,3-trimetilsililalil) berilio [48] y Be (mes) 2. [41] Los ligandos también pueden ser arilos [49] y alquinilos. [50]
Historia
El mineral berilo , que contiene berilio, se ha utilizado al menos desde la dinastía ptolemaica de Egipto. [51] En el siglo I d . C. , el naturalista romano Plinio el Viejo mencionó en su enciclopedia de Historia Natural que el berilo y la esmeralda ("smaragdus") eran similares. [52] El Papyrus Graecus Holmiensis , escrito en el siglo III o IV EC, contiene notas sobre cómo preparar esmeralda artificial y berilo. [52]
Los primeros análisis de esmeraldas y berilos realizados por Martin Heinrich Klaproth , Torbern Olof Bergman , Franz Karl Achard y Johann Jakob Bindheim siempre arrojaron elementos similares, lo que llevó a la conclusión errónea de que ambas sustancias son silicatos de aluminio . [53] El mineralogista René Just Haüy descubrió que ambos cristales son geométricamente idénticos y le pidió al químico Louis-Nicolas Vauquelin un análisis químico. [51]
En un artículo de 1798 leído ante el Institut de France , Vauquelin informó que encontró una nueva "tierra" disolviendo hidróxido de aluminio de esmeralda y berilo en un álcali adicional . [54] Los editores de la revista Annales de Chimie et de Physique llamaron a la tierra nueva "glucina" por el sabor dulce de algunos de sus compuestos. [55] Klaproth prefirió el nombre "beryllina" debido al hecho de que la itria también formaba sales dulces. [56] [57] El nombre "berilio" fue utilizado por primera vez por Wöhler en 1828. [58]
Friedrich Wöhler [59] y Antoine Bussy [60] aislaron de forma independiente el berilio en 1828 mediante la reacción química de potasio metálico con cloruro de berilio , como sigue:
- BeCl 2 + 2 K → 2 KCl + Be
Usando una lámpara de alcohol, Wöhler calentó capas alternas de cloruro de berilio y potasio en un crisol de platino cerrado con alambre. La reacción anterior tuvo lugar inmediatamente y provocó que el crisol se pusiera al rojo vivo. Al enfriar y lavar el polvo gris-negro resultante, vio que estaba hecho de partículas finas con un brillo metálico oscuro. [61] El potasio altamente reactivo se había producido mediante la electrólisis de sus compuestos, un proceso descubierto 21 años antes. El método químico que utiliza potasio produjo solo pequeños granos de berilio de los que no se pudo moldear ni martillar ningún lingote de metal.
La electrólisis directa de una mezcla fundida de fluoruro de berilio y fluoruro de sodio por Paul Lebeau en 1898 dio como resultado las primeras muestras puras (99,5 a 99,8%) de berilio. [61] Sin embargo, la producción industrial comenzó solo después de la Primera Guerra Mundial. La participación industrial original incluía filiales y científicos relacionados con Union Carbide and Carbon Corporation en Cleveland OH y Siemens & Halske AG en Berlín. En Estados Unidos, el proceso fue gobernado por Hugh S. Cooper, director de The Kemet Laboratories Company. En Alemania, el primer proceso comercialmente exitoso para producir berilio fue desarrollado en 1921 por Alfred Stock y Hans Goldschmidt . [62]
Una muestra de berilio fue bombardeada con rayos alfa de la desintegración del radio en un experimento de 1932 de James Chadwick que descubrió la existencia del neutrón . [28] Este mismo método se utiliza en una clase de fuentes de neutrones de laboratorio basadas en radioisótopos que producen 30 neutrones por cada millón de partículas α. [21]
La producción de berilio experimentó un rápido aumento durante la Segunda Guerra Mundial, debido a la creciente demanda de aleaciones duras de berilio-cobre y fósforos para luces fluorescentes . La mayoría de las primeras lámparas fluorescentes usaban ortosilicato de zinc con contenido variable de berilio para emitir luz verdosa. Pequeñas adiciones de tungstato de magnesio mejoraron la parte azul del espectro para producir una luz blanca aceptable. Los fósforos a base de halofosfato reemplazaron a los fósforos a base de berilio después de que se descubrió que el berilio era tóxico. [63]
La electrólisis de una mezcla de fluoruro de berilio y fluoruro de sodio se utilizó para aislar el berilio durante el siglo XIX. El alto punto de fusión del metal hace que este proceso consuma más energía que los procesos correspondientes utilizados para los metales alcalinos . A principios del siglo XX, se investigó la producción de berilio mediante la descomposición térmica del yoduro de berilio tras el éxito de un proceso similar para la producción de circonio , pero este proceso demostró ser antieconómico para la producción en volumen. [64]
El berilio puro no estuvo disponible hasta 1957, a pesar de que se había utilizado como metal de aleación para endurecer y endurecer el cobre mucho antes. [28] El berilio podría producirse reduciendo compuestos de berilio como el cloruro de berilio con potasio o sodio metálico. Actualmente, la mayor parte del berilio se produce reduciendo el fluoruro de berilio con magnesio . [65] El precio en el mercado estadounidense de los lingotes de berilio fundidos al vacío fue de unos 338 dólares la libra (745 dólares el kilogramo) en 2001. [66]
Entre 1998 y 2008, la producción mundial de berilio había disminuido de 343 a unas 200 toneladas . Luego aumentó a 230 toneladas en 2018, de las cuales 170 toneladas provinieron de Estados Unidos. [67] [68]
Etimología
Los primeros precursores de la palabra berilio se remontan a muchos idiomas, incluido el latín beryllus ; Béry francés ; Βήρυλλος , bērullos , 'berilo' del griego antiguo ; Prakrit वॆरुलिय ( veruliya ); Pāli वेलुरिय ( veḷuriya ), भेलिरु ( veḷiru ) o भिलर् ( viḷar ) - "ponerse pálido", en referencia a la pálida piedra preciosa semipreciosa berilo. La fuente original es probablemente la palabra sánscrita वैडूर्य ( vaidurya ), que es de origen del sur de la India y podría estar relacionada con el nombre de la ciudad moderna de Belur . [69] [se necesita una mejor fuente ] Hasta 1957, [70] el berilio también se conocía como glucinum o glucinio (con el símbolo químico que acompaña " Gl ", [70] o " G " [71] ), el nombre que viene de la palabra griega antigua por dulce: γλυκύς , debido al sabor dulce de berilio sales . [72]
Aplicaciones
Ventanas de radiación
Debido a su bajo número atómico y muy baja absorción de rayos X, el más antiguo y todavía una de las mayoría de las aplicaciones importantes de berilio es en las ventanas de radiación para tubos de rayos X . [28] Se imponen exigencias extremas a la pureza y limpieza del berilio para evitar artefactos en las imágenes de rayos X. Las láminas delgadas de berilio se utilizan como ventanas de radiación para los detectores de rayos X, y la absorción extremadamente baja minimiza los efectos de calentamiento causados por los rayos X de alta intensidad y baja energía típicos de la radiación de sincrotrón . Las ventanas y los tubos de haz herméticos al vacío para experimentos de radiación en sincrotrones se fabrican exclusivamente a partir de berilio. En configuraciones científicas para varios estudios de emisión de rayos X (p. Ej., Espectroscopia de rayos X de dispersión de energía ), el portamuestras generalmente está hecho de berilio porque sus rayos X emitidos tienen energías mucho más bajas (≈100 eV) que los rayos X de la mayoría de los casos. Materiales estudiados. [8]
El bajo número atómico también hace que el berilio sea relativamente transparente para las partículas energéticas . Por lo tanto, se utiliza para construir la tubería de haz alrededor de la región de colisión en configuraciones de física de partículas , como los cuatro experimentos de detectores principales en el Gran Colisionador de Hadrones ( ALICE , ATLAS , CMS , LHCb ), [73] el Tevatron y en SLAC . La baja densidad del berilio permite que los productos de colisión lleguen a los detectores circundantes sin interacción significativa, su rigidez permite que se produzca un potente vacío dentro de la tubería para minimizar la interacción con los gases, su estabilidad térmica le permite funcionar correctamente a temperaturas de solo unos pocos grados por encima del cero absoluto , y su naturaleza diamagnética evita que interfiera con los complejos sistemas de imanes multipolares utilizados para dirigir y enfocar los haces de partículas . [74]
Aplicaciones mecánicas
Debido a su rigidez, peso ligero y estabilidad dimensional en un amplio rango de temperaturas, el berilio se utiliza para componentes estructurales ligeros en las industrias de defensa y aeroespacial en aviones de alta velocidad , misiles guiados , naves espaciales y satélites , incluido el telescopio James Webb . Varios cohetes de combustible líquido han utilizado toberas de cohetes hechas de berilio puro. [75] [76] El polvo de berilio se estudió en sí mismo como combustible para cohetes , pero este uso nunca se ha materializado. [28] Un pequeño número de cuadros de bicicletas de alta gama se han construido con berilio. [77] De 1998 a 2000, el equipo de Fórmula Uno de McLaren utilizó motores Mercedes-Benz con pistones de aleación de berilio y aluminio . [78] El uso de componentes de motor de berilio fue prohibido tras una protesta de la Scuderia Ferrari . [79]
Mezclar aproximadamente 2.0% de berilio en cobre forma una aleación llamada cobre berilio que es seis veces más fuerte que el cobre solo. [80] Las aleaciones de berilio se utilizan en muchas aplicaciones debido a su combinación de elasticidad, alta conductividad eléctrica y conductividad térmica , alta resistencia y dureza , propiedades no magnéticas, así como buena resistencia a la corrosión y la fatiga . [28] [6] Estas aplicaciones incluyen herramientas que no producen chispas que se utilizan cerca de gases inflamables ( níquel berilio ), en resortes y membranas (níquel berilio y hierro berilio ) utilizados en instrumentos quirúrgicos y dispositivos de alta temperatura. [28] [6] Tan solo 50 partes por millón de berilio aleado con magnesio líquido conduce a un aumento significativo de la resistencia a la oxidación y una disminución de la inflamabilidad. [6]
La alta rigidez elástica del berilio ha llevado a su uso extensivo en instrumentación de precisión, por ejemplo, en sistemas de guía inercial y en los mecanismos de soporte para sistemas ópticos. [8] Las aleaciones de berilio y cobre también se aplicaron como agente endurecedor en las " pistolas Jason ", que se utilizaron para quitar la pintura de los cascos de los barcos. [81]
El berilio también se usó para voladizos en palpadores de cartuchos de fonógrafo de alto rendimiento, donde su extrema rigidez y baja densidad permitieron que los pesos de seguimiento se redujeran a 1 gramo, pero aún así rastrear pasajes de alta frecuencia con una distorsión mínima. [82]
Una aplicación importante anterior del berilio fue en los frenos de los aviones militares debido a su dureza, alto punto de fusión y capacidad excepcional para disipar el calor . Las consideraciones ambientales han llevado a la sustitución por otros materiales. [8]
Para reducir los costos, el berilio se puede alear con cantidades significativas de aluminio , lo que da como resultado la aleación AlBeMet (un nombre comercial). Esta mezcla es más barata que el berilio puro, pero conserva muchas propiedades deseables.
Espejos
Los espejos de berilio son de especial interés. Los espejos de gran superficie, con frecuencia con una estructura de soporte alveolar , se utilizan, por ejemplo, en satélites meteorológicos donde el peso reducido y la estabilidad dimensional a largo plazo son fundamentales. Los espejos de berilio más pequeños se utilizan en sistemas de guía óptica y en sistemas de control de fuego , por ejemplo, en los tanques de batalla principales Leopard 1 y Leopard 2 de fabricación alemana . En estos sistemas, se requiere un movimiento muy rápido del espejo que de nuevo dicta una masa baja y una rigidez alta. Por lo general, el espejo de berilio está recubierto con un niquelado duro no electrolítico que se puede pulir más fácilmente para obtener un acabado óptico más fino que el berilio. En algunas aplicaciones, sin embargo, el blanco de berilio se pule sin ningún recubrimiento. Esto es particularmente aplicable a la operación criogénica donde el desajuste de la expansión térmica puede hacer que el recubrimiento se pandee. [8]
El telescopio espacial James Webb [83] tendrá 18 secciones hexagonales de berilio para sus espejos. Debido a que JWST enfrentará una temperatura de 33 K, el espejo está hecho de berilio bañado en oro, capaz de soportar el frío extremo mejor que el vidrio. El berilio se contrae y se deforma menos que el vidrio, y permanece más uniforme, a tales temperaturas. [84] Por la misma razón, la óptica del Telescopio Espacial Spitzer está construida completamente de metal berilio. [85]
Aplicaciones magnéticas
El berilio no es magnético. Por lo tanto, los equipos de eliminación de artefactos explosivos navales o militares utilizan herramientas fabricadas con materiales a base de berilio para trabajar en minas navales o cerca de ellas , ya que estas minas suelen tener espoletas magnéticas . [87] También se encuentran en materiales de construcción y mantenimiento cerca de máquinas de resonancia magnética (MRI) debido a los altos campos magnéticos generados. [88] En los campos de las comunicaciones por radio y los radares potentes (generalmente militares) , se utilizan herramientas manuales hechas de berilio para sintonizar los klistrones , magnetrones , tubos de ondas viajeras , etc., altamente magnéticos , que se utilizan para generar altos niveles de potencia de microondas. en los transmisores . [89]
Aplicaciones nucleares
Las placas delgadas o láminas de berilio se utilizan a veces en diseños de armas nucleares como la capa exterior de los hoyos de plutonio en las etapas primarias de las bombas termonucleares , colocadas para rodear el material fisionable . Estas capas de berilio son buenos "impulsores" de la implosión del plutonio-239 , y son buenos reflectores de neutrones , al igual que en los reactores nucleares moderados por berilio . [90]
El berilio también se usa comúnmente en algunas fuentes de neutrones en dispositivos de laboratorio en los que se necesitan relativamente pocos neutrones (en lugar de tener que usar un reactor nuclear o un generador de neutrones alimentado por un acelerador de partículas ). Para este propósito, un objetivo de berilio-9 es bombardeado con partículas alfa energéticas de un radioisótopo como polonio -210, radio -226, plutonio -238 o americio -241. En la reacción nuclear que ocurre, un núcleo de berilio se transmuta en carbono-12 y se emite un neutrón libre, viajando aproximadamente en la misma dirección en la que se dirigía la partícula alfa. Estas fuentes de neutrones de berilio impulsadas por la desintegración alfa , denominadas iniciadores de neutrones "erizo" , se utilizaron en algunas de las primeras bombas atómicas . [90] Las fuentes de neutrones en las que el berilio es bombardeado con rayos gamma de un radioisótopo de desintegración gamma también se utilizan para producir neutrones de laboratorio. [91]
El berilio también se utiliza en la fabricación de combustible para reactores CANDU . Los elementos combustibles tienen pequeños apéndices que se sueldan por resistencia a la vaina del combustible mediante un proceso de soldadura fuerte por inducción con Be como material de relleno de soldadura fuerte. Las almohadillas de los cojinetes están soldadas en su lugar para evitar el contacto entre el haz de combustible y el tubo de presión, y las almohadillas espaciadoras entre elementos están soldadas para evitar el contacto entre los elementos.
El berilio también se utiliza en el laboratorio de investigación de fusión nuclear Joint European Torus , y se utilizará en el ITER más avanzado para acondicionar los componentes que se enfrentan al plasma. [92] El berilio también se ha propuesto como material de revestimiento para barras de combustible nuclear , debido a su buena combinación de propiedades mecánicas, químicas y nucleares. [8] El fluoruro de berilio es una de las sales constituyentes de la mezcla de sal eutéctica FLiBe , que se utiliza como disolvente, moderador y refrigerante en muchos diseños hipotéticos de reactores de sales fundidas , incluido el reactor de fluoruro líquido de torio (LFTR). [93]
Acústica
El bajo peso y la alta rigidez del berilio lo hacen útil como material para controladores de altavoces de alta frecuencia . Debido a que el berilio es caro (muchas veces más que el titanio ), difícil de moldear debido a su fragilidad y tóxico si se maneja mal, los tweeters de berilio se limitan al uso doméstico de alta gama, [94] [95] [96] audio profesional y megafonía. aplicaciones. [97] [98] Se ha afirmado fraudulentamente que algunos productos de alta fidelidad están fabricados con este material. [99]
Algunos cartuchos de fonógrafo de alta gama usaban voladizos de berilio para mejorar el seguimiento al reducir la masa. [100]
Electrónico
El berilio es un dopante de tipo p en semiconductores compuestos III-V . Es ampliamente utilizado en materiales como GaAs , AlGaAs , InGaAs e InAlAs cultivados por epitaxia de haz molecular (MBE). [101] La lámina de berilio laminada en cruz es un excelente soporte estructural para placas de circuito impreso en tecnología de montaje en superficie . En aplicaciones electrónicas críticas, el berilio es tanto un soporte estructural como un disipador de calor . La aplicación también requiere un coeficiente de expansión térmica que se adapte bien a los sustratos de alúmina y poliimida-vidrio . Los " Materiales-E " compuestos de óxido de berilio-berilio se han diseñado especialmente para estas aplicaciones electrónicas y tienen la ventaja adicional de que el coeficiente de expansión térmica se puede adaptar para adaptarse a diversos materiales de sustrato. [8]
El óxido de berilio es útil para muchas aplicaciones que requieren las propiedades combinadas de un aislante eléctrico y un excelente conductor de calor, con alta resistencia y dureza, y un punto de fusión muy alto. El óxido de berilio se utiliza frecuentemente como una placa de base aislante en alta potencia transistores en frecuencia de radio transmisores para telecomunicaciones. También se está estudiando el óxido de berilio para su uso en el aumento de la conductividad térmica de las pastillas de combustible nuclear de dióxido de uranio . [102] Se utilizaron compuestos de berilio en tubos de iluminación fluorescente , pero este uso se interrumpió debido a la enfermedad de beriliosis que se desarrolló en los trabajadores que fabricaban los tubos. [103]
Cuidado de la salud
El berilio es un componente de varias aleaciones dentales . [104] [105]
Seguridad y salud ocupacional
El berilio es un problema de salud y seguridad para los trabajadores. La exposición al berilio en el lugar de trabajo puede provocar una respuesta inmunitaria de sensibilización y, con el tiempo, puede desarrollar la enfermedad crónica por berilio (CBD). [106] El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) de los Estados Unidos investiga estos efectos en colaboración con un importante fabricante de productos de berilio. El objetivo de esta investigación es prevenir la sensibilización y el CBD mediante el desarrollo de una mejor comprensión de los procesos de trabajo y las exposiciones que pueden presentar un riesgo potencial para los trabajadores, y desarrollar intervenciones efectivas que reduzcan el riesgo de efectos adversos para la salud. NIOSH también realiza investigaciones genéticas sobre sensibilización y CBD, independientemente de esta colaboración. [106] El Manual de métodos analíticos de NIOSH contiene métodos para medir la exposición ocupacional al berilio. [107]
Precauciones
Peligros | |
---|---|
Pictogramas GHS | |
Palabra de señal GHS | Peligro |
Declaraciones de peligro GHS | H301 , H315 , H317 , H319 , H330 , H335 , H350i , H372 |
Consejos de prudencia del SGA | P201 , P260 , P280 , P284 , P301 , P310 , P330 , P304 , P340 , P310 [108] |
NFPA 704 (diamante de fuego) | 4 3 3 |
Aproximadamente 35 microgramos de berilio se encuentran en el cuerpo humano promedio, una cantidad que no se considera dañina. [109] El berilio es químicamente similar al magnesio y, por lo tanto, puede desplazarlo de las enzimas , lo que hace que funcionen mal. [109] Debido a que Be 2+ es un ión pequeño y con mucha carga, puede entrar fácilmente en muchos tejidos y células, donde se dirige específicamente a los núcleos celulares, inhibiendo muchas enzimas, incluidas las que se utilizan para sintetizar el ADN. Su toxicidad se ve agravada por el hecho de que el cuerpo no tiene medios para controlar los niveles de berilio, y una vez dentro del cuerpo, el berilio no puede eliminarse. [110] La beriliosis crónica es una enfermedad granulomatosa sistémica y pulmonar causada por la inhalación de polvo o humos contaminados con berilio; ya sea en grandes cantidades en poco tiempo o en pequeñas cantidades durante mucho tiempo pueden provocar esta dolencia. Los síntomas de la enfermedad pueden tardar hasta cinco años en desarrollarse; alrededor de un tercio de los pacientes que la padecen mueren y los supervivientes quedan discapacitados. [109] La Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) enumera los compuestos de berilio y berilio como carcinógenos de categoría 1 . [111] En los EE. UU., La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) ha designado un límite de exposición permisible (PEL) en el lugar de trabajo con un promedio ponderado en el tiempo (TWA) de 2 µg / m 3 y un límite de exposición constante de 5 µg / m 3 durante 30 minutos, con un límite máximo de pico de 25 µg / m 3 . El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 500 ng / m 3 constantes . El valor IDLH (peligro inmediato para la vida y la salud) es 4 mg / m 3 . [112] La toxicidad del berilio está a la par con otros metales tóxicos, como el arsénico y el mercurio . [113] [114]
La toxicidad del berilio finamente dividido (polvo o polvo, que se encuentra principalmente en entornos industriales donde se produce o mecaniza berilio) está muy bien documentada. El berilio metálico sólido no conlleva los mismos peligros que el polvo inhalado en el aire, pero cualquier peligro asociado con el contacto físico está mal documentado. A los trabajadores que manipulan piezas de berilio terminadas se les aconseja habitualmente que las manipulen con guantes, tanto como precaución como porque muchas, si no la mayoría de las aplicaciones de berilio, no toleran los residuos del contacto con la piel, como las huellas dactilares.
La enfermedad aguda por berilio en forma de neumonitis química se informó por primera vez en Europa en 1933 y en los Estados Unidos en 1943. Una encuesta encontró que alrededor del 5% de los trabajadores en las plantas que fabricaban lámparas fluorescentes en 1949 en los Estados Unidos tenían enfermedades pulmonares relacionadas con el berilio. . [115] La beriliosis crónica se parece a la sarcoidosis en muchos aspectos y el diagnóstico diferencial suele ser difícil. Mató a algunos de los primeros trabajadores del diseño de armas nucleares, como Herbert L. Anderson . [116]
El berilio se puede encontrar en la escoria de carbón. Cuando la escoria se formula en un agente abrasivo para pulir pintura y óxido de superficies duras, el berilio puede transportarse por el aire y convertirse en una fuente de exposición. [117]
Los primeros investigadores probaron el dulzor del berilio y sus diversos compuestos para verificar su presencia. Los equipos de diagnóstico modernos ya no requieren este procedimiento de alto riesgo y no se debe intentar ingerir esta sustancia altamente tóxica. [6] El berilio y sus compuestos deben manipularse con mucho cuidado y deben tomarse precauciones especiales al realizar cualquier actividad que pueda resultar en la liberación de polvo de berilio ( el cáncer de pulmón es un posible resultado de la exposición prolongada al polvo cargado de berilio). Aunque el uso de compuestos de berilio en tubos de iluminación fluorescente se suspendió en 1949, existe la posibilidad de exposición al berilio en las industrias nuclear y aeroespacial y en el refinado de berilio metálico y la fusión de aleaciones que contienen berilio, la fabricación de dispositivos electrónicos y el manipulación de otros materiales que contienen berilio. [118]
Recientemente se ha desarrollado y publicado una prueba exitosa de berilio en el aire y en superficies como norma de consenso voluntario internacional ASTM D7202. El procedimiento utiliza bifluoruro de amonio diluido para la detección de disolución y fluorescencia con berilio unido a hidroxibenzoquinolina sulfonada, lo que permite una detección hasta 100 veces más sensible que el límite recomendado para la concentración de berilio en el lugar de trabajo. La fluorescencia aumenta al aumentar la concentración de berilio. El nuevo procedimiento ha sido probado con éxito en una variedad de superficies y es efectivo para la disolución y detección de ultratrazas de óxido de berilio refractario y berilio silíceo (ASTM D7458). [119] [120]
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- ^ Klaproth, Martin Heinrich, Beitrage zur Chemischen Kenntniss der Mineralkörper (Contribución al conocimiento químico de las sustancias minerales), vol. 3, (Berlín, (Alemania): Heinrich August Rottmann, 1802), páginas 78–79 : "Als Vauquelin der von ihm im Beryll und Smaragd entdeckten neuen Erde, wegen ihrer Eigenschaft, süsse Mittelsalze zu bilden, den Namen Glykine , Süsserde , beilegte, erwartete er Wohl nicht, dass sich calva nachher Eine anderweitige Erde finden würde, welche mit völlig gleichem Rechte Anspruch un diesen Namen machen können. Um Daher keine Verwechselung derselben mit der Yttererde zu veranlassen, würde es vielleicht gerathen seyn, jenen Namen Glykine aufzugeben , und durch Beryllerde ( Beryllina ) zu ersetzen; welche Namensveränderung auch bereits vom Hrn. Prof. Link, und zwar aus dem Grunde empfohlen worden, weil schon ein Pflanzengeschlecht Glycine vorhanden ist ". (Cuando Vauquelin confirió, debido a su propiedad de formar sales dulces, el nombre de glicina , tierra dulce , a la nueva tierra que había encontrado en berilo y smaragd, ciertamente no esperaba que poco después otra tierra Se encontró que con pleno derecho de igualdad podría reclamar este nombre. Por lo tanto, para evitar la confusión de la misma con itria-tierra, tal vez sería aconsejable abandonar este nombre glicina y reemplazarlo con beril-tierra ( beryllina ); cuyo nombre cambia También fue recomendado por el profesor Link, y por la razón de queya existeun género de plantas, Glycine .)
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enlaces externos
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- Es elemental - berilio
- MSDS : Metales ESPI
- Berilio en la tabla periódica de videos (Universidad de Nottingham)
- Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional - Página de berilio
- Programa Nacional de Detección Suplementaria (Universidades Asociadas de Oak Ridge)
- Precio histórico del berilio en EE. UU.