В качестве примеси металл встречается в морганите, амазоните, пекотайте (бериллий-цезий), лепидолите и других полудрагоценных камнях. Собирателям коллекций минералов следует помнить об этом. Другими словами, экспонаты должны храниться в соответствующих условиях.
Цезий и его характеристики
Цезий — пятый элемент в периодической таблице элементов. Его название — Cs — происходит от латинского слова «цезий». Это происходит в шестом часу, группа IA. Он указан как металл. Заряд ядра равен 55.
Цезий встречается в природе в многочисленных минералах, наиболее важными из которых являются полинукцит (Cs,Na)2Al2Si4O12×H2O и авогадрит (K,Cs)BF4. Также известно, что он встречается в качестве примеси в некоторых алюмосиликатах.
Как простое вещество цезий представляет собой золотисто-желтый металл (рис. 1) с объемно-центрированной кристаллической решеткой. Его плотность составляет 1,9 г/см3, температура плавления — 28,4 °C, температура кипения — 685 °C. Он мягкий и легко режется ножом. Он самовоспламеняется на воздухе.
Рисунок 1: Цезий. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса цезия
Относительная молекулярная масса вещества (Mr) — это число, показывающее, насколько часто масса данной молекулы превышает 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (Ar) показывает, как часто средняя атомная масса химического элемента превышает 1/12 массы атома углерода.
Поскольку цезий существует в свободном состоянии в виде одноатомных молекул Cs, его атомная и молекулярная массы совпадают. Она составляет 132,9054.
Изотопы цезия
Известно, что цезий встречается в природе в виде единственного стабильного изотопа 133 Cs. Массовое число 133, а атомное ядро содержит пятьдесят пять протонов и семьдесят восемь нейтронов.
Существуют искусственно нестабильные изотопы цезия с массовыми числами от 112 до 151, из которых самым долгоживущим является изотоп 135 Cs с периодом полураспада 2,3 миллиона лет.
Цезий №55 Cs
Если бы писатель взялся за «биографию» цезия, он мог бы начать так: «Цезий был открыт относительно недавно, в 1860 году, в минеральных водах знаменитых минеральных источников Шварцвальда (Баден-Баден и др.). За короткое время он претерпел блестящее развитие — из редкого и неизвестного химического элемента превратился в стратегический металл. Он принадлежит к семейству щелочных металлов, но в его жилах течет голубая кровь последнего представителя этого семейства. Однако это не мешает ему поддерживать связь с другими элементами, и даже если они не так известны, он готов вступить с ними в контакт и установить прочные связи.
Сегодня он работает сразу во многих областях: электроника и автоматика, радиолокация и кинематография, ядерные реакторы и космические аппараты. «. Не принимая всерьез шутливый тон и некоторые явно литературные излишества, эту биографию можно с уверенностью назвать «романом без вранья». Не лишним будет сказать о «голубой крови» цезия — он был впервые обнаружен по двум линиям света в голубой области спектра, а латинское слово «caesius», от которого происходит его название, означает «голубой цвет неба». Неоспоримо, что цезий является практически последним из щелочных металлов. Но даже Менделеев из предосторожности оставил в своей таблице пустую клетку для эккатида, который должен был следовать за цезием в группе I. Этот элемент (франций) был открыт в 1939 году. Однако кальций существует только в виде радиоактивных изотопов, которые быстро распадаются с периодом полураспада в минуты, секунды или даже миллисекунды. Наконец, цезий также используется в некоторых из наиболее важных областей современной технологии и науки.
Неудивительно, что замечательные свойства цезия уже давно открыли ему доступ в различные сферы человеческой деятельности. Прежде всего, он нашел применение в радиотехнике. Вакуумные фотоэлементы с композитным серебряно-цезиевым фотокатодом особенно ценны для радиолокации: они чувствительны не только к видимому свету, но и к невидимым инфракрасным лучам и, в отличие, например, от селеновых фотоэлементов, работают безынерционно. Сурьмяно-серные вакуумные фотоэлементы широко используются в телевидении и звуковом кино; их чувствительность снижается всего на 5-6 % даже после 250 часов работы, они надежно работают в диапазоне температур о т-30° до +90°С. В этом случае под действием электронов, вызванных световыми лучами в одном из катодов, происходит вторичная эмиссия — электроны испускаются из дополнительных фотокатодов устройства. Это умножает общий электрический ток, генерируемый в фотоэлементе. Усиление тока и более высокая чувствительность достигаются также в цезиевых фотоэлементах, заполненных инертным газом (аргоном или неоном). Бромид, иодид и некоторые другие соли цезия широко используются в оптике и электротехнике. Когда около 20 % йодида цезия помещают между кристаллами сульфида цинка при изготовлении флуоресцентных экранов для телевизоров и научного оборудования, экраны лучше поглощают рентгеновские лучи и ярче светятся при воздействии электронных лучей.
Сцинтилляционные приборы с монокристаллами йодистого цезия, активированными таллием, были представлены в павильоне СССР на международной выставке «Химия-65» в Москве в 1965 году. Эти спиннинговые приборы, предназначенные для обнаружения тяжелых заряженных частиц, обладают самой высокой чувствительностью среди всех приборов аналогичного назначения. Кристаллы бромида и йодида цезия прозрачны для инфракрасных лучей с длиной волны от 15 до 30 мкм (CsBr) и от 24 до 54 мкм (Csl). Обычные призмы из хлорида натрия пропускают только лучи с длиной волны 14 мкм, а призмы из хлорида калия — только лучи с длиной волны 25 мкм. Таким образом, использование бромида и йодида цезия позволило получить спектры сложных молекул в инфракрасном диапазоне. Соединения цезия с оловом (ортостаннаты) и с оксидами циркония (метацирконаты) очень чувствительны к свету. Фосфоресцирующие трубки, изготовленные на их основе, светятся зеленым цветом при облучении ультрафиолетовыми лучами или электронами. Активность многих соединений цезия проявляется в их каталитической способности. Было показано, что при синтезе синтола (синтетической нефти) из газообразной воды и стирола из этилбензола, а также при некоторых других синтезах добавление к катализатору небольшого количества оксида цезия (вместо оксида калия) увеличивает выход конечного продукта и улучшает условия процесса. Гидроксид цезия является отличным катализатором для синтеза муравьиной кислоты. С этим катализатором реакцию проводят при 300 °C без высокого давления. Выход конечного продукта очень высок — 91,5 % — металл цезий ускоряет реакцию гидрирования ароматических углеводородов лучше, чем другие щелочные металлы. В целом, однако, каталитические свойства цезия мало изучены, и его положительный эффект оценивался скорее качественно, чем количественно. Предположительно, это связано с недостаточной актуальностью темы, так как существует высокий спрос на цезий во многих других очень важных областях. К последним, в частности, относится медицина. Изотоп 137Cs, образующийся во всех ядерных реакторах (в среднем 6 ядер 137Cs на 100 ядер урана), представляет интерес для лучевых терапевтов. Этот изотоп распадается относительно медленно, теряя за год всего 2,4 % своей первоначальной активности. Было показано, что он подходит для лечения злокачественных опухолей и имеет ряд преимуществ перед радиоактивным кобальтом-60: более длительный период полураспада (26,6 лет по сравнению с 5,27 годами) и в четыре раза меньшее воздействие гамма-излучения. В результате органы на основе 137Cs более долговечны, а радиационная защита менее обременительна. Однако эти преимущества становятся реальными только при условии абсолютной радиохимической чистоты 137Cs, без примесей 134Cs, который имеет более короткий период полураспада и более сильное гамма-излучение.
История открытия
Вещество было открыто немецкими учеными Вильгельмом Бунзеном и Робертом Кирхгофом, которые испытали метод оптической спектроскопии.
Около 1860 года это был самый современный исследовательский инструмент:
- Исходником стала местная минеральная вода.
- Спектральный анализ выявил две линии цвета летнего неба. Таких раньше не видели.
- Новичок получил соответствующее название: на латыни термин caesius означает « небесный голубой ».
Цезий, первый в истории химический элемент, открытый с помощью спектроскопического анализа.
Двадцать два года спустя стало возможным получить чистый металл. Это произошло благодаря шведскому химику Карлу Сеттербергу. Он экспериментировал с цианистым синтезом цезия-бария.
Нахождение в природе
Типичные формы цезия, встречающиеся в природе, рассеяны в толще других пород или в составе минералов. Минералы полуцит и лепидолит представляют промышленный интерес.
Природный элемент в составе — единственный стабильный изотоп цезия-133. Изотоп цезия-137 образуется при работе реакторов атомных электростанций. В отличие от своего природного аналога, он является мощным и чрезвычайно опасным загрязнителем окружающей среды.
Это редкий элемент: подтвержденные мировые запасы цезия составляют всего 70 тысяч тонн.
Физико-химические характеристики
Металл обладает превосходными физическими и химическими свойствами.
Это самое реактивное вещество из всех известных:
- Взаимодействует со всеми веществами, включая лед.
- На холоде чистый цезий окисляется.
- Это легкоплавкий металл: плавится при +29°C, летом может растекаться даже при комнатной температуре.
- Сплавы со щелочными металлами плавятся при отрицательных температурах (например, с калием и натрием – при минус 78°С).
- Произвольно загорается на воздухе, взрывается в воде, льду при температуре выше минус 115°C.
- Требует специальных условий хранения: обычное стекло контакта с металлом не выдерживает.
На основании этих характеристик цезий можно отличить от других металлов.
| Эти характеристики отличают данный атом от других элементов. | |
|---|---|
| Имя, символ, номер | Цезий / Caesium (Cs), 55 |
| Атомный вес (молекулярная масса) | 132,9054519(2) указ. соч. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | Xe 6s1 |
| Атомный радиус | 267 стр. |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 235 стр. |
| Ионный радиус | (+1e) 167 мк.м. |
| Электромагнетизм | 0,79 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | -2,923 |
| Состояния окисления | 0; +1 |
| Энергия ионизации (первый электрон) | 375,5 (3,89) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность (в н.у.м.) | 1,873 г/см³ |
| Температура плавления | 28,7 °C- 28,5 °C- 28,44 °C |
| Температура кипения | 667,6 °C- 688 °C- 669,2 °C |
| Удельная теплота плавления | 2,09 кДж/моль |
| Удельная теплота парообразования | 68,3 кДж/моль |
| Молекулярная теплоемкость | 32,21 Дж/(К-моль) |
| Молекулярный объем | 70,0 см³/моль |
| Кристаллическая решетка одного вещества | |
| Решетчатая структура | кубически-объемная центрированная решетка |
| Параметр решетки | 6,140 Å |
| Температура Дебая | 39,2 K |
| Другие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 К) 35,9 Вт/(м-К) |
| номер CAS | 7440-46-2 |
Цезий сравним с францием. Но франций еще более нестабилен, поэтому его существование в настоящее время является лишь предположительным.
Сплавы
Сплавы и соединения обычно включают: барий, сурьму, таллий. Эти сплавы производятся путем электролиза.
| Состав соединения, тип сплава | Приложения |
| Cs3Sb (сурьма) | Фотокатализаторы |
| CsBi (висмут) | Фотоэлементы |
| CsCl (хлор) | В радиографии производство проводящего стекла |
| CsI | В инфракрасной оптике, в детекторах частиц |
| CsBr | Содержится в люминофорах |
Познавательно: состав поверхности Марса проводили гамма-спектрометром на основе CsI (Tl).
Плюсы и минусы
Одним из преимуществ металла является его невероятная активность. С точки зрения светочувствительности она непревзойденна. Цезий — самая простая в производстве плазма (низкая энергия, низкая стоимость).
Интересно: многие физики считают, что было бы полезно создавать плазму с помощью энергии ядерных реакторов. Это позволит напрямую преобразовывать тепловую энергию в электрическую.
Недостатками являются сложность обработки металла и ограниченное предложение руд, содержащих цезий.
Познавательно: изотоп 137Cs — источник высокой радиоактивности в районе Чернобыля.
Использование цезия
Этот металл используется в двигателях орбитальных спутников и в МГД-генераторах.
- В источниках тока для топливных элементов.
- В атомных часах (погрешность хода 1 секунда на 100 миллионов лет). Частота перехода для 137Cs равна 9193 Мгц, называемой «стандартом цезия». Это основной стандарт времени в передаче данных GPS, Интернета, мобильной связи.
- Для лечения рака используют радиоактивный 137Cs.
- В оптических приборах (оружейные прицелы, бинокли, ноктовизоры).
- Лазеры с очень высоким КПД.
Интересный факт: Японские ученые обнаружили вещество, способное поглощать радиоактивный цезий из воды и почвы.
Добыча и переработка полуцитовой руды является селективным процессом и осуществляется в меньших масштабах, чем добыча других металлов. Руда дробится, отделяется вручную, но обычно не концентрируется, а затем измельчается. Затем калий извлекается из полисульфида в основном тремя методами: кислотным разложением, щелочным разложением и прямым восстановлением.
При кислотном разложении силикатная порода растворяется сильными кислотами, такими как соляная кислота (HCl), серная кислота (H. 2SO. 4), бромная кислота (HBr) или плавиковая кислота (HF). С соляной кислотой образуется смесь растворимых хлоридов и нерастворимых двойных солей хлорида цезия в виде хлорида и сурьмы (Cs. 4SbCl. 7), иодида хлорида цезия (Cs. 2ICl) или гексахлорцеррата цезия (Cs. 2(CeCl. 6)). Затем чистая осажденная двойная соль разлагается, и CsCl осаждается путем выпаривания чистой воды.
В методе с серной кислотой нерастворимая двойная соль получается непосредственно в виде цезиевого глинозема (CsAl(SO. 4).2-12H. Сернистый компонент алюминия превращается в нерастворимый глинозем путем карбонизации глинозема, и полученный продукт промывается водой для получения раствора Cs.2SO. 4 получен.
Осаждение карбоната кальция и хлорида кальция из пулуцита приводит к образованию нерастворимых силикатов кальция и растворимого хлорида цезия. Этот раствор может быть выпарен для получения хлорида калия или превращен в глинозем или карбонат калия. Хотя это экономически нецелесообразно, руду можно добывать непосредственно с калием, натрием или кальцием в вакууме.
Большая часть добытого цезия (в виде солей) преобразуется непосредственно в формиат цезия (HCOOC), который используется, например, при бурении нефтяных скважин. Чтобы обеспечить рынок, компания Cabot Corporation в 1997 году построила завод по производству формиата цезия мощностью 12 000 баррелей (1 900 м3 ) в год на руднике Танко возле озера Берник в Манитобе. Основными производимыми в небольших масштабах соединениями цезия являются хлорид цезия и нитрат цезия.
. В качестве альтернативы, металлический цезий может быть извлечен из очищенных соединений из руд. Хлорид цезия и другие галогениды цезия могут быть восстановлены при температуре 700-800 °C с помощью кальция или бария и металлического цезия, полученного дистилляцией. Аналогично, глина, карбонат или гидроксид могут быть восстановлены с помощью магния.
. Металл также может быть выделен путем электролиза цианида цезия (CsCN). Чрезвычайно чистый и безгазовый цезий можно получить путем термического разложения азида цезия CsN.3 при 390° C из водного сульфата цезия и азида бария. В условиях вакуума дихромат цезия может реагировать с цирконием, давая чистый металлический цезий без других газообразных продуктов.
Cs. 2Cr. 2O. 7 + 2 Zr → 2 Cs + 2 ZrO. 2+ Cr. 2O. 3
Цена 99,8% чистого цезия (основной металл) в 2009 году составляла около 10 долларов за грамм (280 долларов за унцию), но эти соединения намного дешевле.
История
Густав Кирхгоф (слева) и Роберт Бунзен (в центре) открыли цезий с помощью только что изобретенного спектроскопа.
В 1860 году Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф ввели цезий в минеральную воду из Дюркхайма (Германия). Из-за ярких синих линий в его спектре излучения он был назван в честь латинского слова caesius, что означает небесно-голубой. Цезий впервые был обнаружен с помощью спектроскопа, который был изобретен всего годом ранее Бунзеном и Кирхгофом.
Для получения чистого образца цезия необходимо было выпарить 44 000 литров (9 700 имп. галлонов, 12 000 галлонов США) минеральной воды, чтобы получить 240 кг (530 фунтов) концентрированного солевого раствора. Щелочноземельные металлы осаждались в виде сульфата или оксалата, оставляя щелочной металл в растворе. После перевода в нитрат и экстракции этанолом, смесь экстрагируют без натрия. Литий был осажден из этой смеси с помощью карбоната аммония. Калий, рубидий и цезий образуют нерастворимые соли с хлоридом платины, но эти соли мало отличаются по растворимости в горячей воде, а менее растворимые гексахлороплатиновые соли цезия и рубидия ((Cs, Rb) 2 PtCl 6) были получены методом дробной кристаллизации. После восстановления гексахлороплатината водородом цезий и рубидий были разделены по разнице в растворимости их карбонатов в спирте. В результате из первоначально 44 000 литров минеральной воды было получено 9,2 грамма хлорида рубидия и 7,3 грамма хлорида цезия.
Используя хлорид цезия, двое ученых оценили атомный вес нового элемента в 123,35 (по сравнению с принятым в настоящее время значением в 132,9). Они попытались получить элементарный цезий электролизом расплавленного хлорида цезия, но вместо металла получили голубое однородное вещество, которое «не обнаруживало ни малейших следов металлического вещества ни невооруженным глазом, ни под микроскопом»; поэтому они отнесли его к гипохлориду (Cs. 2Cl). На самом деле, продукт, вероятно, представлял собой коллоидную смесь металла и хлорида цезия. При электролизе водного раствора хлорида с ртутным катодом образуется амальгама цезия, которая легко разлагается в водных условиях. Чистый металл был окончательно выделен немецким химиком в рамках докторской диссертации совместно с Кекуле и Бунзеном. В 1882 году он получил металлический цезий путем электролиза цианистого цезия, что позволило избежать проблем с хлоридом.
В прошлом цезий использовался в основном в научных исследованиях и разработках, главным образом в химической и промышленной сферах. Цезий использовался очень редко до 1920-х годов, когда его стали применять в радиоэлектронных трубках, где он выполнял две функции: В качестве желирующего агента он удалял избыток кислорода после изготовления, а в качестве покрытия для катодного слоя повышал электропроводность. До 1950-х годов цезий не считался металлом, имеющим высокую промышленную ценность. Применение нерадиоактивного цезия включает фотоэлементы, фотоумножители, оптические компоненты для инфракрасных спектрофотометров, катализаторы различных явлений, кристаллы для сцинтилляционных счетчиков и в магнитогидродинамических генераторах тока. Кремний использовался и используется также в качестве положительного источника во вторичной масс-спектрометрии (SIMS).
Приложения
Разведка месторождений
Атомные часы
Ансамбль атомных часов в Военно-морской обсерватории США
FOCS-1, атомные часы с непрерывным холодным цезиевым фонтаном в Швейцарии, начали работать в 2004 году с погрешностью в одну секунду за 30 миллионов лет
Атомные часы на основе цезия используют электромагнитные переходы в сверхтонкой структуре атомов цезия-133 в качестве точки отсчета. Первые точные цезиевые часы были изготовлены в 1955 году Луи Эссеном в Национальной физической лаборатории в Великобритании. Цезиевые часы были усовершенствованы за последние полвека и считаются «самой точной реализацией единицы измерения, когда-либо достигнутой человечеством». Эти часы измеряют частоту с точностью от 2 до 3 частей на 10, что эквивалентно 2 наносекундам в день или одной секунде за 1,4 миллиона лет. Последние версии имеют точность более 1:10, или примерно 1 секунда за 20 миллионов лет. Цезиевый эталон является основным эталоном для стандартных измерений времени и частоты. Цезиевые часы контролируют время работы сетей мобильной связи и Интернета.
Единицы СИ
Секунда, символ с, является единицей времени в СИ. Она определяется постоянным числовым значением цезиевой частоты Δν Cs, невозмущенной частоты сверхтонкого перехода в основное состояние атома цезия-133, которая составляет 9192631770 при выражении в единицах Гц, что эквивалентно значению s.
Электроэнергетика и электроника
Термоэлектрические генераторы на парах цезия — это маломощные устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую. В двухэлектродном преобразователе в вакуумных трубках цезий нейтрализует объемный заряд вблизи катода и усиливает ток.
Цезий также важен своими светоизлучающими свойствами, поскольку он преобразует свет в ток электронов. Он используется в фотоэлементах, поскольку катоды на основе цезия, такие как диастерическое соединение K. 2CsSb, имеют низкое пороговое напряжение для эмиссии электронов. Ассортимент фотоэлектрических устройств, использующих цезий, включает в себя устройства оптического распознавания символов, фотоумножители и трубки для видеокамер. Однако германий, рубидий, селен, кремний, теллур и некоторые другие элементы могут заменить цезий в фоточувствительных материалах.
Кристаллы йодида и бромида цезия (CsI) и кристаллы фторида цезия (CsF) используются в качестве сцинтилляторов в сцинтилляционных счетчиках и широко применяются в разведке полезных ископаемых и исследованиях в области физики частиц для обнаружения гамма-лучей и рентгеновского излучения. Будучи тяжелым элементом, цезий обеспечивает хорошую емкость при лучшем обнаружении. Соединения цезия могут обеспечить более быструю реакцию (CsF) и менее гигроскопичны (CsI).
Пары цеция используются во многих распространенных магнитометрах.
Элемент используется в качестве внутреннего стандарта в спектрофотометрии. Как и другие щелочные металлы, цезий имеет высокое сродство к кислороду и используется в качестве «геттера» в вакуумных трубках. Другие области применения этого металла — высокоэнергетические лазеры, лампы накаливания и паровые выпрямители.
