元素的奧秘——不要玩鈹,有毒

2019-06-27     周志宏glee

你可能覺得我在標題里寫了錯別字,我只是調皮了一下。但請你真的不要玩鈹,因為它是一種劇毒的金屬,鈹和鈹的化合物被國際癌症研究機構(IARC)列為第1類致癌物。

不過鈹很稀有,一般人根本就接觸不到它。或者,你接觸到了,但你不知道那裡邊有鈹,比如祖母綠寶石Be₃Al₂(SiO₃)₆。

一枚祖母綠寶石戒指

鈹是什麼?

鈹是金屬,它在元素周期表中排名第四位,位於鹼土金屬列的最上端,這說明鈹的原子核里有4個帶正電荷的質子,它的原子核外圍相應地也有4個電子,這4個電子中的2個位於靠近原子核的1s軌道,另2個位於2s軌道上。

別看含有鈹的寶石們一個個都光鮮亮麗身價不菲,鈹金屬自身卻是灰頭土臉很是不怎麼起眼。它呈鋼灰色,楊氏模量達到287GPa,硬而且脆,很容易破碎,總而言之,鈹有寧折不彎的優秀品質,值得稱道。

這是一塊重140g的金屬鈹,看起來像塊煤炭

鈹不僅自身堅硬,當你將鈹與別的金屬組成合金時,它也能大幅度改變相應合金的物理性質。當鋁與鈹組成合金,其屈服強度將由純鋁的7~11MPa升高到479~516MPa;由鈹銅合金製成的工具堅硬且沒有磁性,它的最大強度甚至能達到1400MPa(是高錳鋼的3倍)!並且使用這種合金工具敲擊鋼鐵不會發出火花,這對於許多在抗爆要求高的環境下作業是非常重要的。

一個鈹銅合金扳手

鈹是每單位重量散熱特性最好的金屬,它擁有高比熱(1925 J·kg⁻¹ ·K⁻¹)和導熱係數(216 W·m⁻¹ ·K⁻¹),並且線性熱膨脹係數相對較低(11.4×10⁻⁶ K⁻¹),因此鈹是每單位重量散熱特性最好的金屬,當然了,由於鈹很貴,一般情況下不會有人奢侈到拿它做CPU的散熱器。

鈹的生成和生產

鈹最初產生於「宇宙大爆炸」的一天之後,在原始的宇宙中只產生一種穩定的鈹同位素鈹-9,但在恆星的P-PII反應鏈中,氦-3和氦-4可以聚合而成鈹-7,它的半衰期為53天:

³He + ⁴He ⁷Be + γ

恆星中還合成了鈹的許多其它同位素,這些同位素都不穩定,有的半衰期極短,一閃就沒了,衰變成了其它的東西。

鈹存在於地球的100多種礦物中,其中不乏一些名貴的寶石。比如說綠玉(Al₂Be₃Si₆O₁₈),我們常見的祖母綠就是綠玉的一種,它呈現出不同的綠色是因為其中摻雜有不同比例的鉻離子。

綠玉、祖母綠Be₃Al₂(SiO₃)₆

海藍寶石也是一種綠玉,海藍寶石的淡藍色歸因於其中含有二價鐵離子Fe²⁺,當其中混有Fe³⁺離子則顯示金黃色,而當Fe²⁺與Fe³⁺離子同時存在則顯出深藍色。

一塊海藍寶石結晶體

金綠寶石(Al₂BeO₄),儘管都含有鈹,但從化學式我們可以看出它與綠玉是完全不一樣的東西,金綠寶石有一個我們耳熟能詳的俗稱「貓兒眼」,它的金黃顏色也是因為其中摻雜了不同數量的Fe³⁺離子。

金綠寶石(Al₂BeO₄)

除了上面這幾種寶石外,含鈹的礦物還有被稱為Bertrandite的一種鈹矽酸鹽氫氧化物Be₄Si₂O₇(OH)₂,和矽鈹石phenakite(Be₂SiO₄)。世界鈹的總礦石儲量超過40萬噸,分布於巴西、阿根廷、俄羅斯、印度、馬達加斯加和美國。

鈹的化合物有很多種,從這些化合物中提取鈹是一個複雜的過程。這倒不是因為它們都是珍貴的寶石,而是因為鈹在低溫下不會氧化,但在高溫下對氧卻有很高的親和力,而且當鈹表面的氧化膜被除去時,它在水中的濃度會降低。鈹的原子和離子半徑很小,它具有非常高的電離勢和強極化,同時與其他原子鍵合,這使得鈹具有不同於其它鹼土金屬的化學特性:它的所有化合物都是共價的。

鈹有毒

我們在文章的開頭就提到鈹是第一類致癌物,這不表示你接觸那些寶石後會中毒或患上癌症,鈹的毒性更多地體現在加工過程中的粉塵釋放。當人吸入鈹或含有鈹化合物的粉塵後,短時間內大量或長時期少量吸入含鈹元素的粉塵或煙霧都會導致全身性肉芽腫,將會導致致敏免疫反應。一旦進入體內,鈹就無法被清除,並且可能隨著時間的推移發展為慢性鈹病,進而引發癌症。

你現在應該明白了,類似的問題只會出現在對鈹或鈹產品的工業加工過程中,只要實施嚴密的勞動防護,基本上可以杜絕危害的發生。並且,鈹的精密加工產品通常需要技術人員戴上手套才能接觸它,否則會在上面留下指紋。

這個打磨光滑的鈹球是羅經組件,你需要戴手套才能碰它

鈹的應用

鈹的應用十分廣泛,因為獨特的物理性能,它不僅用來製造一些高端堅硬的工具,一些國家還利用純鈹來製造液體火箭發動機的噴嘴。有些鈹產品在應用了幾年之後就被放棄了,比如說梅賽德斯-奔馳公司一度為麥克拉倫一級方程式車隊的F1賽車製造了鈹鋁合金的發動機活塞;美國軍火商也利用鈹的高硬度、高熔點和出色的散熱能力將其打造成戰鬥機的剎車片。這些應用後來都因為鈹在摩擦後會釋放有毒煙塵而中止了。

鈹一度被用作F1賽車發動機活塞

鈹既輕又堅硬,並且有極出色的熱性能,它受熱後的形變小,因此鈹經常被拿來製做太空望遠鏡的反射鏡面,它也用作飛機坦克的火控系統及光學引導系統。在這方面鈹的優勢是其它任何元素都無法替代的。與鍍鎳的鏡子相比,鈹鏡可以更容易地拋光到更精細的光學表面,在詹姆斯韋伯太空望遠鏡和斯皮策太空望遠鏡中,用的都是鈹製作的反射鏡。

詹姆斯韋伯太空望遠鏡鍍金鈹鏡面

由於原子序數只有4,密度也僅為1.85g/cm³,鈹對X射線透明,所以它最早被用來當成X光機射線源的「窗口」,這算是鈹這種金屬最古老的應用了。

與此同時,鈹-9的原子核里有4個質子和5個中子,鈹對於高能中子具有大的散射截面,它對中子強反射。這個特性被用在了氫彈的設計中,當彈頭中的鈽-239發生內爆,包裹在其周圍的鈹層會將絕大多數的中子約束在氘化鋰的周圍,以促使產生更多的氚,從而使聚變反應更加徹底。

在氫彈引爆的過程中,鈹內殼充當了中子反射鏡(C、D)

除了拿來製做殺人武器,鈹在一些高端奢侈的民用產品上也有應用。因為輕且堅固,鈹合金被用來製作極高端自行車的車架;因為出色的聲學性能,它也被製成發燒級音響的高音喇叭(鈹喇叭比鈦貴許多倍);它還在一些有極高要求的場合被製成各種彈簧。

總結

鈹是最輕的一種鹼土金屬,它在宇宙中的丰度很低,在地球上的儲量也極少。

含有鈹的礦石有許多是寶石,它們是富豪們掌上的奢侈品。

由於2s軌道的兩個電子距離原子核比較近,鈹具有許多其它金屬無法比擬的優越性能,因此被製作成各種有特殊要求的產品。同樣地,由於鈹稀有且難以提煉,鈹的產品都是昂貴的奢侈品,一般人沒有機會玩鈹。

鈹和鈹的化合物在加工過程中產生的粉塵和煙霧有劇毒,大量或長期吸入之後會引發癌變,不過普通人不會接觸到這些,因此大可不必擔心。

鈹,你我沒有機會玩,所以有沒有毒無所謂。話說回來,煙草也是一類致癌物,但抽煙的人可不管這些,照抽不誤。所以通過這篇了解元素的科學才最重要。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-my/cuBHA2wBmyVoG_1ZN6xj.html