基本介紹
- 中文名：鈹
- 外文名：Beryllium
Berylliumatom - CAS登錄號：7440-41-7
- EINECS登錄號：231-150-7
- 熔點：1278 ℃
- 沸點：2970 ℃
- 水溶性：不溶於水
- 密度：1.85 g/cm
- 外觀：灰白色金屬
- 套用：用於原子能反應堆材料，宇航工程材料，各種合金，X射線透射窗等
- 安全性描述：S53；S45
- 危險性符號：T+
- 危險性描述：R49
- 發現人：沃克蘭
- 元素符號：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：1s2s
- 電負性：1.57（鮑林標度）
- 原子半徑：112pm
- 元素類別：鹼土金屬
發現簡史,礦藏分布,理化性質,物理性質,同位素,化學性質,毒性,製備方法,套用領域,計算化學數據,分子結構數據,安全信息,
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鈹。但是，單質鈹在三十年後的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鈹而得到的。
克拉普羅特曾經分析過秘魯出產的綠玉石，但他卻沒能發現鈹。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，並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，因為鈹的鹽類有甜味。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。由於釔的鹽類也有甜味，後來維勒把它命名為Beryllium，它來源於鈹的主要礦石──綠柱石的英文名稱beryl。
綠柱石
礦藏分布
已知含鈹礦物有30多種，但直到1968年，其中僅綠柱石具有工業價值。綠柱石是一種鈹鋁矽酸鹽，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%；主要產於巴西、阿根廷、印度、南非等。中國新疆、江西等地也出產。1968年開始使用含水矽鈹石制鈹。含水矽鈹石中氧化鈹的理論含量為39~42%，但是工業礦物呈高度分散狀態，氧化鈹含量只有1.7~2.5%，主要產於美國。
理化性質
物理性質
鈹是鋼灰色金屬輕金屬。鈹的硬度比同族金屬高，不像鈣、鍶、鋇可以用刀子切割。鈹的一種最重要的物理性質是它的各向異性現象。這是由鈹的六方密堆積結構產生的。這種現象對於所有對結構敏感的性質是重要的。例如經過壓力加工的金屬鈹，其縱斷面和橫斷面的硬度是不相同的。例如某一試樣橫斷面的硬度為64（布氏硬度）而縱斷面的則為81.2。由於很難製得非常純的鈹，所以文獻中所給的鈹的物理常數往往變化很大。
金屬鈹
比熱容：1.82J/gK | 蒸發熱：308.8KJ/mol | 熔化熱：14.6±0.8kJ/mol | 導電率：0.313×10/cm |
導熱係數：2.01W/(cm·K) | 莫氏硬度：5.5 | 原子半徑：112pm | 共價半徑：90pm |
蒸氣壓：4180Pa | 原子體積：4.85cm/g | 離子半徑：31pm |
第一電離能：899.5kJ/mol
第二電離能：1757kJ/mol
第三電離能：14848.7kJ/mol
同位素
鈹共有12個同位素，其中有1個是穩定的。
符號 | 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) |
化學性質
鈹和鋰一樣，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。但是在高溫時鈹是一種活潑金屬，這就使得生產高純鈹的工藝變得困難。BeO的生成熱為-599.1kJ/mol，但是BeO的體積大於Be的體積，因此生成的 BeO成為表面膜，保護了金屬鈹，使它不至於進一步氧化。冷的濃硝酸使鈹鈍化，但金屬鈹可溶於鹽酸和稀的硫酸和硝酸中。不溶於冷水，微溶於熱水，可溶於氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液而放出氫。氟化氫銨溶液也能很快地溶解鍍，生成氟鈹酸銨(NH4)2BeF4，這是工藝上一個重要的反應。金屬鈹對於無氧的金屬鈉即使在較高的溫度下，也有明顯的抗腐蝕性。鈹價態為+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。
鈹的反常性質
Be原子的價電子層結構為2s，它的原子半徑為89pm，Be離子半徑為31pm，Be的電負性為1.47。鈹由於原子半徑和離子半徑特別小，電負性又相對較高，所以鈹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。因此鈹常表現出不同於同族其它元素的反常性質。
（2）氫氧化鈹是兩性的，而同族其它元素的氫氧化物均是中強鹼或強鹼性的。
因此鈹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。
較高的電負性使鈹在許多化合物中形成共價鍵。基態時鈹的電子結構為1s2s，在化合物中形成共價鍵時，一個2s軌道和一個2p軌道進行sp雜化生成二個線性雜化軌道，二個價電子分配在這二個雜化軌道上，與二個其他原子形成二個鍵。氣態氯化鈹單體就是這種線性結構分子，Cl:Be:Cl，在某些情況下共價鈹化合物是聚合物，因為它們是缺電子化合物，如氫化鈹和鈹的烷基化合物。
化合物
1、氧化鈹
鈹在氧氣中燃燒，或鈹的碳酸鹽、硝酸鹽、氫氧化物加熱分解，都可以得到白色末狀的氧化鈹BeO，它的熔點為2803K，難溶於水，也不容易溶於乙醇，可用做耐高溫材料。BeO是共價型的，並具有44的硫化鋅（閃鋅礦型）結構。BeO不溶於水，但能溶於酸生成的鈹鹽，也能溶於鹼生成的鈹酸鹽，BeO是兩性氧化物。
2、氫氧化鈹
3、氫化鈹
Be不能與H2直接化合生成氫化鈹，但用氫化鋁鋰還原氯化鈹可以製得氫化鈹。
氫化鈹是共價型化合物，它的結構類似於乙硼烷的結構，在兩個Be原子之間形成了氫橋鍵。
4、氯化鈹
氯化鈹是共價型化合物，在空氣中會吸潮並由於水解而發煙：
BeCl2 + H2O = BeO + 2HCl
氯化鈹能升華並且不傳導電流。無水氯化鈹是聚合型的(BeCl2)x。
5、硫化鈹
硫化鈹（BeS）是灰白色粉末，相對密度2.36。可由氯化鈹和無水硫化氫反應得到。
6、碳化鈹
碳化鈹（Be2C）為黃紅色固體，遇水分解。由鈹粉和優質石墨粉反應得到。
7、鈹的配合物
由於鈹是缺電子原子，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。因此鈹能生成許多配合物。其中鈹接受二對共享的電子，生成以四個sp雜化軌道的鍵構成的四面體。這種Be-X共價鍵有較大的極性，與其他鹼土金屬或鋅不同。像周期表中第二周期的其他元素一樣，鈹的配位數不能擴大到6，因為鈹的原子太小，不可能利用3d軌道進行雜化。
1923年美國物理化學家路易斯提出酸鹼電子理論認為：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鹼。酸是電子對接受體，鹼是電子對給予體。
鈹還能生成許多穩定的螯合物。例如將氫氧化鈹與醋酸一起蒸發，就生成了乙酸氧鈹Be4O(CH3COO)6。這是一個共價化合物，其中4個Be原子包圍著一個中心O原子，6個醋酸根Ac-則沿著四面體的6條棱邊而排布。這個配合物是共價的，並且能夠被蒸餾，可用於鈹的提純。
鈹鋁性質比較
在周期表中，鈹與第IIIA族中的鋁處於對角線位置，它們的性質十分相似。
1．標準電極電勢相近：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．鈹鹽、鋁鹽都易水解，水解顯酸性。
7．碳化鈹Be2C像Al4C3一樣，水解時產生甲烷。
儘管Be和Al有許多相似的化學性質，但兩者在人體內的生理作用極不相同。人體能容納適量的鋁，卻不能有一點兒鈹，吸入少量的BeO，就有致命的危險。
毒性
製備方法
鈹在自然界中含量為6ppm。最常見的鈹礦有綠柱石、鈹矽石、光榴石。電解熔融的氯化鈹可以製取鈹。鈹可由氟化鈹與鹼金屬或鹼土金屬的氟化物製成M2BeF4或MBeF4類型的熔融鹽，然後進行電解而得到。純度可達99.7%。也可由氯化鈹與鹼金屬的氯化物製成熔融鹽，再電解而製得鈹，其純度可達99.8%以上。
精製方法如果需要更高純度的產品，可以用真空蒸餾法提純。將電解得到的產品置於真空蒸餾裝置中。開始蒸餾時需注意，容器先不要密封，因為粗品中夾帶有電解質、其他鹼土金屬和氣體，加熱時會迸濺，等氣體排出，熔融的金屬平穩下來之後，再密閉容器，抽真空，至到達高真空時，加熱1400～1500℃進行蒸餾，約20min後，待粗品剩餘約1/4時停止加熱，產品的純度可達99.97%。
套用領域
鈹作為一種新興材料日益被重視，鈹是原子能、火箭、飛彈、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，鈹透過X射線的能力最強，有金屬玻璃之稱，所以鈹是製造X射線管小視窗不可取代的材料。
2、鈹是原子能工業之寶。在原子反應堆里，鈹是能夠提供大量中子炮彈的中子源（每秒鐘內能產生幾十萬個中子）；鈹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，所以鈹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。鈹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，特別能耐高溫，是反應堆里中子反射層的最好材料。
3、鈹是優秀的宇航材料。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。製造火箭和衛星的結構材料要求重量輕、強度大。鈹比常用的鋁和鈦都輕，強度是鋼的四倍。鈹的吸熱能力強，機械性能穩定。
4、在冶金工業中，含鈹1%~3.5%的青銅叫做鈹青銅，機械性能比鋼好，且抗腐蝕性好，還保持有很高的導電性。被用來製造手錶里的遊絲，高速軸承，海底電纜等。
5、含有一定數量鎳的鈹青銅受撞擊時不產生火花，利用這一奇妙的性質，可製作石油、礦山工業專用的鑿子、錘子、鑽頭等，防止火災和爆炸事故。含鎳的鈹青銅不受磁鐵吸引，可製造防磁零件。
工業用鈹大部分以氧化鈹形態用於鈹銅合金的生產小部分以金屬鈹形態套用，另有小量用做氧化鈹陶瓷等。40年代前金屬鈹用做X光窗和中子源等，從40年代中期到60年代初，主要用於原子能領域，如利用鈹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鈹陀螺，從此開闢了鈹套用的重要領域。60年代鈹的主要用途轉入航天與航空領域，用於製造飛行器的部件。
X射線對鈹有很高的透過能力。鈹核被中子、粒子、氘核及γ射線撞擊或照射時產生中子，因此鈹是一種中子源材料。鈹原子的熱中子吸收截面為0.009靶恩。
計算化學數據
1.疏水參數計算參考值（XlogP）:無
2.氫鍵供體數量:0
3.氫鍵受體數量:0
4.可旋轉化學鍵數量:0
5.互變異構體數量:無
6.拓撲分子極性表面積0
7.重原子數量:1
8.表面電荷:0
9.複雜度:0
10.同位素原子數量:0
11.確定原子立構中心數量:0
12.不確定原子立構中心數量:0
13.確定化學鍵立構中心數量:0
14.不確定化學鍵立構中心數量:0
15.共價鍵單元數量:1
分子結構數據
1、摩爾折射率：無可用的
2、摩爾體積（cm/mol）：無可用的
3、等張比容（90.2K）：無可用的
4、表面張力（dyne/cm）：無可用的
5、介電常數：無可用的
6、極化率（10cm）：無可用的
7、單一同位素質量：9.012182 Da
8、標稱質量：9 Da
9、平均質量：9.0122 Da
安全信息
信息：
包裝等級：III
風險類別：8
WGK_Germany：1
德國有關水污染物質的分類清單
危險類別碼：R49
安全說明：S53-S45
RTECS號：DS1750000
安全標誌：S45:出現意外或者感到不適，立刻到醫生那裡尋求幫助（最好帶去產品容器標籤）。S53:避免暴露——使用前先閱讀專門的說明。
危險標誌：T+,T
