化學元素—鈹的發現與應用

2020-12-05 初中化學大師

1.鈹的發現

印象中,十八世紀歐洲興起了科學實驗的熱潮,出現了眾多精英,為世界留下寶貴的財富。那種實驗熱潮,就好像《百年孤獨》裡被吉普賽人梅爾基亞德斯帶壞的何塞·阿爾卡迪奧·布恩迪亞一樣,做實驗做到成瘋成魔。

在這時期的早些時候,德國科學家Martin Heinrich Klaproth、瑞典科學家Torbern Olof Bergman都在研究綠柱石(berylite)的過程中,錯誤地認為綠柱石只是矽酸鋁,遺憾地錯過了發現鈹的機會。

Martin Heinrich Klaproth

(1743.12.01-1817.01.01)

Torbern Olof Bergman

(1735.03.20~1784.07.08)

1798年,法國科學家Vauqelin Nicolas Louis在實驗中,用過量的鹼處理綠柱石,除去其中的氫氧化鋁,剩下一種他認為是未知元素的「土」。這種未知元素形成的鹽有甜味,他便用代表甜味的Glucine命名這種元素。後來Klaproth發現釔鹽也有甜味,提議用綠柱石來命名這種元素為beryllium。

Vauqelin Nicolas Louis

(1763.05.16-1829.11.14)

1828年,德國科學家Friedrich Wohler及法國科學家Antoine Alexandre Brutus Bussy各自都用鉀還原氯化鈹製得了金屬鈹,Wohler將它命名為Beryllium,Bussy則將它稱之為Glucinium。

從詞源上講,gluc這個詞根的意思就是「甜的」,glucose,葡萄糖;相近的另一個詞根glyc也是甜的意思,glycerine,丙三醇。

1957年,國際純粹化學與應用化學聯合會(IUPAC)做出了決定,將這種元素命名為Be。

Friedrich Wohler

(1800.07.31-1882.09.23

Antoine Alexandre Brutus Bussy

1794.05.29-1882.01.01

2.鈹與核能

第二次世界大戰期間,由於戰爭的緣故,鈹工業得到空前的發展。

鈹對中子散射截面大,吸收截面小,適用於核反應堆和核武器的中子反射環節。1952年11月01日,美國在太平洋馬紹爾群島的埃尼威託克珊瑚島上空試爆了世界上首顆氫彈邁克,當量1040萬噸。邁克內部含有鈹球殼,圍繞著核反應物質,用來反射大量中子。

鈹還可用於中子源,如聚變堆氚包層模塊(tritiuim blanket module,TBM):

Be-9 + n → 2α + 2n - 16MeV

這是一個(n,2n)反應,即中子倍增反應。

鈹對X射線的吸收率極低,能夠保證X射線的穿透,同時也不會因為吸收過多X射線的能量發熱燒壞。因此,鈹是製造X射線窗口絕佳的材料(Li為什麼不可以?)。核工業的真空室窗口、同步加速器射束管、X射線光譜儀的窗口和樣品固定器都是鈹制。

X射線工作原理

旋轉陽極X射線管結構示意圖

(W即鈹窗口)

X射線管廣告圖

鈹窗口實物

3.鈹與航天

1956年以前,陀螺是用鋼製的,也有用鈦、鎂及鋁的。

1956年,Charles Stark Draper用鈹製造陀螺儀,幾乎重整了陀螺儀行業,也為他自己贏得了慣性制導之父的美名。時至今日,仍沒有材料能夠替代鈹在陀螺中的地位。

慣性制導鈹陀螺是一門複雜的科學技術,涉及靜電懸浮、材料加工、結構設計等若干方面。因為有著豐厚的積累,Draper Lab在全球制導控制領域一直保持著學術和工程的領先地位,課題都是超大項目。不用說厚積薄發,他們就是厚積厚發,估計也沒問題。

Charles Stark Draper

1901.10.02-1987.07.25

民兵III制導系統

民兵III制導系實物

From:National Navial Aviation Museum

美國民兵III鈹陀螺

連續可靠工作可達15000000h)

鈹球

From:Smithsonia National Air and Space Museum

高精度慣性制導要求陀螺轉速高、尺寸穩定、質量輕、抗幹擾能力強。

鈹的各項理化指標都很出色:無磁性、熱導率高(163.3W/mK),力學強度好(楊氏模量287GPa)、幾何尺寸穩定性(0.0000123/K,20℃)。

這麼優秀,只好當仁不讓了。

陀螺儀裡高速旋轉(~50000RPM)的轉子會產生熱。良好的導熱性能夠使這些熱量在陀螺上均勻分布以減小陀螺的內部應力。較低的熱膨脹係數則可以保證陀螺的尺寸穩定。

鈹的密度是每立方米1850kg(鋼是每立方米7930kg,這樣比較就很直觀了),這意味著做同樣大小的陀螺,用鈹可以使陀螺質量更小。對於火箭,這可以省去很多負擔和很多成本。

所有這些,都保證了鈹制陀螺的高精度。否則就是,失之毫釐,謬以千裡!

捨我其誰?!

除此之外,鈹還用做太空望遠鏡的反射鏡片,即便在太空嚴酷的低溫環境中,也不會因為形變影響成像。

同樣的優秀性能,給了人類更遙遠的視界!

Hubble太空望遠鏡

From:National Aeronautics and Space Administration

螺旋星系

(Hubble太空望遠鏡拍得)

From:National Aeronautics and Space Administration

鈹鏡片低溫測試

(Webb太空望遠鏡,2010.07.29)

From:National Aeronautics and Space Administration

主鏡全部展開的18塊鈹鏡

(Webb太空望遠鏡,2017.04.25)

From:National Aeronautics and Space Administration

Webb太空望遠鏡主鏡由18塊鈹鏡組成,NASA聲稱鏡面的粗糙度不超過10nm,真的是極端精密了。另外,鈹鏡表面鍍有純金薄膜提高其反射紅外光線的能力。

4.鈹的毒性

鈹是甜的,甜的要命。

鈹及其化合物粉末、煙霧能引起人體很多器官發生急、慢性中毒。短時間接觸或吸入大量毒物引起的急性中毒,症狀包括接觸性皮炎、咽炎、支氣管炎、化學性肺炎、鼻炎、皮膚潰瘍、眼結膜炎等。慢性中毒的發病時間可延遲長達十幾二十年,主要症狀是雙肺的長期遷延性病變。

遺憾的是,直到1941年人們才逐漸認識到鈹的危害。1949年美國頒布的安全健康標準:人員所處工作環境,每立方米空氣鈹濃度不得超過1g;工作時間內的任何一次檢測,每立方米空氣中鈹濃度不得超過25μg;鈹廠鄰近地區,鈹的月平均濃度每立方米空氣中不得超過0.01μg。

美國科學事務委員會,拒絕鈹合金假牙上市!難怪美國牙醫收入一直高,原來加工假牙的材料裡含毒性的鈹,可以算是危險職業了。

因為領先,世界各國都參照美國防範標準制訂了各自的標準與條件,有的為了省事甚至直接照搬美國標準。

儘管如此,操作接觸鈹的人們,為了自己的健康,真的還是應該特別特別特別小心防護。

5.鈹與寶石

綠柱石是以礦物綠柱石為原料的一類寶石的總稱,化學成分為鈹鋁矽酸鹽。由於形成條件不同,其中所含不同致色離子而呈現不同的顏色。一般為六方柱形晶體。

綠柱石

綠柱石有幾個顏色的變種:含銫時,呈粉紅色,稱為玫瑰綠寶石;含鉻時,呈鮮豔的翠綠色,稱為祖母綠;含二價鐵時,呈淡藍色,稱為海藍寶石;含三價鐵時,呈黃色,稱為黃綠寶石。

綠柱石中祖母綠(Emerald)最珍貴,其次是海藍寶石(Aquamarine)。

祖母綠寶石中一般都有裂縫及內含物,內含物太多自然會影響寶石的價值。但對於寶石研究者來說,祖母綠的內含物是不可多得的樣本,其種類之多之複雜,簡直就是一個花園。

祖母綠礦石

祖母綠裸石

(1.2ct,¥17640,2019.10.13)

海藍寶石的顏色如同海水一樣蔚藍,被認為是來自海底,是海之精華。

海藍寶石礦石

海藍寶石

當然,在唯物者眼裡,價錢和價值是有區別的。神馬寶石,都不過是化學元素的組合排列罷了。

有一個好處,那就是在買寶石的時候,不會被人用海藍寶石冒充藍寶石(Sapphire)忽悠了。

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