Elementos químicos en primer plano: el berilio Understand article

Traducción de Elisa López Schiaffino. Al ser un metal liviano y muy fuerte, el berilio es un elemento ideal para los ingenieros, pero también tiene algunas propiedades menos convenientes.

Beryllium (symbol Be), the fourth element in the periodic table
El berilio (Be), el cuarto
elemento de la tabla
periódica

Antoine2K/Shutterstock.com
 

El berilio es quizás uno de los elementos más extraños de la tabla periódica. Es el segundo metal más liviano (por su masa atómica), después del litio, y sorprendentemente no es tan reactivo en comparación con sus elementos vecinos. El berilio es el primer elemento del Grupo 2 y, a diferencia de los otros metales alcalinotérreos (como el magnesio, el calcio y el estroncio), resiste a la interacción con muchas otras sustancias. De hecho, este metal gris oscuro sería uno de los elementos más útiles en la tabla periódica si fuera más abundante y no fuera tan peligroso trabajar con él.

Aleaciones y usos

La estabilidad química del berilio se debe a su tendencia a formar una capa de óxido no reactiva muy delgada en su superficie. Esto, sumado a su baja densidad, son ventajas a la hora de obtener aleaciones metálicas muy fuertes y resistentes a la corrosión, como el cobre berilio. Estas aleaciones se usan en aplicaciones de alta tensión mecánica, como en rotores de helicópteros. También se usan como alternativa al acero en algunas herramientas, especialmente cuando hay campos magnéticos altos, como en los transmisores de radio o los equipos de resonancia magnética (IRM) de los hospitales.

El berilio puro también se usa en algunas aplicaciones especializadas, a pesar de su alto costo, debido a que posee excelentes cualidades para su uso en la ingeniería. Además de ligereza y resistencia, el berilio tiene un alto punto de fusión y una expansión térmica relativamente baja, por lo que cambia muy poco cuando se lo calienta o cuando se lo enfría a temperaturas excepcionalmente bajas, como las del espacio. Debido a estas cualidades, el berilio es el material de elección en muchas aplicaciones aeroespaciales, incluso en partes de satélites y aviones supersónicos. El Telescopio Espacial James Webb (JWST), el nuevo telescopio espacial que reemplazará al Hubble, tendrá espejos hechos de berilio puro. Se espera lanzar el JWST en 2021. Cuando esté en su lugar, los 18 hexágonos de berilio que forman el espejo primario del telescopio se mantendrán refrigerados a ‑220 °C. Esto es para minimizar las emisiones infrarrojas del espejo mismo que de otra manera podrían interferir con la detección de la señal.

Mirrors for the James Webb Space Telescope undergoing cryogenic (low-temperature) testing
Espejos del Telescopio Espacial James Webb sometidos a pruebas criogénicas (a baja temperatura)
Ball Aerospace/Flickr, CC BY-NC-ND 2.0
 

El berilio tiene otra propiedad especial: a diferencia de la mayoría de los metales, los rayos X pueden pasar a través de él. Esta transparencia a los rayos X se debe al bajo número de electrones en sus átomos: es el elemento número 4 en la tabla periódica y tiene solo cuatro electrones en cada uno de sus átomos (junto con cuatro protones y generalmente cinco neutrones dentro del núcleo). Los electrones interactúan con los rayos X que pasan, los desvían o los absorben y liberan sus propios rayos X secundarios. Dado que el berilio tiene solo cuatro electrones, los rayos X pueden pasar cerca de los átomos del metal con pocas posibilidades de entrar en contacto con los electrones. Aunque el elemento litio, con número atómico 3 y por ello menos electrones, en teoría sería una mejor «ventana» de rayos X, es demasiado reactivo para usarse en cualquier aplicación estructural, a diferencia del berilio.

Información sobre el berilio

  • Nombre del elemento: berilio
  • Símbolo: Be
  • Número atómico: 4
  • Masa atómica relativa: 9,01
  • Densidad: 1,85 g/cm3
  • Punto de fusión: 1287 °C
  • Grupo en la tabla periódica: 2 (metales alcalinotérreos)
  • Abundancia en la corteza terrestre: entre 2 y 6 partes por millón
  • Descubrimiento: los minerales que contienen berilio (como el berilo y la esmeralda) se conocen desde tiempos remotos. Se identificó el elemento en 1798, pero no se usó el nombre berilio hasta 30 años después.

La transparencia a los rayos X

La propiedad inusual de berilio, la transparencia a los rayos X, hace que pueda usarse para contener muestras para análisis con rayos X, ya que los rayos pueden atravesar el contenedor sin mucha perturbación. Esto es excepcionalmente útil en los centros de investigación que utilizan rayos X para estudiar la materia a nivel atómico, como el Laboratorio Europeo de Radiación Sincrotrón (ESRF)w1 y la Instalación Europea de Láser de Electrones Libres de Rayos X (XFEL Europeo)w2. Cuando se disparan pulsos de rayos X sobre las muestras que se investigan, la manera en que se dispersan o absorben los rayos X proporciona datos sobre las propiedades y el comportamiento de los átomos en la muestra, que los científicos luego pueden interpretar. En el XFEL Europeo, se utiliza un haz de rayos X muy preciso para irradiar muestras como las biomoléculas y los virus individuales. En el ESRF, el haz les permite a los científicos estudiar las propiedades y la estructura molecular de la materia en detalle, lo que lleva al desarrollo de nuevos materiales o nuevos usos para los ya existentes.

En las fuentes de rayos X intensos como las del ESRF y el XFEL Europeo, algunas partes del aparato deben permanecer en vacío, herméticamente aisladas. Pero poner barreras al flujo de aire obstruye la trayectoria de los rayos X, a menos que las barreras estén hechas de berilio. El berilio también protege a los detectores de rayos X de otras partículas que podrían interferir con las lecturas, por ejemplo, protege al espectrómetro que monitorea las propiedades de los pulsos de rayos X en el XFEL Europeo.

Lentes de berilio para enfocar

Al igual que el vidrio transparente se usa para enfocar la luz visible, el berilio se usa para hacer lentes que enfocan los rayos X. Cuando un haz se concentra en un punto pequeño, hay más fotones de rayos X en un espacio más limitado, lo que aumenta el efecto de los rayos X que interactúan con las muestras experimentales.

Para enfocar los rayos X, las lentes de berilio deben ser cóncavas (deben curvarse en la dirección opuesta a las conocidas lentes convexas que se usan para enfocar la luz visible). Debido a que el poder de refracción del berilio es muy bajo, en general las lentes se usan como un conjunto de lentes individuales, que se conocen como lentes refractivas compuestas (CRL, por su sigla en inglés). Estas lentes apiladas producen un impresionante poder de enfoque: el ancho final del haz láser de rayos X puede llegar a ser tan pequeño como una fracción de un micrón (10‑6 m) de ancho y unas 10 000 veces más nítido que el diámetro inicial del haz.

An engineer works on the compound refractive lens (CRL) unit of an instrument at European XFEL.
Un ingeniero trabaja con un instrumento con lente refractiva compuesta (CRL) en el XFEL Europeo.
XFEL Europeo

Escaso y peligroso

Pero además de estas cualidades excepcionales, el berilio tiene un costado problemático. Primero, el elemento es escaso: se encuentra solo en minerales raros, como en el berilo (la clase de piedra preciosa que incluye las esmeraldas y aguamarinas). Esta escasez hace que el berilio sea caro, por lo que se usa solo cuando es absolutamente necesario. Sin embargo, dura mucho tiempo: los componentes de berilio dentro de los centros de investigación de rayos X podrían durar cientos de años antes de que deban reemplazarse.

A raw, uncut crystal of aquamarine, a gemstone containing beryllium
Un cristal de aguamarina en bruto, sin cortar (fórmula Be3Al2[Si6O18]), una piedra preciosa que contiene berilio.
greyloch/Flickr, CC BY-SA 2.0
 

Otro problema es que el berilio es altamente tóxico. Inhalar solo una pequeña cantidad de polvo de berilio puede causar beriliosis, una enfermedad con síntomas persistentes e incurables similares a la neumonía y que puede provocar cáncer. Por ello, en situaciones en las que se usa el metal berilio, se deben tomar precauciones especiales para evitar que el polvo ingrese al ambiente general. Eso hace que moldear el metal sea difícil, porque el polvo producido en el mecanizado del berilio es muy tóxico. Por esta razón, las lentes de berilio se fabrican vertiendo berilio fundido en moldes estandarizados, en vez de moler el metal para darle forma.

En conclusión, si bien el berilio es increíblemente versátil, su escasez y los riesgos que conlleva hacen que se considere solo para las aplicaciones más selectas y costosas. Y siempre se debe respetar los peligros inherentes de este elemento metálico altamente inusual.

El descubrimiento del neutrón

El berilio desempeñó un papel crucial en el descubrimiento del neutrón en 1932. Unos pocos años antes, varios científicos habían observado que el berilio producía emisiones cuando se lo bombardeaba con partículas alfa. Debido a que las emisiones no tenían carga (a diferencia de las únicas partículas subatómicas conocidas, los electrones y protones), los científicos concluyeron que debían ser rayos gamma; es decir, fotones de alta energía. Sin embargo, la energía de las emisiones no correspondía con la de los rayos gamma. En 1932, el científico británico James Chadwick repitió el experimento y concluyó que las emisiones debían ser una nueva partícula subatómica sin carga: el neutrón. A partir de ese trabajo, también pudo calcular la masa de la nueva partícula, que resultó ser similar a la del protón, tal como sabemos hoy. En 1935, Chadwick recibió el Premio Nobel de Física por su descubrimiento.

Agradecimientos

Los autores agradecen al Dr. Peter Zalden, instrumentista científico del XFEL Europeo, por su colaboración con la información de este artículo.

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Web References

  • w1 – El ESRF, ubicado en Grenoble (Francia), es la fuente de rayos X más intensa del mundo y un centro de excelencia para la investigación fundamental de la materia condensada y la materia viva. El proyecto Extremely Brilliant Source, cuya finalización está prevista para 2022, será una nueva fuente 100 veces más brillante y coherente que permitirá una mejor comprensión de los materiales.
  • w2 – El XFEL Europeo (European XFEL) es un centro de investigación en la zona de Hamburgo en Alemania. Investigadores de todo el mundo utilizan sus intensos destellos de rayos X para estudiar la estructura y el comportamiento de los materiales a nivel atómico y en escalas de tiempo ultrarrápidas.

Resources

  • Si desea más información sobre el berilio y sus usos, visite el sitio web de la Beryllium Science and Technology Association (BeST).
  • Puede leer un libro breve sobre el berilio y sus aplicaciones:
    • Adair R (2007) Beryllium. Rosen Central, New York. ISBN: 1404210032
  • Puede ver un video sobre el berilio y sus usos, que incluye una explicación de una «ventana» de berilio en el sincrotrón MAX-lab en Suecia, como parte de la serie Tabla periódica de videos de la Universidad de Nottingham.
  • Puede obtener más información sobre el Telescopio Espacial James Webb, una colaboración entre la NASA, la Agencia Espacial Europea (European Space Agency, ESA) y la Agencia Espacial Canadiense. Si desea más información sobre el espejo primario hecho de berilio, consulte el sitio web de la NASA.
  • Puede ver un video de la Royal Insitution del Reino Unido sobre el berilio y el JWST.
  • Puede leer sobre el descubrimiento del neutrón en el sitio web de la American Physical Society.
  • Si desea información sobre los elementos químicos, puede consultar este libro:
    • Gray T (2009) The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe. Black Dog & Leventhal Publishers, Inc., New York. ISBN: 1603764054​

Institution

ESRF, European XFEL

Author(s)

Joseph W. Piergrossi es escritor científico en Hamburgo (Alemania). Tiene una maestría en educación de la Universidad de Georgia (Estados Unidos) y una maestría en periodismo científico de la Universidad de Boston (Estados Unidos). Ha sido profesor de física y ciencias ambientales en los Estados Unidos. Desde 2013, Joseph trabaja como comunicador científico en el XFEL Europeo en Schenefeld (Alemania).

Montserrat Capellas Espuny es especialista en comunicación científica en el ESRF. Escribe artículos sobre la ciencia y sus aplicaciones y está involucrada en el proyecto Humans of ESRF project, un sitio web que retrata a las personas que trabajan en el ESRF para conmemorar el 30 aniversario del centro.


Review

En la tabla periódica, hay algunos elementos poco conocidos que tienen muchos usos. Este artículo puede profundizar el conocimiento de los estudiantes sobre uno de los elementos metálicos: el berilio.

Antes de leer el artículo, los estudiantes podrían pensar en los metales que conocen y cómo sus usos han cambiado a lo largo de la historia. El artículo podría utilizarse como punto de partida para investigar y discutir los usos de diferentes elementos poco conocidos en nuestra sociedad. También puede ayudar a crear conciencia sobre el enorme costo de obtenerlos y la importancia del reciclaje.

Se podrían plantear las siguientes preguntas de comprensión:

  • ¿Cuál es el número atómico del berilio y cuál es su posición en la tabla periódica?
  • ¿Por qué el berilio es tan diferente de los otros elementos de su grupo?
  • ¿Puedes enumerar cinco propiedades del berilio?
  • ¿Puedes describir en detalle tres de las aplicaciones del berilio?
  • ¿Por qué se usa el berilio solo cuando es absolutamente necesario?
  • ¿Puedes explicar qué papel desempeñó el berilio en el descubrimiento del neutrón?

Mireia Güell Serra, docente de química, INS Cassà de la Selva, España




License

CC-BY