铍

化學元素
铍(Beryllium)是第二周期第二主族元素,原子序數為4,元素符号Be,是一種灰白色的堿土金屬,屬六方晶系,質硬,有展性。铍及其化合物都有劇毒。铍既能溶于酸也能溶于堿液,是兩性金屬,铍主要用于原子能反應堆材料,宇航工程材料,各種合金,X射線透射窗等。1798年,法國化學家沃克蘭(Vauquelin Niclas Louis,1763~1829)對綠柱石和祖母綠進行化學分析時發現了铍。1828年由德國化學家維勒(Friedrich Woler,1800~1882)用金屬鉀還原熔融的氯化铍而得到單質铍。已知含铍礦物有30多種,但直到1968年,其中僅綠柱石具有工業價值。2017年10月27日,世界衛生組織國際癌症研究機構公布的緻癌物清單初步整理參考,铍在一類緻癌物清單中。
    中文名:铍 外文名:Beryllium 别名:铍粉 化學式: 分子量: CAS登錄号: EINECS登錄号: 熔點:1278 沸點:2970 水溶性:不溶于水 密度:1.85 外觀:灰白色金屬 閃點: 應用:用于原子能反應堆材料,宇航工程材料,各種合金,X射線透射窗等 安全性描述:S53;S45 危險性符号:T+ 危險性描述:R49 UN危險貨物編号: CN危險貨物編号: 發現人:沃克蘭 元素符号:Be 原子量:9.0121831 原子序數:4 周期:第二周期 族:II A族 區:s區 電子排布:1s22s2 電負性:1.57(鮑林标度) 原子半徑:112pm 元素類别:堿土金屬

發現簡史

1798年,法國化學家沃克蘭(Vauquelin Niclas Louis,1763~1829)對綠柱石和祖母綠進行化學分析時發現了铍。但是,單質铍在三十年後的1828年由德國化學家維勒(Friedrich Woler,1800~1882)用金屬鉀還原熔融的氯化铍而得到的。

克拉普羅特曾經分析過秘魯出産的綠玉石,但他卻沒能發現铍。柏格曼也曾分析過綠玉石,結論是一種鋁和鈣的矽酸鹽。18世紀末,化學家沃克蘭應法國礦物學家阿羽伊的請求對金綠石和綠柱石進行了化學分析。沃克蘭發現兩者的化學成分完全相同,并發現其中含有一種新元素,稱它為Glucinium,這一名詞來自希臘文glykys,是甜的意思,因為铍的鹽類有甜味。沃克蘭在1798年2月15日在法國科學院宣讀了他發現新元素的論文。由于钇的鹽類也有甜味,後來維勒把它命名為Beryllium,它來源于铍的主要礦石──綠柱石的英文名稱beryl。

礦藏分布

已知含铍礦物有30多種,但直到1968年,其中僅綠柱石具有工業價值。綠柱石是一種铍鋁矽酸鹽,其通式為Be3Al2(SiO3)6,理論上含BeO近14%。實際上BeO含量一般為9~13%;主要産于巴西、阿根廷、印度、南非等。中國新疆、江西等地也出産。1968年開始使用含水矽铍石制铍。含水矽铍石中氧化铍的理論含量為39~42%,但是工業礦物呈高度分散狀态,氧化铍含量隻有1.7~2.5%,主要産于美國。

理化性質

物理性質

铍是鋼灰色金屬。铍的硬度比同族金屬高,不像鈣、锶、鋇可以用刀子切割。

比熱容: 1.82/J/gK

蒸發熱: 292.4KJ/mol

熔化熱:12.2KJ/mol

導電率: 0.313106/cm

導熱系數: 2.01 W/cmK

莫氏硬度:5.5

原子半徑112 pm

共價半徑90 pm

蒸氣壓4180 帕

物理性質

化學性質

第一電離能 899.5 kJ/mol

第二電離能 1757.1 kJ/mol

第三電離能 14848.7 kJ/mol

7Be 人造53.12天 電子捕獲 0.862 7Li

9Be 100 %穩定

10Be 微量1.51×106年 β衰變 0.556 10B 

同位素

铍共有12個同位素,其中有1個是穩定的。

符号

Z(p)

N(n)

質量(u)

半衰期

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

[0.092(6) MeV]

0+

Be

4

3

7.01692983(11)

53.22(6) d

3/2-

Be

4

4

8.00530510(4)

67(17)E-18 s

[6.8(17)eV]

0+

Be

4

5

9.0121822(4)

穩定

3/2-

1.0000

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)

同位素

化學性質

铍和锂一樣,在空氣中形成保護性氧化層,故在空氣中即使紅熱時也很穩定。不溶于冷水,微溶于熱水,可溶于稀鹽酸,稀硫酸和氫氧化鉀溶液而放出氫。金屬铍對于無氧的金屬鈉即使在較高的溫度下,也有明顯的抗腐蝕性。铍價态為+2價,可以形成聚合物以及具有顯著熱穩定性的一類共價化合物。

铍的反常性質

Be原子的價電子層結構為2s2,它的原子半徑為89pm,Be2+離子半徑為31 pm,Be的電負性為1.57。铍由于原子半徑和離子半徑特别小,電負性又相對較高,所以铍形成共價鍵的傾向比較顯著,不像同族其它元素主要形成離子型化合物。因此铍常表現出不同于同族其它元素的反常性質。

(1)铍由于表面易形成緻密的保護膜而不與水作用,而同族其它金屬鎂、鈣、锶、鋇均易與水反應。

(2)氫氧化铍是兩性的,而同族其它元素的氫氧化物均是中強堿或強堿性的。

(3)铍鹽強烈地水解生成四面體型的離子[Be(H2O)2]2+,Be-O鍵很強,這就削弱了O-H鍵,因此水合铍離子有失去質子的傾向:

因此铍鹽在純水中是酸性的。而同族其他元素(鎂除外)的鹽均沒有水解作用。

生成物

1.氧化铍

铍在氧氣中燃燒,或铍的碳酸鹽、硝酸鹽、氫氧化物加熱分解,都可以得到白色末狀的氧化铍BeO,它的熔點為2803K,難溶于水,也不容易溶于乙醇,可用做耐高溫材料。BeO是共價型的,并具有44的硫化鋅(閃鋅礦型)結構。BeO不溶于水,但能溶于酸生成的铍鹽,也能溶于堿生成的铍酸鹽,BeO是兩性氧化物。

2.氫氧化铍

氫氧化铍是白色固體,在水中溶解度較小,它是兩性氫氧化物,溶于酸形成Be2+,溶于堿形成[Be(OH)4]2-。

3.氫化铍

Be不能與H2直接化合生成氫化铍,但用氫化鋁锂還原氯化铍可以制得氫化铍。

氫化铍是共價型化合物,它的結構類似于乙硼烷的結構,在兩個Be原子之間形成了氫橋鍵。

每個Be原子同四個H原子相聯結,每個H原子生成兩個鍵。由于Be原子隻有2個價電子,在氫化铍中沒有足夠的電子去形成正常的電子對鍵(即兩個原子之間共用兩個電子),氫化铍是缺電子化合物。因此在Be-H-Be橋狀結合中,生成“香蕉形”的三中心兩電子鍵。這是一個簇狀化合物。

4.氯化铍

氯化铍是共價型化合物,在空氣中會吸潮并由于水解而發煙:

BeCl2+H2O=BeO+2HCl

氯化铍能升華并且不傳導電流。無水氯化铍是聚合型的(BeCl₂)₂。

5.硫化铍

硫化铍(BeS)是灰白色粉末,相對密度2.36。可由氯化铍和無水硫化氫反應得到。

6.碳化铍

碳化铍(Be2C)為黃紅色固體,遇水分解。由铍粉和優質石墨粉反應得到。

7.铍的配合物

由于铍是缺電子原子,它的鹵化物是路易斯酸,容易與電子對給予體形成配合物或加合物。因此铍能生成許多配合物。

1923年美國物理化學家路易斯提出酸堿電子理論認為:凡是可以接受電子對的物質稱為酸,凡是可以給出電子對的物質稱為堿。酸是電子對接受體,堿是電子對給予體。

铍還能生成許多穩定的螯合物。例如将氫氧化铍與醋酸一起蒸發,就生成了堿式醋酸铍Be4O(CH3COO)6。這是一個共價化合物,其中4個Be原子包圍着一個中心O原子,6個醋酸根Ac-則沿着四面體的6條棱邊而排布。這個配合物是共價的,并且能夠被蒸餾,可用于铍的提純。

在铍的其他螯合物中,如草酸铍鹽、萘酚配合物和乙酰丙酮配合物等,在這些螯合物中,铍原子都是四面體地被包圍着。铍的化合物有極高的毒性就是由于它們有極高的溶解度和它們很容易形成配合物之故。

铍鋁性質比較

在周期表中,铍與第IIIA族中的鋁處于對角線位置,它們的性質十分相似。

1.标準電極電勢相近:都是活潑金屬。

2.都是親氧元素,金屬表面易形成氧化物保護膜,都能被濃HNO₃鈍化。

3.均為兩性金屬。氫氧化物也均呈兩性。

4.氧化物BeO和Al2O3都具有高熔點、高硬度。

5.BeCl2和AlCl3都是缺電子的共價型化合物,通過橋鍵形成聚合分子。

6.铍鹽、鋁鹽都易水解,水解顯酸性。

7.碳化铍Be2C像Al4C3一樣,水解時産生甲烷。

盡管Be和Al有許多相似的化學性質,但兩者在人體内的生理作用極不相同。人體能容納适量的鋁,卻不能有一點兒铍,吸入少量的BeO,就有緻命的危險。

毒性

铍的化合物如氧化铍、氟化铍、氯化铍、硫化铍、硝酸铍等毒性較大,而金屬铍的毒性相對比較小些。铍是全身性毒物。毒性的大小,取決于入體途徑、不同铍化合物的理化性質及實驗動物的種類。一般而言,可溶性铍的毒性大,難溶性的毒性小;靜脈注入時毒性最大,呼吸道次之,經口及經皮毒性最小。铍進入人體後,難溶的氧化铍主要儲存在肺部,可引起肺炎。可溶性的铍化合物主要儲存在骨骼、肝髒、腎髒和淋巴結等處,它們可與血漿蛋白作用,生成蛋白複合物,引起髒器或組織的病變而緻癌。铍從人體組織中排洩出去的速度極其緩慢。因此,接觸铍及其化合物要格外小心。

應用領域

铍作為一種新興材料日益被重視,铍是原子能、火箭、導彈、航空、宇宙航行以及冶金工業中不可缺少的寶貴材料。

(1)在所有的金屬中,铍透過X射線的能力最強,有金屬玻璃之稱,所以铍是制造X射線管小窗口不可取代的材料。

(2)铍是原子能工業之寶。在原子反應堆裡,铍是能夠提供大量中子炮彈的中子源(每秒鐘内能産生幾十萬個中子);铍對快中子有很強的減速作用,可以使裂變反應連續不斷地進行下去,所以铍是原子反應堆中最好的中子減速劑。為了防止中子跑出反應堆危及工作人員的安全,反應堆的四周得有一圈中子反射層,用來強迫那些企圖跑出反應堆的中子返回反應堆中去。铍的氧化物不僅能夠像鏡子反射光線那樣把中子反射回去,而且熔點高,特别能耐高溫,是反應堆裡中子反射層的最好材料。

(3)铍是優秀的宇航材料。人造衛星的重量每增加一公斤,運載火箭的總重量就要增加大約500kg。制造火箭和衛星的結構材料要求重量輕、強度大。铍比常用的鋁和钛都輕,強度是鋼的四倍。铍的吸熱能力強,機械性能穩定。

(4)在冶金工業中,含铍1%~3.5%的青銅叫做铍青銅,機械性能比鋼好,且抗腐蝕性好,還保持有很高的導電性。被用來制造手表裡的遊絲,高速軸承,海底電纜等。

(5)含有一定數量鎳的铍青銅受撞擊時不産生火花,利用這一奇妙的性質,可制作石油、礦山工業專用的鑿子、錘子、鑽頭等,防止火災和爆炸事故。含鎳的铍青銅不受磁鐵吸引,可制造防磁零件。

工業用铍大部分以氧化铍形态用于铍銅合金的生産小部分以金屬铍形态應用,另有小量用做氧化铍陶瓷等。40年代前金屬铍用做X光窗和中子源等,從40年代中期到60年代初,主要用于原子能領域,如利用铍能使中子增殖作試驗反應堆的反射層、減速劑和核武器部件等。1956年慣性導航系統首次使用铍陀螺,從此開辟了铍應用的重要領域。60年代铍的主要用途轉入航天與航空領域,用于制造飛行器的部件。

X射線對铍有很高的透過能力。铍核被中子、粒子、氘核及γ射線撞擊或照射時産生中子,因此铍是一種中子源材料。铍原子的熱中子吸收截面為0.009靶恩。

铍是一種長期用于X射線機和宇宙飛船的堅硬的銀色金屬,而且是ITER項目用于牆體的兩種主要材料之一。2019年發現它有了新的用途,可以幫助實現在地球上擁有太陽般的能量——核聚變。

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