Le béryllium est l'élément chimique de numéro atomique 4, de symbole Be. Dans le tableau périodique, c'est le premier représentant des métaux alcalino-terreux. Son nom vient du grec qui désignait l'aigue-marine ou l'émeraude.
Dans les conditions normales de température et de pression, le corps simple est un métal d'aspect gris acier, léger et fragile. Le béryllium métallique, ses alliages et ses composés chimiques sont toxiques et peuvent provoquer une inflammation des poumons appelée bérylliose.
Histoire Le nom béryllium vient du mot grec (berullos), béryl, qui vient lui-même de bêrullos, cristal. À une époque il était nommé glucinium (symbole : Gl), du grec (glukús), doux, un qualificatif dû au goût sucré de ses sels.
Cet élément aurait été découvert par Louis-Nicolas Vauquelin en 1798, sous forme d'oxyde (BeO) dans le béryl et dans les émeraudes. Friedrich Wöhler et Antoine Bussy l'isolèrent indépendamment en 1828 en faisant réagir du potassium sur du chlorure de béryllium.
On crut pendant longtemps que sa masse atomique était 13,5 (parce qu'on le pensait trivalent). Dmitri Mendeleïev prédit en 1869 une masse atomique de 9, ce qui fut confirmé 15 ans plus tard.
La production de béryllium à échelle industrielle ne commence véritablement qu'après la Première Guerre mondiale. Durant les années 1920, elle est initialement soutenue par Siemens & Halske en Europe et par Union Carbide et Carbon Corporation aux États-Unis.. Dans les années 1930, les seuls producteurs au monde sont les États-Unis et l'Allemagne. Alors qu'en Amérique du Nord, le marché est séparé entre The Beryllium Corporation (utilisation des brevets de Hugh S. Cooper) et The Brush Beryllium Company (patentes de Michael G. Corson), l'Europe reste sous la domination de l'entreprise allemande H. Vaccumschmelze AG, cette dernière produisant sous licences de Siemens..
Caractéristiques notables vignette| gauche| redresse| Bloc de béryllium.
Le béryllium a le point de fusion le plus élevé de tous les métaux légers : .
Il est moins dense que l'aluminium ( contre 2,7) et moins déformable (son module de Young est de contre 67,5) mais plus fragile (sa limite élastique est de contre 180). 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.
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.
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.
Abondances et gîtologie La photosphère solaire contient 0,1 partie par milliard () de béryllium.. Dans la croûte terrestre, le béryllium est présent à une concentration de 2 à 6 parties par million (), c'est le le plus abondant.. C'est dans les sols qu'il est le plus concentré (). On trouve des traces de béryllium 9 dans l'atmosphère terrestre. La concentration de béryllium dans l'eau de mer est de 0,2 à 0,6 partie par billion ().. Dans les cours d'eau, le béryllium est plus abondant ()..
Sur Terre, le béryllium est présent dans plus de 100 minéraux., la plupart peu communs voire rares, et principalement sous forme d'oxydes ou d'aluminosilicates complexes appelés béryls. Parmi les minéraux contenant du béryllium les plus courants, on trouve la bertrandite (), le béryl (), le chrysobéryl (Al₂BeO₄) et la phénacite (). L'aigue-marine, le béryl rouge et l'émeraude sont des variétés précieuses de béryl... La couleur verte des béryls de qualité gemme provient de leur teneur variable en chrome (environ 2 % pour l'émeraude)..
Les réserves mondiales de minerai de béryllium dépassent . On exploite le béryllium à partir d'une trentaine de minerais dont les deux principaux, le béryl et la bertrandite, se trouvent essentiellement en Argentine, au Brésil, en Inde, à Madagascar, en Russie et aux États-Unis. Les principales mines mondiales sont aux États-Unis, en Chine et au Mozambique, aucune n'est ouverte en Europe.
Utilisations Le béryllium est utilisé dans de nombreux domaines, ce qui a conduit à le mentionner dans la liste des premières minérales critiques. Du fait de sa toxicité, il est, là où cela est possible, remplacé par des matériaux de substitution.
Alliages Le béryllium est principalement employé comme agent durcissant dans certains alliages, notamment le Moldmax, un alliage de cuivre-béryllium utilisé pour la fabrication de moules pour matières plastiques. Ces alliages sont à la fois légers, rigides, résistants à la chaleur et possèdent un faible coefficient de dilatation.
Le béryllium est également 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 (les miroirs du télescope spatial James Webb sont en béryllium) et aéronautiques. Il a été utilisé en Formule 1 pour son rapport exceptionnel 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 a été utilisé également pour la fabrication de sièges de soupapes et de guides de soupapes en particulier pour un usage en compétition automobile puis 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.
La marque Porsche expérimenta le béryllium pour la fabrication de disques de freins afin de réduire la masse de ceux-ci (le gain de masse pour les 4 disques en béryllium en lieu et place des disques en acier étaient de l'ordre de dix à quinze kilogrammes selon l'auto), une première fois à Hockenheim en 1966 dans les 906 mais la faible fiabilité et le coût de ceux-ci firent revenir les ingénieurs à des disques conventionnels en acier pour le reste de la saison. Les disques en béryllium furent par la suite expérimentés en course de côte, toujours par Porsche, sur la 909 "Bergspyder" avec plus de succès, le faible poids de l'auto (moins de 400 kg à sec), la légèreté aidant naturellement à réduire les besoins en dissipation de l'énergie cinétique et la faible durée d'exploitation de l'auto (quelques kilomètres maximum), les disques en béryllium toléraient suffisamment les besoins pour cette utilisation spécifique. Ils furent à nouveau testés en vue de courses de sport-prototypes sur la 908/3 jusqu'en 1969 mais de nouveau avec des résultats peu concluants. Le coût très élevé ne permettant pas la mise en application sur les autos "clientes" alors nécessaire pour les programmes de développement de la marque et la forte toxicité de ces éléments pour les pilotes et les mécaniciens poussèrent le constructeur à cesser le développement d'éléments de friction en béryllium.
Domaine nucléaire Mélangé à un émetteur alpha, comme l'américium, ou gamma de forte énergie, il est utilisé comme source de neutrons de longue durée de vie nécessaire au fonctionnement des réacteurs.
Réactions mises en œuvre : {| | || + || ⟶ || || + || ;
| || + || ⟶ 2 || || + 2 || || – ;
| || + || ⟶ || || + 2 || || – environ .
Le béryllium fut également utilisé comme modérateur sous forme d'oxyde (la glucine) dans quelques réacteurs nucléaires et devait être utilisé comme source complémentaire de neutrons dans le réacteur expérimental à fusion ITER mais, à cause de sa toxicité et d'autres facteurs, il a été finalement remplacé par le Tungstene.
Filtre à neutrons, pour obtenir des faisceaux de neutrons « propres » débarrassés d'autres particules.
Autres applications 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 conductivité 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 Yamaha (NS-1000), 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 . 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 Be, 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 Raisbeck, G. M., F. Yiou, D. Bourles, C. Lorius, J. Jouzel and N. I. Barkov, Evidence for two intervals of enhanced 10Be deposition in Antarctic ice during the last glacial period, Nature, 326, 273−277, 1987., dans le forage Byrd Beer, J., S. J. Johnsen, G. Bonani, R. C. Finkel, C. C. Langway, H. Oeschger, B. Stauffer, M. Suter and W. Wölfi, 10Be peaks as time markers in polar ice cores. dans The last deglaciation: Absolute and radiocarbon chronologies, E. Bard and W. S. Broecker, éditeurs. Springer−Verlag, New York, 1992., dans le forage GRIP et dans le dôme C (projet EPICA)EPICA annual report. Rapport technique, 2002., vers . On pense qu'ils sont dus à l'événement de Laschamp, une courte période d'affaiblissement du champ magnétique terrestre Wagner, G., J. Beer, C. Laj, C. Kissel, J. Masarik, R. Muscheler and H. A. Synal, Chlorine−36 evidence for the Mono Lake event in the Summit GRIP ice core, Earth Planet. Sci. Lett., 181, 1−6, 2000. qui aurait permis une irradiation de la Terre entraînant la production d'isotopes cosmogéniques. Ce double pic est utilisé pour tenter de caler les datations des forages glaciaires.
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 connus, dont le nombre de masse varie entre 5 et 16. Seul Be est stable et représente la quasi-intégralité du béryllium naturel. Deux des radioisotopes du béryllium ont été détectés dans la nature : Be d'une demi-vie de d'années, et Be d'une demi-vie de ; tous deux sont des nucléides cosmogéniques créés 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
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