Le béryllium (Z = 4)

Premier élément du groupe des alcalino-terreux, le béryllium ne possède qu'un seul isotopeOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons. stable (non radioactif), le béryllium 9, noté 9Be.

Origine du béryllium

Une très faible proportion de béryllium 7 a été produite lors de la nucléosynthèse primordiale, c'est-à-dire lors des premiers instants qui ont suvi le Big Bang, mais ce dernier étant instable, il s'est très rapidement désintégré en donnant du lithium 7. Quant au béryllium 9, ne pouvant être fabriqué dans le cœur des étoiles, où la température est trop élevée, il se forme principalement dans le milieu interstellaire, selon un mécanisme appelé spallation. Il résulte en effet de la fission d'atomes plus gros sous l'action des rayons cosmiques, ces particules de (très) haute énergie qui circulent dans l'espace à des vitesses parfois proches de celle de la lumière.

Un peu d'histoire

Louis-Nicolas Vauquelin
Louis-Nicolas Vauquelin

Découvert dans un premier temps (en 1798) sous forme d'oxyde (de formule BeO), par le chimiste français Louis-Nicolas Vauquelin, il faut attendre l'année 1828 avant que les chimistes Friedrich Wöhler (un allemand) et Antoine Bussy (un français) ne parviennent à l'isoler sous sa forme métallique. D'abord appelé "glucinium" en raison de la saveur sucrée de certains de ses composants, il ne recevra son nom officiel (béryllium) qu'en 1957.

Pépites de beryllium
Pépites de beryllium
Crédit : W.Oelen

Son nom vient du grec "berullos", qui signifie "cristal de la couleur de l’eau de mer", et sert à désigner le béryl, espèce minérale à laquelle appartiennent les aigues-marines et les émeraudes.

Emeraudes
Emeraudes
Crédit : Géry Parent

C'est en bombardant un échantillon de béryllium à l'aide de particules alpha (noyaux d'hélium), que le physicien britanique James Chadwick découvrit, en 1932, une nouvelle particule de charge électrique nulle, le neutron.

Production industrielle du béryllium

Issus de minerais tels que le béryl et la bertrandite, le béryllium utilisé dans l'industrie provient essentiellement des Etats-Unis, de Chine, et, dans une moindre mesure, du Mozambique. La production mondiale s'élève à moins de 500 tonnes par an car, en dépit de ses nombreuses qualités, le bérylium est un métal très toxique, ce qui limite ses champs d'application.

Propriétés du béryllium

Le béryllium présente un aspect gris acier !. Son point de fusion, de 1287°C, est plutôt élevé pour un métal aussi léger (1,85 g/cm3). Au contact de l'air, il se couvre d'une pellicule d'oxyde particulièrement dure (cette dernière est capable de rayer le verre), qui le protège de la corrosion.
Ce métal est considéré comme hautement toxique. Non seulement il est cancérogène (il peut provoquer des cancers du poumon), mais les personnes inhalant de l'air contenant des particules de béryllium peuvent finir par développer une "bérylliose chronique", maladie respiratoire grave, généralement très invalidente, parfois mortelle. Le béryllium peut aussi avoir des effets délétères sur de nombreux organes (foie, coeur, reins), ainsi que sur le système nerveux.

Quelques exemples d'utilisation du béryllium

Dans le domaine militaire, l'oxyde de béryllium a été employé dès le milieu des années soixantes comme élément réfractaire dans les boucliers thermiques de certains missiles et, sous forme métallique, dans la fabrication d'ogives nucléaires (il a été progressivement remplacé par le zirconium, beaucoup moins toxique).

Aujourd'hui, le béryllium est principalement employé sous forme d'alliages, en particulier avec le cuivre. Les alliages Cu-Be (cuivre-béryllium) interviennent notamment :

- dans la fabrication d'outils antidéflagrants (qui ne produisent pas d'étincelles) utilisés dans l'industrie des explosifs et de la pétrochimie,

Clé à molette en cuivre-béryllium
Clé à molette en cuivre-béryllium
Crédit : Guy Immega

- comme durcissant dans le moldmax, alliage servant à fabriquer des moules pour matières plastiques,

- dans la fabrication de mécanismes de précision (en horlogerie notamment), de gyroscopes, de têtes de clubs de golf high-tech...

Le béryllium étant totalement transparent aux rayons X, il est également utilisé dans le secteur médical pour fabriquer les fenêtres des tubes radioscopiques, ces dernières devant être suffisamment solides pour résister à la différence de pression due au vide poussé régnant à l'intérieur des tubes.

Le béryllium 10, isotope radioactif produit dans l'atmosphère sous l'action des rayons cosmiques (qui "brisent" des atomes d'azote), est utilisé en glaciologie pour effectuer la datation des carottes de glace.

Dans le domaine du nucléaire, le béryllium peut être employé tantôt comme source de neutrons, tantôt comme modérateur (il ralentit les neutrons sans les absorber) dans certains types de centrales.





Le magnésium (Z = 12)

Deuxième élément du groupe des alcalino-terreux, le magnésium (Mg) occupe, en terme d'abondance, la septième place dans l'univers (0,005 % de tous les atomes), et la huitième place (en terme de masse) dans la croûte terrestre. L'eau des océans en contient également de grandes quantités (environ 1,3 g/L). Il possède 22 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons., mais seuls trois d'entre eux sont stables : le magnésium 24 (24Mg), pour 79 %, le magnésium 25 (25Mg), pour 10 %, et le le magnésium 26 (26Mg), pour 11 %.

Origine du magnésium

Il se forme essentiellement dans le coeur d'étoiles massives arrivées au terme de leur existence. Lorsque les conditions permettent la fusion du carbone (aux alentours du milliard de kelvins), il se forme du sodium 23 (23Na), du néon 20 (20Ne), du magnésium 23 (23Mg) et, dans une moindre mesure, du magnésium 24 (24Mg). Le magnésium 23 n'étant pas stable (sa demi-vie est de 11,3 s), nous le laisserons de côté. Par contre, quand l'étoile entame la fusion du néon (20 et 22), il se forme du magnésium 24 (24Mg) et du magnésium 25 (25Mg), selon les réactions suivantes :

20Ne + 4He ---> 24Mg + rayons gammas

22Ne + 4He ---> 25Mg + n (neutron)

Un peu plus tard, lorsque la température atteint environ deux milliards de kelvins, la fusion de l'oxygène 16 (16O) produit à son tour du magnésium 24 :

16O + 16O ---> 24Mg + 4He + 4He

Cette phase n'augure rien de bon, puisqu'une fois l'oxygène épuisé, la fusion du silicium prend la relève. Cette dernière étape ne dure pas plus d'une journée et sonne le glas de notre étoile, qui termine alors son existence en supernova, phénomène apocalyptique au cours duquel les éléments qu'elle a synthétisés tout au long de sa vie sont dispersés dans l'espace.

Un peu d'histoire

En 1618, un certain Henry Wicker constate que l'eau d'une mare située à proximité de la commune d'Epsom (près de Londres) avait une saveur particulièrement amère, et qu'elle donnait la diarrhée aux vaches qui en buvaient. Après en avoir fait évaporer un échantillon, il récupére un résidu solide dont il observe les effets sur sa propre personne, confirmant ainsi ses propriétés laxatives. Il venait de découvrir le sel d'Epsom (ou sulfate de magnésium), remède employé pendant près de trois siècles pour lutter contre la constipation.
Dans les années 1750, le physicien et chimiste écossais Joseph Black (1728-1799) fait la distinction entre le carbonate de calcium (calcaire) et le carbonate de magnésium (magnésie), suggérant ainsi l'existence d'un nouvel élément.

Joseph Black
Joseph Black

Ce nouvel élément sera finalement isolé par électrolyse en 1808, par le chimiste et physicien britanique Humphry Davy (1778-1829), qui lui donnera le nom de magnésium, en référence à la Magnésie, ancienne région grecque située à l'ouest de la Thessalie, connue pour ses gisements de talc (variété de silicate de magnésium) depuis l'Antiquité.

L'actuelle Magnésie
L'actuelle Magnésie

Production industrielle du magnésium

Nous l'avons déjà mentionné précédemment, le magnésium est très abondant dans la croûte terrestre, et on le trouve dans quantités de minéraux : magnésite, dolomite, apatite, olivine...

Cristaux de dolomite
Cristaux de dolomite
Crédit : Géry Parent

A partir de ces minéraux, ou de saumures riches en chlorures et carbonates de magnésium, on extrait le métal pur par électrolyse. Chaque année, ce sont plus de 700 000 tonnes de magnésium qui sont ainsi produites au niveau mondial, la Chine détenant depuis peu près de 80 % du marché.

Propriétés du magnésium

Le magnésium, métal d'aspect blanc-argenté !, présente de nombreux avantages : son prix est plutôt modique, il est léger (sa masse volumique est de 1,74 g/cm3), résistant, facile à usiner et, contrairement au béryllium, il n'est pas toxique. Trop réactif pour exister à l'état natif, on le trouve toujours combiné à d'autres éléments. En copeaux, il est très inflammable, la poudre de magnésium se montrant même explosive. Au contact de l'air, il réagit simultanément avec le dioxygène et le diazote, et se recouvre d'une couche protectrice imperméable.
Chez les plantes, le magnésium joue un rôle essentiel puisqu'il entre dans la composition de la chlorophylle. Il est également indispensable au bon fonctionnement de notre corps : il participe au transport du glucose, aide le calcium à se fixer sur les os, agit sur la croissance, permet la propagation de l'influx nerveux et la contraction des muscles, ainsi que la synthèse des protéines, renforce nos défenses immunitaires, favorise la concentration et la mémoire tout en diminuant le stress, et j'en passe...

Quelques exemples d'utilisation du magnésium

- Le magnésium est souvent utilisé pour former des alliages à la fois légers et résistants, en particulier avec l'aluminium, le zinc et le manganèse, alliages que l'on retrouve dans les carters de moteurs, les armatures de sièges (voitures, TGV...), les roues (et autres pièces) d'avions, les coques de bateaux, les boitiers d'ordinateurs portables ou d'appareils photos haut de gamme, les cadres de vélos...

- Le magnésium en poudre, très inflammable, brûle en donnant une lumière très intense, c'est pourquoi il a été utilisé dans les tout premiers flashs photographiques. Pour cette même raison, il est également employé dans les fusées de détresse maritimes.

Fusée de détresse maritime
Fusée de détresse maritime

- En raison de sa grande affinité pour l'oxygène, le magnésium intervient dans la fabrication de métaux comme le titane ou le zirconium (il les réduit, c'est-à-dire qu'il les débarrasse de l'oxygène excédentaire qu'ils contiennent).

- L'oxyde de magnésium (MgO), ou magnésie, ne fond qu'à partir de 2 800°C, ce qui lui vaut d'être parfois utilisé comme matériau réfractaire, pour fabriquer des briques de four, ou comme revêtement interne de creusets.

- En gymnastique et en escalade, le carbonate de magnésium (MgCO3), qualifié à tort de magnésie (qui a pour formule MgO), permet de garder les mains sèches et d'améliorer leur adhérence.

- Le chlorure de magnésium est utilisé comme sel de déneigement. Relativement économique, ce dernier s'avère efficace jusqu'à des températures de -30°C.





Le calcium (Z = 20)

Troisième élément du groupe des alcalino-terreux, le calcium (Ca) occupe, en terme d'abondance, la cinquième place dans la croûte terrestre (environ 3 % de la masse totale) et la sixième place dans l'eau des océans (0,4 g/L). Il possède 24 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons. connus, mais seuls cinq d'entre eux sont stables : le calcium 40 (40Ca), pour 97 %, le 44Ca, pour 2 %, les trois autres (42Ca, 43Ca et45Ca) représentant environ 1 % du total.

Origine du calcium

Lorsque des étoiles très massives (au moins dix masses solaires) arrivent en fin de vie, la température dans leur coeur ne cesse de grimper, jusqu'à atteindre 3 à 4 milliards de kelvins. Les photons gammas sont alors tellement énergétiques qu'ils parviennent à briser des noyaux complexes. On parle de réactions de photodissociation. C'est ainsi que sous l'action de ces photons, certains noyaux de silicium 28 (formés lors de la fusion de l'oxygène), éjectent des particules alpha (noyau d'hélium 4) :

28Si + rayons gamma --> 24Mg + 4He

Ces dernières sont ensuite réabsorbées par d'autres noyaux de silicium 28, produisant ainsi du soufre 32, de l'argon 36, du calcium 40 (et d'autres éléments) selon le mécanisme suivant :

28Si + 4He ---> 32S + rayons gammas

32S + 4He ---> 36Ar + rayons gammas

36Ar + 4He ---> 40Ca + rayons gammas

Le même mécanisme va également donner naissance au titane 44 ainsi qu'à d'autres élémnets, mais nous y reviendrons en temps voulu.

Un peu d'histoire

Le calcium étant trop réactif pour exister à l'état natif (métallique) dans la nature, on le trouve combiné à d'autres éléments, notammment dans le calcaire, ou carbonate de calcium (CaCO3). Lorsque l'on porte le calcaire à haute température (on dit qu'on le "calcine"), obtient de la chaux. Cette dernière a sans doute été découverte fortuitement, il y a bien longtemps, puisqu'on en trouve des traces dans des fondations âgées de près de 14 000 ans, en Turquie orientale. Aux alentours de 3000 av J.-C., les Egyptiens l'emploient pour tanner les peaux ou comme matériau de construction. L'Empire romain en fait grand usage dès le 1er siècle de notre ère, ainsi que les Celtes qui l'utilisent pour fertiliser les sols. Il faut toutefois attendre 1808 pour que le savant britanique Humphry Davy (1778-1829) parvienne enfin à en extraire un nouvel élément.

Humphry Davy
Humphry Davy, par Thomas Phillips

Alors qu'il tentait en vain de décomposer la chaux par électrolyse, le chimiste suédois Berzelius le mit sur la bonne voie : il fallait employer des batteries contenant du mercure liquide, lequel formerait aussitôt un amalgame (un alliage) avec le métal provenant de la chaux. Il n'y aurait ensuite plus qu'à chauffer le tout afin de faire passer le mercure à l'état gazeux, et récupérer le métal convoité, que Davy baptisa calcium, à partir du latin "calcis" signifiant "chaux".

Propriétés du calcium

Le calcium est un métal assez dur, présentant un aspect brillant pouvant faire penser à l'aluminium.

Echantillon de calcium
Echantillon de calcium
Crédit : Matthias Zepper

Au contact de l'air, il réagit avec le dioxygène et avec le diazote, et se recouvre rapidement d'une pellicule blanche imperméable, composée d'un mélange d'oxyde et de nitrure. Il brûle avec une belle flamme jaune et rouge !, et réagit assez vigoureusement au contact de l'eau (mais moins touefois que les métaux alcalins), avec dégagement de dihydrogène. Très léger (1,54 g/cm3), il fond à 842°C.

Il est indispensable à notre organisme, et cela à plusieurs titres. Tout d'abord, si nos os et nos dents sont si solides, c'est parce qu'ils sont en grande partie constitués d'hydroxyapatite, autrement dit de phosphate de calcium. Et si près de 99% du calcium est stocké dans nos os, on en trouve également à l'intérieur de nos cellules, en particulier les cellules musculaires, où il joue un rôle essentiel. Il intervient en effet dans la contraction musculaire et la fonction cardiaque (le coeur est un muscle), ainsi que dans la transmission de l'influx nerveux. Le taux de calcium dans le sang, appelé calcémie, doit donc être surveillé régulièrement.

Production industrielle du calcium

Le calcium est généralement obtenu par réduction de la chaux vive (CaO) à l'aide de poudre d'aluminium, métal très réducteur (il cède facilement des électrons), selon le mécanisme suivant :

2 Al + 6 CaO ---> Ca3Al2O6 + 3 Ca

Il est également produit, dans une moindre mesure, à partir du fluorure de calcium (CaF2), composé ionique présent dans la fluorite, espèce minérale constituant la principale source de fluor.

Quelques exemples d'utilisation du calcium

- Le calcium métallique est parfois employé comme agent réducteur : il permet de "débarrasser" certains métaux (uranium, zirconium, thorium) de l'oxygène qui les encombre.

- Le ciment est obtenu à partir d'un mélange de calcaire (qui apporte du calcium) et d'argile, roche sédimentaire constituée d'aluminosilicates hydratés. Porté à très haute température (entre 1400 et 1500°C), ce mélange est progressivement transformé en clinker. Après cuisson, celui-ci est refroidi puis broyé jusqu'à obtention d'une poudre, principalement constituée de silicates de calcium et d’aluminates de calcium.

- Le gypse, minéral constitué de sulfate de calcium hydraté, est une roche sédimentaire résultant de l'évaporation de l'eau et de la précipitation des minéraux qu'elle contenait (on apelle cela une "évaporite"). Employé dans l'Antiquité comme substitut au verre pour fabriquer certaines vitres, on l'utilise aujourd'hui pour fabriquer le plâtre.

Echantillon de gypse
Echantillon de gypse

- Le chlorure de calcium (CaCl2) est parfois utilisé comme sel de déneigement. Moins néfaste pour l'environnement que le chlorure de sodium, il présente en outre l'avantage sur ce dernier d'être efficace à des températures plus basses.

- Le nitrate de calcium (Ca(NO3)2), est utilisé comme fertilisant, sous le nom de nitrate de chaux. La Norvège en est le premier producteur mondial, sa principale unité de production étant située près de Porsgrunn, dans le comté de Telemark.

Le nitrate de chaux
Affiche publicitaire de 1927,
par Leonetto Cappiello

- Le carbure de calcium (CaC2) ! est une "pierre" de synthèse qui, au contact de l'eau, libère de l'acétylène (C2H2), gaz combustible utilisé en spéléologie pour alimenter les lampes à acétylène.





Le strontium (Z = 38)

Quatrième élément du groupe des alcalino-terreux, le strontium (Sr) occupe la quinzième place en terme d'abondance dans la croûte terrestre, mais on ne le trouve que dans deux minéraux : la célestine (sulfate de strontium) et la strontianite (carbonate de strontium). Il est également relativement abondant dans l'eau de mer, qui en contient en moyenne 8 mg/L.

Cristaux de célestine
Cristaux de célestine
Crédit : Robert M. Lavinsky

On lui connaît 35 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons., mais seuls quatre d'entre eux sont stables : le strontium 84 (84Sr), pour 0,56%, le strontium 86 (86Sr), pour 9,9 %, le strontium 87 (87Sr), pour 7%, et enfin le strontium 88 (88Sr), qui représente à lui seul 82,6% du total.

Origine du strontium

Le strontium est principalement produit par capture de neutrons dans les étoiles de faible masse arrivées en fin de vie et, dans une moindre mesure, au cours de l'explosion d'étoiles massives (supernovae de type II).

Un peu d'histoire

En 1790, les chimistes écossais Adair Crawford et William Cruickshank découvrent la strontianite, minéral provenant d'une mine située près du village de Strontian (d'où son nom), dans les Highlands. Ils suggèrent que la strontianite pourrait contenir un nouvel élément, sans pour autant être en mesure de l'isoler. Le carbonate de strontium (SrCO3), oxyde de strontium présent dans la strontianite, est ensuite mis en évidence, mais il faut attendre l'année 1808 pour que le chimiste anglais Humphry Davy parvienne enfin à décomposer la strontianite par électrolyse, ce qui lui permet de découvrir ce nouvel élément dont on soupçonnait l'existence. Il propose qu'on le nomme "strontium".

Propriétés du strontium

Le strontium est un métal mou, malléable, relativement léger (sa masse volumique est de 2,4 g/cm3), présentant un aspect gris-jaune ! et une température de fusion de 777°C. Au contact de l'air, il se recouvre d'une couche d'oxyde protectrice, de formule SrO, responsable de sa couleur. Comme il réagit également avec le diazote pour former du nitrure de strontium (Sr3N2), cela oblige à conserver le strontium pur sous atmosphère d'argon. Il s'enflamme facilement dans l'air, et réagit avec l'eau en donnant de l'hydroxyde de strontium et du dihydrogène :

Sr + 2 H2O ---> Sr(OH)2 + H2

Facilement absorbé par le tube digestif, il se fixe sur les os et les dents en raison de ses propriétés, assez proches de celles du calcium. Présent dans l'alimentation, il ne semble toutefois pas jouer de rôle important dans le fonctionnement de notre corps. On le trouve essentiellement dans les graines, les légumes à feuilles et les produits laitiers, mais les apports quotidiens restent très modérés. A dose importante, il présenterait un réel danger pour les enfants, chez lesquels il peut provoquer une diminution de la croissance des os, mais fort heureusement la nourriture et l'eau potable n'en contiennent pas suffisamment pour que cela pose problème.

Production industrielle du strontium

Le strontium est essentiellement produit à partir de célestine (sulfate de strontium), selon le procédé dit "Black Ash", qui consiste à porter à haute température (environ 1 100°C) un mélange de sulfate de strontium (SrSO4) et de carbone, ce qui donne du sulfure de strontium (SrS) :

SrSO4 + 4 C ---> SrS + 4 CO

Le sulfure de strontium, soluble dans l'eau, est ensuite mis en présence de carbonate de sodium (Na2CO3), donnant ainsi du carbonate de strontium (SrCO3) :

SrS + Na2CO3 ---> Na2S + SrCO3

C'est principalement sous cette forme que le strontium est ensuite commercialisé.

En 2022, la production mondiale de sulfate de strontium s'élevait à 340 000 tonnes, l'Espagne arrivant en tête avec 130 000 tonnes, suivie de l'Iran (110 000 tonnes) et de la Chine (80 000 tonnes).

Quelques exemples d'utilisation du strontium

- Les sels de strontium, notamment le chlorure de strontium (SrCl2) et le carbonate de strontium (SrCO3), émettent une flamme rouge brillante lorsqu'ils brûlent, raison pour laquelle (en plus de leur faible coût) on les utilise en pyrotechnie (feux d'artifice et fusées éclairantes).

Feux d'artifice rouges
Crédit : Chris Kuehl

- L'aluminate de strontium (SrAl2O4), lorsqu'il est dopé avec de l'europium ou du dysprosium, devient phosphorescent, émettant une douce lumière verte. Les peintures à base d'aluminate de strontium, non radioactives, ont remplacé avantageusement celles à base de radium, utilisées autrefois pour marquer les cadrans et aiguilles de montres.

Pigment phosphorescent
Pigment phosphorescent à base
d'aluminate de strontium,
dans l'obscurité.

- On ajoutait autrefois du carbonate de strontium (SrCO3) dans le verre des écrans cathodiques des téléviseurs couleur, car ils bloquent les émissions de rayons X.

- Certains aimants permanants sont en ferrite de strontium.

- La datation au rubidium-strontium permet d'estimer l'âge de certaines roches. Vous trouverez ici ! une courte vidéo expliquant les principes de cette méthode.

Voilà...


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