Berilio

El berilio es un elemento químico con el símbolo Be y número atómico 4. Es un metal alcalinotérreo gris acero, fuerte, liviano y quebradizo. Es un elemento divalente que ocurre naturalmente solo en combinación con otros elementos para formar minerales. Las piedras preciosas notables con alto contenido de berilio incluyen berilo (aguamarina, esmeralda) y crisoberilo. 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. El berilio constituye alrededor del 0,0004 por ciento en masa de la corteza terrestre. La producción mundial anual de berilio de 220 toneladas generalmente se fabrica mediante la extracción del mineral berilio, un proceso difícil porque el berilio se une fuertemente al oxígeno.

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 del metal berilio un material aeroespacial deseable para componentes de aeronaves, misiles, naves espaciales y satélites. 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. Cuando se agrega como elemento de aleación al aluminio, el cobre (en particular, la aleación de cobre y berilio), el hierro o el níquel, el berilio mejora muchas propiedades físicas.Por ejemplo, las herramientas y los componentes fabricados con aleaciones de cobre y berilio son fuertes y duros y no crean chispas cuando golpean una superficie de acero. En el aire, la superficie del berilio se oxida fácilmente a temperatura ambiente para formar una capa de pasivación de 1 a 10 nm de espesor que lo protege de una mayor oxidación y corrosión. El metal se oxida a granel (más allá de la capa de pasivación) cuando se calienta por encima de los 500 °C (932 °F) y arde brillantemente cuando se calienta a unos 2500 °C (4530 °F).

El uso comercial del 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. La beriliosis causa neumonía y otras enfermedades respiratorias asociadas.

Características

Propiedades físicas

El berilio es un metal gris acero y duro que es quebradizo a temperatura ambiente y tiene una estructura cristalina hexagonal compacta. 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: alrededor de 12,9 km/s en condiciones ambientales. Otras propiedades significativas son el alto calor específico (1925 J·kg ·K) y conductividad térmica (216 W·m ·K), que hacen del berilio el metal con mejores características de disipación de calor por unidad de peso. En combinación con el coeficiente relativamente bajo de expansión térmica lineal (11,4 × 10 K), estas características dan como resultado una estabilidad única en condiciones de carga térmica.

Propiedades nucleares

El berilio natural, salvo una ligera contaminación por los radioisótopos cosmogénicos, es berilio-9 isotópicamente puro, que tiene un espín nuclear de3/2. El berilio tiene una gran sección transversal de dispersión para neutrones de alta energía, alrededor de 6 graneros para energías superiores a aproximadamente 10 keV. Por lo tanto, funciona como un reflector de neutrones y un moderador de neutrones, ralentizando efectivamente 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 Be también sufre una reacción de neutrones (n,2n) con energías de neutrones superiores a aproximadamente 1,9 MeV, para producir 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:₄Ser+ norte → 2₂Él+ 2 norte

Los neutrones se liberan cuando los núcleos de berilio son golpeados por partículas alfa energéticas que producen la reacción nuclear.₄Ser+₂Él→₆C+ norte

dónde₂Éles una partícula alfa y₆Ces un núcleo de carbono-12. El berilio también libera neutrones bajo el bombardeo de rayos gamma. Por lo tanto, el berilio natural bombardeado por alfas o gammas de un radioisótopo adecuado es un componente clave de la mayoría de las fuentes de neutrones de reacción nuclear alimentadas por radioisótopos para la producción de laboratorio de neutrones libres.

Se liberan pequeñas cantidades de tritio cuando₄Serlos núcleos absorben neutrones de baja energía en la reacción nuclear de tres pasos₄Ser+ norte →₂Él+₂Él, ₂Él→₃li+ β, ₃li+ norte →₂Él+₁H

Tenga en cuenta que₂Éltiene una vida media de solo 0,8 segundos, β es un electrón y₃litiene una alta sección transversal de absorción de neutrones. El tritio es un radioisótopo de preocupación en las corrientes de desechos de los reactores nucleares.

Propiedades ópticas

Como metal, el berilio es transparente o translúcido a la mayoría de las longitudes de onda de los rayos X y los 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

Tanto los isótopos estables como los inestables de berilio se crean en las estrellas, 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. El berilio primordial contiene solo un isótopo estable, Be, y por lo tanto el berilio es un elemento monoisotópico y mononucleídico.

El Be cosmogénico radiactivo se produce en la atmósfera de la Tierra por la espalación de oxígeno de los rayos cósmicos. Be se acumula en la superficie del suelo, donde su vida media relativamente larga (1,36 millones de años) permite un largo tiempo de residencia antes de descomponerse en boro-10. Por lo tanto, Be y sus productos secundarios se utilizan para examinar la erosión natural del suelo, la formación del suelo y el desarrollo de suelos lateríticos, y como indicador para la medición de las variaciones en la actividad solar y la edad de los núcleos de hielo. La producción de Be es inversamente proporcional a la actividad solar, porque el aumento del viento solar durante los períodos de alta actividad solar disminuye el flujo de rayos cósmicos galácticos que llegan a la Tierra. Las explosiones nucleares también forman Be por la reacción de neutrones rápidos conC 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. El isótopo Be (vida media de 53 días) también es cosmogénico y muestra una abundancia atmosférica vinculada a las manchas solares, al igual que Be.

Be tiene una vida media muy corta de aproximadamente 8 × 10 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. Esto se debe a la falta de tiempo suficiente durante la fase de nucleosíntesis del Big Bang para producir carbono mediante la fusión de los núcleos de He y a las bajísimas concentraciones de berilio-8 disponibles. El astrónomo británico Sir Fred Hoyle demostró por primera vez que los niveles de energía de Be yC permiten la producción de carbono mediante el llamado proceso triple alfa en estrellas alimentadas con helio donde se dispone de más tiempo de nucleosíntesis. Este proceso permite que se produzca carbono en las estrellas, pero no en el Big Bang. El carbono creado por las 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 átomos números mayores que el del carbono.

Los electrones 2s del berilio pueden contribuir al enlace químico. Por lo tanto, cuando Be decae por captura de electrones L, lo hace tomando electrones de sus orbitales atómicos que pueden estar participando en el enlace. Esto hace que su tasa de desintegración dependa en un grado mensurable de su entorno químico, algo poco frecuente en la desintegración nuclear.

El isótopo conocido de vida más corta del berilio es Be, que se desintegra mediante la emisión de neutrones con una vida media de6,5 × 10 s. Se sabe que los isótopos exóticos Be y Be exhiben un halo nuclear. Este fenómeno puede entenderse como que los núcleos de Be y Be tienen, respectivamente, 1 y 4 neutrones que orbitan 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. El berilio tiene una concentración de 2 a 6 partes por millón (ppm) en la corteza terrestre. Está más concentrado en los suelos, 6 ppm. Trazas de Be se encuentran en la atmósfera de la Tierra. La concentración de berilio en el agua de mar es de 0,2 a 0,6 partes por billón. En el agua corriente, sin embargo, el berilio es más abundante con una concentración de 0,1 ppb.

El berilio se encuentra en más de 100 minerales, 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 fenaquita (Be ₂ SiO ₄). Las formas preciosas de berilo son la aguamarina, el berilo rojo y la esmeralda. El color verde en las formas de berilo con calidad de gema proviene de cantidades variables de cromo (alrededor del 2% para la esmeralda).

Los dos principales minerales de berilio, berilo y bertrandita, se encuentran en Argentina, Brasil, India, Madagascar, Rusia y Estados Unidos. Las reservas mundiales totales de mineral de berilio superan las 400.000 toneladas.

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 la película de óxido. Actualmente, Estados Unidos, China y Kazajstán son los únicos tres países involucrados en la extracción de berilio a escala industrial. Kazajstán produce berilio a partir de un concentrado almacenado antes de la desintegración de la Unión Soviética alrededor de 1991. Este recurso casi se agotó a mediados de la década de 2010.

La producción de berilio en Rusia se detuvo en 1997 y se prevé que se reanude en la década de 2020.

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 consiste en 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. El hidróxido de berilio se precipita 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 polvo y calentarlo a 1650 °C (3000 °F). El fundido se enfría rápidamente con agua y luego se recalienta de 250 a 300 °C (482 a 572 °F) en ácido sulfúrico concentrado, lo que produce principalmente sulfato de berilio y sulfato de aluminio.Luego se usa amoníaco acuoso para eliminar el aluminio y el azufre, dejando hidróxido de berilio.

El hidróxido de berilio creado mediante 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 de 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. Calentar el fluoruro a 900 °C (1650 °F) con magnesio forma berilio finamente dividido, y un calentamiento adicional a 1300 °C (2370 °F) crea el metal compacto. Al calentar hidróxido de berilio se forma el óxido, que se convierte en cloruro de berilio cuando se combina con carbono y cloro. Luego se usa la electrólisis del cloruro de berilio fundido para obtener el metal.

Propiedades químicas

Un átomo de berilio tiene la configuración electrónica [He] 2s. 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 inferiores en, por ejemplo, compuestos de bis(carbeno). 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 del aluminio, un ejemplo de una relación diagonal.

A temperatura ambiente, la superficie del berilio forma una capa de pasivación de óxido de 1 a 10 nm de espesor que evita futuras reacciones con el aire, excepto por el espesamiento gradual del óxido hasta aproximadamente 25 nm. Cuando se calienta por encima de los 500 °C, la oxidación en el metal a granel progresa a lo largo de los límites de los granos. Una vez que el metal se enciende en el aire calentándolo por encima del punto de fusión del óxido alrededor de 2500 °C, 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.

Los compuestos binarios de berilio (II) son poliméricos en estado sólido. BeF ₂ tiene una estructura similar a la sílice con tetraedros BeF _{4 en las esquinas compartidas.} BeCl ₂ y BeBr ₂ tienen estructuras de cadena con tetraedros de bordes compartidos. 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 ellos con estructura de zincblenda. 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 ₂tiene 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 dar metano. No se ha identificado ningún siliciuro de berilio.

Los haluros BeX ₂ (X = F, Cl, Br, I) tienen una estructura molecular monomérica lineal en la fase gaseosa. Los complejos de haluros se forman con uno o más ligandos donando un total de dos pares de electrones. Tales compuestos obedecen la regla del octeto. Otros complejos de 4 coordenadas como el aqua-ion [Be(H ₂ O) ₄ ] también obedecen la regla del octeto.

Soluciones acuosas

La química de la solución acuosa de berilio es objeto de una revisión exhaustiva. Las soluciones de sales de berilio, como el sulfato de berilio y el nitrato de berilio, son ácidas debido a la hidrólisis del ion [Be(H ₂ O) ₄ ]. La concentración del primer producto de hidrólisis, [Be(H ₂ O) ₃ (OH)], es inferior al 1 % de la concentración de berilio. El producto de hidrólisis más estable es el ion trimérico [Be ₃ (OH) ₃ (H ₂ O) ₆ ]. Hidróxido de berilio, Be(OH) ₂, es insoluble en agua a pH 5 o más. En consecuencia, los compuestos de berilio son generalmente insolubles a pH biológico. Debido a esto, la inhalación de polvo de metal 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.

El berilio (II) forma pocos complejos con ligandos monodentados porque las moléculas de agua en el ion acuoso están unidas muy fuertemente al ion berilio. Las excepciones notables son la serie de complejos solubles en agua con el ion fluoruro.

El berilio (II) forma muchos complejos con ligandos bidentados que contienen átomos donantes de oxígeno. La especie se destaca por tener un ion de óxido de 3 coordenadas en su centro. El acetato de berilio básico , tiene un ion óxido rodeado por un tetraedro de átomos de berilio.

Con ligandos orgánicos, como el ion malonato, el ácido se desprotona al formar el complejo. Los átomos donantes son dos oxígenos.

La formación de un complejo compite con la reacción de hidrólisis del ion metálico y también se forman complejos mixtos con el anión y el ion hidróxido. Por ejemplo, se conocen derivados del trímero cíclico, con un ligando bidentado reemplazando uno o más pares de moléculas de agua. Los ligandos como el EDTA se comportan como ácidos dicarboxílicos.

Los ácidos hidroxicarboxílicos como el ácido glicólico forman complejos monodentados bastante débiles en solución en los que el grupo hidroxilo permanece intacto. Hace mucho tiempo se aisló en estado sólido un hexámero, en el que los grupos hidroxilo están desprotonados. Los ligandos dihidroxi aromáticos forman complejos relativamente fuertes. Por ejemplo, se han informado valores de log K ₁ y log K ₂ de 12,2 y 9,3 para complejos con tirón.

Hay muchos informes iniciales de complejos con aminoácidos, pero desafortunadamente no son confiables ya que las reacciones de hidrólisis concomitantes no se entendían en el momento de la publicación. Valores para log β de ca. Se han reportado de 6 a 7. El grado de formación es pequeño debido a la competencia con las reacciones de hidrólisis.

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. Ejemplos de compuestos organoberilio conocidos son dineopentilberilio, beriloceno (Cp ₂ Be), dialilberilio (por reacción de intercambio de dietil berilio con trialil boro), bis(1,3-trimetilsililalil)berilio y Be(mes))2. Los ligandos también pueden ser arilos y alquinilos.

Historia

El mineral berilo, que contiene berilio, se ha utilizado al menos desde la dinastía ptolemaica de Egipto. En el siglo I EC, el naturalista romano Plinio el Viejo mencionó en su enciclopedia Historia natural que el berilo y la esmeralda ("smaragdus") eran similares. El Papyrus Graecus Holmiensis, escrito en el siglo III o IV EC, contiene notas sobre cómo preparar esmeraldas y berilos artificiales.

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. El mineralogista René Just Haüy descubrió que ambos cristales son geométricamente idénticos y le pidió al químico Louis-Nicolas Vauquelin un análisis químico.

En un artículo de 1798 leído ante el Institut de France, Vauquelin informó que encontró una nueva "tierra" al disolver hidróxido de aluminio de esmeralda y berilo en un álcali adicional. Los editores de la revista Annales de Chimie et de Physique llamaron a la nueva tierra "glucina" por el sabor dulce de algunos de sus compuestos. Klaproth prefirió el nombre "beryllina" debido al hecho de que la itria también formaba sales dulces. El nombre "berilio" fue utilizado por primera vez por Wöhler en 1828.

Friedrich Wöhler y Antoine Bussy aislaron de forma independiente el berilio en 1828 mediante la reacción química de potasio metálico con cloruro de berilio, de la siguiente manera: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 negro grisáceo resultante, vio que estaba hecho de partículas finas con un brillo metálico oscuro. El potasio altamente reactivo había sido producido por la electrólisis de sus compuestos, un proceso descubierto 21 años antes. El método químico que usaba potasio produjo solo pequeños granos de berilio de los cuales no se pudo moldear o martillar ningún lingote de metal.

La electrólisis directa de una mezcla fundida de fluoruro de berilio y fluoruro de sodio realizada por Paul Lebeau en 1898 dio como resultado las primeras muestras puras (99,5 a 99,8%) de berilio. Sin embargo, la producción industrial comenzó solo después de la Primera Guerra Mundial. La participación industrial original incluía subsidiarias y científicos relacionados con Union Carbide y Carbon Corporation en Cleveland, Ohio, y Siemens & Halske AG en Berlín. En EE.UU., el proceso fue dictaminado 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.

Una muestra de berilio fue bombardeada con rayos alfa de la descomposición del radio en un experimento de 1932 realizado por James Chadwick que descubrió la existencia del neutrón. 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.

La producción de berilio experimentó un rápido aumento durante la Segunda Guerra Mundial, debido a la creciente demanda de aleaciones duras de cobre y berilio y fósforos para luces fluorescentes. La mayoría de las primeras lámparas fluorescentes usaban ortosilicato de zinc con un contenido variable de berilio para emitir una 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.

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 resultó ser antieconómico para la producción en volumen.

El berilio puro no estuvo disponible hasta 1957, a pesar de que se había utilizado mucho antes como metal de aleación para endurecer y endurecer el cobre. El berilio podría producirse mediante la reducción de 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. El precio en el mercado estadounidense de lingotes de berilio fundidos al vacío era de unos 338 dólares la libra (745 dólares el kilo) en 2001.

Entre 1998 y 2008, la producción mundial de berilio se redujo de 343 a unas 200 toneladas. Luego aumentó a 230 toneladas en 2018, de las cuales 170 toneladas procedían de Estados Unidos.

Etimología

Recibe su nombre del berilo, un mineral semiprecioso del que se aisló por primera vez.

Aplicaciones

Ventanas de radiación

Debido a su bajo número atómico y muy baja absorción de rayos X, la aplicación más antigua y aún una de las más importantes del berilio es en ventanas de radiación para tubos de rayos X.Se imponen exigencias extremas a la pureza y limpieza del berilio para evitar artefactos en las imágenes de rayos X. Las finas láminas 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 herméticas al vacío y los tubos de rayos para experimentos de radiación en sincrotrones se fabrican exclusivamente con berilio. En configuraciones científicas para diversos estudios de emisión de rayos X (p. ej., espectroscopia de rayos X de dispersión de energía), el portamuestras suele estar hecho de berilio porque los rayos X emitidos tienen energías mucho más bajas (≈100 eV) que los rayos X de la mayoría de los rayos X. materiales estudiados.

El bajo número atómico también hace que el berilio sea relativamente transparente a las partículas energéticas. Por lo tanto, se utiliza para construir el tubo del 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), el Tevatron y en SLAC. La baja densidad del berilio permite que los productos de colisión lleguen a los detectores circundantes sin una 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 magnéticos multipolares utilizados para dirigir y enfocar los haces de partículas.

Aplicaciones mecánicas

Debido a su rigidez, peso ligero y estabilidad dimensional en un amplio rango de temperatura, el metal de berilio se usa para componentes estructurales livianos en las industrias de defensa y aeroespacial en aviones de alta velocidad, misiles guiados, naves espaciales y satélites, incluido el telescopio espacial James Webb.. Varios cohetes de combustible líquido han utilizado toberas de cohetes hechas de berilio puro. El polvo de berilio se estudió como combustible para cohetes, pero este uso nunca se materializó. Se ha construido con berilio una pequeña cantidad de cuadros de bicicleta de gama alta extrema. De 1998 a 2000, el equipo de Fórmula Uno McLaren usó motores Mercedes-Benz con pistones de aleación de aluminio y berilio. El uso de componentes de motor de berilio fue prohibido tras una protesta de la Scuderia Ferrari.

La mezcla de aproximadamente 2,0 % de berilio con cobre forma una aleación llamada cobre berilio que es seis veces más fuerte que el cobre solo. 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. Estas aplicaciones incluyen herramientas que no producen chispas que se utilizan cerca de gases inflamables (berilio-níquel), en resortes y membranas (berilio-níquel y berilio-hierro) que se utilizan en instrumentos quirúrgicos y dispositivos de alta temperatura. Tan solo 50 partes por millón de berilio aleado con magnesio líquido conduce a un aumento significativo en la resistencia a la oxidación y una disminución en la inflamabilidad.

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. 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.

El berilio también se usó para voladizos en agujas de cartucho de fonógrafo de alto rendimiento, donde su extrema rigidez y baja densidad permitieron que los pesos de seguimiento se redujeran a 1 gramo, y aún así rastrear pasajes de alta frecuencia con una distorsión mínima.

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.

Para reducir 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, aunque conserva muchas propiedades deseables.

Espejos

Los espejos de berilio son de particular interés. Los espejos de área grande, frecuentemente con una estructura de soporte de panal, se utilizan, por ejemplo, en satélites meteorológicos donde el bajo peso y la estabilidad dimensional a largo plazo son críticos. Los espejos de berilio más pequeños se utilizan en los sistemas de guía óptica y en los sistemas de control de fuego, por ejemplo, en los carros de combate principales Leopard 1 y Leopard 2 de fabricación alemana. En estos sistemas, se requiere un movimiento muy rápido del espejo, lo que nuevamente 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. Sin embargo, en algunas aplicaciones, el blanco de berilio se pule sin ningún tipo de recubrimiento. Esto es particularmente aplicable a la operación criogénica donde el desajuste de la expansión térmica puede hacer que el recubrimiento se pandee.

El telescopio espacial James Webb tiene 18 secciones hexagonales de berilio para sus espejos, cada uno revestido con una fina capa de oro. Debido a que JWST enfrentará una temperatura de 33 K, el espejo está hecho de berilio chapado 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. Por la misma razón, la óptica del Telescopio Espacial Spitzer está completamente construida con metal de berilio.

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 o cerca de minas navales, ya que estas minas suelen tener espoletas magnéticas. También se encuentran en materiales de mantenimiento y construcción cerca de máquinas de imágenes por resonancia magnética (MRI) debido a los altos campos magnéticos generados. 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..

Aplicaciones nucleares

A veces se utilizan placas delgadas o láminas de berilio en los diseños de armas nucleares como la capa más externa de los pozos de plutonio en las etapas primarias de las bombas termonucleares, colocadas para rodear el material fisionable. Estas capas de berilio son buenos "empujadores" para la implosión del plutonio-239, y son buenos reflectores de neutrones, al igual que en los reactores nucleares moderados por berilio.

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 ello, se bombardea un objetivo de berilio-9 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, que viaja aproximadamente en la misma dirección en la que se dirigía la partícula alfa. Estas fuentes de neutrones de berilio impulsadas por desintegración alfa, denominadas iniciadores de neutrones "urchin", se utilizaron en algunas de las primeras bombas atómicas.Las fuentes de neutrones en las que se bombardea berilio con rayos gamma de un radioisótopo de desintegración gamma también se utilizan para producir neutrones de laboratorio.

El berilio también se utiliza en la fabricación de combustible para reactores CANDU. Los elementos combustibles tienen pequeños apéndices que se sueldan por resistencia al revestimiento del combustible utilizando un proceso de soldadura fuerte por inducción con Be como material de relleno de soldadura fuerte. Las almohadillas de cojinete están soldadas para evitar el contacto entre el haz de combustible y el tubo de presión que lo contiene, y las almohadillas espaciadoras entre elementos están soldadas para evitar el contacto entre elementos.

El berilio también se usa en el laboratorio de investigación de fusión nuclear Joint European Torus, y se usará en el ITER más avanzado para acondicionar los componentes que enfrentan el plasma. 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. El fluoruro de berilio es una de las sales constituyentes de la mezcla de sales eutécticas FLiBe, que se utiliza como disolvente, moderador y refrigerante en muchos diseños hipotéticos de reactores de sales fundidas, incluido el reactor de torio de fluoruro líquido (LFTR).

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 no se maneja correctamente, los tweeters de berilio están limitados a aplicaciones de megafonía, audio profesional y hogar de alta gama. Se ha afirmado de manera fraudulenta que algunos productos de alta fidelidad están hechos del material.

Algunos cartuchos de fonógrafo de alta gama usaban voladizos de berilio para mejorar el seguimiento al reducir la masa.

Electrónico

El berilio es un dopante de tipo p en los semiconductores compuestos III-V. Es ampliamente utilizado en materiales como GaAs, AlGaAs, InGaAs e InAlAs cultivados por epitaxia de haz molecular (MBE). La lámina de berilio laminada cruzada es un excelente soporte estructural para placas de circuito impreso en tecnología de montaje superficial. 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 coincida bien con los sustratos de alúmina y poliimida-vidrio. Los "E-Materiales" compuestos de berilio-óxido de 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 que coincida con diversos materiales de sustrato.

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 con frecuencia como placa base aislante en transistores de alta potencia en transmisores de radiofrecuencia para telecomunicaciones. El óxido de berilio también se está estudiando para aumentar la conductividad térmica de las pastillas de combustible nuclear de dióxido de uranio. Los compuestos de berilio se usaban en tubos de iluminación fluorescente, pero este uso se suspendió debido a la enfermedad de beriliosis que se desarrolló en los trabajadores que fabricaban los tubos.

Cuidado de la salud

El berilio es un componente de varias aleaciones dentales.

Toxicidad y seguridad

Efectos biológicos

Aproximadamente 35 microgramos de berilio se encuentran en el cuerpo humano promedio, una cantidad que no se considera dañina. El berilio es químicamente similar al magnesio y, por lo tanto, puede desplazarlo de las enzimas, lo que hace que funcionen mal. Debido a que Be es un ion pequeño y altamente cargado, puede ingresar fácilmente en muchos tejidos y células, donde se dirige específicamente a los núcleos celulares, inhibiendo muchas enzimas, incluidas las que se usan para sintetizar el ADN. Su toxicidad se ve exacerbada 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 se puede eliminar.

Inhalación

La beriliosis crónica es una enfermedad granulomatosa pulmonar y sistémica causada por la inhalación de polvo o vapores contaminados con berilio; ya sea grandes cantidades durante un corto período de tiempo o 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 mueren y los sobrevivientes quedan discapacitados. La Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) enumera el berilio y los compuestos de berilio como carcinógenos de Categoría 1.

Exposicion ocupacional

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 y un límite de exposición constante de 5 µg/m durante 30 minutos, con un límite pico máximo de 25 µg/m. El Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 500 ng/m3 constantes. El valor IDLH (inmediatamente peligroso para la vida y la salud) es de 4 mg/m. La toxicidad del berilio está a la par con otros metales tóxicos, como el arsénico y el mercurio.

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 del berilio (CBD). El Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) de los Estados Unidos investiga estos efectos en colaboración con un importante fabricante de productos de berilio. NIOSH también realiza investigaciones genéticas sobre sensibilización y CBD, independientemente de esta colaboración.

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 aproximadamente el 5 % de los trabajadores en plantas que fabricaban lámparas fluorescentes en 1949 en los Estados Unidos tenían enfermedades pulmonares relacionadas con el berilio. 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 en el diseño de armas nucleares, como Herbert L. Anderson.

El berilio se puede encontrar en la escoria de carbón. Cuando la escoria se formula en un agente abrasivo para limpiar la pintura y el óxido de las superficies duras, el berilio puede pasar al aire y convertirse en una fuente de exposición.

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 la refinación de berilio metálico y la fusión de aleaciones que contienen berilio, la fabricación de dispositivos electrónicos y la manipulación de otros materiales que contengan berilio.

Detección

Los primeros investigadores emprendieron la práctica altamente peligrosa de identificar el berilio y sus diversos compuestos a partir de su sabor dulce. La identificación ahora se realiza utilizando técnicas de diagnóstico modernas y seguras.Se desarrolló y publicó con éxito una prueba de berilio en el aire y en las 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 con el aumento de 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 óxido de berilio refractario y berilio silíceo en concentraciones mínimas (ASTM D7458). El Manual de métodos analíticos de NIOSH contiene métodos para medir la exposición ocupacional al berilio.