《化学元素知识》元素简介：铍

大家好，我们接着来认识铍元素，铍是一种有毒的元素，会涉及医学和职业病相关方面的知识，希望大家喜欢，有什么问题可以和我交流。

铍是一种化学元素，符号为Be，原子序为4，原子量为9.012，属于碱土金属。铍通常在宇宙射线与较重原子散裂过程中产生，是宇宙中较为稀有的元素之一。在恒星核心内，铍会被聚变成更重的元素，几乎很少保留。铍单质呈灰色，是一种坚硬、轻质、易碎的金属。

1. 特性

①物理性质

铍是一种呈灰色的坚硬金属，室温下易碎，晶体呈六方密排结构。铍有着极高的刚性（杨氏模量为287GPa）及熔点。铍的弹性模量大约比钢高50%，铍的密度较低，这导致铍的音速特别高，在标况下约为12.9km/s。另外，由于铍的热容量（1925J/kg·K）和热导率（216W/m·K）都很高，铍是单位重量散热性最好的金属。铍的线性热膨胀率（1.14×10⁻⁵K⁻¹）较低，因此铍在热负荷条件下有着特殊的稳定性。

②核物理性质

除了由宇宙射线所致的痕量放射性同位素以外，天然铍几乎完全由核自旋为3/2的铍-9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，铍是一种良好的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。

铍-9会与中子能量高于1.9MeV的中子反应，产生铍-8和两个中子，铍-8又会立刻分裂成两个α粒子。所以对于高能中子来说，铍是一种中子倍增剂，因为它释放的中子多于吸收的中子。

铍-9在吸收低能中子后，还会生成氚和氦核以及电子。铍-9受高能α粒子撞击时也会释放中子，铍-9会与α粒子发生核反应生成碳-12和一个中子。铍在氘核和质子的撞击下还会释放中子，所以在实验室中可用镭、钋和钚对铍进行辐射作为中子源。大部分波长的X射线和γ射线都可以穿透铍金属，所以铍可以做X射线管等器材的窗口材料。

③同位素与核合成

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。目前科学家认为，宇宙中大部分的稳定铍同位素都是这样产生的。铍稳定的同位素只有铍-9，所以铍属于单一同位素元素。

地球大气层中的氧受宇宙射线散裂，会产生放射性铍-10。铍-10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。因此铍-10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。铍-10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。在发生核爆时，快中子会与空气中二氧化碳的碳-13反应，也会形成铍-10。利用这一现象，可以推测一个地点是否进行过核试验。半衰期为53天的铍-7同位素也是由宇宙射线产生的，其在大气中的含量同铍-10一样和太阳黑子数目有关联。

铍-8的半衰期只有约7×10⁻¹⁷秒。这在宇宙学上有重要的意义，因为这导致任何比铍更重的元素都不可能在大爆炸核聚变中形成，核合成阶段没有足够的时间把氦-4原子核聚变在一起，铍-8的浓度又太低，所以无法形成碳-12。在以氦为燃料的恒星内部，如果时间允许，铍-8有足够的能量触发3氦过程来产生碳-12。恒星所制造的碳和众多元素一样，经历渐近巨星分支和超新星阶段最终喷射出来，成为地球以及碳生命的组成元素。

铍原子的内层电子可以参与化学成键。当铍-7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。

铍-13会经中子发射衰变，其半衰期2.7×10⁻²¹秒，是所有已知铍同位素中最短的。铍-6半衰期亦很短，只有5×10⁻²¹秒。特殊同位素铍-11和铍-14原子核带有核晕，分别有着1个和4个中子在古典费米水滴核模型的外围较远处旋转。

④分布

铍在太阳中的浓度约为十亿分之0.1，在地球地壳中的浓度约为百万分之2-6，其中土壤的铍浓度最高，约为百万分之6。地球大气中也存在痕量的铍-9。铍在海水中的浓度为万亿分之0.2-0.6，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。

含有铍的矿物有上百种，但都并不常见。这些矿物有：羟硅铍石[Be₄Si₂O₇(OH)₂]、绿柱石（Al₂Be₃Si₆O₁₈）、金绿宝石（Al₂BeO₄）、硅铍石（Be₂SiO₄）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。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%。

2.化学性质

铍有着较低的原子半径和离子半径，这影响了铍的化学性质。铍的电离能非常高，与其他原子键合时有很强的极化性，所以很多铍化合物都属于共价化合物。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。铍的表面会形成氧化膜，可有效避免进一步被空气氧化，一般需要加热至1000°C以上，铍才会继续和空气发生反应。铍燃烧时会产生明亮的光芒，并形成氧化铍和氮化铍。铍易溶于如氢氯酸和稀硫酸等酸，但不溶于水。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。铍也可以溶于碱溶液中。

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态极为罕见，一般须在高温下制备、一氯化铍会在低温下迅速歧化，一氯化铍常存在于二氯化铍中；另一种价态的铍存在于卡宾化合物中，其中心的两个铍原子的氧化态为0。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。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。

这种特性被用于EDTA滴定分析中。EDTA优先形成八面体络合物，如在溶剂中萃取铍离子和乙酰丙酮之间形成的络合物时，但同样可能还会吸收如Al³⁺等其他可能干扰的阳离子。铍离子容易与强给予配体形成配合物，如膦氧化物和胂氧化物。对众多铍化合物进行分析表明氧-铍键在金属-氧键中有着较高的稳定性。

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，水解的产物包括[Be₃(H₂O)₆(OH)₃]³⁺三聚体离子及它的单体离子。氢氧化铍属于两性化合物，可溶于强酸及强碱溶液中，但不会溶于pH为5.2-6之间的酸性溶液中。

铍可以和许多非金属形成二元化合物，与卤素会形成无水卤化物。氟化铍（BeF₂）的结构类似于二氧化硅，每四个氟原子与铍原子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。

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。其他碱土金属氟化物虽然有很强的离子性，但由于萤石结构有着特别强的晶格能，这导致它们很难溶于水。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。

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。氢氧化铍经酸处理后，可制备各种铍盐。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。

氮化铍（Be₃N₂）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（BeN₆）。磷化铍(Be₃P₂)的结构与氮化铍（Be₃N₂）相似。碱式硝酸铍和碱式乙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。铍有几种已知的硼化物，如Be₅B、Be₄B、Be₂B、BeB₂、BeB₆和BeB₁₂。碳化铍（Be₂C）是一种砖红色耐火材料，和水反应后会产生甲烷。铍没有已知的硅化物。

有机化学：

由于铍及其衍生物具有毒性，有机铍化学仅限于学术研究。有机铍化合物具有一定反应性，常见的有机铍化合物的例子有二新戊基铍、二茂铍、二烯丙基铍（通过二乙基铍与三烯丙基硼的交换反应）、双（1,3-三甲基甲硅烷基烯丙基）铍和均三甲苯铍[Be(Mes)₂]等等。配体也可以是芳基和炔基。

3.应用

①辐射窗口材料

铍的原子序数和X射线吸收率都很低，所以铍最早被应用于X射线管的辐射窗口，至今这仍是铍的一大用途。为避免在X射线影像上产生额外的痕迹，铍金属必须纯度高且彻底干净。铍对X射线的吸收率极低，不会在同能量等级的X射线下获得大量热量。真空室窗口和同步加速器射束管都完全以铍作为材料。X射线光谱实验的样本固定器一般都以铍制成，因为铍所发出的X射线能量（约为100eV）比大部分样本材料低得多。

高能粒子也能够轻易穿透铍金属，所以铍适合做粒子物理学实验中撞击区周围的材料，这些实验包括：大型强子对撞机四个主要实验（分别为大型离子对撞机实验、超环面仪器、紧凑缈子线圈、LHCb）、兆电子伏特加速器以及斯坦福直线加速器。铍的密度低，能够明显减少撞击产物在抵达四周的探测器之前的交互作用，此外，铍的刚性高，射束管内可以长期维持高真空，从而降低各种气体对实验的干扰。铍也有着很强的热稳定性及抗磁性，能够承受接近绝对零度的低温同时还不会干扰用于聚焦和引导粒子束的多极磁系统。

②机械

铍金属刚性高、密度低，在很大的温度范围内都可稳定保持形状，所以在军队及航空航天工业中可做轻质结构部件材料，可用于高速飞机、导弹、航天器和卫星等。一些液体火箭发动机喷嘴以纯铍制成。科学家曾经考虑用铍金属粉末作为火箭燃料，但这一计划从未付诸实行。一些自行车用铍造车架，价格极其昂贵。

在铜里面加入约2.0%的铍，可形成比铜金属强六倍的铍铜合金。铍合金弹性高、电导率高、热导率高、强度高、硬度高、无磁性、抗腐蚀性强、抗疲劳性强，因此用途很广，例如在可燃气体附近使用的无火花工具（铍镍）、弹簧及外科器材和高温仪器中的薄膜（铍镍和铍铁）等。在液态镁当中只须加入十万分之5的铍，就会显著加强抗氧化性及降低易燃性。

铍的弹性刚度高，在精密仪器方面有广泛的应用，例如惯性导航系统和光学系统中的支撑部分。铍铜合金被用于剥除船体油漆的工具中。

铍还被用于制造高性能留声机磁管测针里的悬臂，由于铍极高的硬度和低密度，留声机在保持高频通道的低失真率的同时仍可拥有最小的跟踪质量。

由于硬度高、熔点高、散热性强，所以铍曾被用在军用飞机的制动器中。因环保原因，铍已被其他材料替代。

为了降低成本，铍可以添加到铝中，形成铍铝合金AlBeMet（商品名）。这种合金比纯铍便宜，并且仍保留了许多铍的原本特性。

③镜面

铍密度低，并可长期不变形，因此可用作气象卫星大面积蜂巢状镜子的材料。小型铍镜子则可用于光学导向系统和火控系统。这些系统须要快速运动，所以镜面必须轻，但刚度必须高。铍镜面通常涂上无电解镍镀层，在抛光后的光学精度能比直接用铍更高。不过，在须低温作业的应用上，铍镜面会直接抛光，因为镀镍后所造成的冷热收缩率不均会使镜面弯曲。

④磁应用

铍是非磁性的。因此，海军或军用爆炸物处理小组通常会用由含铍材料制造的工具来处理那些具有磁性引线的地雷。核磁共振成像仪也会产生巨大的磁场，因此其结构材料也常会使用铍。在无线电和雷达（通常是军用）方面，铍制工具可用于调节磁力极强的速调管、磁控管、行波管等产生强微波的发送器组件。

⑤核应用

一些核武器设计方案用铍制薄板或薄片来做氢弹第一级钚核的最外层材料，用于包裹裂变物质，有助钚-239内爆和中子反射。

当在实验室中需要少量中子时，可把铍用作中子源，无须用到核反应堆或粒子加速器。要产生中子，须对铍目标体进行高能α粒子的撞击，α粒子源可以是钋-210、镭-226、钚-239、镅-241等放射性同位素。α粒子与铍原子核反应之后，铍会经历核嬗变成为碳-12，并发射一颗中子。中子的方向接近于原先α粒子的前进方向。这种以α衰变驱动的铍中子源称为海胆型中子引发剂，曾用于早期核武器中。铍在γ衰变同位素的γ射线照射下也可以作为实验室中子源。

在重水铀反应堆中，铍被用于制造燃料。每根燃料棒束都有经感应焊焊法焊焊到燃料包层上的小附体，所用的焊料就是铍。轴瓦可避免燃料棒束和压力管之间接触，而内部元件间隔垫则避免元件之间接触。

欧洲联合环形加速器和国际热核聚变实验反应堆都有使用铍。有科学家提出利用铍的力学、化学和核性质制造核燃料棒的包壳。氟化铍是共晶盐混合物氟锂铍（FLiBe）的成分之一。不少假想的熔盐堆设计都利用氟锂铍作为溶剂、中子减速剂和冷却剂，如液态氟化钍反应堆。

⑥声学

铍质量低、刚度高，因此适合做高频扬声器驱动器材料。但由于铍价格昂贵（比钛高几倍），塑性时易碎，且具有毒性，所以一般只有高端家居、专业音响和公共广播才会使用含铍的高音扬声器。一些厂商甚至会将不含铍的扬声器称为“铍扬声器”。一些高端留声机磁带会使用铍悬臂通过减少质量来改善跟踪。

⑦电子应用

铍属于3-5族化合物半导体的P型掺杂物，常用于以分子束磊晶法长成的材料之中，如砷化镓、砷化铝镓、砷化铟镓和砷化铝铟等。在表面安装技术上，横轧铍金属片可以为印刷电路板提供极佳的结构支撑。除此之外，铍还可以用来制造散热片。其热膨胀率须要与矾土和聚酰亚胺玻璃基底相匹配。铍-氧化铍金属基复合材料（E-材料）可用于这些电子应用上，且可以针对各种基底材料来调节其热膨胀率。

氧化铍是一种热导率、强度、硬度和熔点都很高的电绝缘体，常被用于无线电发送器的大功率晶体管之中。科学家正在尝试用氧化铍来提高氧化铀核燃料球的热导率。荧光灯管曾含有铍化合物，但这一应用在灯厂工人开始患上铍中毒之后陆续被终止。

⑧医疗

铍也是多种牙科合金的成分。

4. 职业安全卫生与预防

铍中毒是铍引起的中毒，分为急性铍中毒和慢性铍中毒。慢性铍中毒也称慢性铍病，主要表现为肺部病变，因此又称铍肺，也有人称其为绿柱石肺，但慢性铍中毒并不是一种尘肺，慢性铍中毒的反应是全身性的，所以后来多称其为铍病。慢性铍中毒在很多方面都和结节病相似，鉴别诊断较为困难。

①急性铍中毒

急性铍中毒是接触铍及其化合物后产生的急性毒性作用。但在实施具体职业安全程序后，目前急性铍中毒已变得极为罕见。

症状和体征：

通常暴露于铍含量在100μg/m³或以上的环境会产生急性铍中毒的有关症状，急性铍中毒会导致咳嗽、鼻塞、喉咙疼痛、厌食感和易劳累的症状，严重会导致体重减轻及呼吸困难。

除了铍吸入时的毒性，当以相对较低剂量的铍与皮肤接触时，铍会引起局部刺激和接触性皮炎，与被刮伤的皮肤接触可能引起皮疹或溃疡。

风险因素：

急性铍中毒是一种职业病。相关职业是铍开采、铍加工、铍合金制造或铍金属回收等与金属加工有关的职业。

铍对健康有很大的危害，因为铍灰尘、雾气或烟雾中的碎片很被吸入（通常为10μm或更小）。铍金属制备设备和实验室必须时长进行湿润擦拭，以防止颗粒堆积。对粉尘或烟雾进行切割，研磨和抛光程序必须在通风充分的环境运用特定过滤器进行处理。

治疗：

治疗是支持性的，包括从进一步的铍暴露中除去。对于非常严重的情况，可能需要机械通气。

预后：

急性铍中毒的症状和体征通常会持续数周至数月，但只有约10％的病例中可能有着致命危险，约15-20％的患者可能会发展为慢性铍中毒。另外，急性铍中毒会显著提高患肺癌的风险。铍致癌的机制尚不清楚，但可能是由于铍离子会与核酸结合而不是致突变作用导致。

②慢性铍中毒

慢性铍中毒或称慢性铍病（CBD），是一种因长期暴露于铍及其化合物导致铍中毒，属于职业病，主要表现为慢性过敏型肺炎。慢性铍中毒无法治愈，但可以缓解症状。通常慢性铍中毒的总体死亡率为5-38％。接触铍的工人中慢性铍中毒的总体患病率为1-5％。但一般人群不太可能发生铍中毒，因为空气中铍的含量通常非常低（<0.03ng/m³）。

症状和体征：

在长期接触铍及其化合物后，肺可能会对铍敏感。慢性铍中毒发病率很低，并且早期不会有痛感。长期持续暴露会产生称为肉芽肿的炎症性结节。另外，吸入铍不是唯一的暴露形式，皮肤暴露也可增加体内铍的含量。

肉芽肿也可见于其他慢性疾病，如肺结核和肺结节病，有时很难将这些疾病区分开来。然而，慢性铍中毒导致的肉芽肿通常没有坏死的特征，不会显示出类似奶酪的外观。最终会导致变为限制性肺病。

慢性铍中毒的早期症状通常是咳嗽和呼吸短促。其他症状包括胸痛、关节疼痛、体重减轻和发烧也有一定概率出现。但肉芽肿基本出现在肺部，极少数人会在肝脏也出现肉芽肿的结节。

症状持续时间可从最初暴露的数周到数十年不等。铍敏感者可能只经历一次暴露就会导致铍病。

发病机制：

在易感人群中，铍暴露可影响细胞介导的免疫反应。T细胞会变得对铍敏感。这导致随后的每次暴露都会产生免疫反应。这些T细胞包括CD4+T细胞和积聚在肺部的巨噬细胞。随着这种免疫反应继续影响巨噬细胞，最终CD4+T淋巴细胞和浆细胞聚集在一起纤维化形成非干酪性肉芽肿。

一些研究表明，对铍的敏感性存在遗传因素。具体而言，在HLA-DPB1基因Glu⁶⁹位置发生突变的人对铍过敏概率和慢性铍中毒的患病率都会增加。其具体原理是HLA-DPB1基因会影响抗原呈递细胞上的第二类主要组织相容性复合体(MHC)。

诊断：

慢性铍中毒的鉴别诊断包括：结节病、肉芽肿性肺病(包括肺结核、真菌感染、肉芽肿并多发性血管炎)、特发性肺纤维化、过敏性肺炎、哮喘

在这些可能的疾病中，铍中毒与结节病最为相似。一些研究表明，在所有结节病病例中，高达6％实际上是慢性铍病。

慢性铍中毒的确切诊断基于铍暴露的历史、铍敏感性检验以及肉芽肿炎症的肺活检。但由于肺活检可能过于痛苦，诊断也可以基于胸部X线、CT扫描、肺功能检查等结果。

确立铍敏感性是一般是诊断的第一步。铍淋巴细胞增殖试验（BeLPT）是确定铍敏感性的标准方法。这需要对支气管肺泡灌洗获取外周体液进行试验，并用硫酸铍培养淋巴细胞。之后对细胞进行计数，并将那些细胞数量增加的细胞视为异常细胞。两次BeLPT检查结果异常，或一次异常和一种接近异常的暴露者可被认为是铍致敏者。

慢性铍中毒的胸部X线检查结果有时会呈现非特异性。在早期时，放射学检查结果通常是正常的。然而到了后期阶段，肺部会出现间质纤维化，胸膜也会变得不规则，肺部淋巴结会呈现玻璃样混浊。CT上的发现也与慢性铍中毒无关。铍中毒病患者的早期CT扫描中也常发现实质结节。一项研究表明，慢性铍中毒比结节病在CT中更容易出现玻璃样混浊。在晚期时，肺门淋巴结会肿大，间质区域会呈现肺纤维化，胸膜也会有一定程度的增厚。

治疗：

铍病没有治愈方法；治疗的目标是减少症状和减缓疾病的进展。

虽然停止暴露对铍病治疗效果有限，但无论在任何阶段，这都是减轻症状的前提。定期肺功能检查和放射线监测可帮助筛选出患有疾病或临床症状的人群。当出现肺功能检查的临床症状或显着异常时，患者可以进行加氧治疗及口服皮质类固醇等支持性治疗方法。

流行病学：

工人对铍敏感的比例受遗传和暴露水平影响。有研究表明，对铍过敏的概率在9-19％之间，具体取决于从事的行业。许多对铍敏感的工人也符合慢性铍中毒的诊断标准。在对铍敏感的人中，66％也被发现有着慢性铍中毒。据统计，每年约有6-8％的人从对铍敏感演变为慢性铍中毒。而即使那些对铍敏感的人停止接触铍，仍有一定数量的敏感者演变为铍病。

③安全与预防

人体内有大约35毫克的铍，不足以造成伤害。铍的化学性质和镁相似，所以会在酶中取代镁，破坏酶的功能。由于铍离子是一种高电荷的小离子，它很容易进入许多组织和细胞，在那里它特异性地靶向细胞核，抑制许多酶，包括那些用于合成DNA的酶。它的毒性因身体无法控制铍水平而加剧，一旦进入体内，铍就无法被清除。若在短时间内吸入大量或长期吸入少量的铍粉尘，都会引致肺部和循环系统肉芽肿病，是为铍中毒。铍中毒的症状可能在五年以后才开始出现，对三分之一病人致死，对其余则致残。国际癌症研究机构将铍和铍化合物列为1类致癌物。固体铍金属不像粉末状那样具有十分严重的危害，但也会有一定的不良影响。铍会对职业工人的健康与安全产生威胁。在工作场所接触铍会导致免疫反应，长时间暴露会发展成慢性铍病。工人通常会带着手套处理成品铍片。煤渣可以做研磨剂，用于磨去坚硬表面上的油漆和铁銹。但煤渣含有铍，所以铍会在研磨过程中弥漫在空气之中，有吸入摄取的危险。此外，铍粉或粉末会严重刺激眼睛。

科学家在早期须辨尝各种化合物，用甜味判断铍的存在，但这种危险性极高的做法已被现代仪器完全淘汰。吸入过多的含铍飞尘会提高罹患肺癌的可能性，所以铍和铍化合物都须要小心处理，特别须避免产生飞尘。虽然铍化合物自1949年已不再用于荧光灯管中，但在今天仍有一些可能摄取铍的行业，包括：核工业、航空航天工业、铍金属的提炼与铍合金产业、电子产品产业等等。

国际上已对在空气中和各种表面上的铍含量测量法标准达成共识。方法先用稀释氟化氢铵进行溶解，再与硫化羟基苯奎宁结合，最后用荧光检测法检测铍的含量（含量越高则荧光亮度越高）。此方法的灵敏度为工作场所铍含量建议值的100倍，可在各种表面上探测微量的耐火氧化铍和硅质铍。