بریلیوم (بریلیم) Be

عنصر برلیم

تعداد بازدید: 11004
کد مطلب: 2526
تاریخ انتشار: 09:34 15 اسفند 1390

عنصر برلیم

 
 

بریلیوم فلزی سمی بوده و با عدد اتمی 4 در گروه 2 و دوره تناوبی دوم جدول مندلیف قرار دارد. نکته مهم در این زمینه آن است که انگیزه تحقیق صنعتی روی آلیاژهای بریلیوم چندان قوی نیست زیرا حلالیت اکثر عناصر در بریلیوم جامد ،کم می باشد. تنها مس، نیکل، آهن، نقره و پلاتین حلالیتی بین یک تا ده درصد مولی، در دماهای بالا دارند. علاوه بر این اکثر فلزات با بریلیوم ترکیبات بین فلزی تشکیل داده که معمولاً بسیار شکننده هستند.

بریلیوم عنصری دو ظرفیتی و سمی، سبک و سخت بوده که بیشتر به عنوان سخت کننده در آلیاژها استفاده می شود. بریلیوم در بین فلزات سبک یکی از بالاترین نقطه ذوب ها را دارد. دارای هدایت حرارتی عالی و غیر مغناطیس می باشد. در مقابل اسید نیتریک قوی هم مقاوم بوده و در دما و فشار استاندارد وقتی در معرض هوا قرار می گیرد، در برابر اکسید شدن مقاومت می کند.

 
 

در سال 1797 واکوئولین در حین آنالیز گونه ای مختلف از بریل، اکسید بریلیوم را کشف کرد. بوسی و ووهلر به طور جداگانه در سال 1828، با احیاء کلرید بریلیوم توسط پتاسیم به بریلیوم فلزی دست یافتند.

در سال 1899 لبیو از الکترولیت نمک مذاب (فلورید بریلیوم و فلورید سدیم) به بریلیوم فلزی رسید. تولید صنعتی بریلیوم از سال 1916 در چندین کشور آغاز شد. در سال 1931 برای اولین بار از بریلیوم به عنوان ترکیب اضافی در پیر سختی آلیاژهای مس در حد 2 درصد استفاده شد.

با پیشرفت راکتورهای هسته ای در حدود سال 1950، تقاضا برای استفاده از بریلیوم افزایش یافت. خواص هسته ای و چگالی پایین بریلیوم آن را برای شرایط ناپایدار راکتورهای هسته ای مصرفی در هواپیما، سفینه ها، کشتی ها و زیر دریایی ها مناسب ساخته است.

هنگامی که بریلیوم به طور همزمان در معرض اشعه رادیو اکتیو و گرما قرار گیرد، خواص نامطلوبی از خود نشان می دهد. در این مواقع بریلیوم متورم، ترد و شکننده می شود.

تا پایان سال 1950 به بریلیوم به عنوان یک ماده ساختمانی در صنایع فضایی و هوایی توجه زیادی شد و علت مصرف بریلیوم به عنوان یک ماده ساختمانی، خواص مکانیکی و حرارتی وابسته به وزن این فلز می باشد که بسیار بهتر از سایر مواد است. امروزه بیشتر بریلیوم تولیدی، برای اهداف نظامی مصرف می شود. به مرور زمان استفاده از بریلیوم به عنوان عایق الکتریکی در مهندسی الکترونیک نیز افزایش می یابد. استفاده زیاد از بریلیوم در مصارف شهری بدلیل هزینه بالا، سمی بودن و قابلیت شکست ترد آن در دمای محیط، ممنوع شده است.

 
 

الکترونهای اربیتال 2S2، الکترونهای ظرفیت بریلیوم می باشند. اولین انرژی یونیزاسیون برای تبدیل برابر 32.9 ev می باشد و دومی برای تبدیل Be+ بهBe   برابر ev 21.18 می باشد. اگرچه بریلیوم در اکثر ‏مواقع به صورت دو ظرفیتی در ترکیباتش ظاهر می شود اما به آلومینیوم شباهت بیشتری دارد تا منیزیم و کلسیم. به عنوان مثال مانند آلومینیوم آمفوتر است و در هوای مرطوب و بخار آب، لایه سطحی بسیار چسبنده ای از اکسید روی آن تشکیل می شود که این لایه در دماهای بالاتر از 600 °C از اکسیداسیون بیشتر جلوگیری می کند. بالاتر از 600 °C لایه اکسید ضخیم می شود اما اکسیداسیونی که باعث شکست فلز می شود در زیر700 اق نمی افتد.

تمایل بریلیوم به ترکیب با اکسیژن بسیار بالاست:

 

Be +1/2O2(g)→BeO(s)                       ΔGT0(J/g)=-66469+10.5T±4.7

 

بریلیوم عامل احیا کننده خوبی است. در دمای بالای  900 °C شدیداً با نیتروژن یا آمونیاک واکنش می دهد و نیترید بریلیوم تولید می کند.

بریلیوم حتی در دمای بالا با هیدروژن واکنش نمی دهد. واکنش تشکیل هیدریدهایBeH2  و BeH (که خیلی سخت تشکیل می شوند) گرماگیر هستند و در دمای بالاتر متلاشی می شوند. در دمای زیر 600- 500 درجه سانتی گراد، بریلیوم با دی اکسید کربن خشک واکنش نمی دهد اما بسیار آهسته با دی اکسید کربن مرطوب واکنش می دهد.

فیلم اکسیدی چسبنده، از بریلیوم در برابر سرما و آب داغ محافظت می کند و همچنین از بریلیوم سرد در برابر حمله اسیدهای اکسید کننده محافظت می کند.

 

 

خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی بریلیوم

عدد اتمی

4

جرم اتمی

9.012

نقطه ذوب

1280 ºC

نقطه جوش

2970 ºC

شعاع اتمی

128 pm

ظرفیت

2

رنگ

خاکستری فولادی

حالت استاندارد

جامد

گروه

2

انرژی یونیزاسیون

899.2 Kj/mol

شعاع یونی

نامعلوم

شکل الکترونی

1s2 2s2 or [ He ] 2s2

الکترونگاتیوی

1.5

حالت اکسیداسیون

2

چگالی

1.86 g/cm3

دوره تناوبی

 2

شماره سطح انرژی یونیزاسیون

2

شعاع کووالانسی

96±3 pm

شعاع واندروالس

153 pm

گرمای تبخیر

297 Kj/mol

 

بریلیوم در اسیدهای معدنی غیر اکسیدی حل می شود و هیدروژن و نمک تولید می کند. مطابق طبیعت آمفوتری بریلیوم، بوسیله هیدروکسیدهای آبی نیز مورد حمله قرار می گیرند و هیدروژن و بریلات تولید می کند. از آنجا که بسیاری از ترکیبات بریلیوم هنگام تشکیل،گرما آزاد می کنند، می تواند نمکها، بوراتها و سیلیکاتهای بسیاری از فلزات را احیا کند. تنها هالیدهایی که در برابر بریلیوم پایداری می کنند مربوط به فلزات قلیایی و منیزیم می باشند و باقی به وسیله بریلیوم می توانند احیا شوند.

بریلیوم با کربن، تمام فلزات انتقالی، فلزات قلیایی خاکی مانند Sr ،Ca ، Mg ، فلزاتی نظیر B و As و تلوریوم ترکیبات بین فلزی تشکیل می دهد. برخی از این ترکیبات بین فلزی محدوده همگنی وسیعی دارند و نقطه ذوب آنها نیز بالا می باشد.

به جز چند استثناء ، حلالیت فلزات در نمک بریلیوم و بر عکس آن، حتی در دمای بالا بسیار پایین است. بریلیوم نسبت به لیتیوم مایع، سدیم، پتاسیم، منیزیم، کادمیم، جیوه، گالیم، ایندیم، قلع، سرب، آنتیموان و بیسموت بسیار پایدار است. برخی از این فلزات بریلیوم را حتی در دماهای بالا و بدون حضور اکسیژن در خود حل نمی کنند..

اگر مذابی حاوی اکسیدهای فلزی باشد، این اکسیدها بوسیله بریلیوم احیا می شوند و لایه اکسید بریلیوم که از این طریق ایجاد می شود دیگر چسبنده نیست و از مذاب جدا می شود و همواره سطح تازه ای از بریلیوم برای احیا در دسترس است.

بریلیوم در حالت مایع بسیار فعال است و با بسیاری از اکسیدها، نیتریدها، سولفیدها و کاربیدهای Mg ،Ca، Al، Ti، Zn واکنش می دهد.

 
 

بریلیوم شکننده بوده و یکی از دلایل اصلی شکنندگی آن، این است که صفحه قاعده هم به عنوان صفحه کلیواژ و هم به عنوان صفحه لغزش عمل می کند. صفحه قاعده انرژی سطحی کمی دارد، از این رو مانند یک صفحه کلیواژ عمل می کند.

پیچش که یکی از مکانیزم های مهم تغییر شکل می باشد نقش متفاوتی در بریلیوم ایفا می کند. پیچش در بریلیوم بیشتر به عنوان یک شکاف اجباری یا عامل رشد ترک عمل می کند تا اینکه باعث افزایش تغییر شکل شود.

در بریلیوم پلی کریستال، حتی بعد از کرنش های پایین در درمای محیط هم شکست ترد اتفاق می افتد. تمایل به شکست ترد، برتری لغزش صفحه قاعده به علت ناهمسانگردی تغییرشکل می باشد که ترک های مویی ایجاد می کند.

 

خواص مکانیکی و حرارتی بریلیوم

 

 5.5

1670 MPa

600 MPA

سختی

موس

ویکرز

برینل

287 GPa

مدول یانگ

200 W/m.K

هدایت حرارتی

 

درصد ازدیاد طول برخی از نمونه های تجاری بریلیوم در محدوده دمایی 650-900 K به سرعت کاهش یافته اما مجدداً افزایش پیدا می کند. این کاهش در محدوده دمایی فوق به دلیل وجود ناخالصی ها می باشد.

 
 

بریلیوم یک عنصر کمیاب می باشد فراوانی آن در پوسته زمین در حدود 6 ppm  می باشد، اما در مینرال های گوناگون به شکل کنسانتره یافت می شود. بریل، مهمترین کانی بریلیوم می باشد. بیشترین رسوبات بریل در برزیل، آرژانتین، هند، موزامبیک، ماداگاسکار، اوگاندا، زیمباوه، آفریقای جنوبی و در اتحاد جماهیر شوروی سابق یافت شده اند.

امروزه برتراندیت مینرال اصلی بریلیوم می باشد که از معادن ایالات متحده استخراج می شود.

اولین کانی کشف شده بریلیوم، بریل می باشد (3BeO.Al2O3.6SiO2) که از لحاظ تجاری قابلیت بهره برداری دارد. نقطه ذوب آن 1650 ºC و چگالی آن بین g/cm3 2.67-2.76 می باشد. بریل بصورت منشورهای هگزاگونال کریستاله شده که بسیار بزرگ هستند.

بریل در میکاشیست، گرانیت، پیگماتیت و آرگیلیت یافت می شود. کریستال های بریل اغلب نشانه هایی از باد وباران خوردگی دارند و به ندرت ترکیب ایده ال خود را دارا هستند. بریل حاوی 11% اکسید بریلیوم (4% بریلیوم) بوده و اغلب به عنوان محصول جانبی استخراج فلدسپار است. ناخالصی های اصلی موجود در کانی شامل اکسید آلومینیوم، دی اکسید سیلیسیوم، فلزات قلیایی، قلیایی خاکی، آهن، منگنز و فسفر می باشد.

تا سال 1960 تنها بریل بود که اهمیت صنعتی داشت. در 1969 کمپانی براش ولمن، فرآوری کانی برتراندیت را آغاز کرد. در حال حاضر، برتراندیت مهمترین کانی تجاری بریلیوم بوده که فرمول شیمیایی آن به صورت 4BeO.SiO2.H2O می باشد و تنها حاوی 0.2-0.35 % بریلیوم می باشد.

کریزو بریل BeO.Al2O3، فناکیت 2BeO.SiO2، اوکلاز BeAlSiO4(OH) و گونه های گرانبهای بریل مانند زمرد، از منابع دیگر بریلیوم می باشند. علاوه بر این کانی ها، حدود 40 مینرال دیگر نیز شناخته شده اند.

 
 

بریلیوم به صورت ترکیبات و آلیاژها کاربردهای مختلفی دارد که در زیر آمده است:

1- بریلیوم فلزی (سختی بالا، سبک بودن و پایداری ابعادی در محدوده وسیعی از دما)

  • ابزارهای دفاعی و فضانوردی
  • ماهواره ها 
  • پنجره آنالیز کننده اشعه X

 

2- اکسید بریلیوم (هدایت حرارتی بالا، سختی و استحکام خوب)

  • عایق الکتریکی در سیستم های احتراق خودکار
  • سیستم های اندازه گیری رادارهای الکتریکی
  • سرامیک های مدرن

 

3- آلیاژ مس- بریلیوم (هدایت الکتریکی و حرارتی بالا، استحکام و سختی زیاد، مقاومت به خوردگی و خستگی مناسب)

  • از این آلیاژ در ابزارهای حفاری نفت و گاز ( به عنوان لوله با قطر بالا )
  • فنرها
  • رابط ها
  • سوئیچ اتومبیل
  • سفینه
  • رادار
  • کامپیوتر
  • ابزار الکتریکی
  • قالب های تزریق پلاستیک
  • سوپاپ
  • ابزارهای منزل

 

4-12- تک کریستال بریلیوم

  • تک فام کننده نوترونی
  • منعکس کننده ومتعادل کننده در رآکتورهای هسته ای 
  • سیستم های ترمز هواپیما
 
 

بریلیوم از منابع گوناگونی موجب آلودگی می شود؛ اگرچه منبع اصلی پخش بریلیوم در اتمسفر، به صورت ذرات و خاکستر بریلیومی، مصرف کک و روغن های سوختی می باشد اما بریلیوم به صورت طبیعی از غبارهای شکسته شده، توسط باد یا ذرات آتشفشانی نیز به اتمسفر گسیل می یابد. بیشترین آلودگی ناشی از ماشینکاری و خرد کردن بریلیوم فلزی می باشد. سایر فرایندهای صنعتی پخش کننده بریلیم، پروسه های فراوری سنگ معدن، تولید فلز، تولید اکسید فلز و سوزاندن ضایعات شهری، احتراق سوخت های نفتی و سوختن تنباکو است.

بریلیوم عنصری بسیار سمی می باشد و شاید بسیاری از مردم آگاه نباشند که حتی مقادیر جزیی از عنصر بریلیوم اثرات جبران ناپذیری روی آنها می گذارد.

 

  •  تاثیر روی انسان

عموم مردم ممکن است به وسیله استنشاق هوا، مصرف غذا و آب شرب و بلعیدن ناخواسته غبار در معرض مقدار جزیی بریلیوم قرار بگیرند. دمایی که اکسید بریلیوم کلسینه می شود، بر اندازه ذرات آن، قابلیت انحلال و در نهایت سمی بودن آن اثر می گذارد. کلسینه کردن اکسید بریلیوم در 500 ºC اکسید سمی تری را نسبت به کلسینه شدن در 1000 ºC تولید می کند.

 

  •  جذب بریلیوم از راه استنشاق

استنشاق اولین راه جذب بریلیوم توسط انسان در معرض فلز آلاینده است. پاکسازی بریلیوم به عوامل مهمی مثل میزان، اندازه و قابلیت حل شوندگی آن بستگی دارد. ذراتی که در دماهای بالا به وجود می آیند بسیار کوچکتر و ریزتر از ذراتی هستند که توسط فرایندهای الکتریکی به وجود می آیند.

بریلیوم اتمسفر بسیار ریز بوده و به راحتی توسط سیستم تنفسی بویژه ریه، که اولین هدف در معرض استنشاق در انسان و حیوان است، جذب می شود. این ذرات جذب شده روی ریه رسوب می کند.

شایع ترین بیماری ریوی ناشی از بریلیوم  (chronic beryllium diease) CBD بوده که به «بیماری مزمن بریلیوم » و یا « برونشیت مزمن » مشهور است. این بیماری دراثر استنشاق ترکیبات بریلیومی به ویژه اکسید آن و ایجاد زخم روی بافت ریه بوجود می آید. بروز نشانه های این بیماری چندین سال (12-10) طول می کشد. درمانی برای این بیماری کشف نشده و معمولاً به مرگ منجر می شود. روند رشد بیماری CBD به دو صورت کند و سریع می باشد. در تحقیقی که در کارخانه Ulba قزاقستان انجام شد، دیده شد که میانگین دوره تشخیص بیماری تا مرگ 12-8 سال و در بعضی موارد 3-1 سال بود. میانگین افراد فوت شده 55 سال و افراد بیمار 44 سال بوده و در زنان سن مرگ 3 سال کمتر است.

استنشاق بریلیوم حتی می تواند روی سایر قسمت های بدن مانند عملکرد آنزیم ها، سنتز DNA ، فسفر زدن پروتئین و تقسیم سلولی اثرگذارد.

 

  • جذب بریلیوم از راه دهان

جذب معده ای و روده ای می تواند هم به صورت استنشاق و هم از راه دهان (غذای روزمره و نوشیدنی ها) باشد. بیشترین بریلیوم جذب شده از راه دهان از معده و روده عبور کرده و دفع می شود.

 

  • جذب بریلیوم از راه پوست

بریلیوم به ندرت توسط پوست جذب می شود زیرا بریلیوم بوسیله اجزای اپیدرمال (اسیدهای نوکلئیک فسفات آمین) جهش یافته و یا تبدیل به یک ترکیب نامحلول در  PH فیزیولوژی می شود. بیماری های دیگر ناشی از بریلیوم ، ورم ملتحمه چشم ، آماس پوست می باشد.

 
 

به علت خطرات زیاد بیماری CBD، سازمان انرژی امریکا در سال 1999 برنامه هایی را برای کنترل خطرت این بیماری منتشر کرد که برخی از موارد آن عبارتند از:

الف) غلظت بریلیوم در اتمسفر کارخانه نباید در هشت ساعت کاری در روز از mg/m3 2 تجاوز کند.

ب) زمانی که شخصی برای مدت کوتاه در معرض بخارات بریلیوم قرار می گیرد، غلظت بریلیوم نباید از mg/m3 25 تجاوز کند.

ج) غلظت ماهانه بریلیوم در نزدیکی کارخانه نباید از  mg/m3 01/0 تجاوز کند.

به علت سمی بودن بریلیوم، لازم است مقادیر زیادی از نمونه های صنعتی و محیطی آلاینده بریلیومی آنالیز شود و روش رایج، استفاده از طیف سنج گسیلی پلاسما –اتمی دوتایی (ICP-AES) می باشد.اگرچه روش های دیگر مانند رسوب دهی، تعویض یونی، رنگ سنجی و روشهای دیگر نیز در تعیین میزان بریلیوم نمونه های صنعتی و محیطی استفاده می شود.

جهت تأمین سلامتی افراد در معرض بریلیوم و جلوگیری از بیمار شدن آنها تدابیر زیر در نظر گرفته شده است:

1) نصب ابزارهای کنترل آلودگی هوا در محیط کار

2) استفاده از وسایل ایمنی نظیر ماسک و لباس های ویژه

3) حفاظت تنفسی با استفاده از دستگاه تنفس مصنوعی

4) تصفیه هوای خروجی قبل از خارج شدن

5) نصب مکنده های گرد وغبار در محیط کار

6) بسته بندی زباله های جامد بریلیوم و دفن آنها در گودال های بتونی

7) انجام عملیات شیمیایی بر روی زباله های مایع جهت حذف مواد سمی و رساندن بریلیوم به سطح مجاز قبل از ریخته شدن به فاضلاب های عمومی

8)نظارت های پزشکی

 
 

 

 

1A

2A

 

 

3A

4A 5A 6A 7A

8A

1

H

 

 

 

 

He

2

3

Li

Na

Be

Mg

 

 

3B

 

4B

 

5B

 

6B

 

7B

 

8B 

 

8B

 

8B

 

1B

 

2B

B

C

N

O

F

Al

Si

P

S

Cl

Ne

Ar

4

5

K

Rb

Ca

Sr

 

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

Ga

Ge

As

Se

Br

In

Sn

Sb

Te

I

Kr

Xe

6

7

Cs

Fr

Ba

Ra

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

*

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

**

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Tl

Pb

Bi

Po

At

Uut

Fl

Uup

Lv

Uus

Rn

Uuo

 

 
 
نظرات درباره این مطلب
 
 
نام
پست الکترونیک
نظر
 
CAPTCHA Image
Reload Image
 
مطالب مرتبط