Aplicações e ocorrências

Informações sobre ocorrência, usos no cotidiano e aplicações dos elementos químicos.

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Chama verde amarelada da reação química
Hoje o canal Thoisoi2 fala sobre o elemento enxofre, e em como não teve uma data específica de descoberta, sendo conhecido desde a antiguidade – por ocorrer de forma natural, principalmente no entorno de alguns vulcões.

A mudança de cor com a temperatura foi demonstrada no vídeo com o resfriamento do enxofre em nitrogênio líquido com posterior fusão do material sob aquecimento; e sua plasticidade após passar pelo aquecimento. Além disso Thoisoi2 demonstra a solubilidade o enxofre em solventes não polares, a reatividade com zinco em pó, a intensidade explosiva da reação do enxofre com o elemento césio, a famosa reação do ‘cão que late’, e o intenso fedor de alguns compostos que contém enxofre.

Vídeo com legenda em português. Ative a exibição pelo YouTube.

Apesar do título do vídeo apontar que o enxofre seria a substância mais fedida do mundo, isso não é bem uma verdade. Alguns outros elementos, como o telúrio e o selênio podem estar em compostos que são considerados ainda mais fedidos.

Texto e legenda escritos por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle.

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liga metálica de cor dourado avermelhada
Por ser um metal bastante leve o berílio poderia ter uma grande variedade de aplicações, mas por ser bastante tóxico e raro esse uso fica bastante restrito.

Maxim Thoisoi demonstra como o berílio reage lentamente em uma solução concentrada de hidróxido de sódio – liberando gás hidrogênio.

Com ácido clorídrico a reação é mais intensa formando cloreto de berílio e também hidrogênio.

Um comentário interessante feito por Maxim, no vídeo abaixo, é que compostos com berílio costumam ter um sabor doce. E que não é uma boa ideia experimentar por causa da elevada toxicidade. E por esse motivo o elemento chegou a ser chamado de glucinum ou glucinium – com breve aparição nas primeiras tabelas de elementos químicos (abreviado como G ou Gl).

John Alexander Reina Newlands
Tabela de John Alexander Reina Newlands, publicada em 1865

Uma fina camada de óxido formado sobre a superfície do berílio metálico praticamente impede que ele seja ‘queimado’ sob a chama de um maçarico, além de ter um alto ponto de fusão (1287°C).

O berílio encontra aplicação em ‘janelas’ de equipamentos de raios X; por sua elevada transparência neste comprimento de onda. Em reatores nucleares é utilizado refletor e moderador de nêutrons. E o óxido de berílio tem uma excelente condutividade térmica aliada a uma baixa condutividade elétrica – tornando uma boa opção para aplicações científicas muito específicas.


Vídeo com legenda em português. Clique aqui e veja como ativar a visualização.

Texto e legenda escritos por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle ( luisbrudna@gmail.com ).

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faíscas em chama de maçarico
O metal zircônio não reage facilmente com ácidos ou bases fortes. Maxim Thoisoi do canal Thoisoi2 tentou forçar a reação em meio ácido com a passagem de uma corrente em um ânodo de zircônio, e mesmo assim o metal não se dissolveu.

O ácido fluorídrico consegue dissolver o zircônio para formar, provavelmente, algum tipo de complexo com o flúor.

A reação com ácido sulfúrico só é possível com o aquecimento da amostra, e a reação é bastante lenta.

Thoisoi demonstra também a piroforicidade do metal quando atritado ou salpicado em uma chama de maçarico. Por isso tem aplicação na pirotecnia. [piroforicidade é a propriedade de um material se inflamar espontaneamente quando em contato com o ar]

Veja as reações, demonstrações e usos do elemento no vídeo abaixo.

Vídeo com legendas em português. Veja aqui como ativar as legendas.

Texto e legenda escritos por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle ( luisbrudna@gmail.com ).

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maçarico aquece amostra do elemento cério
O elemento cério faz parte do grupo classificado como terras-raras; e infelizmente esse nome dá uma falsa ideia de que é um material difícil de ser encontrado. Ao contrário, talvez neste momento você tenha um pouco de cério por perto em ‘pedras’ de isqueiro, mantas em iluminação à gás ou até mesmo em um daquelas antigas de TV com tubo.

O russo Maxim Thoisoi mostra no vídeo abaixo o faiscamento que ocorre na fricção da liga ferrocério (19% Fe, 38% Ce, 22% La, 4% Nd, …), o intenso brilho do aquecimento de uma manta usada em iluminação à gás, e a reação do cério com ácido clorídrico.


Vídeo com legendas em português. Ative a legenda usando o botão CC no vídeo (e ajustando as configurações para selecionar o idioma).

Posição do elemento na tabela periódica
elemento químico cério destacado na tabela periódica

Manta usada no tradicional lampião à gas. Neste caso aquecida em uma chama de bico de bunsen.
brilho de manta sob chama de bunsen

Texto e legendas escritos pro Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle.

Prometo não fazer nenhuma piada com o nome do elemento! Cério!

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Nesta série de vídeos sobre o hélio líquido (isótopo 4), Alfred Leitner, da Michigan State University, demonstra as propriedades e suas em temperaturas extremamente baixas.

Parte 1
Sobre o equipamento utilizado nos experimentos

Parte 2
Um pouco sobre as propriedades do hélio líquido

Transcrição dos vídeos:

Hélio Líquido II
O superfluído

Demonstrações por Alfred Leitner – Departamento de Física Universidade do Estado de Michigan

Nós apenas transferimos um pouco do nosso hélio líquido de nosso reservatório para o equipamento.
Hélio é uma substância notável ela tem duas fases líquidas diferentes e de fácil distinção, uma quente e uma mais fria. A quente é chamada de hélio líquido I e a fase mais fria chamada de hélio líquido II.

As duas fases são diferentes, devido um ponto de temperatura de transição chamado ponto lambda quando o hélio líquido é resfriado passando pelo ponto lambda, transição do hélio I para o hélio II é claramente visível. Nós vamos mostrar para você, mais tarde nesse filme.

Os dois líquidos comportam-se diferente de quaisquer outros líquidos
embora podemos dizer que o comportamento do hélio I, o de fase mais quente, se aproxima do comportamento de líquidos comuns mas é o hélio II, o de fase mais fria, que é realmente diferente, por isso ele é chamado de superfluido.

A temperatura envolvida quando trabalhando com o hélio liquido é muito baixa, Hélio entra em ebulição em 4.2K, em condições de pressão atmosférica. E o ponto lambda permanece em 2.17K Perceba que isso corresponde a -269ºC e a -271ºC.

As propriedades do hélio líquido que estou façando para você, são características de um isótopo mais pesado o hélio IV. O elemento ocorre em dois isótopos estáveis, o segundo e mais leve é o hélio III é muito raro, sua abundância é apenas de uma parte por 10 milhões. Hélio líquido puro III é objeto de estudo intenso no momento presente. Mas até agora nenhuma fase secundária do superfluido foi encontrado para o hélio III.

A baixa temperatura na qual estaremos trabalhando pede por um recipiente bem isolado. O Dewar preenche os requisitos. A palavra
Dewar é o nome científico dado a um recipiente de paredes duplas, com um espaço entre as paredes com vácuo. Quando esses Dewars são feitos de vidro a superfície do espaço interno é feito de prata
Para reduzir a transferência de calor por radiação, embora os nossos Dewars precisam ser transparentes, para que possamos ver o que ocorre dentro. O hélio líquido é normalmente guardado em
Dewars de parede dupla. O sistema é bem simples, é só colocar um
dentro do outro. Desta maneira. No Dewar interno nós colocamos o hélio líquido e no espaço entre o Dewar interno e a externo nós colocamos um suprimento de ar líquido. Aqui temos um Dewar duplo, exatamente com a qual iremos usar nos experimentos de
demonstração. O Dewar interno está cheio de hélio líquido,
o Dewar externo contem ar líquido. O ponto normal de ebulição do ar líquido é de 80K, 75ºC mais quente que o hélio líquido, O propósito do ar líquido é o de envolver.Primeiro nós colocamos ar no Dewar externo,
para depois colocar o hélio líquido no Dewar interno, desse jeito
o Dewar interno está pré-resfriado.Depois mantemos um suprimento de ar líquido no Dewar externo, por que provem um manto de proteção adicional de isolamento. Agora que o hélio líquido está no Dewar interno.
A ebulição do ar líquido está ligado ao fato de estar absorvendo calor que entra no Dewar. Até com a ebulição do ar líquido, o hélio líquido
é claramente visível. Mais tarde usaremos o ar líquido abaixo do ponto de ebulição,para re-uso ou eliminar as bolhas do ar para garantir uma melhor visibilidade.

Agora o ar líquido é resfriado e nós eliminamos a ebulição, as pequenas bolhas do hélio líquido são claramente visíveis. A cobertura da Dewar interna tem um tampão, que no momento está aberto. O hélio líquido está em pressão atmosférica. Então sua temperatura é 4.2K.

Em outras palavras o que nós temos agora é hélio líquido I, a fase mais quente, antes de resfriar-lo, para olhar a fase do superfluído,
quero que nós visualizemos as propriedades propriedades do hélio líquido I.

Falei para vocês anteriormente que até o hélio I é diferente dos outros líquidos. A distância entre os átomos vizinhos são bem amplas. Os átomos não estão estreitamente empacotados como nos fluidos clássicos, e a razão para isso é mecânica quântica. O ponto de energia zero é relativamente mais importante aqui, do que em qualquer outro líquido. Como conseqüência o hélio líquido tem uma densidade, em massa, muito baixa, apenas cerca de 30% da densidade da água e tem também densidade óptica muito baixa, o índice de refração é bem perto de 1. Isso torna difícil de ver com o olho nu em condições normais de luminosidade. Vc deve estar familiarizado com o fato de que o átomo de hélio possui estrutura atômica fechada. Isso explica por que ele é um elemento quimicamente inerte. Isto também conta para o fato de uma pequena força que atrai os átomos vizinhos de hélio a chamada força de Van Der Waals, é fraca, desse jeito gastamos pouca energia para separarmos dois átomos de hélio , como por exemplo, na evaporação.

Isto confere ao hélio líquido um calor latente de evaporação muito baixo
apenas 5 cal são precisas para evaporar 1 grama, comparado com a água que precisa de 500 a 600 cal por grama. A fraca força de Van Der Waals combinada com o ponto zero de energia, também contribui para o fato hélio líquido não congelar e não se solidificar em pressões normais.
Não importa o quanto o resfriarmos. Contudo, o hélio foi solidificado em
altas pressões. O hélio líquido no Dewar esta a 4.2K, nós agora queremos baixar a temperatura até o ponto lambda, e mostrar a transição para a fase do superfluido, nosso método irá resfriar por evaporação através de uma bomba de vácuo.

Agora, o ponto lambda fica em 2.2K, 2K mais frio que a temperatura deste líquido. Mais uma vez, não muito calor é necessário
remover do hélio líquido, dentro do Dewar.

Para levar até o ponto lambda, precisa de apenas 250 cal. Não pense que o processo de resfriamento é fácil, pelo contrário, é difícil. Mais de um terço do líquido na Dewar tem que ser bombeada na forma de vapor
antes de se chegar abaixo do ponto lambda.

Isso requer um monte de bombeamento, isso explica essa grande e poderosa bomba de vácuo aqui. Até com essa bomba o processo leva um tempo considerável. Deixei me explicar por que é tão difícil chegar ao ponto lambda. Eu já mencionei anteriormente que o hélio líquido tem calor de evaporação muito pequeno. Apenas 5 calorias por grama.
Ao mesmo tempo, o hélio líquido em 4,2K, tem um calor específico muito alto, quase 1 caloria por grama. Portanto, um grama do vapor bombado, carrega somente uma quantidade de calor que pode esfriar somente
cinco ou seis gramas de hélio líquido, em 1 K. Isto não é muito esfriamento. É menos, por um fator de quase 100, que quando resfriamos a água por evaporação. A situação é ainda pior quando o processo de resfriamento está abaixo de 4.2K pq o calor específico do hélio líquido aumenta muito quando nos aproximamos de 2,17K, o ponto lambda. O calor de vaporização permanece quase o mesmo. Então uma certa quantidade de vapor produz menos e menos resfriamento conforme nos aproximamos de 2,17K.

Nosso termômetro aqui é um manômetro de baixa pressão, conectado a um espaço acima do hélio líquido, a agulha registra a pressão lá, que é a pressão de vapor saturado do hélio líquido. O manômetro é calibrado
para a temperatura correspondente. Nós chamamos de termômetro por pressão de vapor. Quando nos aproximamos de 2,17K a ebulição torna-se muito violenta. Repentinamente ela para. Esta é a transição. O líquido agora é o hélio II, a evaporação continua, mas não tem mais ebulição.

Líquidos comuns, como a água neste becker, entram em ebulição por causa da baixa condutividade de calor, antes do calor ser transportado de um ponto a um local mais frio no líquido, bolhas de vapor podem se
formar. Hélio I tem o comportamento de líquidos comuns neste aspecto. A ausência de ebulição no hélio II revela que essa fase age como se tivesse uma alta condutividade térmica. Como de fato o hélio líquido passa pelo ponto de transição lambda como vimos, a condutividade térmica aumenta por um fantástico fator de um milhão. A condutividade térmica do hélio II é muitas vezes maior do que elementos como a prata e o cobre que, entre os sólidos, são os melhores condutores de calor e ainda, aqui tratamos de um líquido! Por isso o hélio merece o título de superfluido.

Na verdade, o modo como o hélio II transporta essas grandes quantidades de calor tão rapidamente, é totalmente diferente dos conceitos clássicos da condutividade térmica. Voltarei com esse assunto mais tarde, junto com o experimento da demonstração do
´second sound´ no hélio II. Lembre, que esta grande mudança na condutividade térmica, ocorre em uma temperatura fixa de transição. O ponto lambda. A troca aqui é de fase é de um líquido para outro líquido.
Como dissemos antes, o calor específico do hélio líquido é muito grande
no ponto lambda. De fato, ele comporta-se semelhante mesmo abaixo do ponto lambda e cai novamente, muito rapidamente, com a temperatura. Esta descontinuidade no calor específico é outro aspecto do fato que estamos lidando com uma mudança de fase
na substância. Além disso, a curva se parece com a letra grega lambda. E a temperatura de transição recebeu seu nome do formato desta
curva.

Em breve estarão disponíveis as outras partes desta série de vídeos.

Fique atento, por ser um vídeo antigo algumas das informações podem não estar totalmente corretas.

Veja mais:
Hélio

Os vídeos de Alfred Leitner estão livres para download pelo site
http://www.alfredleitner.com/

Transcrição realizada com auxílio de Dison Franco.

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desenho de uma esmeralda em um card
Baixe a versão em PDF da imagem acima.

Abundância do elemento berílio no…
Universo – 1×10^-7 % da massa (1ppb)
Corpo humano – 4×10^-8 % da massa (0,4ppb)
Crosta terrestre – 1.9×10^-4 % da massa (1,9ppm)
Oceano – 6×10^-11 % da massa (0,6ppt)

Neste vídeo abaixo, idealizado pelo projeto ´Elements Unearthed´, o professor David D. Black explica as utilidades do berílio, os minerais nos quais é encontrado e um pouco sobre a geologia do berílio.

Primeira parte:

Transcrição do vídeo:

Berílio é o segundo metal mais leve, após o lítio. E tem propriedades, como a resistência à corrosão, e dureza cinco vezes maior do que
aço (por massa) o que o torna ideal para muitos usos. É
também muito raro. Embora amplamente espalhado pela crosta terrestre, é somente encontrado em quantidades úteis em poucos minerais fonte. A única fonte comercial de berílio, nos EUA, está localizada em uma região desértica isolada, em Utah ocidental, esta é a história daquele depósito e como é minerado, refinado e transformado no berílio metálico ligas e cerâmicas. Esta é a história de como o berílio é descoberto.

Vc já se perguntou de onde surgem os elementos? Como foram descobertos? Como são minerados, refinados e tornados nos produtos finais? Vc gostaria de saber como materiais como vidro, aço e concreto são feitos? Em saber como a energia é produzida? O impacto ambiental de produtos químicos perigosos
Ou a história da química. Grupos de estudantes de comunidades em todo país estão entrevistando cientistas, engenheiros e historiadores, para responder estas questões em:

A Descoberta Dos Elementos

Nossa descoberta e uso dos elementos químicos. Este episódio foi possível devido à ´Brush Resources´, produtora de produtos de berílio. Nosso expert no assunto é Phil Sabey, gerente de Tecnologia e Qualidade da da instalação de concentração da Brush Resources próximo de Delta, em Utah.

Usos do berílio

Se vc segurar uma peça de metal berílio em suas mãos vc pensará que é plástico, por causa de sua leveza. O berílio é muito requesitado em programas nucleares, É também empregado na indústria aeroespacial, a exploração do espaço profundo precisa do elemento mais sólido que temos, mais leve que alumínio, é cinco vezes mais rígido que o aço, para o mesmo peso. E forma ligas com metais, particularmente o cobre, com propriedades maravilhosas, com performance muito maior.

Com 4 % berílio e 96% cobre, terá uma liga com a dureza do aço para molas, e por volta de 95% da condutividade do cobre puro. Sobre a dureza, vc pode fazer ferramentas para exploração de gás e petróleo. Ferramentas não-magnéticas, para aplicações em computadores, Por causa de sua leveza, dureza, habilidade de absorver calor sem expandir, e outras propriedades, o berílio é usado em aplicações aeroespaciais.

É encontrado em muitas partes no Ônibus Espacial, tal como o sistema de freios, saída dos motores e nos para brisas. É usado para os segmentos de espelhos e outros componentes do Telescópio Espacial James Webb. Por causa de sua termoestabilidade o berilo pode lidar com o frio extremo do espaço melhor do que espelhos de vidro.

Os 18 segmentos de espelhos do Telescópio Webb que resultam em uma área de 25 metros quadrados. Que é várias vezes maior do que o espelho primário do telescópio Hubble. Por ser um telescópio de infravermelho seus componentes devem ser protegidos do Sol. Para captar o calor de galáxias muito distantes. Os segmentos de espelho de berílio devem perfeitamente moldados para criar uma parábola, numa temperatura de operação de 35 Kelvin. Foram testados em condições extremamente frias e as deformações anotadas, e então polidas para compensar as distorções.

– É transparente para os raios x. Então, outro uso para o berílio é nos equipamentos de raios-X, estes usualmente possuem uma janela de berílio. – O berílio é também usado para a estrutura de giroscópio guia de alta velocidade, nos foguetes Saturn-5. E em mísseis, e guia óptico de alta velocidade para satélites de meteorologia. Por ser opaco para nêutrons o berílio é usado como um moderador em reatores nucleares. E tubos de berílio são usados em guias de feixe de partículas no Large Hadron Collider (LHC) no Cern e no acelerador linear em Stanford, na Califórnia.

O berílio é usado pq a sua dureza permite que alto vácuo seja mantido dentro do tubo de berílio. Sua estabilidade térmica permite o cano em uma temperatura ideal, somente alguns graus acima do zero absoluto. E a natureza diamagnética do berílio não interfere com os fortes imãs usados para acelerar as partículas.

Um dos nossos clientes das ligas são para conectores, para computadores, automóveis eletrônicos, pela alta resistência à corrosão, corrosão pela água salgada, oxidação pelo ar, e o efeito memória, podem fazer um bom contato. Um exemplo, que deve ser de 70 ou dos 80, era o comando elétrico em janelas nos carros. Muitos falhavam, as indústrias resolveram o problema movendo os botões para o console, outros pagaram o preço de alguns cents por chave usando berílio e cobre nos contatos, deixando os comandos nas portas, que era mais conveniente para as pessoas

O berílio também tem excelentes propriedades acústicas, por causa de seu baixo coeficiente de expansão. E é usado para fazer os Tweeters em sistemas de alto-falantes de boa performance. Por causa de sua dureza e resistência ao desgaste, molas de liga de berílio e em balancim, são usados em relógios de precisão. E finalmente, ligas de berílio e cerâmicas são usadas em dissipadores de calor e contatos em aplicações eletrônicas e em telefones celulares e portas de carros.

No geral, o berílio é um elemento extremamente útil.

Fontes de berílio

O berílio é o primeiro membro da família dos alcalino-terrosos dos elementos. O que significa que é altamente reativo e facilmente ligado para formar compostos. Mas é difícil de separar como metal puro. Berílio foi descoberto Louis-Nicolas Vauquelin em 1798 como um componente do berilo e em esmeraldas.

Friedrich Wöhler e Antoine Bussy isolaram, independentemente, o berílio metálico em 1828 pela reação de potássio com cloreto de berílio. Sabemos agora que o berílio é encontrado somente em alguns poucos minerais. Incluindo a família do berilo e em bertrandita.

Berilo é um cristal hexagonal de ciclossilicato de berílio e alumínio. Pode ter várias cores dependendo das impurezas. Quantidades traço de cromo ou algumas vezes vanádio resultam em uma cor verde profunda, e é chamado esmeralda. Esmeraldas são consideradas jóias já a centenas de anos, hoje em dia a principal fonte de esmeraldas é a Colômbia, na América do Sul.


Colar de esmeraldas do acervo do National Museum of Natural History

Quantidades traço de íon ferro 2+ produzem uma variedade de verde azulado de berilo, chamado de água-marinha. Pequenas quantidades de ferro 3+, produzem matizes de berilo do amarelo dourado até um amarelo esverdeado chamado heliodoro.