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7440-41-7 / 鈹的應用

背景及概述[1][2]

鈹是一種痕量元素。它在海水中的主要存在形式是BeOH+。1981年C.I.梅修斯和J.M.埃德蒙用苯提取揮發性的三氟乙酰丙酮的鈹衍生物,然后用氣相色譜電子俘獲檢定器測定的方法測定了北太平洋的水樣。表層水中,其濃度為4-5皮摩爾/千克,深水中增加到25-30皮摩爾/千克。7Be是在大氣層中由宇宙射線的作用產生的。

其半衰期是53.6天。它存在在顆粒物中,很快從大氣平流層遷移到海洋中。由于其半衰期太短,不能示蹤海水的水平運動,但可用來示蹤溫躍層中的垂直擴散。10Be也是在大氣層中由宇宙射線的作用形成的,其半衰期為2.5×106年,J.D.伯頓認為,它很快就轉移到沉積物中。鈹符號Be,原子序數4。灰色輕金屬,具有質輕、堅硬、耐高溫等特性。

不溶于水,溶于鹽酸和硫酸中。加熱時可溶于硝酸。溶于堿生成鹽類。在自然界中鈹主要存在于綠柱石中。鈹蒸氣在空氣中易被氧化為氧化鈹粉塵。用鈹制造的鈹合金,用于制造火箭、特種工具和儀表零件。氧化鈹陶瓷用作高溫原子能反應堆的中子減速劑和反射劑,微波輸出窗,飛機、火箭的高溫部件。鈹及其化合物屬原漿毒,有較大的毒性。鈹病尚無特殊療法,最主要是早期發現,早期處理,急性和慢性鈹病均可根據情況應用糖皮質激素。

性能[4]

1. 鈹的物理力學性能

鈹是輕稀有金屬,原子序數小,密度低(只有 收稿日期:2001-08-22 1 .847 g/ cm 3),約為鋁的 2/3,鈦的 1/2。熔點較高 (1 283 ℃)。鈹在室溫條件下為 α-Be,具有密排六方結構;在1 254 ℃時發生相轉變,為 β -Be 結構。

鈹是所有金屬中熱容量最大的一種金屬。室溫下比熱容為 1 .882 8 J/ g·K,鈹比其它金屬吸收的熱量多,這一特性一直保持到熔點。鈹在室溫下的熱導率為 0 .15 kW/(m .K)。鈹的熱膨脹系數與不銹鋼、Ni -Co 合金相當;熱擴散性能也很好。鈹對可見光的反射率為 50 %,對紫外線的反射率為 55 %,對紅外線(10 .6 μm)的反射率為 98 %。對 X 射線穿透率很高(幾乎是透明的),約為鋁的 17 倍,是X 射線窗口不可缺少的材料。

鈹的彈性模量很高(309 000 MPa),大約是鋁的 4 倍,鈦的 2 .5 倍,鋼的 1.5 倍。特別是從室溫到 615 ℃的溫度范圍內,比剛度大約是鋼 、鋁、鈦的 6 倍。另外 ,鈹的熱中子吸收率是所有金屬中最小的,而散射截面很大。鈹的缺點是:(1)有毒 ;(2)性脆;(3)加工過程中在其表面會產生機加損傷;(4)價格昂貴。

鈹的應用

2. 鈹的化學性能

鈹是非常活潑的金屬,與氧的親和力很大,室溫條件下就能與氧反應在其表面生成一薄層具有保護性質的氧化膜。當溫度小于 600 ℃時鈹在干燥空氣 中,可長時間氧化,高于 600 ℃氧化速度將逐漸加快。溫度達 800 ℃,短時停留時,其氧化的程度反而并不太嚴重。

毒性[1]

鈹及其化合物屬原漿毒,有較大的毒性。毒作用機理有三種假說:免疫病理假說(鈹作為一種半抗原,在機體內與蛋白質結合,形成一系列反應直至發病);酶系統擾亂假說(鈹能擾亂多種酶系統);誘發假說(腎上腺皮質功能失調能誘發隱性鈹病)。鈹主要以粉塵或煙霧的形式,經呼吸道侵入機體。鈹不能經完整皮膚侵入。

短期內吸入高濃度鈹或其化合物后,主要引起急性呼吸道化學性炎性病變(急性鈹病),輕癥有鼻咽部干痛、劇咳、胸骨后不適等呼吸道刺激癥狀、胸部X線片可有肺紋理增強、扭曲及紊亂改變,重癥有氣短、咳嗽、咯痰、咯血、發熱和肺部可聞及濕性啰音,胸片X線片可見肺野內彌漫云絮狀或大片狀陰影,有時可出現肺水腫、呼吸衰竭。

長期少量吸入氧化鈹或金屬鈹粉塵引起慢性鈹病,以肺部肉芽腫或肺間質纖維化為主的病變,有不同程度的氣短、咳嗽、胸悶、胸痛等癥狀,可有乏力、頭昏、頭痛、食欲減退、體重減輕等癥狀,胸部X線片在兩中下肺野紋理增多,扭曲變形,伴有網狀陰影,并在一個以上肺野遍布細砂樣或結節狀小陰影,肺門可增大,有時呈廣泛性肺纖維化;或者胸片X線表現中下肺野有網狀陰影,并有散在而局限的細砂樣或結節樣小陰影,同時伴有肺彌散功能障礙或特異性免疫指標異常。預防關鍵是鈹的生產工藝過程應密閉化、機械化。

應用[4]

鈹有許多特性:1995 年在美國鈹的應用為電子器件和電器 占77 %(其中電子器件為57 %,電器為20 %),軍事業占 13 %,其它占10 %。上面的這些數據反映了鈹的應用狀況。同時,也表明鈹的應用正在向“軍轉民”方向逐步擴展。 當用離子轟擊鈹時,可以產生中子 ,因此它可用于核武器裝置、各種核反應堆的反射體材料、減速材料和中子源材料。日本原子能研究所的材料試驗反應堆(JMTR)、研究反應堆(JRR -3)就是用鈹作為反射層材料的。

此外,由于鈹的密度低(同重水一樣),也可以用作核反應堆的減速劑,而且不象重水那樣 會在 100 ℃的溫度下蒸發。鈹在這一領域的應用還可以擴展到熱核聚變反應堆等離子體約束環。已經報道 ,美國 Brush 鈹公司已為歐洲的熱核聚變反應堆研究了鈹部件。鈹在航空航天工業的應用也相當廣泛。美國的飛機控制裝置零部件、軍用飛機的盤形制動器等都用上了鈹材料。

飛機、飛船、火箭導航裝置中的應用如Agena 飛船前置艙的蒙皮、ATS6 高技術衛星磁力計用絎標,RCA 、Satcom 通信衛星折疊式太陽能板的支架結構 ,航天飛機上使用鈹材料制造的擋風窗墊、定位器、臍門等。此外,鈹在航天儀表、慣性導航儀、衛星結構部件、重返大氣層宇航器等都有應用。鈹在空間載入系統、衛星天線板及飛行器的制動閘、輕 型精密反射系統等都有應用實例。

在我國,鈹在航空航天領域的應用尚有待開發,特別是慣性導航技術尤為突出。過去曾經采用鋁作為結構材料,但是鋁材的尺寸穩定性不如鈹好,在存放一定時期后,會出現尺寸超差和精度指標下降的 情況,所以在航天系統,應當擴大鈹的應用研究,諸如陀螺中的關鍵零件浮子框架、浮筒、陀螺轉子軸、轉子軸壓塊、陀螺殼體、端蓋和影響陀螺、加速度計 精度與穩定性的關鍵組件以及平臺關鍵結構件;高精度、長壽命、高可靠的航天器導航設備、儀器、儀表等等。

目前,醫療設備、工業檢測設備層析掃描 裝置,CT的窗口材料都已經應用了鈹;其它帶有加壓探測室儀器的窗口材料也用上了鈹。鈹在家用電器上也有一定應用。據報道一些音響擴音器的振動片就是用鈹材料做成的,鈹還可用于電子顯微鏡的 試樣臺的零部件。 鈹可作為合金添加劑,已研制的新的含鈹合金具有獨特的性能。

制備[5]

金屬鈹的制備方法,按下述方法進行:

第一步,將堿式碳酸鈹與氫氟酸 進行混合反應后得到混合液,其中,堿式碳酸鈹中的鈹與氫氟酸的質量比為1:5至15;

第二 步,將混合液濃縮后得到濃縮液,在濃縮液中,鈹離子的濃度為60g/L至150g/L;

第三步,向濃縮液中通入液氨直至濃縮液的pH值為7至9;

第四步,將第三步得到的濃縮液依序經過冷卻結晶和固液分離后得到氟鈹酸銨,將氟鈹酸銨依序經過烘干和煅燒后得到氟化鈹,其中,烘干的溫度為80℃至120℃,煅燒的溫度為400℃至800℃,煅燒的時間為120分鐘至180分鐘;

第五步,將氟化鈹和鎂錠發生還原反應后得到金屬鈹。

主要參考資料

[1] 衛生學大辭典

[2]中國中學教學百科全書·化學卷

[3] 中學教師實用化學辭典

[4] 張友壽, 秦有鈞, 吳東周, 等. 鈹和含鈹材料的性能及應用[J]. 焊接學報, 2001, 22(6): 92-96.

[5]王晨雪;翁鴻蒙;劉力;夏國定;曹毅臣;萬凌云;孫哲.以堿式碳酸鈹制備氟鈹酸銨的方法、氟化鈹和金屬鈹的制備方法.CN201610265158.0,申請日
20160426

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