Elementi chimici sotto i riflettori: il berillio Understand article

Tradotto da Rocco G. Maltese. Essendo un metallo leggero e super resistente il berillio è il sogno di ogni ingegnere – ma purtroppo ha anche qualità meno convenienti.

Beryllium (symbol Be), the fourth element in the periodic table
Berillio (simbolo Be), il quarto
elemento nella tavola
periodica

Antoine2K/Shutterstock.com
 

Il berillio come elemento è forse uno dei più intriganti della tavola periodica. È il secondo metallo più leggero (per massa atomica), dopo il litio, ed è anche sorprendentemente neutro rispetto ai suoi vicini della tavola periodica. Il berillio è il primo elemento del Gruppo 2 e, – diversamente dagli altri metalli alcalini terrosi (come il magnesio, il calcio e lo stronzio) difficilmente interagisce con la maggior parte delle altre sostanze. Infatti questo metallo di colore grigio scuro potrebbe essere uno dei più utili elementi se fosse più abbondante in natura e meno pericoloso nel maneggiarlo.

Leghe e applicazioni

La stabilità chimica del berillio è dovuta alla tendenza a formare uno strato sottilissimo di ossido inerte in superficie. Questa particolarità assieme alla bassa densità, presenta dei vantaggi nelle applicazioni in cui si richiedono leghe di metalli altamente resistenti alla corrosione, resistenti, come per esempio, il berillio ramato. Queste leghe sono utilizzate in applicazioni in cui si richiede un’alta resistenza allo sforzo come nei rotori per elicotteri. Si utilizza anche in sostituzione dell’acciaio per costruzione di utensili – in special modo quando si tratta di operare in presenza di forti campi magnetici come ad esempio, nelle radio trasmittenti o nelle apparecchiature per la diagnosi per immagini come la risonanza magnetica (MRI) impiegata negli ospedali.

Il berillio puro è utilizzato in alcune applicazioni specialistiche, anche se ha un alto costo, proprio per le sue superbe qualità ingegneristiche. Oltre alla leggerezza ed alta resistenza, il berillio ha un alto punto di fusione e una relativamente bassa dilatazione termica, tale da non risentire quando si riscalda, o quando si trova ad operare a eccezionalmente basse temperature, cioè nello spazio profondo. Queste qualità lo hanno messo al primo posto nella scelta di materiali in campo aereo spaziale, incluse costruzione di navicelle spaziali e aerei supersonici. Il telescopio spaziale James Webb (JWST) il nuovo telescopio che sostituirà il telescopio Hubble, avrà gli specchi in berillio puro. Il telescopio JWST sarà lanciato in orbita nel 2021, e una volta in orbita, i 18 esagoni di berillio che costituiscono il suo specchio primario opereranno alla temperatura di –220°C. Questa temperatura serve a minimizzare la radiazione infrarossa del telescopio, la quale potrebbero interferire con i segnali acquisiti dal telescopio.

Mirrors for the James Webb Space Telescope undergoing cryogenic (low-temperature) testing
Gli specchi del telescopio spaziale James Webb sono sottoposti a test di temperatura criogenica (bassa temperatura)
Ball Aerospace/Flickr, CC BY-NC-ND 2.0
 

Il berillio possiede un’altra interessante proprietà, diversamente dalla maggior parte degli altri metalli, i raggi X vi passano attraverso. Questa proprietà, detta trasparenza ai raggi X, è dovuta al basso numero di elettroni contenuti nell’atomo: essendo il quarto elemento della tavola periodica, ha solo quattro elettroni per ciascun atomo (assieme a quattro protoni e normalmente, cinque neutroni nel nucleo). Gli elettroni normalmente interagiscono con i raggi X, respingendoli ed assorbendoli rilasciando una radiazione secondaria di raggi X. Poiché il berillio ha solo quattro elettroni, i raggi X hanno una bassa probabilità di essere assorbiti o riflessi e possono passare indisturbati attraverso gli atomi. Sebbene il litio, abbia un numero atomico inferiore, 3, in teoria dovrebbe rappresentare il vantaggio di una finestra ancora migliore per i raggi X, è ancora troppo reattivo per poter essere utilizzato nelle applicazioni strutturali rispetto al berillio.

Fatti concernenti il Berillio

  • Nome dell’elemento: Berillio
  • Simbolo: Be
  • Numero Atomico: 4
  • Massa Atomica Relativa: 9,01
  • Densità: 1,85 g/cm3
  • Punto di Fusione: 1287 °C
  • Gruppo della Tavola Periodica: 2 (Metalli Alcalino Terrosi)
  • Abbondanza nella Crosta Terrestre: 2-6 parti per milione
  • Scoperta: I minerali contenenti berillio (come il berillo e lo smeraldo) sono stati scoperti nei già tempi antichi. L’elemento stesso è stato individuato nel 1798, ma il suo nome non è stato introdotto che 30 anni più tardi.

Si lascia attraversare dai raggi X

L’inusuale proprietà del brillio di essere trasparente ai raggi X consente la costruzione di contenitori per campioni analizzabili ai raggi X, i raggi possono attraversare il contenitore senza interferire con esso. Questa è una proprietà eccezionale particolarmente utile nel campo della ricerca quando è necessario utilizzare i raggi X ad esempio nello studio della materia a livello atomico, come effettuato presso il European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Laboratorio Europeo della Radiazione di Sincrotrone)w1 e il European X-Ray Free-Electron Laser (European XFEL, Laboratorio del Laser a Raggi X ad Elettroni Liberi)w2. Dove si utilizzano intensi impulsi di raggi X su campioni da studiare, il modo in cui i raggi X sono riflessi o assorbiti, fornisce informazioni sulle proprietà e il comportamento degli atomi del campione, che successivamente i ricercatori potranno interpretare. Nel Centro European XFEL, un raggio ben focalizzato di raggi X viene indirizzato su un bersaglio campione come per esempio, virus o biomolecole. Al Laboratorio ESRF, il raggio permette ai ricercatori di studiare in dettaglio le proprietà e la struttura molecolare della materia in modo che da fornire ai ricercatori l’opportunità di sviluppare nuovi materiali o nuove applicazioni per quelli già esistenti.

Al laboratorio European XFEL, si utilizza una intensa sorgente di raggi X come quella dell’ESRF e del XFEL è necessario che alcune parti di queste apparecchiature siano isolate rispetto ai flussi d’aria provenienti dall’esterno e quindi occorre premunirsi con un ambiente a vuoto. Ponendo delle barriere al flusso d’aria si potrebbe incorrere ad una interferenza al percorso dei raggi X – a meno che queste barriere non siano costruite in berillio. Il berillio scherma gli apparati anche da altre particelle che eventualmente potrebbero interferire con i rivelatori e alterare le letture degli strumenti – ad esempio lo spettrometro utilizzato per il controllo delle proprietà dei raggi X.

Mettere a fuoco con lenti in berillio

Così come gli specchi trasparenti sono usati per mettere a fuoco i raggi luminosi nello spettro visibile, il berillio è utilizzato per costruire lenti che mettono a fuoco raggi X. Quando un fascio di raggi X è indirizzato verso un piccolo punto, vi sono molti fotoni di raggi X, che incrementano l’effetto dei raggi X che interagiscono con il campione sperimentale.

Per focalizzare i raggi X si devono utilizzare lenti concave, cioè lenti con una curva opposta a quella delle usuali lenti convesse usate per focalizzare raggi di luce visibile. Poiché il potere riflettente del berillio è molto basso, le lenti sono utilizzate per formare una schiera di lenti individuali che vanno sotto il nome gruppo di lenti riflettenti (CLRs [compound reflective lenses], obiettivo rifrangente composito). Questo obiettivo composito, focalizza un raggio di notevole potenza, la larghezza finale del fascio laser a raggi X può raggiungere le dimensioni di una frazione di micron (10-6 m) – circa 10 000 volte più sottile del diametro iniziale del fascio.

An engineer works on the compound refractive lens (CRL) unit of an instrument at European XFEL.
Un ingegnere del Centro European XFEL sta lavorando su un obiettivo rifrangente composito (CRL) di una strumentazione.
European XFEL

Raro e pericoloso

A fronte delle eccezionali proprietà del berillio vi sono alcune contro indicazioni. In primo luogo, è raro: si recupera in alcuni minerali, come il berillo – un tipo di gemma che comprende anche lo smeraldo e l’acqua marina. La rarità di questi minerali comporta un incremento dei costi per il suo approvvigionamento ed è scelto solo quando è assolutamente necessario. Eppure, dove viene utilizzato, è lì per rimanere: componenti di berillio all’interno di strutture di ricerca a raggi X, potrebbero conservarsi per centinaia di anni prima che sia necessario sostituirli.

A raw, uncut crystal of aquamarine, a gemstone containing beryllium
Un cristallo grezzo di acquamarina (formula Be3Al2(Si6O18)), una gemma che contiene berillio.
greyloch/Flickr, CC BY-SA 2.0
 

Un altro problema è rappresentato dalla sua ben nota tossicità. Respirare anche una piccola quantità di polvere di berillio può causare la berilliosi – una malattia simile alla polmonite con sintomi persistenti e incurabili, che può portare al cancro. A causa di ciò, quando utilizza il berillio metallico, occorre prendere opportune precauzioni in modo che la polvere non si disperda nell’ambiente. Lavorare il berillio per fargli assumere la forma voluta è difficile perché la polvere prodotta dalle macchine è tossica. Per questa ragione le lenti al berillio sono fatte versando il berillio fuso in stampi standardizzati, piuttosto che molare il metallo come nelle lenti tradizionali, facendogli assumere la forma desiderata.

Così mentre il berillio possiede una grande versatilità, per la sua rarità in natura e il rischio che rappresenta nella lavorazione il suo utilizzo deve essere scelto solo per applicazioni specifiche e che ne valgono il valore per il costo. Rispettando sempre le norme di prevenzione per evitare i pericoli intrinseci nella lavorazione di questo elemento metallico molto particolare.

Scoperta del neutrone

Il berillio ha giocato un ruolo importante nella scoperta del neutrone, avvenuta nel 1932. Alcuni anni prima, i ricercatori avevano osservato che il berillio produceva emissioni di particelle se si bombardava con particelle alfa. Poiché’ queste emissioni non possedevano carica (diversamente da quanto si conosceva per altre particelle subatomiche come, elettroni e protoni), i ricercatori conclusero che potevano essere raggi gamma – cioe’ fotoni ad alta energia. Tuttavia, l’energia di emissione non coincideva con quella che ci si doveva attendere se davvero fossero stati raggi gamma. Nel 1932, lo scienziato Britannico James Chadwick ripete’ l’esperimento e concluse che le emissioni dovevano essere dovute a particelle subatomiche completamente nuove e che non possedevano carica – il neutrone. Nel frattempo fu anche in grado di calcolare la massa delle nuove particelle, tipicamente identica a quella del protone – come è noto. Nel 1935, Chadwick fu insignito del Premio Nobel per la Fisica per questa sua scoperta.

Riconoscimenti

Gli autori vogliono ringraziare il Dr Peter Zalden, uno scienziato sperimentale del Centro European XFEL, per l’assistenza nella stesura di questo articolo.

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Web References

  • w1 – Il Laboratorio ESRF è situato a Grenoble, Francia, è il centro con la sorgente di raggi X più intensa d’Europa e centro di eccellenza per la ricerca fondamentale per scienza della materia condensata e vivente. Il Progetto che ha il nome di Sorgente Estremamente Brillante (The Extremely Brilliant Source Project), si pensa che sarà completato nel 2022, è rappresenterà una sorgente di luce coerente 100 volte più efficace in brillantezza e coerenza da utilizzare per una migliore conoscenza dei materiali.
  • w2 – Il Centro European XFEL – è una struttura situata nell’area di Amburgo, Germania. I suo impulsi di raggi X estremamente potenti sono usati dai ricercatori provenienti da tutto il mondo per studiare la struttura e il comportamento dei materiali a livello atomico e in una scala temporale ultra veloce.

Resources

  • Per ulteriori informazioni sul berillio e le sue applicazioni, consultate il sito web dell’ Beryllium Science and Technology Association (BeST, Associazione per la Scienza e Tecnologia del Berillio).
  • Potete leggere un breve libro sul berillio e le sue applicazioni anche in:
    • Adair R (2007) Beryllium. Rosen Central, New York. ISBN: 1404210032
  • Potete vedere un video sul berillio e le sue applicazioni, che include anche una spiegazione di una “finestra” di berillio al laboratorio MAX-lab che ospita il sincrotrone in una località della Svezia, che fa parte della serie di video sulla Tavola Periodica (‘Periodic Table of Videos’) dell’University of Nottingham.
  • Per saperne di più sul Telescopio Spaziale James Webb, potete consultare una collaborazione tra NASA e European Space Agency (ESA, Agenzia Spaziale Europea) e la Canadian Space Agency (Agenzia Spaziale Canadese). Per saperne di più sullo specchio primario ricavato dal berillio potete consultare il sito web della NASA.
  • Guardate il video della Royal Institute del Regno Unito sul berillio e il JWST.
  • Potete leggere della scoperta del neutrone nel sito web dell’American Physical Society (Associazione Americana di Fisica).
  • Per informazioni sugli elementi chimici potete leggere questo 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 è uno scrittore scientifico che risiede ad Amburgo, Germania. Ha ottenuto il Master all’University of Georgia, USA, e in giornalismo scientifico all’University of Boston, USA. Precedentemente è stato un ricercatore in scienze ambientali e insegnante di fisica negli USA. Dal 2013, Joseph ha lavorato come informatore scientifico del European XFEL in Schenefeld, Germania.

Montserrat Capellas Espuny è una informatrice scientifica anziano che lavora all’ESRF. Scrive articoli di scienze e le sue applicazioni, ed è interessata al progetto Humans of ESRF, un sito web che illustra i profili delle persone che lavorano all’ESFR costituito in occasione del 30 esimo anniversario della struttura.


Review

Nella tavola periodica, vi sono alcuni elementi poco conosciuti che però sono stati utilizzati in molte applicazioni. Quest’articolo approfondisce la conoscenza degli studenti su un elemento di questo tipo, il berillio un metallo.

Dopo aver letto questo articolo, gli studenti possono far ricorso alla loro memoria sui metalli a loro noti e alle loro applicazioni e come sono cambiate attraverso i secoli di storia. L’articolo può essere utilizzato come un punto di partenza per iniziare un’indagine e una discussione sugli utilizzi di questi elementi rari dalla nostra società. Potrebbe essere anche utilizzato per mettere in guardia gli studenti sui costi elevati per ottenere estrarre e l’importanza del riciclo.

Eventuali domande per verificarne la comprensione potrebbero riguardare:

  • Qual’è il numero atomico del berillio e qual’è la sua posizione sulla tavola periodica?
  • Perché il berillio è così differente da tutti gli altri elementi del suo gruppo?
  • Siete in grado di elencare cinque proprietà del berillio?
  • Puoi descrivere in dettaglio tre delle applicazioni del berillio?
  • Perché il berillio sinusansolo quando è strettamente necessario?
  • Potete spiegare qual’è il ruolo del berillio nella scoperta del neutrone?

Mireia Güell Serra, una insegnante di chimica, presso la scuola INS Cassà de la Selva, Spagna




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CC-BY