عنصر بریلیوم چیست؟ کاربرد عنصر بریلیوم را می شناسید؟

عنصر بریلیوم در جدول تناوبی عناصر با نماد شیمیایی Be شناخته می شود. عدد اتمی عنصر بریلیوم ۴ است و در گروه فلزات قلیایی خاکی قرار گرفته است. عنصر بریلیوم در گروه و دوره دوم جدول مندلیف با عدد جرمی ۹.۰۱۲۱۸۲ جای دارد. عنصر بریلیوم فلزی دو ظرفیتی با رنگ سفید متمایل به خاکستری است. این فلز نقطه ذوب بالایی داشته و سخت و سبک است. لازم به ذکر است که عنصر بریلیوم از عناصر شیمیایی سمی بشمار می آید. کاربرد عنصر بریلیوم به عنوان عامل آلیاژساز در تولید بریلیوم-مس، عکس برداری با اشعه x، در صنایع هسته ای و… وجود دارد. ایزوتوپ عنصر بریلیوم نیز وجود داشته و تنها یکی از آن ها یعنی Be-9 پایدار است. در ادامه این مقاله به بررسی کاربرد و قیمت عنصر بریلیوم می پردازیم. با ما همراه باشید.

نشریه علمی جهان شیمی فیزیک به بررسی و معرفی بسیاری از عناصر شیمیایی جدول مندلیف پرداخته است. مانند هیدروژن، هلیم، لیتیم و… . در ادامه با بررسی خواص عنصر بریلیوم با ما همراه باشید.

تاریخچه عنصر بریلیوم

در سال ۱۷۹۷ میلادی در حین آنالیز گونه ای مختلف از بریل، واکوئولین اکسید بریلیوم را کشف نمود. در سال ۱۸۲۸ نیز بوسی و ووهلر به طور جداگانه توانستند با احیا کلرید بریلیوم توسط پتاسیم به بریلیوم فلزی دست یابند.

در سال ۱۸۹۹ لبیو از طریق الکترولیت نمک مذاب به بریلیوم فلزی دست یافت. اما تولید صنعتی عنصر بریلیوم از سال ۱۹۱۶ در چندین کشور آغاز شد. در حدود سال ۱۹۵۰ تقاضا برای استفاده از بریلیوم با پیشرفت راکتورهای هسته ای افزایش یافت. خواص هسته ای و چگالی پایین عنصر بریلیوم آن را برای شرایط ناپایدار راکتورهای هسته ای مناسب ساخته است. این عنصر می تواند در راکتورهای هسته ای موجود در هواپیما، سفینه ها، کشتی ها و زیر دریایی ها بکار رود.

توجه شود که این ماده نباید به طور همزمان در معرض اشعه رادیو اکتیو و گرما قرار گیرد. در غیر اینصورت خواص نامطلوبی از خود نشان می دهد. مصرف عنصر بریلیوم در این مواقع موجب متورم، ترد و شکننده خواهد شد.

تا پایان سال ۱۹۵۰ به این ماده به عنوان یک ماده ساختمانی در صنایع فضایی و هوایی توجه زیادی شد و علت مصرف عنصر بریلیوم به عنوان یک ماده ساختمانی، خواص مکانیکی و حرارتی وابسته به وزن این فلز می باشد. اما امروزه بیشتر مصرف و کاربرد عنصر بریلیوم تولیدی جهت اهداف نظامی است.

چرا عنصر بریلیوم یون تشکیل نمی دهد؟

این عنصر سر گروه فلزات قلیایی خاکی است اما خواص منحصر به فردی دارد. شعاع اتمی در این ماده نسبت به سایر هم گروهی های خود بسیار کوچک است. این شعاع کوچک سبب می شود که این اتم ها نتوانند بار مثبت را بر روی خود پخش و تحمل کنند. درواقع کوچک بودن زیاد و نزدیکی لایه ظرفیت به هسته باعث شده تا الکترون های لایه طرفیت نتوانند جدا شوند. بنابراین تشکیل کاتیون میسر نخواهد شد. نزدیکی زیاد به هسته منجر شده تا تنها اجازه به اشتراک گذاشتن آن ها داده شود.

ویژگی عنصر بریلیوم عنصر شماره ۴ جدول تناوبی

عنصر بریلیوم فلزی سمی است و با عدد اتمی ۴ در گروه و تناوب دوم جدول تناوبی قرار دارد. عنصر بریلیوم دو ظرفیتی، سبک و سخت بوده و بیشتر به عنوان سخت کننده در آلیاژ ها استفاده می شود. جالب است بدانید در بین فلزات سبک، برلیوم یکی از بالاترین نقاط ذوب را داراست. هدایت حرارتی عالی و غیر مغناطیس بودن از دیگر خواص عنصر بریلیوم است. این عنصر در مقابل اسید نیتریک قوی نیز مقاوم است. هنگامی که این عنصر در دما و فشار استاندارد و در معرض هوا قرار می گیرد، در برابر اکسید شدن مقاومت می کند.

البته انگیزه تحقیق صنعتی روی آلیاژ عنصر بریلیوم چندان قوی نیست. زیرا حلالیت بیشتر عناصر در بریلیوم جامد، کم است. مس، نیکل، آهن، نقره و پلاتین حلالیتی بین یک تا ده درصد مولی، در دماهای بالا دارند. بیشتر فلزات با این ماده ترکیبات بین فلزی تشکیل داده که اغلب بسیار شکننده اند.

خواص و کاربرد عنصر بریلیوم

کاربرد Be در تولید بریلیم- مس

کاربرد عنصر بریلیوم در تولید بریلیم- مس به عنوان عامل آلیاﮊ ساز صورت می گیرد. زیرا این عنصر، قابلیت جذب حرارتی بالایی دارد. خواص آلیاﮊ بریلیوم – مس به دلایل زیر است:

• هدایت برقی و حرارتی مناسب
• استقامت و سختی زیاد
• غیرمغناطیسی بودن
• مقاومت در برابر زنگ خوردگی و فرسایش
• مقاومت چند جانبه
• سبکی و خمش ناپذیری در حرارت های متغیر

به دلیل خواص بی نظیر آلیاژ بریلیوم-مس از آن در تولید: الکترود های جوش نقطه ‌ای، فنر، ابزار های فاقد جرقه و اتصال های برقی استفاده می شود. همچنین این آلیاژ در صنایع دفاعی و هوا فضا نیز کاربرد دارد. در هواپیما های با سرعت بالا، موشک ها، ماشین های فضائی و ماهواره ‌های ارتباطی سازه‌ های بخش های سبک‌ وزن بکار می‌روند.

کاربرد و مصرف عنصر بریلیوم فلزی

به دلیل دارا بودن سختی بالا، سبک بودن و پایداری ابعادی در محدوده وسیعی از دما در موارد زیر کاربرد دارد.

1. کاربرد در ابزارهای دفاعی و فضانوردی
2. کاربرد در ماهواره ها
3. کاربرد در پنجره آنالیز کننده اشعه X

کاربرد اکسید بریلیوم

به دلیل هدایت حرارتی بالا، سختی و استحکام خوب در موارد زیر کاربرد دارد.

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

کاربرد تک کریستال عنصر بریلیوم

• تک فام کننده نوترونی
• منعکس کننده و متعادل کننده در راکتورهای هسته ای
• سیستم های ترمز هواپیما

سایر مصارف عنصر بریلیوم

• در عکسبرداری با اشعه X ورقه‌ های نازک بریلیم با فیلتر نورهای مرئی باعث آشکار شدن تنها اشعه  Xِمی‌شود.
• کاربرد عنصر بریلیوم در زمینه پرتو نگاری با اشعه X نیز برای بازساخت مدار های یکپارچه میکروسکپی کاربرد دارد.
• این عنصر به دلیل جذب نوترون حرارتی واکنش سنجی پایینی دارد. بنابراین از آن در صنعت نیروی هسته‌ای به عنوان بازتابنده و کندساز در راکتور های اتمی استفاده می‌شود.
• کاربرد در ساخت ترازنما
• کاربرد در تجهیزات کامپیوتری مختلف
• کاربرد در ساخت فنرهای ساعت و وسایلی که نیازمند مقاومت های چندجانبه، سبکی و استحکام هستند.
• درگذشته ترکیبات بریلیم در لامپ های فلورسنت کاربرد داشتند. اما ادامه کاربرد عنصر بریلیوم در این لامپ ها متوقف شد. زیرا بیماری ناشی از مسمومیت توسط بریلیم در بین کارگران سازنده این لامپ ها رخ می داد.

توجه

اکسید بریلیوم در صورت نیاز به هدایت حرارتی خوب، مقاومت و استحکام زیاد، نقطه ذوب بالا کاربرد دارد. از اکسید عنصر بریلیوم به عنوان عایق استفاده می‌شود.

معرفی ایزوتوپ عنصر بریلیوم

شاید این سوال برایتان مطرح باشد که عنصر لیتیوم چند ایزوتوپ دارد. در پاسخ این سوال باید گفت تنها ایزوتوپ پایدار این عنصر Be-9 است. ایزوتوپ Be-10 نیز توسط پراش ذرات اتمی اکسیژن و نیتروﮊن به وسیله اشعه کیهانی در جو حاصل می گردد. این عنصر تمایل دارد در محلول هایی با PH کمتر از ۵,۵ باشد. بیشتر باران ها نیز PH زیر ۵ دارند. بنابراین این عنصر می‌تواند در زمین از طریق حل شدن در آب باران جابجا گردد. البته وقتی باران بیشتر قلیایی شود، بریلیم از محلول خارج می گردد.

بنابراین ایزوتوپ کیهانی Be-10 با این روش در سطح خاک جمع می‌شوند. نیمه عمر نسبتا طولانی این ایزوتوپ (۱,۵ میلیون سال ) امکان می‌دهد تا قبل از فرسایش به‌صورت B-10 (بور-۱۰ ) مدت زیادی در سطح خاک باقی بماند.

کاربرد ایزوتوپ عنصر بریلیوم Be-10:

• سنجس فرسایش خاک
• شکل‌گیری خاک از سنگ پوش
• گسترش خاک های لاتریک
• گوناگونی های فعالیت خورشیدی و عمر Ice core

نکته

ناپایداری Be-7 و Be-8 پیامدهایی را به دنبال دارد. به این معنا که عناصر سنگین تر از بریلیم با همجوشی هسته‌ای در انفجار بزرگ (big Bang ) حاصل نشده ‌اند. سطوح انرﮊی هسته ‌ای نیز در بریلیم ۸ به گونه ای است که کربن می‌تواند در ستاره‌ها تولید شود. پس وجود حیات را ممکن می‌سازد.

تاثير مصرف عنصر بريليم در سلامتي انسان

در حقيقت، این ماده يکي از سمي ترين مواد شيميايي محسوب مي شود. عنصر بريليوم فلزي است که اگر تنفس شود براي انسان بسيار خطرناک است. تنفس این ماده به شش ها آسيب شديد زده و علائم ذات الريه در فرد بروز می کند.

بریلیوم خوردگی: از مهم ترين اثرات شناخته شده بريليم berylliosis یا بريليم خوردگي است. اين بيماري مشکلات ريوي مزمنی را سبب مي شود. این ماده حتی ارگانيسم هاي بدن مانند قلب را نيز تحت تاثير قرار مي دهد. پژوهش ها نشان داده است که ۲۰ درصد مبتلايان به اين بيماري درگذشته اند. افرادي که داراي سيستم ايمني ضعيف هستند مستعد دچار شدن به اين بيماري هستند.

آلرژی: در افرادي که به مواد شيميايي حساسيت زيادي دارند، این ماده باعث بروز بيماري هاي آلرژيک مي شود. درواقع این عنصر با ایجاد واکنش هاي بسيار سنگين سبب ايجاد بيماري شديد در فرد مي شود. اين نوع آلرژي، بيماري بريليم مزمن يا CBD نامیده می شود. ضعف، خستگي و مشکلات تنفسي، بي اشتهايي و کبودي دست و پا از علائم این بیماری اند. گاهی اوقات فرد ممکن است به گونه ای در شرايط دشوار CBD درگیر شود که منجر به مرگ وی گردد.

افزايش و گسترش سرطان و آسيب به DNA نیز از دیگر عوارض عنصر بریلیوم در سلامتی انسان است.

منابع عنصر بریلیوم در جهان

این ماده از عناصر کمیاب بوده و فراوانی آن در پوسته زمین در حدود ۶ ppm است. اما این ماده در مینرال های گوناگون یافته می شود. مهم ترین کانی عنصر بریلیوم، بریل است. در کشور هایی مانند برزیل، آرژانتین، هند، موزامبیک، ماداگاسکار، اوگاندا، زیمباوه، آفریقای جنوبی و در اتحاد جماهیر شوروی سابق بیشتر رسوبات بریل یافته می شود. برتراندیت مینرال اصلی عنصر بریلیوم بوده و از معادن ایالات متحده استخراج می گردد.

بریل (۳BeO.Al2O3.6SiO2) اولین کانی کشف شده Be است. این کانی از لحاظ تجاری قابلیت بهره برداری دارد. نقطه ذوب آن ۱۶۵۰ درجه سانتی گراد و چگالی آن بین ۲.۶۷ تا ۲.۷۶ گرم بر سانتی متر مکعب می باشد. این کانی به صورت منشور های هگزاگونال کریستاله شده بسیار بزرگ وجود دارد.

میکاشیست، گرانیت، پیگماتیت و آرگیلیت می توان بریل را یافت. البته کریستال های بریل اغلب نشانه هایی از باد و باران خوردگی داشته و به ندرت ترکیب ایده ال خود را دارا هستند. بریل حاوی ۱۱% اکسید بریلیوم (۴% Be) است. ناخالصی های اصلی موجود در کانی اکسید آلومینیوم، دی اکسید سیلیسیوم، فلزات قلیایی، قلیایی خاکی، آهن، منگنز و فسفر را شامل می شود.

بریل تا سال ۱۹۶۰ تنها کانی بود که اهمیت صنعتی داشت. کمپانی براش ولمن در سال ۱۹۶۹ فرآوری کانی برتراندیت را آغاز نمود. برتراندیت (۴BeO.SiO2.H2O) امروزه مهم ترین کانی تجاری بریلیم بوده و تنها حاوی ۰.۲ تا ۰.۳۵ % عنصر بریلیوم است.

کریزو بریل BeO.Al2O3، فناکیت ۲BeO.SiO2، اوکلاز BeAlSiO4(OH)4 و گونه های گران بهای بریل مانند زمرد، از منابع دیگر این عنصر می باشند. البته علاوه بر این کانی ها، حدود ۴۰ مینرال دیگر نیز از این ماده شناخته شده است.

کنترل آلودگی عنصر بریلیوم

در سال ۱۹۹۹ سازمان انرژی امریکا برنامه هایی را برای کنترل خطرت بیماری زایی این عنصر منتشر کرد. برخی از آن ها در ادامه آمده است.

1. غلظت این عنصر در اتمسفر کارخانه نباید در هشت ساعت کاری در روز از ۲ mg/m3 تجاوز کند.
2. زمانی که شخصی برای مدت کوتاه در معرض بخارات این ماده قرار می گیرد، غلظت بریلیم نباید از ۲۵mg/m3 تجاوز کند.
3. غلظت ماهانه بریلیم در نزدیکی کارخانه نباید از mg/m3 01 تجاوز کند.

نمونه های صنعتی و محیطی آلاینده بریلیومی به علت سمی بودن بریلیوم باید آنالیز شوند. روش رایج، استفاده از طیف سنج گسیلی پلاسما اتمی دوتایی (ICP-AES) است. روش های دیگر مانند رسوب دهی، تعویض یونی، رنگ سنجی و… نیز در تعیین میزان بریلیم نمونه های صنعتی و محیطی استفاده می گردد.

نکات مهم در کاربرد و مصرف عنصر بریلیوم

• قرار دادن ابزارهای کنترل آلودگی هوا در محیط کار
• به کار بردن وسایل ایمنی نظیر ماسک و لباس های ویژه
• حفاظت تنفسی با استفاده از دستگاه های تنفس مصنوعی
• تصفیه هوای خروجی قبل از خارج شدن
• نصب کردن مکنده های گرد و غبار در محیط های کار
• بسته بندی زباله های جامد حاوی این عنصر و دفن آن ها در گودال های بتونی
• انجام عملیات شیمیایی بر روی زباله های مایع جهت حذف مواد سمی
• رساندن مقدار این ماده به سطح مجاز، قبل از ریخته شدن به فاضلاب های عمومی

قیمت بریلیم

بریلیم (Be) به فلز قلیایی خاکی قوی، سبک و شکننده است که عمدتاً از مواد معدنی بریل و برتراندیت به دست می آید. بریلیم با مس یا نیکل برای ساخت فنرها، ژیروسکوپ ها، کنتاکت های الکتریکی، الکترودهای جوش نقطه ای و ابزارهای بدون جرقه آلیاژ می شود. رسانایی الکتریکی عالی، سفتی خمشی بالا، پایداری و هدایت حرارتی، چگالی کم و مقاومت در برابر خوردگی و خستگی را نشان می دهد. در نتیجه، بریلیوم در صنایع مختلف، از جمله هوافضا و دفاع، لوازم الکترونیکی مصرفی، خودروسازی، نفت و گاز و مراقبت های بهداشتی کاربردهای گسترده ای پیدا می کند.

کاربردهای فزاینده بریلیم و آلیاژهای آن در بسیاری از بخش‌های مصرف نهایی، عوامل اصلی محرک رشد بازار است. به عنوان مثال، بریلیم به طور گسترده ای برای ساخت اجزای ساختاری هواپیماهای پرسرعت، موشک ها، فضاپیماها و ماهواره های ارتباطی استفاده می شود. علاوه بر این، در بخش مخابرات، بریلیوم برای استفاده در ابزارهای انتقال بی سیم، ثابت و نوری مانند هاب های کابل باند پهن، ایستگاه های گیرنده پایه بی سیم و تجهیزات دروازه شبکه بی سیم استفاده می شود. علاوه بر این، بریلیوم به دلیل عایق الکتریکی برتر و رسانایی حرارتی بالا، به سرعت در تولید اتصالات مورد استفاده در تلفن های همراه و رایانه ها مورد توجه قرار می گیرد. همراه با این، روند نوظهور کوچک سازی الکترونیک و فروش فزاینده لوازم الکترونیکی مصرفی به دلیل افزایش درآمد قابل تصرف مصرف کننده، بهبود سبک زندگی و شهرنشینی سریع تقاضای محصول را تسریع می کند. علاوه بر این، افزایش استفاده از محصول در الکترونیک خودرو به عنوان ماده اتصال دهنده باتری و فیلترهای نوری برای دید در شب، کنترل سرعت، سنسورها و برنامه های دوربین باعث رشد بازار می شود. عوامل دیگری از جمله افزایش تقاضا برای اکسید بریلیوم در تولید انرژی هسته‌ای، افزایش هزینه‌های دفاعی، کاربردهای رو به رشد محصول در تجهیزات پزشکی، صنعتی‌سازی سریع و فعالیت‌های تحقیق و توسعه باعث افزایش قیمت آن می شود.