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Cours du 08/12/2017 : Thème 1 : les atomes principaux : 4. Béryllium

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Cours du 08/12/2017 : Thème 1 : les atomes principaux : 4. Béryllium

Message par Legolas.Vertefeuille le Sam 9 Déc - 16:43

Thème 1 : Les atomes principaux
Chapitre 4 : Le Béryllium

Informations utiles

Nom : Béryllium
Symbole : Be
Numéro atomique : 4
Famille d'éléments : Métal alcalino-terreux
Masse volumique (à 20°C) : 1,848 g/cm³
Couleur : Blanc-gris métallique
Masse atomique : 9,0121831 u
Configuration électronique : [He] 2s²
Electrons par niveau d'énergie : 2, 2
Etat d'oxydation : 2
Oxyde : amphotère
Système cristallin : hexagonal compact
Etat ordinaire : Solide diamagnétique
Point de fusion : 1 287 °C
Point d'ébullition : 2 471 °C
Volume molaire : 4,85 ×10-6 m³/mol
Vitesse du son (à 20°C) : 13 000 m/s
Electronégativité :  1,57
Chaleur massique : 1 825 J/kg.K
Solubilité : sol. dans HCl, H2SO4 dilué
Dangers : Toxique, sensibilisant, mutagène, cancérogène, reprotoxique et inflammable en poudre.

Généralités

Le béryllium est un élément chimique de symbole Be et de numéro atomique 4. Dans le tableau périodique, il est le premier représentant des métaux alcalino-terreux. Le nom béryllium vient du grec beryllos qui désignait l'aigue-marine ou l'émeraude.

Élément bivalent, le béryllium est un métal alcalino-terreux d'aspect gris acier. Il est léger, fragile et toxique.

Le béryllium a le point de fusion le plus élevé de tous les métaux légers. Il est fragile, mais plus léger et six fois plus résistant que l’aluminium.

Sa ductilité est approximativement d'un tiers plus grande que celle de l'acier. Il possède une excellente conductivité thermique, est non magnétique et résiste à l'acide nitrique concentré.

Il est fortement perméable aux rayons X, et libère des neutrons quand il est frappé par des particules alpha, comme celles émises par le radium ou le polonium.

Aux conditions normales de température et de pression, le béryllium résiste à l'oxydation quand il est exposé à l'air. Il se forme une fine couche d'oxyde qui lui donne sa capacité à rayer le verre.

Dans la nature, on le trouve principalement sous forme d'oxydes ou d'aluminosilicates complexes appelés béryls, dont les représentants précieux les plus connus sont l'émeraude et l'aigue-marine. On l'exploite à partir d'une trentaine de minerais (bertrandite et béryl surtout). Les principales mines mondiales sont aux États-Unis, en Chine et au Mozambique. Aucune n'est ouverte en Europe.

Utilisations

Alliages

Il est principalement employé comme agent durcissant dans certains alliages, notamment le moldamax, un alliage de cuivre-béryllium utilisé pour la fabrication de moules pour matières plastiques.

Ses alliages sont à la fois légers, rigides, résistants à la chaleur et possèdent un faible coefficient de dilatation.

Il est incorporé dans certains alliages spéciaux, par exemple des matériaux utilisables pour le frottement.

On les retrouve dans les clubs de golf, les balanciers de montre (anti-magnétique), les gyroscopes, des applications spatiales (le réflecteur primaire du télescope James Webb, successeur de Hubble en 2018, est en béryllium) et aéronautiques. Il a été utilisé en Formule 1 pour ses performances exceptionnelles en termes de rapport entre son module d'élasticité et sa densité, puis pour la réalisation d'étriers de frein et de pistons sous la forme d'alliages Aluminium-Béryllium. Il fut par la suite interdit dans les moteurs de compétition en raison de sa haute toxicité. Il avait été utilisé avant cela dans l'aéronautique pour les ressorts de soupapes des moteurs à pistons (bronze au béryllium).

Il permet également de fabriquer des outils non déflagrants pour l'industrie des explosifs.

Nucléaire

Mélangé à un émetteur alpha, comme l'américium, ou gamma de forte énergie s'il est utilisé comme source de neutrons de longue durée de vie nécessaire au fonctionnement des réacteurs.

Réactions mises en œuvre :







Le béryllium est également utilisé comme modérateur sous forme d'oxyde (la glucine) dans quelques réacteurs nucléaires et comme source complémentaire de neutrons dans le réacteur expérimental à fusion ITER.

Filtre à neutrons, pour obtenir des faisceaux de neutrons « propres » débarrassés d'autres particules.

Autres

L'oxyde de béryllium est utilisé en électronique, particulièrement en haute fréquence et dans le domaine de la haute tension. Ce corps possède en effet la propriété d'être un bon isolant électrique (faibles pertes diélectriques), tout en ayant une bonne conductibilité thermique. Cependant son utilisation comme isolant dans les semi-conducteurs, (entre les pastilles de silicium et les boîtiers), a largement cédé la place à d'autres matériaux beaucoup moins toxiques comme l'alumine.

Ses emplois comme isolant et matériau de contact extérieur dans l'électronique, ainsi que son incorporation dans les graisses silicones ont été aussi abandonnés, du fait des risques très importants pour la santé.

Dans les applications « grand public », des fabricants d'enceintes, par exemple Focal JMlab, TAD (matériel professionnel et haut de gamme Pioneer), et de membranes comme Electrofusion Products, l'utilisent pour former des membranes de haut-parleurs d'aigus de très haute qualité, capable de reproduire des fréquences jusqu'à 60 000 hertz. En effet, la rigidité et la légèreté du matériau sont des atouts pour cet usage (fréquence propre de la membrane très élevée).

En géomorphologie et en paléosismologie, l'isotope 10Be, créé par les rayons cosmiques, est utilisé pour la datation par isotopes cosmogéniques de surfaces ou pour la détermination de taux d'érosion.

Les glaciologues ont trouvé deux pics de concentration en béryllium dans les carottes glaciaires polaires (au nord, comme au sud), dans le forage Vostok, dans le forage Byrd ; dans le forage GRIP, et dans le nouveau « Dôme C », EPICA, vers -40000 ans.
On suppose qu'ils sont dus à l’anomalie du champ magnétique terrestre de Laschamp qui correspondent à une faiblesse exceptionnelle du champ magnétique terrestre qui, à ces deux époques, aurait permis une irradiation de la Terre ayant favorisé la production d'isotopes cosmogéniques. Ce double pic est utilisé pour tenter de caler les datations de forages faits dans des hémisphères différents.

Le béryllium a été employé en dentisterie où il entre dans la composition d'alliages destinés à la réalisation de prothèses dentaires (couronnes, armatures de bridge). Sa capacité à faciliter l'adhésion de la céramique l'a fait incorporer à un grand nombre d'alliages, précieux ou non précieux, destinés à la réalisation de chapes pour couronnes ou bridges céramo-métal. Depuis 2002, la norme ISO limite le béryllium à 0,02 % de la masse totale. Cependant, nombreux sont ceux qui ont encore en bouche des alliages dont la teneur en béryllium dépasse cette norme.

Autre utilisations de ses propriétés cristallines : Fenêtre à rayons X, par exemple fenêtre d'un tube à rayons X ou d'un détecteur de rayons X : la fenêtre isole l'intérieur de l'appareil de l'environnement.

Isotopes

Le béryllium possède 12 isotopes connus, avec un nombre de masse variant entre 5 et 16. Seul le 9Be est stable et représente la quasi-intégralité du béryllium naturel. Deux des radioisotopes du béryllium ont été détectés dans la nature : le 10Be d'une demi-vie de 1,39 million d'années, le 7Be d'une demi-vie de 53,22 jours. Les deux sont des nucléides cosmogéniques crées par interaction entre les rayons cosmiques avec les noyaux des atomes de l'air. Les autres radioisotopes ont des demi-vies très courtes et ne sont détectables que dans les instruments qui ont servi à les créer artificiellement.

Toxicité

Écotoxicologie

Le béryllium est un métal très toxique, non radioactif. Il est classé parmi les éléments les plus toxiques comme l'arsenic (As), le cadmium (Cd), le chrome (Cr), le plomb (Pb), le thallium (Tl) et le mercure (Hg). Le béryllium agit comme un poison cancérigène, affectant les membranes cellulaires et se liant à certaines protéines régulatrices dans les cellules. Le béryllium peut rester détectable dans l’urine jusqu'à 10 ans après l’exposition. Il est classé cancérogène de catégorie 1 par l'Union européenne et est donc en France soumis au décret CMR 2001-97 du 1er février 2001 (qui vaut pour toute exposition au béryllium).

Le béryllium est écotoxique (et notamment cancérigène). C'est le plus petit des cations métalliques. Et s'il semble relativement peu mobile dans les eaux à pH neutre ou alcalin, il l'est par contre dans les sols ou milieux naturellement acides (fréquent dans une grande partie du monde) ou rendus acides par l'Homme.

La faible abondance naturelle du béryllium (3 ×10-4 %) fait qu'il ne pose pas de problème environnemental particulier, mais il peut être concentré dans les charbons et dans les roches granitiques, dans les pegmatites, bertrandites.... il circule alors avec une biodisponibilité et une propension encore mal évaluée à se concentrer dans certains organes ou chez certaines espèces. Les usages thermiques du charbon en ont injecté une quantité significative dans l'atmosphère, dont les retombées ont enrichi les milieux autour des sites industriels et urbains utilisant le charbon (souvent associé à des pluies acides, notamment pour les charbons à forte teneur en soufre).

C'est son utilisation industrielle, dans les mines de charbon, dans l’industrie aéronautique et dans l’industrie des armes nucléaires, qui a contribué à répandre cet élément dans l’atmosphère, d'où il se dépose dans l’environnement en contaminant l'eau, le sol, l'air et le corps humain.
Il y a des polémiques sur son emploi en dentisterie dans les prothèses dentaires.

La détection du béryllium dans le corps humain à des doses très élevées est toujours associée à des effets nocifs (de gravité variable). Le béryllium est:

- inhibiteur de la phosphatase alcaline;
- inhibiteur de l’adénosine triphosphate hépatique;
- inhibiteur de la synthèse de l’ADN;

...ce qui se traduit par des effets sur la santé, qu'on classe en plusieurs catégories.

Effets non cancérigènes

L’inhalation de « grandes » concentrations de béryllium (plus de 1 mg par mètre cube d’air), ou une inhalation prolongée (plus d'une dizaine d'années) même de faibles doses, peut engendrer une maladie nommée maladie chronique du béryllium ou bérylliose (ou CBD pour Chronic Beryllium Disease). Cette maladie affecte les poumons, présente de nombreux points communs avec la pneumonie et peut évoluer vers une insuffisance cardiorespiratoire grave.

Modèle animal : Alors que l'ingestion du béryllium par le corps humain n'a pas montré d'effets directs et nocifs sur l'estomac et l'intestin, l’ingestion du béryllium par des animaux engendre la présence de lésions au niveau de ces organes.

Sensibilisation : Certaines personnes deviennent hypersensibles au béryllium (elles développent une réaction allergique à cet élément). Chez quelques personnes, l’exposition directe du béryllium (contact cutané) a causé des lésions de la peau avec ou sans granulomatose et des inflammations des voies respiratoires.

Effets cancérigènes

Plusieurs études ont été faites sur l’augmentation du nombre de décès dus à un cancer du poumon chez les personnes employées dans des usines utilisant le béryllium.

Sources de contamination du corps humain

La contamination du corps humain par le béryllium se fait principalement par 4 voies :

- par inhalation d’air contenant des particules de béryllium (poussières, fumées, vapeurs, nanoparticules issues de l'abrasion) ;
- par ingestion d'aliments et d'eau potable contaminés;
- à la suite de la corrosion des alliages bérylliés présents en bouche.
- par contamination cutanée et transcutanée, très sensibilisante « L’apport de l’absorption cutanée est de plus en plus suspectée dans le développement de la sensibilisation »

Contamination par les eaux potables

On peut le trouver dans les eaux naturelles et les effluents industriels à l'état de traces. En général, la concentration du béryllium dans les eaux naturelles et les eaux usées varie entre 0,1 et 500 μg/L, mais quand cette concentration dépasse 0,2 μg/L, on commence à parler d’un problème environnemental.

Contamination par l'air

Le béryllium peut être très nocif quand il est inhalé. En fait, il y a une grande corrélation entre le taux de béryllium dans l’urine humaine et celui dans l’air, ce qui prouve que la contamination dans le corps humain n’est pas due seulement à des pollutions des eaux mais aussi de l’atmosphère.

Contamination par les prothèses dentaires

Au contact de la salive tout alliage contenant du béryllium se corrode et libère des ions qui diffusent dans les tissus environnants et sont en partie ingérés. La corrosion est d'autant plus forte avec ces alliages que le béryllium, métal très réactif, réagit en présence de tout autre métal. L'intoxication chronique qui résulte de la diffusion permanente d'ions béryllium dans le corps est un facteur de dérèglement du système immunitaire, en particulier chez les personnes allergiques (ou sensibilisées au béryllium à la suite d'un contact prolongé). Quant aux courants galvaniques générés par la corrosion, ils sont tout aussi nocifs et dénoncés par la dentisterie holistique.
Les dentistes (au fraisage) et les prothésistes dentaires y sont également exposés par leur travail (En 1990, 50 % des prothésistes dentaires utilisaient un alliage au béryllium).

Autres

Les maladies respiratoires et pulmonaires induites par l'exposition au béryllium (Be) et à des particules en contenant sont connues et ont été très étudiées ; Elles ont permis de montrer qu'une exposition au Be excédant 100 μg/m3 pouvait causer des pneumopathies graves, alors qu’une exposition chronique cause des désordres pulmonaires dits maladies chroniques causées par le Be (MCB) ou bérylliose.

Selon l'Institut national de recherche et de sécurité, en France environ 12 000 salariés sont exposés au Béryllium dont 6 000 en mécanique générale et 3 000 prothésistes dentaires et de nombreux autres (fabrication de composants électroniques et d'instrumentation scientifique, optique électronique, bijouterie, usinage par enlèvement de matière ou abrasion, recyclage des déchets, utilisation de poudres à base de sels de béryllium destinées à enduire l'intérieur des tubes à fluorescence, fabrication d'aluminium avec un risque plus élevé pour les fondeurs et conducteurs de cuves d'électrolyse…

Ce produit n'a pas d'odeur et est indétectable par les moyens habituels. De plus, bien des produits en contenant n’ont pas de fiche de données de sécurité, ce qui explique qu'il est trop souvent oublié dans l’évaluation environnementales et des risques professionnels, et que la valeur limite pourrait être assez souvent dépassée. (les entreprises concernées ne sont pas toujours conscientes du danger auxquelles elles exposent certains de leurs travailleurs ré-alertait l'INRS en 2009.

Cette maladie (tableau no 33 des maladies professionnelles), est par ailleurs selon l'INRS encore « souvent non-diagnostiquée et probablement sous-déclarée » et elle est d'autant plus facilement confondue avec la sarcoïdose que les patients ignorent généralement qu'ils ont été en contact avec du béryllium.

Valeur Limite d'Exposition Professionnelle (VLEP VLEP 8H) : elle était de 2 µg/m3 en France et dans plusieurs pays mais elle devra sans doute prochainement être revue à la baisse car « des études épidémiologiques ont incité des organismes américains à proposer en 2006 une valeur beaucoup plus basse »

La valeur d'exposition moyenne pondérée (VEMP) est de 0,15 µg/m³ selon l’annexe 1 du Règlement sur la santé et la sécurité du travail (RSST) (2007). La VEMP précédente de 2 µg/m³, toujours en vigueur dans différents pays, ne permet pas d’éviter la sensibilisation au béryllium.




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