Οξείδιο του βηρυλλίου

Το οξείδιο του βηρυλλίου (αγγλικά beryllium oxide) είναι ανόργανη ένωση, που περιέχει βηρύλλιο και οξυγόνο, με εμπειρικό τύπο BeO. Το χημικά καθαρό οξείδιο του βηρυλλίου, στις συνηθισμένες συνθήκες, δηλαδή σε θερμοκρασία 25 °C και υπό πίεση 1 atm, είναι άχρωμο ή λευκό στερεό με αξιοσημείωτη ηλεκτρική αντίσταση (δηλαδή είναι ηλεκτρικός μονωτής) αλλά ταυτόχρονα και θερμική αγωγιμότητα υψηλότερη από κάθε άλλο μη μεταλλικό υλικό, με μόνη εξαίρεση το διαμάντι. Μάλιστα, η θερμική του αγωγιμότητα ξεπερνά και ορισμένα μέταλλα. Η υψηλή θερμοκρασία τήξης του οδηγεί στη χρήση του ως πυρίμαχο υλικό. Βρίσκεται στη φύση με τη μορφή του ορυκτού βρωμελλίτη. Ιστορικά, το οξείδιο του βηρυλλίου ονομαζόταν γλουσίνα ή οξείδιο του γλουσίνιου. Ο σχηματισμός οξειδίου του βηρυλλίου με ολική σύνθεση (δηλαδή από τα συστατικά του στοιχεία) απελευθερώνει τη μεγαλύτερη κατά μάζα ενέργεια από κάθε χημική αντίδραση, κοντά στα 24 MJ/kg.

Παραγωγή

Το οξείδιο του βηρυλλίου μπορεί να παραχθεί με τις ακόλουθες χημικές αντιδράσεις:

$\mathrm{B}\mathrm{e}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\stackrel{\mathrm{△}}{\to }\mathrm{B}\mathrm{e}\mathrm{O}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\uparrow }$
$\mathrm{B}\mathrm{e}\mathrm{(}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}\stackrel{\mathrm{△}}{\to }\mathrm{B}\mathrm{e}\mathrm{O}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\uparrow }$
$\mathrm{2}\mathrm{B}\mathrm{e}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\stackrel{}{\to }\mathrm{2}\mathrm{B}\mathrm{e}\mathrm{O}$

Αναφλέγοντας μεταλλικό βηρύλλιο στον ατμοσφαιρικό αέρα, παράγεται ένα μίγμα από οξείδιο του βηρυλλίου και αζωτούχου βηρυλλίου (Be₃N₂).

Χημική συμπεριφορά

Αντίθετα από τα οξείδια των άλλων αλκαλικών γαιών, που έχουν βασική συμπεριφορά, το οξείδιο του βηρυλλίου έχει περισσότερο αμφοτερική συμπεριφορά, παρά καθαρά βασική. Το οξείδιο του βηρυλλίου σχηματίζεται σε υψηλές θερμοκρασίες (>800 °C) και είναι γενικά χημικά αδρανές. Το οξείδιο του βηρυλλίου είναι πρακτικά αδιάλυτο στο νερό, αλλά διαλύεται εύκολα σε θερμό υδατικό διάλυμμα διφθοριούχου αμμωνίου [(NH₄)(ΗF₂)], καθώς επίσης και σε μίγμα από θερμό πυκνό θειικό οξύ (Η₂SO₄) και θειικό αμμώνιο [(NH₄)₂SO₄]. Το βαμμένο οξείδιο του βηρυλλίου διαλύεται μόνο σε πυκνό θειικό οξύ και άφνιο, ενώ το τηγμένο μόνο σε άφνιο. Με βάσεις σχηματίζει υδατοδιαλυτά βηρυλλικά άλατα. Το οξείδιο του βηρυλλίου δεν αντιδρά με υδρογόνο και είναι σταθερό στην επίδραση των περισσότερων μετάλλων. Σε θερμοκρασίες γύρω στους 2.000 °C, το οξείδιο του βηρυλλίου, παρουσία χαλκού, ανάγεται από άνθρακα με αποτέλεσμα το σχηματισμό κράματος χαλκού - βηρυλλίου (2 - 4% βηρύλλιο), που χρησιμοποιείται στην παρασκευή βηρυλλικού μπρούντζου.

Δομή

Το οξείδιο του βηρυλλίου κρυσταλλώνεται σε δομή εξαγωνικού βουρτσίτη, που αποτελείται από τετραεδρικά κέντρα Be²⁺ και Ο^2-, σαν το λονσδλεΐτη και το w- BN (αζωτούχο βόριο), που και τα δυο είναι ισοηλεκτρονιακές ενώσεις. Σε αντίθεση με το οξείδιο του βηρυλλίου, τα οξείδια των υπόλοιπων στοιχείων της ομάδας των αλκαλικών γαιών, δηλαδή το οξείδιο του μαγνησίου (MgO), το οξείδιο του ασβεστίου (CaO), το οξείδιο του στροντίου (SrO) και το οξείδιο του βαρίου (BaO), κρυσταλλώνται στο κυβικό αλατοειδές μοτίβο, με οκταεδρική γεωμετρία όσων αφορούν τα δικατιόντα και τα διανιόντα. Σε υψηλές θερμοκρασίες η δομή του οξειδίου του βηρυλλίου μεταμορφώνεται σε μια τετραγωνική μορφή.

Στην κατάσταση ατμών, το οξείδιο του βηρυλλίου βρίσκεται στη μορφή διακριτών διατομικών μορίων. Στη γλώσσα της θεωρίας σθένους - δεσμού, αυτού του είδους τα μόρια μπορούν να περιγραφούν υιοθετώντας τον sp τροχιακό υβριδισμό, περιλαμβάνοντας δύο (2) σ και δύο (2) π δεσμούς.Η αντίστοιχη βασική κατάσταση του μορίου BeO είναι: ...(2sσ)²(2sσ*)²(2pπ)⁴, όπου και τα δυο εκφυλισμένα π τροχιακά μπορούν να θεωρηθούν ως ημιπολικοί δεσμοί από το οξυγόνο προς το βηρύλλιο.

Εφαρμογές

Υψηλής ποιότητας κρύσταλλοι οξειδίου του βηρυλλίου μπορούν να αναπτυχθούν υδροθερμαλικά (hydrothermally), ή διαφορετικά με τη μέθοδο Βερνουΐλ (Verneuil method). Κατά το μεγαλύτερο ποσοστό του, το οξείδιο του βηρυλλίου παράγεται ως λευκή άμορφη σκόνη, που συντηγμένη σε μεγαλύτερα σχήματα. Προσμείξεις, όπως άνθρακας, παγιδεύονται μέσα στους κρυστάλλους, δίνοντας μια ποικιλία χρωματισμών, στους κατά τα άλλα άχρωμους κρυστάλλους που τις φιλοξενούν. Το συντηγμένο οξείδιο του βηρυλλίου είναι ένα πολύ σταθεό κεραμικό. Το οξείδιο του βηρυλλίου χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή κινητήρων πυραύλων.

Το οξείδιο του βηρυλλίου χρησιμοποιήθηκε σε πολλούς υψηλής επίδοσης ημιαγωγικά τμήματα συσκευών όπως εξοπλισμός ράδιο, επειδή είναι καλός ηλεκτρικός μονωτής έχοντας ταυτόχρονα καλή θερμική αγωγιμότητα. Χρησιμοποιήθηκε, ακόμη, ως γέμισμα σε κάποια θερμικά διεπιφανειακά ηλικά, όπως θερμικά γράσα. Σε κάποιες συσκευές ημιαγωγών ισχύως χρησιμοποιήθηκαν κεραμικά οξειδίου του βηρυλλίου ανάμεσα σε τσιπ πυριτίου (silicon chip) και τη μεταλλική βάση πάνω στην οποία εφαρμόζονται, με σκοπό το σύνολο να επιτύχει μικρότερη τιμή θερμικής αντίστασης, σε σύγκριση με παρόμοιες κατασκευές από οξείδιο του αργιλίου (Al₂O₃). Το οξείδιο του βηρυλλίου χρησιμοποιήθηκε, επίσης, ως δομικό κεραμικό υλικό για υψηλής απόδοσης συσκευές μικροκυμάτων, όπως σωλήνες κενού, μαγνητρόνια και λέιζερ αερίων. Το οξείδιο του βηρυλλίου, επίσης, έχει προωθηθεί ως επιβραδυντής για προτεινόμενους ναυτικούς υψηλής θερμοκρασίας αεροψυχόμενους αντίδραστήρες (naval Marine high temperature gas cooled reactors, MGCR).

Ασφάλεια

Το οξείδιο του βηρυλλίου είναι καρκινογόνο και μπορεί να προκαλέσει χρόνια βηρυλλίωση. Εφόσον συντηχθεί σε στερεά μορφή είναι ασφαλές εφόσον δεν εκτεθεί σε οποιοδήποτε μηχανισμό δημιουργεί σκόνη. Σύμφωνα με την ομοσπονδιακή νομοθεσία των ΗΠΑ, τα κεραμικά οξειδίου του βηρυλίου δεν θεωρούνται βλαβερά απόβλητα.