4 Be 9.012
碱土金属 s-block Period 2 Group 2

Be · Element 4 · Alkaline earth metals

A stiff, feather-light metal that is transparent to X-rays and lethally toxic as dust.

20°C时的状态 固态
原子量 9.012 u
ELECTRON CONFIGURATION [He] 2s²

结构

铍 原子

这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

性质表

每个条形图都显示铍在全部118种元素中该性质的排名位置。

物理

密度 1.85 g/cm³ 15%
熔点 1560 K 65%
沸点 2743 K 53%
比热容 1.825 J/g·K
热导率 200 W/m·K 95%

原子

原子半径 112 pm 11%
共价半径 96 pm
范德华半径 153 pm

电子

电负性 1.57 48%
电离能 899.2 kJ/mol 80%
电子亲和能

存在

地壳中的丰度 2.8 mg/kg 61%

身份

符号Be
原子序数4
原子量9.012 u
类别碱土金属
s
晶体结构六方密排
氧化态+2
发现时间1798
发现者Louis-Nicolas Vauquelin

来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。

按比例显示的大小

How big is a 铍 atom?

Radius 112 pm — that is 0.112 nm, so about 4464 million of them side by side would span a millimetre.

热范围

Solid, liquid, gas — and when

铍 is liquid over a 1183 K window, from 1560 K to 2743 K.

所在位置

在表中的位置

sits in period 2, group 2. Everything in group 2 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER 碱土金属

All 碱土金属

故事

铍 是什么,以及我们如何发现它

质轻、坚固且熔点高的金属。粉末状有毒。

The discovery of 铍

甜味谜团揭开

铍的发现过程宛如一部跨越二十年的侦探故事,涉及杰出的化学家、有毒晶体,以及一种极其难以捉摸的金属。在其真实性质被揭示之前,这种金属因而获得了“glucinium”(甜的)这一昵称。

法国的发现(1797年)

Louis-Nicolas Vauquelin是一位法国药剂师和化学家。当他在巴黎实验室分析祖母绿和绿柱石晶体时,做出了一个惊人的发现。这些美丽的绿色和蓝色宝石含有一种未知元素,溶解后会产生特有的甜味——因此得名“glucinium”,源自希腊语“glykys”(甜)。

Vauquelin因前一年发现铬而早已闻名,但铍的研究要困难得多。他可以通过化学分析确认这种元素的存在,却无法分离出纯金属。他制得的有甜味化合物其实是铍盐,而我们如今知道这些物质毒性极强——幸运的是,Vauquelin只尝了极少量!

德国的突破(1828年)

分离纯铍的竞赛吸引了欧洲化学家长达30多年。最终,两位独立工作的杰出德国科学家同时取得了突破:

Friedrich Wöhler因合成尿素并推翻“生命力”理论而闻名,他设计了一种巧妙的方法。他在铂坩埚中用金属钾加热氯化铍,制得了微小的银色纯铍珠。与此同时,法国的Antoine Bussy采用类似方法,用钾和氟化铍制备铍。

Wöhler这样描述他的成功:“我成功分离出了铍的金属基体……它呈现为小块、钢灰色、非常坚硬的固体。”两人都面临巨大挑战——铍需要高于1,287°C的温度才能熔化,而且其氧化物会形成难以穿透的保护层。

名称之争

法国和德国化学家之间爆发了激烈的命名争论。法国人坚持使用“glucinium”(Gl),而德国人则倾向于以矿物绿柱石命名的“beryllium”(Be)。这场争论一直持续到1957年,国际纯粹与应用化学联合会正式选择了“beryllium”——不过,一些法语和俄语文献直到20世纪70年代仍在使用“glucinium”!

工业革命(1900年代-1940年代)

直到Alfred Stock于1916年前后在德国开发出更好的提纯方法,铍一直只是实验室中的新奇材料。铍的惊人性质——比铝轻却比钢坚固——在第二次世界大战期间引起了军方的注意。曼哈顿计划将铍用作核武器中的中子反射体,使这种默默无闻的元素突然成为具有战略重要性的材料。

应用

铍的用途

航空航天与国防应用

铍是现代航空航天工程的骨干,因此获得了“太空时代金属”的昵称。其卓越的性质使其在容错性极低的关键应用中不可替代。

航天器与卫星技术

NASA大量依赖铍制造詹姆斯·韦布空间望远镜的镜面,其中18块六边形铍片组成主镜。铍的热稳定性确保镜面在太空极端温度变化(-223°C至+123°C)中保持精确形状。Boeing在卫星部件中使用铍,因为它在比钢轻40%的同时还能保持尺寸稳定性。

军事与防御系统

F-22猛禽和F-35闪电II战斗机在其制导系统和雷达部件中使用铍。Lockheed Martin将铍铜合金用于必须尽量减少电磁干扰的导弹制导系统。铍对X射线的透明性使其成为核武器引爆装置和反应堆控制棒的关键材料。

精密制造

含0.5-3%铍的铍铜(BeCu)合金可制造世界上最精密的弹簧和电触点。Materion Corporation等公司制造BeCu部件,用于:

  • 医疗设备:MRI设备、CT扫描仪和外科器械
  • 电子产品:高端音频设备、智能手机部件和计算机连接器
  • 汽车:防抱死制动传感器、安全气囊系统和燃油喷射部件

核应用

铍在核反应堆中充当中子反射体和慢化剂。其较小的中子吸收截面使其非常适合将中子反射回反应堆堆芯,从而提高效率。铍还用于油井测井和材料测试中的中子源。

专用工具

无火花铍铜工具对于炼油厂、化工厂和采矿作业等爆炸性环境至关重要。这些工具可防止引燃易燃气体或粉尘的危险火花。

电子与技术

  • 高端音频设备:Focal、TAD和Yamaha扬声器中的铍膜高音单元,可实现更出色的声音还原
  • 智能手机部件:iPhone和Samsung Galaxy充电接口及按键中的铍铜弹簧
  • 计算机连接器:USB接口、HDMI线缆和主板插槽中的镀金铍铜触点
  • 精密仪器:瑞士手表部件、医疗设备弹簧和科学测量工具

汽车行业

  • 安全系统:安全气囊展开传感器和防抱死制动部件中的铍铜
  • 高性能车辆:Formula 1和NASCAR在高转速发动机中使用BeCu气门弹簧
  • 电动汽车:Tesla和其他EV制造商在电池管理系统中使用铍合金

航空航天应用

  • 商用飞机:Boeing 787和Airbus A350在航空电子设备和导航系统中使用铍
  • 太空任务:SpaceX Falcon 9、NASA火星车和国际空间站部件
  • 卫星:GPS卫星、气象监测系统和通信卫星

工业设备
  • 无火花工具:用于爆炸性环境的扳手、锤子和螺丝刀
  • 焊接设备:电极夹持器和电阻焊电极
  • 石油与天然气行业:钻井设备、阀门部件和安全工具

来源

自然存在

2.8 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 61% of elements

地球上的分布

铍是稀有且珍贵的元素,在地壳中的丰度仅为2.8 parts per million,比银或铂更稀有。尽管储量稀少,铍在地质过程和宇宙事件中都发挥着重要作用。

主要矿物来源

最重要的铍矿石是绿柱石(Be₃Al₂Si₆O₁₈),纯净时可形成美丽的宝石:

  • 祖母绿:由铬着色的绿色绿柱石,产于哥伦比亚、赞比亚和巴西
  • 海蓝宝石:含铁微量元素的蓝色绿柱石,开采于巴西、马达加斯加和巴基斯坦
  • 摩根石:由锰着色的粉色绿柱石,在加利福尼亚和马达加斯加发现
  • 金绿柱石:含铀微量元素的金色绿柱石,产于乌克兰和纳米比亚

其他铍矿物包括羟硅铍石(Be₄Si₂O₇(OH)₂),主要发现于犹他州的斯波山,以及金绿宝石(BeAl₂O₄),其中包括珍贵的猫眼石和变石。

全球采矿作业

美国在铍生产方面占主导地位,Materion Corporation位于犹他州的矿山生产了世界上约85%的铍。中国在新疆维吾尔自治区经营规模较小的矿山,哈萨克斯坦和莫桑比克则有新兴的采矿作业。犹他州的斯波山矿拥有世界上已知最大的羟硅铍石矿床。

宇宙起源

铍有着迷人的宇宙历史。与大多数元素不同,铍无法通过恒星核合成形成,因为它会在恒星内部的高温下被破坏。相反,铍-9通过宇宙射线散裂形成——高能宇宙射线在太空中与碳和氧原子核碰撞,将其撞碎并形成铍。

这一过程使铍成为“宇宙年代计”——科学家可以通过测量陨石和太空样本中的铍同位素来估算宇宙射线的年龄。

处理

安全

极度危险警告

铍是人类已知毒性最强的金属之一。即使是微量的铍也可能导致严重且不可逆的肺部疾病。这种元素无论以何种形式存在,都需要采取最高级别的安全防护措施。

铍中毒——沉默的杀手

慢性铍病(CBD)是吸入铍颗粒导致的、无法治愈且会不断发展的肺部疾病。症状可能在接触数十年后才出现,包括:

  • 进行性呼吸短促和慢性咳嗽
  • 胸痛和极度疲劳
  • 体重减轻和盗汗
  • 最终导致呼吸衰竭和死亡

该疾病影响2-6%的接触者,其中一些人具有遗传易感性。该病无法治愈,只能使用皮质类固醇进行症状管理。

OSHA法规与接触限值

允许接触限值(PEL):2.0 μg/m³(8小时时间加权平均值)

短期接触限值:5.0 μg/m³(15分钟平均值)

行动水平:0.1 μg/m³(触发医学监测)

必需的安全措施

  • 工程控制:HEPA筛选通风系统、负压工作区域、封闭式工艺
  • 个人防护装备:全面罩空气净化呼吸器(最低APF 25)、一次性防护服、丁腈手套
  • 医学监测:基线及年度胸部X射线检查、肺功能测试、铍淋巴细胞增殖测试
  • 去污:专用淋浴设施、独立更衣区域、污染衣物处置

应急处理程序

吸入:立即转移到新鲜空气处,即使没有症状也要就医

皮肤接触:用肥皂和水彻底清洗,脱去受污染的衣物

眼睛接触:用水冲洗15+分钟,立即寻求医疗救治

摄入:不要催吐,立即就医

安全储存与处理

将其储存在指定区域内密封且有标签的容器中,并限制人员进入。切勿干扫被铍污染的区域,只能使用HEPA真空系统。应通过持证承包商作为危险废物处理。

快速回答

铍:常见问题

What is 铍?

铍 (symbol Be) is element 4 on the periodic table, a 碱土金属 in period 2, group 2. A stiff, feather-light metal that is transparent to X-rays and lethally toxic as dust. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of 铍?

铍's ground-state electron configuration is [He] 2s², giving 2 occupied shells holding 2, 2 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of 铍?

铍 melts at 1560 K (1286.9 °C) and boils at 2743 K (2469.9 °C).

What is the atomic mass of 铍?

The standard atomic weight of 铍 is 9.012 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 铍?

铍 has a density of 1.85 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 铍 is about 1.9× heavier.

What is the electronegativity of 铍?

铍 has a Pauling electronegativity of 1.57. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.

Who discovered 铍, and when?

铍 was discovered in 1798 by Louis-Nicolas Vauquelin. It is named after from the gemstone beryl.

How common is 铍 on Earth?

铍 makes up about 2.8 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.