鈹(Beryllium)是(shi)(shi)第二周期第二主族元(yuan)素,原子序數為4,元(yuan)素符號(hao)Be,是(shi)(shi)一種灰(hui)白色(se)的堿土金屬(shu),屬(shu)六方晶系,質硬,有(you)展性(xing)。鈹及其化合(he)物都有(you)劇毒。鈹既(ji)能溶于酸也能溶于堿液,是(shi)(shi)兩性(xing)金屬(shu),鈹主要用于原子能反應堆材料,宇航(hang)工程(cheng)材料,各(ge)種合(he)金,X射線透射窗(chuang)等。
2017年10月27日,世界衛生組織(zhi)國(guo)際癌(ai)癥(zheng)研(yan)究(jiu)機構(gou)公布的致癌(ai)物(wu)清單(dan)初步整(zheng)理參(can)考,鈹在(zai)1類致癌(ai)物(wu)清單(dan)中。
1798年,法國化學家(jia)沃克蘭(Vauquelin Niclas Louis,1763~1829)對綠柱石和祖母綠進行化學分析時發(fa)現了鈹。但是(shi),單質(zhi)鈹在三十(shi)年后的(de)1828年由德國化學家(jia)維勒(Friedrich Woler,1800~1882)用金屬鉀(jia)還原熔融的(de)氯(lv)化鈹而得到的(de)。
克拉普(pu)羅(luo)特曾經(jing)分(fen)析(xi)過(guo)秘(mi)魯出產(chan)的(de)綠(lv)玉石,但他卻沒能發現鈹(pi)(pi)。柏格(ge)曼也曾分(fen)析(xi)過(guo)綠(lv)玉石,結論是一(yi)種(zhong)鋁和鈣的(de)硅酸鹽。18世紀末,化(hua)學家沃(wo)(wo)克蘭應法國礦物學家阿羽伊(yi)的(de)請求對(dui)金綠(lv)石和綠(lv)柱石進行了(le)化(hua)學分(fen)析(xi)。沃(wo)(wo)克蘭發現兩者的(de)化(hua)學成分(fen)完全相同,并發現其中含有一(yi)種(zhong)新(xin)元(yuan)素(su)(su),稱它為(wei)Glucinium,這一(yi)名(ming)詞來(lai)自希臘文(wen)glykys,是甜(tian)的(de)意(yi)思,因為(wei)鈹(pi)(pi)的(de)鹽類有甜(tian)味。沃(wo)(wo)克蘭在1798年2月15日在法國科學院(yuan)宣讀了(le)他發現新(xin)元(yuan)素(su)(su)的(de)論文(wen)。由于(yu)釔(yi)的(de)鹽類也有甜(tian)味,后(hou)來(lai)維勒(le)把(ba)它命(ming)名(ming)為(wei)Beryllium,它來(lai)源于(yu)鈹(pi)(pi)的(de)主要礦石──綠(lv)柱石的(de)英文(wen)名(ming)稱beryl。
已(yi)知含(han)(han)(han)鈹(pi)礦物(wu)有(you)30多種(zhong),但直(zhi)到1968年(nian),其(qi)中(zhong)(zhong)僅綠(lv)柱石具有(you)工業價值。綠(lv)柱石是一種(zhong)鈹(pi)鋁硅(gui)(gui)酸鹽(yan),其(qi)通式為Be3Al2(SiO3)6,理論上含(han)(han)(han)BeO近14%。實(shi)際上BeO含(han)(han)(han)量一般為9~13%;主要(yao)產(chan)于(yu)(yu)巴西、阿根廷、印(yin)度(du)、南非(fei)等。中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)新疆(jiang)、江(jiang)西等地也出產(chan)。1968年(nian)開始使用(yong)含(han)(han)(han)水硅(gui)(gui)鈹(pi)石制鈹(pi)。含(han)(han)(han)水硅(gui)(gui)鈹(pi)石中(zhong)(zhong)氧化(hua)鈹(pi)的理論含(han)(han)(han)量為39~42%,但是工業礦物(wu)呈高度(du)分散狀態(tai),氧化(hua)鈹(pi)含(han)(han)(han)量只有(you)1.7~2.5%,主要(yao)產(chan)于(yu)(yu)美國(guo)(guo)。
鈹是鋼灰色金(jin)屬輕金(jin)屬。鈹的(de)硬度比同族(zu)金(jin)屬高,不像(xiang)鈣、鍶、鋇(bei)可以(yi)用刀(dao)子切割。
比熱容:1.82J/gK 蒸發熱:292.4KJ/mol 熔(rong)化熱:12.2KJ/mol 導電率:0.313×106/cm
導熱系(xi)數:2.01W/(cm·K)莫氏硬度:5.5原(yuan)子半(ban)徑:112pm共價半(ban)徑:90pm
蒸(zheng)氣壓:4180Pa
第一電離能:899.5kJ/mol
第二電離能(neng):1757kJ/mol
第(di)三電離能:14848.7kJ/mol
鈹共有12個同位(wei)素,其中有1個是穩定的。
符號 Z(p) N(n) 質量(u) 半衰(shuai)期 原(yuan)子核自旋 相對豐(feng)度
Be 4 1 5.04079(429)# (1/2+)#
Be 4 2 6.019726(6) 5.0(3)E-21 s 0+
[0.092(6) MeV]
Be 4 3 7.01692983(11) 53.22(6) d 3/2-
Be 4 4 8.00530510(4) 67(17)E-18 s 0+
[6.8(17)eV]
Be 4 5 9.0121822(4) 穩定 3/2- 1
Be 4 6 10.0135338(4) 1.51(6)E+6 a 0+
Be 4 7 11.021658(7) 13.81(8) s 1/2+
Be 4 8 12.026921(16) 21.49(3) ms 0+
Be 4 9 13.03569(8)
Be 4 10 14.04289(14) 4.84(10) ms 0+
Be 4 11 15.05346(54)# <200 ns
Be 4 12 16.06192(54)# <200 ns 0+
Be 4 13 17.0485# <200 ns #(假(jia)想粒子(zi))
鈹和鋰一樣,在空氣中形(xing)(xing)成保(bao)護性(xing)氧化(hua)層(ceng),故在空氣中即使紅熱時也很穩定。不溶(rong)于(yu)(yu)冷(leng)水(shui),微溶(rong)于(yu)(yu)熱水(shui),可(ke)溶(rong)于(yu)(yu)稀鹽酸,稀硫酸和氫氧化(hua)鉀溶(rong)液而放出氫。金屬鈹對于(yu)(yu)無氧的金屬鈉即使在較(jiao)高(gao)的溫度(du)下(xia),也有(you)(you)明(ming)顯的抗腐蝕性(xing)。鈹價態為+2價,可(ke)以(yi)形(xing)(xing)成聚(ju)合物以(yi)及具有(you)(you)顯著熱穩定性(xing)的一類共價化(hua)合物。
Be原(yuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)價電子(zi)(zi)(zi)層(ceng)結構為2s2,它的(de)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)半徑為89pm,Be2+離子(zi)(zi)(zi)半徑為31pm,Be的(de)電負性(xing)為1.57。鈹(pi)由于(yu)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)半徑和(he)離子(zi)(zi)(zi)半徑特別小,電負性(xing)又相對(dui)較(jiao)高,所(suo)以鈹(pi)形成(cheng)共價鍵的(de)傾向比較(jiao)顯(xian)著,不像同(tong)(tong)族(zu)(zu)其它元(yuan)素(su)主要形成(cheng)離子(zi)(zi)(zi)型(xing)化合物(wu)。因此鈹(pi)常表現出不同(tong)(tong)于(yu)同(tong)(tong)族(zu)(zu)其它元(yuan)素(su)的(de)反常性(xing)質(zhi)。
(1)鈹(pi)由于表面易(yi)形成致密的保護膜而不與水作(zuo)用(yong),而同族(zu)其它金屬鎂、鈣、鍶、鋇均易(yi)與水反應。
(2)氫(qing)氧化鈹是兩性(xing)的(de),而同族其它元素的(de)氫(qing)氧化物均是中強堿或強堿性(xing)的(de)。
(3)鈹(pi)鹽強烈地水解生(sheng)成四(si)面體(ti)型的離(li)子[Be(H2O)4]2+,Be-O鍵很(hen)強,這就削(xue)弱(ruo)了O-H鍵,因此水合鈹(pi)離(li)子有(you)失去(qu)質子的傾向:
因此鈹鹽在純水中是酸性的。而同(tong)族其他元素(鎂(mei)除外)的鹽均沒有水解作用。
1、氧化鈹
鈹(pi)在氧氣中燃(ran)燒,或鈹(pi)的碳(tan)酸(suan)鹽、硝酸(suan)鹽、氫(qing)氧化(hua)物加熱分解,都可以(yi)得到(dao)白(bai)色末狀的氧化(hua)鈹(pi)BeO,它的熔(rong)點為2803K,難溶(rong)(rong)于水(shui),也(ye)不(bu)容易溶(rong)(rong)于乙醇,可用做耐(nai)高溫材料。BeO是共價型的,并具有44的硫化(hua)鋅(xin)(閃鋅(xin)礦型)結構。BeO不(bu)溶(rong)(rong)于水(shui),但能(neng)溶(rong)(rong)于酸(suan)生成的鈹(pi)鹽,也(ye)能(neng)溶(rong)(rong)于堿生成的鈹(pi)酸(suan)鹽,BeO是兩性氧化(hua)物。
2、氫氧化鈹
氫氧化(hua)鈹是白(bai)色(se)固體,在水中溶解度(du)較小(xiao),它是兩性氫氧化(hua)物,溶于酸形(xing)成(cheng)(cheng)Be2+,溶于堿形(xing)成(cheng)(cheng)[Be(OH)4]2-。
3、氫化鈹
Be不能與(yu)H2直接(jie)化合生(sheng)成(cheng)氫化鈹(pi),但用氫化鋁鋰(li)還原(yuan)氯化鈹(pi)可以制得氫化鈹(pi)。
氫(qing)化鈹是共(gong)價(jia)型化合物,它的結構(gou)類似于乙硼烷的結構(gou),在兩個Be原子之間形成了氫(qing)橋鍵(jian)。
每個(ge)(ge)Be原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)同四個(ge)(ge)H原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)相聯結,每個(ge)(ge)H原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)生成兩個(ge)(ge)鍵(jian)。由于Be原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)只有(you)2個(ge)(ge)價電子(zi)(zi),在氫化(hua)(hua)鈹中沒有(you)足夠(gou)的(de)電子(zi)(zi)去形(xing)成正常的(de)電子(zi)(zi)對鍵(jian)(即兩個(ge)(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)之間共用兩個(ge)(ge)電子(zi)(zi)),氫化(hua)(hua)鈹是(shi)缺(que)電子(zi)(zi)化(hua)(hua)合(he)物。因此在Be-H-Be橋狀(zhuang)結合(he)中,生成“香蕉形(xing)”的(de)三中心兩電子(zi)(zi)鍵(jian)。這是(shi)一個(ge)(ge)簇狀(zhuang)化(hua)(hua)合(he)物。
4、氯化鈹
氯化鈹是共價(jia)型化合物,在空氣中會吸潮并(bing)由于水解而發煙:
BeCl2+H2O=BeO+2HCl
氯(lv)化鈹能升華并且不傳導電流(liu)。無水氯(lv)化鈹是聚合型(xing)的(BeCl?)?。
5、硫化鈹
硫化鈹(pi)(BeS)是灰白(bai)色粉(fen)末,相(xiang)對密(mi)度2.36。可由(you)氯化鈹(pi)和(he)無(wu)水硫化氫反應(ying)得到。
6、碳化鈹
碳化(hua)鈹(Be2C)為黃紅(hong)色固(gu)體,遇(yu)水分解。由鈹粉(fen)和優質石墨粉(fen)反應得到(dao)。
7、鈹的配合物
由(you)于鈹(pi)是缺電子原(yuan)子,它的鹵化物(wu)是路易斯酸(suan),容易與電子對給予體形(xing)成配合(he)物(wu)或加合(he)物(wu)。因(yin)此(ci)鈹(pi)能生成許多配合(he)物(wu)。
1923年美國(guo)物(wu)理化學家路易斯提出酸(suan)堿(jian)(jian)電(dian)(dian)子(zi)理論認(ren)為(wei):凡是可以(yi)接受電(dian)(dian)子(zi)對的物(wu)質(zhi)稱為(wei)酸(suan),凡是可以(yi)給(gei)(gei)出電(dian)(dian)子(zi)對的物(wu)質(zhi)稱為(wei)堿(jian)(jian)。酸(suan)是電(dian)(dian)子(zi)對接受體(ti),堿(jian)(jian)是電(dian)(dian)子(zi)對給(gei)(gei)予體(ti)。
鈹還能生成許多穩定的(de)螯合(he)(he)物(wu)。例如(ru)將氫(qing)氧化(hua)鈹與醋(cu)酸一(yi)(yi)起蒸發,就生成了堿(jian)式醋(cu)酸鈹Be4O(CH3COO)6。這(zhe)是(shi)一(yi)(yi)個共價化(hua)合(he)(he)物(wu),其中4個Be原子(zi)包圍著一(yi)(yi)個中心O原子(zi),6個醋(cu)酸根(gen)Ac-則沿著四面體的(de)6條棱邊而排(pai)布。這(zhe)個配(pei)合(he)(he)物(wu)是(shi)共價的(de),并且(qie)能夠(gou)被蒸餾,可(ke)用于鈹的(de)提純。
在(zai)鈹(pi)(pi)(pi)(pi)的(de)(de)其他螯合(he)物(wu)(wu)中,如草酸鈹(pi)(pi)(pi)(pi)鹽、萘酚配(pei)合(he)物(wu)(wu)和乙酰丙酮配(pei)合(he)物(wu)(wu)等,在(zai)這些螯合(he)物(wu)(wu)中,鈹(pi)(pi)(pi)(pi)原子都(dou)是(shi)(shi)四面體地被(bei)包圍著。鈹(pi)(pi)(pi)(pi)的(de)(de)化(hua)合(he)物(wu)(wu)有極(ji)(ji)高的(de)(de)毒性(xing)就(jiu)是(shi)(shi)由于它(ta)們有極(ji)(ji)高的(de)(de)溶解度和它(ta)們很(hen)容(rong)易形成配(pei)合(he)物(wu)(wu)之故。
在周期表中(zhong),鈹(pi)與第(di)IIIA族中(zhong)的鋁處(chu)于對角線位置,它們的性質十(shi)分相似(si)。
1.標(biao)準電(dian)極(ji)電(dian)勢相近:都是活潑金屬。
2.都是(shi)親氧元(yuan)素,金(jin)屬表面易形(xing)成氧化物保護膜,都能被(bei)濃HNO?鈍化。
3.均為兩(liang)性金屬。氫氧化物也均呈兩(liang)性。
4.氧(yang)化物(wu)BeO和Al2O3都具有高熔(rong)點、高硬度。
5.BeCl2和AlCl3都是缺電(dian)子(zi)的共價型化合(he)物,通過橋(qiao)鍵形成聚合(he)分子(zi)。
6.鈹(pi)鹽、鋁(lv)鹽都(dou)易水(shui)解(jie),水(shui)解(jie)顯酸性。
7.碳化鈹Be2C像Al4C3一樣,水(shui)解時產生甲烷(wan)。
盡管Be和Al有許多(duo)相似的化(hua)學性質,但(dan)兩者在人體內的生(sheng)理作用極不(bu)相同。人體能容納(na)適量的鋁,卻(que)不(bu)能有一點(dian)兒鈹,吸(xi)入少量的BeO,就有致命的危險。
鈹(pi)(pi)的化(hua)(hua)合物(wu)如(ru)氧化(hua)(hua)鈹(pi)(pi)、氟化(hua)(hua)鈹(pi)(pi)、氯化(hua)(hua)鈹(pi)(pi)、硫化(hua)(hua)鈹(pi)(pi)、硝酸(suan)鈹(pi)(pi)等(deng)毒(du)(du)(du)性(xing)(xing)(xing)較大(da),而(er)金屬(shu)鈹(pi)(pi)的毒(du)(du)(du)性(xing)(xing)(xing)相對比較小(xiao)些(xie)。鈹(pi)(pi)是全身(shen)性(xing)(xing)(xing)毒(du)(du)(du)物(wu)。毒(du)(du)(du)性(xing)(xing)(xing)的大(da)小(xiao),取決于入(ru)(ru)(ru)體(ti)途徑、不同鈹(pi)(pi)化(hua)(hua)合物(wu)的理化(hua)(hua)性(xing)(xing)(xing)質及實驗動物(wu)的種類。一般(ban)而(er)言,可溶(rong)性(xing)(xing)(xing)鈹(pi)(pi)的毒(du)(du)(du)性(xing)(xing)(xing)大(da),難(nan)溶(rong)性(xing)(xing)(xing)的毒(du)(du)(du)性(xing)(xing)(xing)小(xiao);靜脈注入(ru)(ru)(ru)時(shi)毒(du)(du)(du)性(xing)(xing)(xing)最(zui)大(da),呼吸道次之,經(jing)(jing)口及經(jing)(jing)皮毒(du)(du)(du)性(xing)(xing)(xing)最(zui)小(xiao)。鈹(pi)(pi)進入(ru)(ru)(ru)人體(ti)后,難(nan)溶(rong)的氧化(hua)(hua)鈹(pi)(pi)主(zhu)要儲(chu)存(cun)在肺(fei)部,可引(yin)起肺(fei)炎。可溶(rong)性(xing)(xing)(xing)的鈹(pi)(pi)化(hua)(hua)合物(wu)主(zhu)要儲(chu)存(cun)在骨骼、肝臟(zang)、腎臟(zang)和(he)淋(lin)巴結(jie)等(deng)處,它(ta)們(men)可與血漿蛋白(bai)作用,生成蛋白(bai)復合物(wu),引(yin)起臟(zang)器或(huo)組織的病變而(er)致癌。鈹(pi)(pi)從人體(ti)組織中排泄出去的速度極其(qi)緩(huan)慢。因(yin)此(ci),接觸鈹(pi)(pi)及其(qi)化(hua)(hua)合物(wu)要格外(wai)小(xiao)心。
鈹(pi)作為一種(zhong)新興材(cai)料(liao)日益被重視,鈹(pi)是原子能、火箭、導彈、航(hang)空、宇宙航(hang)行以及冶金工(gong)業(ye)中不(bu)可缺少的寶貴材(cai)料(liao)。
1、在所(suo)有(you)的金屬中,鈹透過X射線(xian)的能力(li)最強,有(you)金屬玻璃之(zhi)稱,所(suo)以鈹是制(zhi)造(zao)X射線(xian)管小(xiao)窗口(kou)不(bu)可取(qu)代的材料。
2、鈹(pi)(pi)(pi)(pi)是原(yuan)子(zi)(zi)能(neng)工業之寶。在原(yuan)子(zi)(zi)反(fan)應(ying)堆(dui)(dui)(dui)里,鈹(pi)(pi)(pi)(pi)是能(neng)夠(gou)提供大量中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)炮(pao)彈的(de)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)源(每秒(miao)鐘內能(neng)產生幾十萬(wan)個中(zhong)(zhong)子(zi)(zi));鈹(pi)(pi)(pi)(pi)對(dui)快中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)有很強(qiang)的(de)減速作用,可以(yi)使裂(lie)變(bian)反(fan)應(ying)連續不斷(duan)地(di)進(jin)行下(xia)去(qu)(qu),所以(yi)鈹(pi)(pi)(pi)(pi)是原(yuan)子(zi)(zi)反(fan)應(ying)堆(dui)(dui)(dui)中(zhong)(zhong)最好(hao)的(de)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)減速劑。為了(le)防止(zhi)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)跑出(chu)反(fan)應(ying)堆(dui)(dui)(dui)危及工作人員的(de)安全(quan),反(fan)應(ying)堆(dui)(dui)(dui)的(de)四(si)周得有一圈中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)反(fan)射(she)層,用來(lai)強(qiang)迫(po)那(nei)些企圖跑出(chu)反(fan)應(ying)堆(dui)(dui)(dui)的(de)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)返回反(fan)應(ying)堆(dui)(dui)(dui)中(zhong)(zhong)去(qu)(qu)。鈹(pi)(pi)(pi)(pi)的(de)氧化(hua)物(wu)不僅能(neng)夠(gou)像鏡子(zi)(zi)反(fan)射(she)光線那(nei)樣把(ba)中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)反(fan)射(she)回去(qu)(qu),而(er)且熔點(dian)高,特別能(neng)耐(nai)高溫,是反(fan)應(ying)堆(dui)(dui)(dui)里中(zhong)(zhong)子(zi)(zi)反(fan)射(she)層的(de)最好(hao)材料。
3、鈹(pi)是優(you)秀的(de)宇航材料。人造衛星的(de)重(zhong)量(liang)每增加(jia)一公斤(jin),運載(zai)火箭(jian)的(de)總重(zhong)量(liang)就要(yao)增加(jia)大(da)(da)約(yue)500kg。制造火箭(jian)和(he)衛星的(de)結構材料要(yao)求重(zhong)量(liang)輕(qing)、強(qiang)度大(da)(da)。鈹(pi)比(bi)常用的(de)鋁(lv)和(he)鈦都輕(qing),強(qiang)度是鋼(gang)的(de)四倍。鈹(pi)的(de)吸熱能力(li)強(qiang),機(ji)械性能穩定。
4、在冶金工(gong)業(ye)中,含鈹1%~3.5%的青(qing)銅叫做鈹青(qing)銅,機械(xie)性(xing)能(neng)比鋼好,且(qie)抗腐蝕性(xing)好,還(huan)保持有(you)很高的導電性(xing)。被(bei)用來制(zhi)造手表里的游絲,高速軸承,海底電纜等。
5、含有一(yi)定數量(liang)鎳的鈹(pi)青(qing)銅(tong)受撞擊時不產(chan)生火花,利(li)用(yong)這一(yi)奇妙的性質,可(ke)制(zhi)作石(shi)油、礦山工業專用(yong)的鑿子、錘子、鉆(zhan)頭等,防止(zhi)火災(zai)和爆炸事故。含鎳的鈹(pi)青(qing)銅(tong)不受磁鐵(tie)吸引,可(ke)制(zhi)造防磁零(ling)件(jian)。
工業用(yong)(yong)鈹(pi)大部(bu)分(fen)以氧化(hua)鈹(pi)形態用(yong)(yong)于(yu)(yu)鈹(pi)銅(tong)合(he)金(jin)的生產小部(bu)分(fen)以金(jin)屬鈹(pi)形態應(ying)用(yong)(yong),另(ling)有小量(liang)用(yong)(yong)做氧化(hua)鈹(pi)陶瓷等。40年(nian)代(dai)前(qian)金(jin)屬鈹(pi)用(yong)(yong)做X光窗(chuang)和(he)中子(zi)(zi)源(yuan)等,從(cong)40年(nian)代(dai)中期到60年(nian)代(dai)初,主要用(yong)(yong)于(yu)(yu)原(yuan)子(zi)(zi)能領(ling)(ling)域(yu),如利用(yong)(yong)鈹(pi)能使中子(zi)(zi)增殖作試驗反應(ying)堆的反射層、減速(su)劑和(he)核武器部(bu)件等。1956年(nian)慣性導航(hang)(hang)系統首次使用(yong)(yong)鈹(pi)陀螺,從(cong)此開辟了鈹(pi)應(ying)用(yong)(yong)的重要領(ling)(ling)域(yu)。60年(nian)代(dai)鈹(pi)的主要用(yong)(yong)途轉(zhuan)入航(hang)(hang)天與航(hang)(hang)空(kong)領(ling)(ling)域(yu),用(yong)(yong)于(yu)(yu)制造飛行器的部(bu)件。
X射(she)線對鈹有很高的(de)透(tou)過能力。鈹核被中(zhong)子、粒子、氘核及γ射(she)線撞(zhuang)擊(ji)或照射(she)時(shi)產生中(zhong)子,因(yin)此鈹是一種中(zhong)子源材料。鈹原子的(de)熱中(zhong)子吸收截(jie)面為0.009靶恩。