铍
原子序為4的化學元素 / 维基百科,自由的 encyclopedia
在铝、铜、铁和镍中加入铍作为合金材料,可以加强其物理性质。[5]用铍铜合金制成的工具十分坚硬,在敲击钢铁表面时也不会产生火花。由于铍的抗弯刚度、热稳定性、热导率都很高,密度却很低(只有水的1.85倍),所以适合做航空航天材料,用于导弹、航天器和人造卫星之中。[5]X射线等电离辐射能够穿透低密度和低原子量的铍,所以在X光仪器和粒子物理学实验中都常用铍作为窗口材料。[5]铍和氧化铍可以很好地传导热量,因此被用于控制器械的温度。
铍是一种呈钢灰色的坚硬金属,在室温下易碎,晶体呈六方密排结构。[5]其刚性极高(杨氏模量为287GPa),熔点也很高。铍的弹性模量大约比钢铁高50%,又因密度较低,所以它的音速特别高,在标准温度和压力下约为12.9 km/s。由于热容量(1925 J·kg−1·K−1)和热导率(216 W·m−1·K−1)都很高,因此铍是每单位重量散热性最佳的金属材料。其线性热膨胀率(11.4×10−6 K−1)较低,在热负荷条件下有着特殊的稳定性。[7]
除微量由宇宙射线所致的放射性同位素以外,天然铍几乎完全由核自旋为的铍-9同位素组成。铍的高能中子截面较大,对能量高于10keV的中子截面约为6靶恩。因此,它是一种中子反射体和中子减速剂,能使中子热能降至0.03eV以下。铍对这些低能中子的截面比高能中子低至少一个数量级,其确切截面值取决于材料雏晶的纯度和大小[8]。
9Be同位素还会进行中子能量高于1.9MeV的(n,2n)中子反应,产生,后者立刻又分裂成两个α粒子。所以对于高能中子来说,铍是一种中子倍增剂,即它释放的中子多于吸收的中子。核反应式如下:[9]
- ,其中为粒子,为碳-12原子核。
铍在氘核和质子的撞击下也会释放中子,所以在实验室中可用镭、钋和钚对铍进行辐射作为中子源。[9]
原子核在吸收低能中子后,会释放少量的氚。反应共有三步骤:
恒星内部会产生铍的稳定和不稳定同位素,其中不稳定同位素会迅速衰变。宇宙射线会引致星际物质中更重的元素裂变,产生铍。科学家相信,宇宙中大部分的稳定铍同位素都是这样产生的。[11]原始铍只由这一种稳定同位素组成,所以铍属于单一同位素元素[12]。
地球大气层中的氧受宇宙射线散裂,会产生放射性。[13]在土壤表面积累,并存留一段较长的时间(半衰期为136万年),再衰变成硼-10。因此及其衰变产物可用于检测自然水土流失、成土作用和红土的形成,以及间接测量太阳周期和冰芯的年龄。[14]的生成率与太阳活动成反比,因为太阳活动越高,太阳风就越强,能够抵达地球的宇宙射线通量也就越低。[13]核爆时,快中子和空气中二氧化碳的反应,也会形成。利用这一现象,可以推测一个地点是否进行过核试验。[15]半衰期为53天的同位素也是由宇宙射线产生的,其在大气中的含量同一样和太阳黑子数目有关联[16]。
的半衰期只有约s。这在宇宙学上有重要的意义,因为任何比铍更重的元素都不可能在大爆炸核聚变中形成:[16]核合成阶段没有足够的时间把4He原子核聚变在一起,的浓度又太低,所以无法形成碳。英国天文学家弗雷德·霍伊尔首次表明,在以氦为燃料的恒星内部,时间充裕,和也有足够的能量触发3氦过程来产生碳。恒星所制造的碳和众多元素一样,经渐近巨星分支恒星和超新星喷射出来,最终成为地球以及碳生命的组成元素。[17]
铍原子的内层电子可以参与化学成键。当经电子捕获衰变时,其原子核会拿去内层电子。因此铍的电子排布能够影响其衰变率,程度可观,这在各种核素的核衰变中属于较为罕见的现象。[18]
会经中子发射衰变,其半衰期为s,是所有已知铍同位素中最短的。半衰期亦很短,只有s。[19]特殊同位素和原子核带有核晕,[20]即分别有1个和4个中子在古典费米水滴核模型的外围较远处运转。
铍较低的原子半径和离子半径决定了它的化学性质。其电离能非常高,与其他原子键合时有很强的极化性,所以所有铍化合物都属于共价化合物。[5]根据对角线规则,与元素周期表中邻近的元素相比,铍的化学性质更接近铝,因为两者的电荷半径之比都很高。[5]铍的表面会形成氧化层,有效避免进一步被空气氧化;要加热至1000 °C以上,铍才会继续和空气发生反应。[5][21]燃烧中的铍会产生明亮的光芒,并形成氧化铍和氮化铍。[21]铍易溶于如氢氯酸和稀释硫酸等非氧化酸,但不溶于的硝酸和水。[5]和铝一样,铍在水中会形成氢氧化物保护层,避免进一步反应。[22]铍也可以溶于碱溶液中。[5]
铍原子的电子排布为[He] 2s2。由于有两个价电子,所以铍几乎永远以+2氧化态形成两个共价键。+1态较罕见,如须在高温下制备、在低温下会歧化的一氯化铍。[22]根据八隅体规则,原子会尽量达到8价状态,使电子排布接近稀有气体元素。铍在形成两个共价键后会有4个价电子,即八隅体的一半,所以铍的配位数为4。[5]这一配位数使氟化铍和氯化铍等铍化合物能够形成聚合物。
硫酸铍和硝酸铍等铍盐溶液呈酸性,因为[Be(H2O)4]2+离子会进行水解反应:
水解的产物还包括三聚体离子。氢氧化铍()属于两性化合物,可溶于强碱溶液中,但不可溶于中性和酸性溶液中。
铍可以和许多非金属形成二元化合物,包括与氟、氯、溴和碘所形成的无水卤化物。氟化铍(BeF2)的结构类似于二氧化硅,形成角与角相接的四面体形。氯化铍()和溴化铍()具有链条状结构,形成边与边相接的四面体形。气态下的卤化铍形成线形单体分子结构。[21]
氟化铍()是比较特殊的二氟化物:其共价性质比其他碱土金属的氟化物强得多,但仍比其他卤化铍更接近离子化合物。它和二氧化硅()有许多相似之处。两者都形成四面体配位结构,并会玻璃化。氟化铍的室温晶体结构和某些高温结构都和石英相同。与其他碱土金属氟化物不同的是,氟化铍易溶于水。[23]由于氟化铍具有部分共价键性质,所以它在水溶和熔融状态下的电导率比假设它为完全离子化合物所得数值低得多。[24][25][26][27]
氧化铍()是一种白色耐火材料,晶体结构和硫化锌相同,热导率和某些金属一样高,属于两性化合物。Be(OH)2经酸处理后,可制备各种铍盐。[21]已知铍盐包括硫化铍、硒化物和碲化物,它们都具有立方晶系结构。[22]
氮化铍()是一种可以轻易水解的高熔点化合物。铍也可以形成叠氮化铍()。的结构与相似。碱式硝酸铍和碱式醋酸铍都具有四面体型结构,每个中心氧离子与四个铍原子配位。[22]铍有几种已知的硼化物,如、、、、和。碳化铍()是一种砖红色耐火材料,和水反应后会产生甲烷。[22]铍没有已知的硅化物。[21]
铍在太阳中的浓度约为十亿分之0.1,[28]在地球地壳中的浓度约为百万分之2至6,[29]其中土壤的铍浓度最高,约为百万分之6。铍在海水中的浓度为万亿分之0.2至0.6,在湖泊中为万亿分之1.1,在泉水等流动水源中则可高达十亿分之0.1。地球大气中也有痕量的铍。[30]
含有铍的矿物有上百种,[31]但都并不常见。这些矿物有:羟硅铍石()、绿柱石()、金绿宝石()、硅铍石()等等。较珍贵的绿柱石种类包括海蓝宝石、红绿柱石和祖母绿。[7][32][33]绿柱石宝石呈绿色,是因为其中含有少量的铬。不同品种绿柱石的铬含量各异,在祖母绿中大约为2%。绿柱石和羟硅铍石是铍的主要矿石,分布于阿根廷、巴西、印度、马达加斯加及美国。全球铍矿藏在40万吨以上。[34]