Elementi della tavola periodica: Berillio, Be. Parte seconda

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Rinaldo Cervellati

la prima parte di questo post è qui.

In fondo una appendice di Diego Tesauro sul Berillio nel cosmo

Estrazione e produzione

I due minerali principali di berillio, berillo e bertrandite, si trovano in Argentina, Brasile, India, Madagascar, Russia e Stati Uniti. Le riserve mondiali totali sono superiori a 400.000 tonnellate.

L’estrazione del berillio dai suoi composti è un processo difficile a causa della sua elevata affinità per l’ossigeno a temperature elevate e della sua capacità di ridurre l’acqua quando viene rimosso il suo film di ossido. Attualmente gli Stati Uniti, la Cina e il Kazakistan sono gli unici tre paesi coinvolti nell’estrazione su scala industriale del berillio. Il Kazakistan produce berillio da un concentrato accumulato prima della caduta dell’Unione Sovietica intorno al 1991. Questa risorsa si è quasi esaurita a metà del 2010.

La produzione di berillio in Russia è stata interrotta nel 1997, si prevede che riprenderà nel 2020.

Il berillio è comunemente estratto dal minerale berillo, che viene sinterizzato con un agente di estrazione o fuso in una miscela solubile. Il processo di sinterizzazione prevede la miscelazione di berillo con fluorosilicato di sodio e soda a 770 °C per formare fluoroberillato di sodio, ossido di alluminio e biossido di silicio. Da una soluzione di fluoroberillato di sodio viene poi fatto precipitare l’idrossido di berillio per aggiunta di idrossido di sodio acquoso. L’idrossido di berillio ottenuto con il metodo della sinterizzazione viene quindi convertito in fluoruro di berillio o cloruro di berillio. Per formare il fluoruro, viene aggiunto all’idrossido di berillio del fluoruro di ammonio acquoso ottenendo un precipitato di tetrafluoroberillato di ammonio, che viene riscaldato a 1.000 ° C per formare fluoruro di berillio. Riscaldando il fluoruro a 900 °C con magnesio si forma il berillio finemente diviso che il successivo riscaldamento aggiuntivo a 1.300 °C si trasforma in metallo compatto.

Alternativamente, dal riscaldamento dell’idrossido di berillio si ottiene l’ossido, che viene trasformato in cloruro di berillio facendolo reagire con carbonio e cloro. L’elettrolisi del cloruro di berillio fuso è quindi utilizzata per ottenere il metallo.

Tra il 1998 e il 2008, la produzione mondiale di berillio è diminuita da 343 a circa 200 tonnellate. Successivamente, dal 2018, è aumentata a 230 tonnellate, di cui 170 provenienti dagli Stati Uniti.

Applicazioni

Meccanica e meccanica di precisione

Il berillio è usato come legante nella produzione di leghe rame-berillio. Queste leghe, grazie alla loro conducibilità elettrica e termica, alta resistenza e durezza, proprietà diamagnetiche, oltre che alla resistenza a corrosione e fatica, sono usate in un’ampia gamma di applicazioni. Esse includono la produzione di elettrodi per saldatura a punto, molle, attrezzi che non producono scintille e contatti elettrici.

Chiave inglese regolabile in lega rame-berillio

Grazie alla loro rigidità, leggerezza e stabilità in un ampio intervallo di temperatura, le leghe rame-berillio sono usate nell’industria aerospaziale e militare come materiali strutturali leggeri per la fabbricazione di aerei supersonici, missili, veicoli spaziali e satelliti per telecomunicazioni.

Il berillio, in lega con il bronzo, è utilizzato per produrre utensili antiscintilla.

Una curiosità: dal 1998 al 2000, il team di Formula 1 della McLaren ha utilizzato motori Mercedes-Benz con pistoni in lega di alluminio e berillio. L’uso di componenti del motore al berillio è stato vietato in seguito a una protesta della Scuderia Ferrari.

Il berillio è inoltre utilizzato nella costruzione di giroscopi, parti di computer, molle per orologeria e strumenti dove sono richieste leggerezza, rigidità e stabilità dimensionale.

Strumentazione a raggi X

Sottili fogli di berillio sono usati negli strumenti diagnostici a raggi X per filtrare la luce visibile e permettere solo ai raggi X di essere rilevati.

Lamina di berillio quadrata montata in un contenitore di acciaio utilizzata come finestra tra una camera a vuoto e un microscopio a raggi X. Il berillio è altamente trasparente ai raggi X a causa del suo basso numero atomico.

Nel campo della litografia a raggi X, il berillio è usato per la riproduzione di circuiti stampati microscopici.

Apparecchi HI-FI

In alta fedeltà, grazie alla sua leggerezza e rigidità, il berillio è stato utilizzato per fabbricare piccole parti dei giradischi, come la minuscola asticina che sostiene il diamante della puntina con la quale vengono lette le informazioni musicali contenute nei dischi in vinile.

Sempre nel campo dell’alta fedeltà il berillio è utilizzato per la costruzione delle membrane di altoparlanti specializzati nella riproduzione delle alte frequenze.

Applicazioni nucleari

Il berillio ha la proprietà di essere un moltiplicatore neutronico, poiché assorbe un neutrone e ne rilascia altri due:

94Be +n →2 42He + 2n

Questa proprietà fu usata nei primi sviluppi dei reattori da Fermi e dagli altri ricercatori, introducendo barre di berillio nel reattore per aumentare il flusso neutronico verso il combustibile, rischiando però gravi esplosioni chimiche. Le barre e gli altri assorbenti di neutroni furono quindi realizzati in altri metalli assorbenti di neutroni meno pericolosi, come il cadmio e l’argento, riuscendo a garantire ugualmente l’autosostentamento della reazione di fissione nucleare.

Nel campo degli studi sulla fusione nucleare si sfruttano le proprietà di moltiplicazione neutronica nel mantello dei futuri reattori di potenza. Sono stati effettuati diversi studi di modelli di mantello che utilizzano il berillio come moltiplicatore, uno di essi è quello proposto per DEMO (abbreviazione di DEMOnstration Power Plant), un prototipo di reattore nucleare a fusione studiato dal consorzio europeo Eurofusion[1].

Effetti sulla salute e precauzioni

Il berillio è un problema per la salute e sicurezza dei lavoratori. L’esposizione sul posto di lavoro può portare alla berilliosi cronica, una malattia polmonare granulomatosa. La berilliosi acuta, in forma di pneumatosi chimica, fu segnalata per la prima volta in Europa nel 1933 e negli Stati Uniti nel 1943. Casi di berilliosi cronica furono per primi descritti nel 1946 tra i lavoratori di fabbriche per la produzione di lampadine a fluorescenza.

Anche se l’uso di composti al berillio nei tubi a fluorescenza è cessato dal 1949, il rischio di esposizione esiste nell’industria aerospaziale e nucleare, nella raffinazione del berillio metallico, nella fusione delle sue leghe, nella produzione di apparecchi elettronici e nel trattamento di altri materiali che lo contengono.

In generale la popolazione non rischia di contrarre la berilliosi acuta o cronica, in quanto i livelli di berillio normalmente nell’aria sono molto bassi (0,00003-0,0002 µg/m³).

Nessun caso di effetti dovuti all’ingestione è stato segnalato sugli esseri umani, poiché lo stomaco e l’intestino ne assorbono pochissimo. Il contatto del berillio con lesioni sulla pelle può provocare eruzioni o ulcerazioni.

I primi ricercatori assaggiavano il berillio e i suoi composti al fine di verificarne la presenza attraverso la caratteristica dolcezza. I moderni apparati diagnostici non necessitano più di queste procedure rischiose e non si devono in alcun modo ingerire il metallo e/o i composti. Il tumore ai polmoni è un possibile risultato di una prolungata esposizione alla polvere di berillio.

L’agenzia internazionale per la ricerca sul cancro (IARC) ha stabilito che il berillio è una sostanza cancerogena. L’agenzia americana EPA ha stimato che un’esposizione a vita a 0,04 µg/m³ di berillio può risultare in una possibilità su mille di sviluppare il cancro.

Non esistono studi degli effetti dell’esposizione al berillio sulla salute dei bambini. È probabile che questi siano simili a quelli riscontrati negli adulti, ma non si sa se i bambini abbiano una sensibilità differente.

Non si sa inoltre se l’esposizione possa provocare difetti alla nascita o in altre fasi dello sviluppo. Gli studi condotti sugli animali non hanno portato a prove conclusive.

Riciclaggio

In rete si possono trovare ditte specializzate che riciclano scarti di leghe rame-berillio. Ad es. MATERION (https://materion.com/services/material-recycling-reclamation/beryllium-metal-recycling-reclamation) effettua il riciclo se:

Copper beryllium scrap that is not contaminated with other metals such as iron, aluminum, cadmium, lead etc. is recyclable by the primary producers and other recyclers. It is economically and environmentally advisable for the manufacturer or a recycler to segregate copper beryllium scrap from other metals for recycle.

L.D. Cunningham in un rapporto della U.S Geological Survey scrive [1]:

About 75 percent of domestic beryllium consumption is in the form of beryllium-copper alloys that are used mostly in electrical and electronic components. Little beryllium, however, is recovered from used products (old scrap) owing to their small size, difficulty in separation, and the low beryllium content in the alloys; beryllium-copper alloys contain about 2 percent beryllium. Also, little beryllium metal old scrap is recycled; much of the metal is contained in nuclear reactors and nuclear weapons, which are difficult to recycle and may have been contaminated. These applications are rarely dismantled, and the beryllium may have been lost during testing. Most of the recycling of beryllium-copper alloy old scrap products is undertaken to reclaim the copper value; the contained beryllium units are lost to the beryllium industry. In 2000, the old scrap supply available to the beryllium industry was estimated to be about 140 t of contained beryllium with about 130 t generated from discarded or obsolete components/parts (estimated lifetime ranges from 10 to 15 years). About 5 t of this old scrap was recycled in the beryllium production process; most of the remaining scrap was unrecovered for its beryllium value.

Per completezza di informazione esiste uno studio per un possibile riciclaggio del berillio usato nei reattori sperimentali a fusione nucleare [2].

Ciclo geochimico

L’isotopo radioattivo 10Be di origine principalmente cosmica, viene prodotto in piccola quantità nell’atmosfera della Terra dall’interazione fra le radiazioni cosmiche galattiche e i nuclei di ossigeno. Questo radioisotopo si accumula nel suolo a causa del suo tempo di emivita, 1,36 milioni di anni, che gli consente un lungo tempo di permanenza prima di decadere in boro-10. La produzione di 10Be è inversamente proporzionale all’attività del Sole, poiché un aumento del vento solare durante i periodi di alta attività riduce il flusso di raggi cosmici galattici che raggiungono la Terra.

Il 10Be ha suscitato quindi molto interesse come potenziale tracciante nell’ambiente e sue applicazioni in geologia, oceanografia, glaciologia e archeologia.

Nel 1991, due ricercatori americani hanno pubblicato una dettagliata ricerca sul ciclo globale del 10Be, contenente uno schema particolareggiato del radioisotopo in natura [3].

Opere consultate

CRC, Handbook of Chemistry and Physics, 85th, 4-5

https://en.wikipedia.org/wiki/Beryllium

Bibliografia

[1] L. Cunningham, Beryllium Recycling in the United States in 2000., US Department of the Interior, Geological Survey, https://pubs.usgs.gov/circ/c1196p/c1196p.pdf

[2] F. Druyts et al., Beryllium recycling: feasibility and challenges, Proceedings of the 8th IEA International Workshop on Beryllium Technology, December 5-7, 2007, Lisbon, Portugal.

https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/40/100/40100146.pdf

[3] L. R. McHargue, P. E. Damon, The Global Beryllium 10 Cycle., Reviews of Geophysics, 1991, 29, 141-158. v. Figura 10 in questo rif.

[1] Il consorzio Eurofusion, coordinato dall’European Fusion Development Agreement, si propone l’ ambizioso progetto di trasformare energia nucleare da fusione in energia elettrica entro il 2050! (www.euro-fusion.org)

Appendice.

Diego Tesauro.

Gli isotopi di Berillio nel cosmo.

La storia del berillio nel cosmo, la sua abbondanza e reattività nucleare è legata alla stabilità dei suoi isotopi. Essendo un elemento leggero l’isotopo più stabile dovrebbe essere quello che contiene un numero uguale di protoni e neutroni cioè il 8Be. Invece questo isotopo ha una stabilità molto bassa avendo un’emivita 6,7(17)×10−17 s, decadendo rapidamente nell’elio-4, nucleo particolarmente stabile. Infatti il berillio-8 si forma durante una delle tre vie della catena protone-protone all’interno delle stelle di massa simile al Sole, ma si disintegra velocemente appunto in elio 4. La stessa rapidità di decadimento comporta che, all’atto del big bang dopo i primi tre minuti, i processi di nucleosintesi si siano fermati al litio. La maggior parte del berillio nell’universo è il berillio-9. Questo isotopo, in massima parte, si è formato dalla frammentazione di nuclei più pesanti (azoto, carbonio e ossigeno) indotta dei raggi cosmici nel periodo tra il Big Bang e la formazione del sistema solare. I fisici hanno studiato in modo specifico come il berillio-9 potrebbe essere usato come un “calorimetro del Big Bang” per sondare i livelli di energia nell’Universo primordiale e anche come vincolo per i nuovi modelli fisici nella nucleosintesi1. Secondo questi modelli una parte del berillio si sarebbe formato, seguendo un processo a catena, attraverso isotopi metastabili nella fase della nucleosintesi del Big Bang. La presenza del berillio, insieme al litio, può essere stimata per via spettrofotometrica, nelle stelle a bassa concentrazione di elementi pesanti (stelle a bassa metallicità) che sono state formate dal gas interstellare quasi incontaminato.

Un altro isotopo di interesse per l’evoluzione dell’universo e del sistema solare è il berillio-7. Questo isotopo con tempo di dimezzamento di circa 53.2 giorni, a seguito di un decadimento beta, genera il litio7. Pertanto è la fonte primaria del Litio esistente nell’universo, che come anche precedentemente riportato, è presente nella materia interstellare in quantità superiore alle stelle (https://ilblogdellasci.wordpress.com/2019/09/06/il-litio-origine-e-ruolo-nello-spazio/). Alcuni anni fa, nel materiale espulso dalla stella Nova Sagittarii 2015 n° 2 (figura), è stata riscontrata un’eccezionale abbondanza di Berillio-7. La sua scoperta, nel gas in espansione della Nova, implica che questo isotopo deve essersi formato sulla superficie della nana bianca, immediatamente prima dell’esplosione a seguito della fusione tra elio 3 e elio 4 ad una temperatura di milioni di gradi.

Figura Nova Sagittarii 2015 n.2 V5668. Immagine del 19 Maggio 2015 (https://en.wikipedia.org/wiki/V5668_Sagittarii): La stella Nova a dispetto del nome, è una stella nella fase terminale della evoluzione che aumenta la sua luminosità per un esplosione che si verifica sulla superficie di una nana bianca, oggetto terminale di stelle della massa simile a quella del Sole.

1) M. Pospelov and J. Pradler Primordial Beryllium as a Big Bang Calorimeter Physical Review Letters 2011, 106,121305.

2 ) P. Molaro et al. Highly Enriched 7Be in the ejecta of Nova Sagittarii 2015 No. 2 (V5668 Sgr) and the Galactic 7Li origin. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, 2016, 463, L117–L121. Doi 10.1093/mnrasl/slw169.