鈹(pi)(Beryllium)是(shi)(shi)第二(er)周期第二(er)主族元素,原(yuan)子序數(shu)為4,元素符號Be,是(shi)(shi)一種灰白色(se)的堿土(tu)金(jin)屬(shu),屬(shu)六(liu)方晶系,質硬,有展性。鈹(pi)及(ji)其化合(he)物都有劇毒。鈹(pi)既能溶于(yu)酸也能溶于(yu)堿液,是(shi)(shi)兩性金(jin)屬(shu),鈹(pi)主要用于(yu)原(yuan)子能反應堆材料(liao),宇(yu)航工程材料(liao),各種合(he)金(jin),X射線透射窗等(deng)。
2017年10月27日,世(shi)界衛生組織國際癌(ai)癥(zheng)研究機構(gou)公布(bu)的(de)致(zhi)癌(ai)物清(qing)(qing)單初步整理參考,鈹在1類(lei)致(zhi)癌(ai)物清(qing)(qing)單中。
1798年,法(fa)國(guo)(guo)化(hua)學(xue)家(jia)沃克蘭(lan)(Vauquelin Niclas Louis,1763~1829)對綠柱石(shi)和祖母綠進行化(hua)學(xue)分析時(shi)發(fa)現了鈹(pi)。但是,單質鈹(pi)在三(san)十年后(hou)的1828年由德國(guo)(guo)化(hua)學(xue)家(jia)維勒(Friedrich Woler,1800~1882)用金屬鉀還原(yuan)熔(rong)融的氯化(hua)鈹(pi)而(er)得到的。
克(ke)拉普羅特曾經分析過秘魯出產的(de)(de)(de)綠(lv)玉(yu)石,但他(ta)卻沒能發現鈹。柏格曼也曾分析過綠(lv)玉(yu)石,結論(lun)是(shi)一種鋁和鈣的(de)(de)(de)硅酸(suan)鹽。18世紀(ji)末,化(hua)學(xue)家沃克(ke)蘭應法國礦(kuang)物(wu)學(xue)家阿羽伊的(de)(de)(de)請求對金綠(lv)石和綠(lv)柱石進(jin)行了化(hua)學(xue)分析。沃克(ke)蘭發現兩者的(de)(de)(de)化(hua)學(xue)成分完全(quan)相同,并發現其中含有一種新元(yuan)素(su),稱它(ta)為(wei)Glucinium,這一名(ming)詞來(lai)自希臘文(wen)glykys,是(shi)甜的(de)(de)(de)意思,因(yin)為(wei)鈹的(de)(de)(de)鹽類有甜味。沃克(ke)蘭在(zai)1798年2月15日在(zai)法國科學(xue)院(yuan)宣讀了他(ta)發現新元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)論(lun)文(wen)。由于(yu)釔(yi)的(de)(de)(de)鹽類也有甜味,后來(lai)維(wei)勒把它(ta)命(ming)名(ming)為(wei)Beryllium,它(ta)來(lai)源(yuan)于(yu)鈹的(de)(de)(de)主(zhu)要礦(kuang)石──綠(lv)柱石的(de)(de)(de)英文(wen)名(ming)稱beryl。
已(yi)知含(han)鈹(pi)礦物有(you)30多種,但直到1968年,其(qi)中(zhong)僅綠柱石(shi)具有(you)工(gong)業(ye)(ye)價(jia)值。綠柱石(shi)是(shi)一(yi)種鈹(pi)鋁硅(gui)酸鹽,其(qi)通式為(wei)Be3Al2(SiO3)6,理論上含(han)BeO近14%。實際(ji)上BeO含(han)量(liang)一(yi)般(ban)為(wei)9~13%;主(zhu)要產于巴(ba)西(xi)、阿根廷、印度、南(nan)非(fei)等。中(zhong)國新疆、江西(xi)等地也(ye)出產。1968年開始使(shi)用含(han)水(shui)硅(gui)鈹(pi)石(shi)制鈹(pi)。含(han)水(shui)硅(gui)鈹(pi)石(shi)中(zhong)氧(yang)化鈹(pi)的理論含(han)量(liang)為(wei)39~42%,但是(shi)工(gong)業(ye)(ye)礦物呈高度分散狀(zhuang)態,氧(yang)化鈹(pi)含(han)量(liang)只(zhi)有(you)1.7~2.5%,主(zhu)要產于美國。
鈹是鋼(gang)灰色金屬(shu)輕(qing)金屬(shu)。鈹的(de)硬度比同族金屬(shu)高,不像鈣、鍶、鋇可以用刀子切(qie)割。
比熱容:1.82J/gK 蒸發熱:292.4KJ/mol 熔化(hua)熱:12.2KJ/mol 導電率(lv):0.313×106/cm
導(dao)熱系數:2.01W/(cm·K)莫氏硬度:5.5原子半(ban)徑:112pm共(gong)價半(ban)徑:90pm
蒸氣(qi)壓:4180Pa
第一(yi)電離能:899.5kJ/mol
第二電離(li)能(neng):1757kJ/mol
第三電離能:14848.7kJ/mol
鈹共有(you)(you)12個同位素(su),其中有(you)(you)1個是穩定的。
符號 Z(p) N(n) 質(zhi)量(liang)(u) 半(ban)衰(shuai)期 原子核自旋 相對豐度
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 #(假想粒子)
鈹(pi)和(he)鋰(li)一樣,在(zai)空(kong)氣中(zhong)(zhong)形成保護性(xing)氧化層,故在(zai)空(kong)氣中(zhong)(zhong)即(ji)(ji)使紅(hong)熱(re)時(shi)也很穩定(ding)。不(bu)溶于冷水(shui),微(wei)溶于熱(re)水(shui),可溶于稀鹽酸(suan),稀硫酸(suan)和(he)氫(qing)氧化鉀溶液而放出氫(qing)。金屬(shu)鈹(pi)對(dui)于無氧的金屬(shu)鈉(na)即(ji)(ji)使在(zai)較高的溫度下,也有明顯(xian)的抗腐蝕(shi)性(xing)。鈹(pi)價(jia)態為+2價(jia),可以形成聚合物以及具(ju)有顯(xian)著熱(re)穩定(ding)性(xing)的一類(lei)共價(jia)化合物。
Be原(yuan)子(zi)(zi)的(de)價(jia)電子(zi)(zi)層結構為2s2,它的(de)原(yuan)子(zi)(zi)半(ban)徑(jing)為89pm,Be2+離子(zi)(zi)半(ban)徑(jing)為31pm,Be的(de)電負(fu)性為1.57。鈹由于(yu)原(yuan)子(zi)(zi)半(ban)徑(jing)和離子(zi)(zi)半(ban)徑(jing)特別小,電負(fu)性又(you)相對較高,所(suo)以(yi)鈹形成(cheng)共價(jia)鍵的(de)傾向比較顯著,不像同(tong)族(zu)其(qi)它元素主要形成(cheng)離子(zi)(zi)型化(hua)合物。因此(ci)鈹常(chang)表現出不同(tong)于(yu)同(tong)族(zu)其(qi)它元素的(de)反(fan)常(chang)性質。
(1)鈹由于表面易形成致密的(de)保護膜(mo)而不與(yu)水作用,而同族其它金屬鎂(mei)、鈣、鍶、鋇(bei)均(jun)易與(yu)水反應。
(2)氫(qing)(qing)氧(yang)(yang)化鈹(pi)是兩性(xing)(xing)的,而同族其它(ta)元素的氫(qing)(qing)氧(yang)(yang)化物均是中強堿或強堿性(xing)(xing)的。
(3)鈹鹽(yan)強烈(lie)地水解生成四面體型的(de)離子[Be(H2O)4]2+,Be-O鍵很強,這就削弱了O-H鍵,因此(ci)水合鈹離子有失(shi)去質子的(de)傾向(xiang):
因此鈹(pi)鹽在(zai)純水中是酸性的(de)。而同族其他元素(鎂除外)的(de)鹽均沒(mei)有水解(jie)作(zuo)用(yong)。
1、氧化鈹
鈹(pi)在氧(yang)氣中燃燒,或鈹(pi)的(de)碳酸(suan)鹽(yan)、硝(xiao)酸(suan)鹽(yan)、氫氧(yang)化(hua)物加熱分解,都可以(yi)得到(dao)白色(se)末狀的(de)氧(yang)化(hua)鈹(pi)BeO,它的(de)熔點為2803K,難溶(rong)(rong)(rong)于水,也(ye)不容(rong)易溶(rong)(rong)(rong)于乙醇,可用做(zuo)耐高(gao)溫材料。BeO是(shi)共價型(xing)的(de),并具(ju)有44的(de)硫化(hua)鋅(閃鋅礦型(xing))結構(gou)。BeO不溶(rong)(rong)(rong)于水,但能(neng)溶(rong)(rong)(rong)于酸(suan)生成的(de)鈹(pi)鹽(yan),也(ye)能(neng)溶(rong)(rong)(rong)于堿生成的(de)鈹(pi)酸(suan)鹽(yan),BeO是(shi)兩性氧(yang)化(hua)物。
2、氫氧化鈹
氫氧(yang)(yang)化(hua)鈹是白色固體,在(zai)水(shui)中溶解度較小,它是兩性(xing)氫氧(yang)(yang)化(hua)物(wu),溶于酸(suan)形(xing)成Be2+,溶于堿形(xing)成[Be(OH)4]2-。
3、氫化鈹
Be不能與H2直接化(hua)(hua)合生成氫(qing)(qing)化(hua)(hua)鈹,但(dan)用氫(qing)(qing)化(hua)(hua)鋁鋰還(huan)原氯(lv)化(hua)(hua)鈹可以(yi)制得氫(qing)(qing)化(hua)(hua)鈹。
氫(qing)化(hua)鈹是共價(jia)型化(hua)合物,它的結構類似(si)于乙硼烷的結構,在兩個Be原子(zi)之間形(xing)成了(le)氫(qing)橋鍵(jian)。
每個(ge)(ge)Be原(yuan)子(zi)同四(si)個(ge)(ge)H原(yuan)子(zi)相聯結,每個(ge)(ge)H原(yuan)子(zi)生成(cheng)(cheng)兩個(ge)(ge)鍵。由于(yu)Be原(yuan)子(zi)只(zhi)有(you)2個(ge)(ge)價電(dian)(dian)子(zi),在氫(qing)化(hua)(hua)鈹(pi)中沒有(you)足夠的(de)電(dian)(dian)子(zi)去(qu)形(xing)成(cheng)(cheng)正常的(de)電(dian)(dian)子(zi)對鍵(即兩個(ge)(ge)原(yuan)子(zi)之間(jian)共(gong)用兩個(ge)(ge)電(dian)(dian)子(zi)),氫(qing)化(hua)(hua)鈹(pi)是(shi)(shi)缺電(dian)(dian)子(zi)化(hua)(hua)合物(wu)。因此在Be-H-Be橋狀結合中,生成(cheng)(cheng)“香蕉形(xing)”的(de)三中心(xin)兩電(dian)(dian)子(zi)鍵。這是(shi)(shi)一(yi)個(ge)(ge)簇狀化(hua)(hua)合物(wu)。
4、氯化鈹
氯化鈹是共價(jia)型化合物,在空氣中(zhong)會吸潮并由于水解而發煙:
BeCl2+H2O=BeO+2HCl
氯(lv)化鈹(pi)能升華并且不(bu)傳(chuan)導電(dian)流。無水氯(lv)化鈹(pi)是聚合型的(de)(BeCl?)?。
5、硫化鈹
硫化(hua)(hua)鈹(pi)(BeS)是灰白色(se)粉(fen)末(mo),相(xiang)對密(mi)度2.36。可由氯化(hua)(hua)鈹(pi)和無水硫化(hua)(hua)氫反應(ying)得到。
6、碳化鈹
碳化(hua)鈹(pi)(Be2C)為黃(huang)紅色固體,遇水分解(jie)。由鈹(pi)粉(fen)和優質(zhi)石墨粉(fen)反(fan)應得到。
7、鈹的配合物
由于鈹是(shi)缺電(dian)子(zi)(zi)原子(zi)(zi),它的鹵化物是(shi)路(lu)易斯酸,容易與電(dian)子(zi)(zi)對給(gei)予體形成配合物或加(jia)合物。因此鈹能生(sheng)成許(xu)多配合物。
1923年美國物理(li)化學家(jia)路易(yi)斯提出酸堿(jian)電(dian)子理(li)論認(ren)為:凡(fan)(fan)是可以接受電(dian)子對(dui)的物質稱(cheng)為酸,凡(fan)(fan)是可以給出電(dian)子對(dui)的物質稱(cheng)為堿(jian)。酸是電(dian)子對(dui)接受體(ti),堿(jian)是電(dian)子對(dui)給予體(ti)。
鈹(pi)還能生成許多穩定的(de)(de)螯合物(wu)。例如將氫氧化鈹(pi)與醋酸一(yi)(yi)起蒸發(fa),就(jiu)生成了堿(jian)式(shi)醋酸鈹(pi)Be4O(CH3COO)6。這是(shi)一(yi)(yi)個共(gong)(gong)價(jia)化合物(wu),其中(zhong)4個Be原子包圍著一(yi)(yi)個中(zhong)心O原子,6個醋酸根(gen)Ac-則(ze)沿著四面體(ti)的(de)(de)6條棱邊而排布(bu)。這個配合物(wu)是(shi)共(gong)(gong)價(jia)的(de)(de),并且能夠被蒸餾,可(ke)用于鈹(pi)的(de)(de)提純。
在鈹的其他螯合(he)物(wu)中,如(ru)草酸鈹鹽、萘酚配(pei)合(he)物(wu)和乙酰丙酮配(pei)合(he)物(wu)等,在這些螯合(he)物(wu)中,鈹原子(zi)都是四面體(ti)地(di)被(bei)包(bao)圍著。鈹的化合(he)物(wu)有極高(gao)的毒性就是由于它(ta)(ta)們有極高(gao)的溶(rong)解度和它(ta)(ta)們很容易形成配(pei)合(he)物(wu)之故。
在周期表中,鈹與第IIIA族中的鋁(lv)處(chu)于對角線位置(zhi),它(ta)們的性(xing)質十分相似。
1.標準電極電勢相(xiang)近:都是活潑金屬。
2.都是親(qin)氧元素(su),金(jin)屬表(biao)面易形成氧化物保護(hu)膜,都能被濃HNO?鈍化。
3.均為兩性金屬。氫氧化物也均呈兩性。
4.氧(yang)化物BeO和Al2O3都具有高(gao)(gao)熔(rong)點、高(gao)(gao)硬度(du)。
5.BeCl2和AlCl3都是缺電子的(de)共價型化合物,通過(guo)橋鍵形成聚合分子。
6.鈹鹽(yan)(yan)、鋁鹽(yan)(yan)都易水解,水解顯酸性。
7.碳化鈹Be2C像Al4C3一樣(yang),水解時產(chan)生甲烷。
盡管Be和(he)Al有許多(duo)相(xiang)似的(de)化學性質,但兩者在(zai)人(ren)體(ti)內(nei)的(de)生理(li)作用極不相(xiang)同。人(ren)體(ti)能容納適量的(de)鋁,卻不能有一點兒(er)鈹,吸入少量的(de)BeO,就(jiu)有致命的(de)危險(xian)。
鈹(pi)(pi)的(de)化(hua)(hua)合物(wu)如氧化(hua)(hua)鈹(pi)(pi)、氟化(hua)(hua)鈹(pi)(pi)、氯(lv)化(hua)(hua)鈹(pi)(pi)、硫(liu)化(hua)(hua)鈹(pi)(pi)、硝酸鈹(pi)(pi)等(deng)毒(du)(du)(du)性(xing)(xing)較(jiao)大(da),而金(jin)屬鈹(pi)(pi)的(de)毒(du)(du)(du)性(xing)(xing)相對比較(jiao)小(xiao)(xiao)些。鈹(pi)(pi)是(shi)全身性(xing)(xing)毒(du)(du)(du)物(wu)。毒(du)(du)(du)性(xing)(xing)的(de)大(da)小(xiao)(xiao),取決于入體途(tu)徑、不同(tong)鈹(pi)(pi)化(hua)(hua)合物(wu)的(de)理化(hua)(hua)性(xing)(xing)質及實(shi)驗動物(wu)的(de)種(zhong)類。一般而言,可(ke)溶性(xing)(xing)鈹(pi)(pi)的(de)毒(du)(du)(du)性(xing)(xing)大(da),難溶性(xing)(xing)的(de)毒(du)(du)(du)性(xing)(xing)小(xiao)(xiao);靜脈注入時毒(du)(du)(du)性(xing)(xing)最(zui)大(da),呼吸道次之,經口及經皮毒(du)(du)(du)性(xing)(xing)最(zui)小(xiao)(xiao)。鈹(pi)(pi)進入人體后(hou),難溶的(de)氧化(hua)(hua)鈹(pi)(pi)主要儲存(cun)在肺部,可(ke)引(yin)起肺炎(yan)。可(ke)溶性(xing)(xing)的(de)鈹(pi)(pi)化(hua)(hua)合物(wu)主要儲存(cun)在骨骼、肝臟(zang)、腎臟(zang)和淋巴結(jie)等(deng)處,它們(men)可(ke)與(yu)血(xue)漿(jiang)蛋白(bai)作用,生成蛋白(bai)復合物(wu),引(yin)起臟(zang)器或組織的(de)病變而致癌。鈹(pi)(pi)從人體組織中排泄出去的(de)速(su)度極其緩慢。因此(ci),接觸(chu)鈹(pi)(pi)及其化(hua)(hua)合物(wu)要格外小(xiao)(xiao)心。
鈹作為一(yi)種新興材料(liao)日益被重視,鈹是原子(zi)能、火(huo)箭、導(dao)彈、航(hang)空(kong)、宇宙航(hang)行以及(ji)冶金工業中不可缺少的寶貴(gui)材料(liao)。
1、在所有的(de)金屬中,鈹(pi)透(tou)過X射線(xian)的(de)能(neng)力最強(qiang),有金屬玻(bo)璃(li)之稱,所以鈹(pi)是(shi)制造X射線(xian)管小窗(chuang)口不可取代的(de)材料。
2、鈹(pi)(pi)是(shi)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)能(neng)(neng)工(gong)(gong)業之寶(bao)。在原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)反(fan)(fan)應(ying)堆(dui)(dui)里,鈹(pi)(pi)是(shi)能(neng)(neng)夠提(ti)供大量中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)炮彈的(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)源(每秒鐘內能(neng)(neng)產(chan)生幾十萬個中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi));鈹(pi)(pi)對(dui)快中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)有(you)很強(qiang)(qiang)的(de)(de)(de)減速作(zuo)(zuo)用,可以使裂變反(fan)(fan)應(ying)連續不斷(duan)地進行下去(qu),所(suo)以鈹(pi)(pi)是(shi)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)反(fan)(fan)應(ying)堆(dui)(dui)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)最好的(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)減速劑(ji)。為了(le)防(fang)止(zhi)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)跑出反(fan)(fan)應(ying)堆(dui)(dui)危及工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)人員的(de)(de)(de)安全,反(fan)(fan)應(ying)堆(dui)(dui)的(de)(de)(de)四(si)周得(de)有(you)一圈(quan)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)反(fan)(fan)射(she)層(ceng),用來強(qiang)(qiang)迫那些企圖跑出反(fan)(fan)應(ying)堆(dui)(dui)的(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)返回(hui)反(fan)(fan)應(ying)堆(dui)(dui)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)去(qu)。鈹(pi)(pi)的(de)(de)(de)氧化物不僅(jin)能(neng)(neng)夠像(xiang)鏡子(zi)(zi)反(fan)(fan)射(she)光線那樣把中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)反(fan)(fan)射(she)回(hui)去(qu),而且熔(rong)點高(gao),特別能(neng)(neng)耐高(gao)溫,是(shi)反(fan)(fan)應(ying)堆(dui)(dui)里中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)反(fan)(fan)射(she)層(ceng)的(de)(de)(de)最好材(cai)料。
3、鈹是(shi)優(you)秀的(de)(de)宇航材(cai)料。人(ren)造(zao)衛星的(de)(de)重(zhong)量(liang)(liang)每增加一公斤,運載火箭的(de)(de)總重(zhong)量(liang)(liang)就要增加大約500kg。制造(zao)火箭和(he)衛星的(de)(de)結構材(cai)料要求重(zhong)量(liang)(liang)輕、強度大。鈹比常用的(de)(de)鋁和(he)鈦都輕,強度是(shi)鋼的(de)(de)四倍。鈹的(de)(de)吸(xi)熱能力強,機械性能穩定。
4、在冶金(jin)工(gong)業中,含鈹1%~3.5%的(de)青(qing)銅叫做鈹青(qing)銅,機(ji)械(xie)性能比鋼好,且抗(kang)腐蝕性好,還(huan)保持有很高的(de)導電性。被用來制造手(shou)表里的(de)游絲,高速軸承,海底(di)電纜等(deng)。
5、含有一(yi)定數量鎳的鈹青銅受撞擊時不產生火花,利用這(zhe)一(yi)奇妙的性質,可制作石油、礦(kuang)山(shan)工業專用的鑿子、錘子、鉆頭(tou)等,防(fang)止火災(zai)和(he)爆炸事故。含鎳的鈹青銅不受磁(ci)鐵(tie)吸引(yin),可制造(zao)防(fang)磁(ci)零(ling)件。
工業用鈹(pi)(pi)大部分以氧(yang)化鈹(pi)(pi)形(xing)態用于鈹(pi)(pi)銅合金(jin)(jin)(jin)的(de)生(sheng)產小部分以金(jin)(jin)(jin)屬鈹(pi)(pi)形(xing)態應用,另有小量用做(zuo)氧(yang)化鈹(pi)(pi)陶瓷等(deng)。40年代前金(jin)(jin)(jin)屬鈹(pi)(pi)用做(zuo)X光窗和(he)中(zhong)子(zi)源等(deng),從40年代中(zhong)期到60年代初,主(zhu)要用于原子(zi)能領域(yu),如(ru)利用鈹(pi)(pi)能使(shi)中(zhong)子(zi)增殖(zhi)作試(shi)驗(yan)反應堆(dui)的(de)反射層、減速劑和(he)核(he)武(wu)器(qi)部件等(deng)。1956年慣(guan)性導航系統首次(ci)使(shi)用鈹(pi)(pi)陀螺,從此開辟了鈹(pi)(pi)應用的(de)重要領域(yu)。60年代鈹(pi)(pi)的(de)主(zhu)要用途轉入航天與航空領域(yu),用于制造飛行器(qi)的(de)部件。
X射線(xian)(xian)對鈹有很高的透過能力(li)。鈹核(he)被(bei)中(zhong)子、粒子、氘核(he)及γ射線(xian)(xian)撞(zhuang)擊或照射時產生中(zhong)子,因(yin)此鈹是一(yi)種中(zhong)子源材料。鈹原子的熱中(zhong)子吸收截面為0.009靶恩(en)。