Цезий и его характеристики. Цезий и его характеристики Молекула и атом цезия

Цезий (лат. Caesium), Cs, химический элемент I группы периодической системы Менделеева; атомный номер 55, атомная масса 132, 9054; серебристо-белый металл, относится к щелочным металлам. В природе встречается в виде стабильного изотопа 133 Cs. Из искусственно полученных радиоактивных изотопов с массовыми числами от 113 до 148 наиболее устойчив 137 Cs с периодом полураспада Т ½ = 33 года.

Историческая справка. Цезий открыт в 1860 году Р. В. Бунзеном и Г. Р. Кирхгофом в водах Дюркхеймского минерального источника (Германия) методом спектрального анализа. Назван Цезий (от лат. caesius - небесно-голубой) по двум ярким линиям в синей части спектра. Металлический Цезий впервые выделил шведский химик К. Сеттерберг в 1882 при электролизе расплавленной смеси CsCN и Ва.

Распространение Цезия в природе. Цезий - типичный редкий и рассеянный элемент. Среднее содержание Цезия в земной коре (кларк) 3,7·10 -4 % по массе. В ультраосновных горных породах содержится 1·10 -5 % Цезия, в основных - 1·10 -4 %. Цезий геохимически тесно связан с гранитной магмой, образуя концентрации в пегматитах вместе с Li, Be, Та, Nb; в особенности в пегматитах, богатых Na (альбитом) и Li (лепидолитом). Известно два крайне редких минерала Цезия - поллуцит и авогадрит (К,Cs)(BF) 4 ; наибольшая концентрация Цезия в поллуците (26-32% Cs 2 O). Большая часть атомов Цезия изоморфно замещает К и Rb в полевых шпатах и слюдах. Примесь Цезия встречается в берилле, карналлите, вулканическом стекле. Слабое обогащение Цезия установлено в некоторых термальных водах. В целом Цезий - слабый водный мигрант. Основное значение в истории Цезия имеют процессы изоморфизма и сорбции крупных катионов Цезия. В геохимическом отношении Цезий близок к Rb и К, отчасти к Ва.

Физические свойства Цезия. Цезий - очень мягкий металл; плотность 1,90 г/см 3 (20 °С); t пл 28,5 °С; t кип 686 °С. При обычной температуре кристаллизуется в кубической объемноцентрированной решетке (а = 6,045Å). Атомный радиус 2,60 Å, ионный радиус Cs + 1,86 Å. Удельная теплоемкость 0,218 кдж/(кг·К) ; удельная теплота плавления 15,742 кдж/кг (3,766 кал/г); удельная теплота испарения 610,28 кдж/кг (146,0 кал/г); температурный коэффициент линейного расширения (0-26 °С) 9,7·10 -5 ; коэффициент теплопроводности (28,5°С) 18,42 вт/(м·К) ; удельное электросопротивление (20 °С) 0,2 мком·м; температурный коэффициент электросопротивления (0-30°С) 0,005. Цезий диамагнитен, удельная магнитная восприимчивость (18 °С) -0,1·10 -6 . Динамическая вязкость 0,6299 Мн·сек/м 2 (43,4 °С), 0,4065 Мн·сек/м 2 (140,5 °С). Поверхностное натяжение (62 °С) 6,75·10 -2 н/м (67,5 дин/см); сжимаемость (20 °С) 7,05Мн/м 2 (70,5 кгс/см 2). Энергия ионизации 3,893 эв; стандартный электродный потенциал - 2,923 в, работа выхода электронов 1,81 эв. Твердость по Бринеллю 0,15 Мн/м 2 (0,015 кгс/см 2).

Химические свойства Цезия. Конфигурация внешних электронов атома Цезия 6s 1 ; в соединениях имеет степень окисления + 1. Цезий обладает очень высокой реакционной способностью. На воздухе мгновенно воспламеняется с образованием пероксида Cs 2 O 2 и надпероксида CsO 2 ; при недостатке воздуха получается оксид Cs 2 O; известен также озонид CsО 3 . С водой, галогенами, углекислым газом, серой, четыреххлористым углеродом Цезий реагирует со взрывом, давая соответственно гидроксид CsOH, галогениды, оксиды, сульфиды, CsCl. С водородом взаимодействует при 200-350 °С и давлении 5-10 Мн/м 2 (50-100 кгс/см 2), образуя гидрид. Выше 300 °С Цезий разрушает стекло, кварц и других материалы, а также вызывает коррозию металлов. Цезий при нагревании соединяется с фосфором, кремнием, графитом. При взаимодействии Цезия со щелочными и щелочноземельными металлами, а также с Hg, Au, Bi и Sb образуются сплавы; с ацетиленом - ацетиленид Cs 2 C 2 . Большинство простых солей Цезия, особенно CsF, CsCl, Cs 2 CO 3 , Cs 2 SO 4 , CsH 2 PO 4 , хорошо растворимы в воде; малорастворимы CsMnO 4 , CsClO 4 и Cs 2 Cr 2 O 7 . Цезий не принадлежит к числу комплексообразующих элементов, но он входит в состав многих комплексных соединений в качестве катиона внешней среды.

Получение Цезия. Цезий получают непосредственно из поллуцита методом вакуумтермического восстановления. В качестве восстановителей используют Са, Mg, Al и других металлы.

Различные соединения Цезий также получают путем переработки поллуцита. Сначала руду обогащают (флотацией, ручной рудоразработкой и т. п.), а затем выделенный концентрат разлагают либо кислотами (H 2 SO 4 , HNO 3 и другими), либо спеканием с оксидно-солевыми смесями (например, СаО с СаCl 2). Из продуктов разложения поллуцита Цезий осаждают в виде CsAl(SO 4) 2 ·12H 2 O, Cs 3 и других малорастворимых соединений. Далее осадки переводят в растворимые соли (сульфат, хлорид, иодид и других). Завершающим этапом технологического цикла является получение особо чистых соединений Цезия, для чего применяют методы кристаллизации из растворов Cs, Cs 3 , Cs 2 и сорбцию примесей на окисленных активированных углях. Глубокую очистку металлического Цезия производят методом ректификации. Перспективно получение Цезия из отходов от переработки нефелина, некоторых слюд, а также подземных вод при добыче нефти; Цезий извлекают экстракционными и сорбционными методами.

Хранят Цезий либо в ампулах из стекла "пирекс" в атмосфере аргона, либо в стальных герметичных сосудах под слоем обезвоженного вазелинового или парафинового масла.

Применение Цезия. Цезий идет для изготовления фотокатодов (сурьмяно-цезиевых, висмуто-цезиевых, кислородно-серебряно-цезиевых), электровакуумных фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей, электронно-оптических преобразователей. Изотопы Цезия применяют: 133 Cs в квантовых стандартах частоты, 137 Cs в радиологии. Резонансная частота энергетического перехода между подуровнями основного состояния 133 Cs положена в основу современного определения секунды.

Цезий в организме. Цезий - постоянный химический микрокомпонент организма растений и животных. Морские водоросли содержат 0,01-0,1 мкг Цезия в 1 г сухого вещества, наземные растения - 0,05-0,2. Животные получают Цезий с водой и пищей. В организме членистоногих около 0,067-0,503 мкг/г Цезия, пресмыкающихся - 0,04, млекопитающих -0,05. Главное депо Цезия в организме млекопитающих - мышцы, сердце, печень; в крови - до 2,8 мкг/л. Цезий относительно малотоксичен.

Цезий-137 (137 Cs) - бета-гамма-излучающий радиоизотоп Цезий; один из главных компонентов радиоактивного загрязнения биосферы. Содержится в радиоактивных выпадениях, радиоактивных отходах, сбросах заводов, перерабатывающих отходы атомных электростанций. Интенсивно сорбируется почвой и донными отложениями; в воде находится преимуществено в виде ионов. Содержится в растениях и организме животных и человека. Коэффициент накопления 137 Cs наиболее высок у пресноводных водорослей и арктических наземных растений, особенно лишайников. В организме животных 137 Cs накапливается главным образом в мышцах и печени. Наибольший коэффициент накопления его отмечен у северных оленей и северных американских водоплавающих птиц. В организме человека l37 Cs распределен относительно равномерно и не оказывает значительного вредного действия.

Характеристика цезия, его особенности строения и качества, свойственные этому элементу, обязательно проходят в курсе химии. Не только школьники, но и студенты химических специальностей должны знать специфические особенности этого соединения. Применение цезия в настоящее время довольно широкое - но в специфической сфере. Во многом это связано с тем, что при комнатной температуре элемент приобретает жидкое состояние, а в чистом виде практически не встречается. В настоящее время только пять металлов имеют аналогичные качества. Свойства цезия определяют интерес к нему ученых и возможности по применению соединения.

О чем идет речь?

Мягкий металл цезий обозначается в таблице Менделеева символами Cs. Его порядковый номер - 55. Мягкий металл имеет серебристый, золотистый оттенок. Температура плавления - 28 градусов по шкале Цельсия.

Цезий представляет собой щелочной металл, чьи качества и особенности сходны с калием, рубидием. Строение цезия обусловливает повышенную реактивность. С водой металл может реагировать при температуре по шкале Цельсия 116 градусов ниже нуля. Химический элемент цезий имеет высокую пирофорность. Добывается он из поллуцита. Многие радиоактивные изотопы цезия (включая нашедший себе активное применение цезий 137) производятся в ходе переработки отходов, возникающих при функционировании ядерного реактора. Цезий 137 представляет собой результат реакции расщепления.

Исторические предпосылки

Заслуга открытия электронной формулы цезия принадлежит химикам из Германии, выдающимся умам в свой области Кирхгоффу, Бунзену. Это событие случилось в далеком 1860 году. В тот период начали активно менять только-только изобретенную методику спектроскопии пламенем, и в ходе своих экспериментов немецкие ученые обнаружили прежде неизвестный общественности химический элемент - цезий. В тот момент цезий был представлен в качестве получателя, что актуально для фотоэлементов, электронных ламп.

Заметные изменения в истории определения и выделения элемента случились в 1967-м. С учетом сделанного Эйнштейном заявления о том, что скорость света можно считать наиболее постоянным фактором измерения, присущим нашей вселенной, было решено выделить цезий 133. Это стало важным моментом в расширении спектра применения химического элемента цезия - в частности, на нем изготавливают атомные часы.

Цезий в девяностые годы

Именно в последнем десятилетии прошлого века химический элемент цезий начал использоваться человечеством особенно активно. Выяснилось, что он применим в работах бурения жидкостей. Также удалось найти довольно обширную зону применения в химических отраслях. Оказалось, что хлорид цезия и другие его производные могут использоваться при конструировании сложной электроники.

Тогда же, в девяностые, особенное внимание научного сообщества было приковано ко всему, что могло бы стать новым словом в атомной, ядерной энергетике. Именно тогда наиболее тщательно изучили радиоактивный цезий. Выявлено, что полураспад этого компонента требует около трех десятилетий. В настоящее время радиоактивные изотопы цезия нашли широкое применение в гидрологии. Без них не обходятся и медицина, промышленность. Наиболее широкое распространение получил радиоактивный изотоп цезий 137. Цезию свойственен низкий уровень отравляющих способностей, в то же время радиоактивные производные в большой концентрации могут нанести вред природе и человеку.

Физические параметры

Специфика цезия (а также хлорида цезия и других производных этого металла) обуславливает возможности по широкому применению продукта. Среди прочих элементов именно цезий имеет самый малый показатель твердости - всего 0,2 единицы по Кроме мягкости, металлу свойственна податливость. В нормальном состоянии правильная электронная формула цезия позволяет сформировать бледный по цвету материал, способный менять краску на более темную при малейшем контакте с соединениями кислорода.

Точка плавления металла - всего лишь 28 градусов по Цельсию, а это означает, что соединение принадлежит к числу пяти металлов, при комнатной температуре или близкой к таковой находящихся в жидкой фазе. Еще более низкая точка плавления, нежели у цезия, зарегистрирована только у меркурия. Точка кипения цезия тоже невелика - меньше только у ртути. Особенности электрохимического потенциала регламентируют горение металла - он создает фиолетовые оттенки либо синий цвет.

Сочетаемость и особенности

У цезия есть способность вступать в реакции с Также элемент формирует оксиды цезия. Кроме того, наблюдаются реакции с ртутными смесями, золотом. Особенности взаимодействия с другими соединениями, а также температурные режимы, при которых реакции возможны, декларируют возможные межметаллические составы. В частности, цезий является исходным компонентом для формирования фоточувствительных соединений. Для этого проводят реакцию металла с участием тория, сурьмы, галлия, индия.

Кроме оксида цезия, интерес у химиков вызывают и результаты взаимодействия с рядом щелочных элементов. В то же время нужно учитывать, что металл не может реагировать с литием. Для каждого из сплавов цезия характерен собственный оттенок. Некоторые смеси - это черно-фиолетовые соединения, другие окрашены в золотой оттенок, а третьи практически бесцветны, но с ярко выраженным металлическим блеском.

Химические особенности

Наиболее ярко выраженная особенность цезия - его пирофорность. Кроме того, внимание ученых привлекает и электрохимический потенциал металла. Цезий может спонтанно загореться прямо в воздухе. При взаимодействии с водой происходит взрыв, даже если условия реакции предполагали низкие температуры. Заметно отличается в этом плане цезий от первой группы Менделеевской химической таблицы. При взаимодействии цезия и воды в твердом виде также происходит реакция.

Выявлено, что период полураспада цезия длится порядка трех десятилетий. Материал признали опасным в силу его особенностей. Чтобы работать с цезием, необходимо создать атмосферу инертного газа. В то же время взрыв при контакте с водой при равном количестве натрия и цезия во втором случае будет ощутимо слабее. Химики объясняют это следующей особенностью: при контакте цезия с водой происходит мгновенная взрывная реакция, то есть не остается достаточно продолжительного временного промежутка для накопления водорода. Оптимальный метод хранения цезия - закупоренные емкости из боросиликатного соединения.

Цезий: в составе соединений

Цезий в соединениях выступает в качестве катиона. Есть много разнообразных анионов, с которыми возможна реакция формирования соединения. Большая часть солей цезия не имеет цвета, если только окрашивание не обусловлено анионом. Простые соли гигроскопичны, хотя в меньшей степени, чем у других легких металлов-щелочей. Многие в воде растворяются.

Имеют относительно низкую степень растворимости. Это нашло довольно широкое применение в промышленности. Например, сульфат алюминия-цезия активно используется в рудноочистительных установках в силу своей малой растворимости водой.

Цезий: уникальный и полезный

Визуально этот металл сходен с золотом, но немного светлее, нежели самый популярный благородный металл. Если взять кусочек цезия в руку, он быстро расплавится, а полученная субстанция будет подвижной, несколько изменит цвет - ближе к серебру. В расплавленном состоянии цезий отлично отражает лучи света. Из щелочных металлов цезий считается наиболее тяжелым, в то же время ему свойственна самая низкая плотность.

История открытия цезия содержит упоминания о Дюрхгеймском источнике. Именно отсюда прислали образец воды для лабораторного исследования. В ходе анализа составных компонентов особенное внимание уделялось решению вопроса: какой именно элемент обеспечивает лечебные качества жидкости? Немецкий ученый Бунзен решил применить метод спектрального анализа. Именно тогда появились две неожиданные линии голубого оттенка, не свойственные известным на тот момент соединениям. Именно цвет этих полос и помог ученым выбрать имя для нового компонента - небесно-голубой на латыни звучит как «цезий».

Где же мне тебя найти?

Как было выявлено в ходе длительных испытаний, цезий - это рассеянный элемент, который в природных условиях встречается крайне редко. Так, проводя сравнительный анализ содержания в коре планеты рубидия и цезия, ученые выявили, что второго меньше в сотни раз. Приблизительная оценка концентрации дала показатель 7*10(-4) %. Никакой другой менее чувствительный метод, нежели спектроскопия, просто не позволил бы выявить столь редкое соединение. Это объясняет факт того, что раньше ученые даже не подозревали о существовании цезия.

В настоящее время удалось выяснить, что чаще встречается цезий в извлекаемых в горах породах. Его концентрация в этом материале не превышает тысячных долей процента. Категорически малые количества удалось зафиксировать в водах морей. До десятых долей процента доходит уровень концентрации в литиевых, калиевых минеральных соединениях. Чаще всего его удается выявить в лепидолите.

При сравнении отличительных особенностей цезия и рубидия, а также других элементов, встречающихся крайне редко, удалось выявить, что цезию свойственно формирование уникальных минералов, на что не способны прочие соединения. Именно таким образом получаются поллуцит, родицит, авогадрит.

Родицит, как выяснили ученые, встречается в исключительно редко. Аналогичным образом очень сложно найти авогадрит. Поллуцит несколько более распространен, в ряде случаев обнаруживались небольшие залежи. Они обладают очень низкой мощностью, но содержат цезий в количестве 20-35 процентов от общей массы. Самые важные, с точки зрения общественности, поллуциты были обнаружены в американских недрах и на территории России. Также есть шведские разработки, казахстанские. Известно, что поллуцит найден на юго-западе Африканского континента.

Работа продолжается

Не секрет, что открытие элемента и получение его в чистом виде - это две совершенно разные задачи, хоть и связанные между собой. Когда стало ясно, что цезий встречается очень редко, ученые начали разрабатывать методики синтезирования металла в лабораторных условиях. Первое время казалось, что это совершенно непосильная задача, если применять доступные в те времена средства и технику. Бунзену за долгие годы так и не удалось выделить металлический цезий в чистом его виде. Лишь два десятилетия спустя передовые химики смогли наконец решить эту задачу.

Прорыв произошёл в 1882-м, когда Сеттерберг из Швеции провел электролиз смеси, на четыре части состоящей из цианидов цезия, к которым была примешана одна часть бария. Последний компонент использовался, чтобы сделать температуру плавления меньше. Цианиды, как в этот момент уже знали ученые, представляли собой очень опасные компоненты. В то же время за счет бария формировалось загрязнение, что не позволяло получить более-менее удовлетворительное количество цезия. Было ясно, что методика требует существенных доработок. Хорошее предложение в этой сфере было вынесено на обсуждение научного сообщества Бекетовым. Именно тогда внимание привлекла гидроокись цезия. Если восстановить это соединение, применяя металлический магний, повышая нагрев и используя водородный ток, можно добиться несколько лучшего результата, нежели доказанный шведским химиком. Впрочем, реальные эксперименты показали, что выход вдвое меньше, нежели рассчитываемый в теории.

Что дальше?

Цезий и дальше оставался в фокусе внимания международного химического научного сообщества. В частности, в своих исследованиях ему посвятил немало усилий и времени французский ученый Акспиль. В 1911 он предложил кардинально новый подход к вопросу извлечения чистого цезия. Необходимо было проводить реакцию в вакууме, в качестве исходного материала брался хлорид металла, а для его восстановления применялся металлический кальций.

Такая реакция, как показали эксперименты, происходит почти до конца. Чтобы добиться достаточного эффекта, необходимо использовать специальный прибор. В лабораториях обычно прибегают к тугоплавкому стеклу либо применяют кварцевые ёмкости. У прибора должен быть отросток. Внутри поддерживается давление порядка 0.001 мм рт. ст. Для успешной реакции необходимо обеспечить нагрев ёмкости до 675 градусов по шкале Цельсия. При этом выделяется цезий, который практически сразу же испаряется. Пары переходят в предназначенный для этого отросток. А вот хлористый калий преимущественно оседает прямо в реакторе. При заданных условиях летучесть этой соли столь мала, что ее можно вообще не учитывать, поскольку для этого соединения характерная температура плавления - 773 градуса (по той же шкале Цельсия). Это означает, что осадок может расплавиться, если емкость перегреть на сто градусов относительно задуманного. Чтобы добиться максимально эффективного результата, необходимо провести повторный процесс дистилляции. Для этого создают вакуум. На выходе будет идеальный металлический цезий. В настоящее время описанная методика применяется наиболее широко и считается оптимальной для получения соединения.

Активность и реакции

В ходе многочисленных исследований ученые смогли определить, что цезию присуща удивительная активность, в норме не свойственная металлам. При контакте с воздухом происходит возгорание, которое приводит к выделению надпероксида. Добиться окиси можно, если ограничить доступ кислорода к реагентам. Есть возможность формирования субоксидов.

Если цезий контактирует с фосфором, серой, галогеном, это провоцирует сопровождающуюся взрывом реакцию. Также взрыв сопутствует реакции с водой. Используя кристаллизатор, стакан, можно столкнуться с тем, что емкость буквально разлетается на кусочки. Также возможна реакция со льдом, если температура по шкале Цельсия - не ниже 116 градусов. В результате такой реакции продуцируются водород, гидроксид.

Гидроксид: особенности

В ходе изучения продуктов реакции, производимых цезием, химики выявили, что получаемый гидроксид - это очень сильное основание. Взаимодействуя с ним, необходимо помнить, что при высокой концентрации это соединение запросто может разрушить стекло даже без дополнительного нагрева. А вот при повышении температуры гидроксид без труда плавит никель, железо, кобальт. Аналогичным будет влияние на корунд, платину. Если в реакции принимает участие кислород, гидроксид цезия крайне быстро разрушает серебро, золото. Если ограничить поступление кислорода, процесс протекает относительно медленно, но все же не останавливается. Стойкостью к гидроксиду цезия обладают родий и несколько сплавов этого соединения.

Применять с умом

Не только цезий, но и известные на основе этого металла соединения используются в настоящее время очень широко. Без них невозможно представить себе конструирование радиотехники, незаменимы они и в электронике. Активно применяется соединение и вариации цезия в химии, промышленности, офтальмологической сфере, медицинской. Не обойден вниманием цезий и в рамках развития применимых в космосе технологий, а также ядерной энергетики.

В настоящее время распространено использовать цезий при конструировании фотоэлементов. Бромид, иодид этого металла необходимы для создания систем инфракрасного видения. Полученные промышленным путем монокристаллы допускается использовать в качестве элементов детекторов, позволяющих фиксировать ионизирующее излучение. Некоторые соединения на основе цезия активно используются как катализаторы в процессах промышленности. Это необходимо при создании аммиака, формировании и продуцировании бутадиена.

Радиация и цезий

Наибольшее внимание ученых привлекает изотоп цезий 137. Он принадлежит к категории бета-излучателей. В настоящее время этот элемент незаменим в процессе стерилизации продуктов питания, лекарственных соединений. К нему принято прибегать при терапии злокачественных новообразований. Современные подходы позволили применять элемент при гамма-дефектоскопии. На его основе конструируются датчики уровня, а также источники тока. 137-й изотоп в окружающую среду в очень большом количестве попал после аварии на Чернобыльской атомной станции. Именно он - один из самых главных факторов загрязнения после этой катастрофы.

Впрочем, 137-й - это не единственный радиоактивный изотоп цезия, который нашел применение в современной промышленности. Так, атомные часы создаются на изотопе цезия 133. В настоящее время - это самый точный прибор, позволяющий контролировать ход времени. Одна секунда, как выяснили в ходе высокоточных исследований современные ученые, это 9192631770 периодов излучения. Это позволяет использовать атом изотопа цезия 133 как стандарт для определения частоты, времени.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Цезий расположен в шестом периоде I группе главной (A) подгруппе Периодической таблицы.

Относится к семейству s -элементов. Металл. Обозначение - Cs. Порядковый номер - 55. Относительная атомная масса - 132,95 а.е.м.

Электронное строение атома цезия

Атом цезия состоит из положительно заряженного ядра (+55), внутри которого есть 55 протонов и 78 нейтронов, а вокруг, по шести орбитам движутся 55 электронов.

Рис.1. Схематическое строение атома цезия.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

55Cs) 2) 8) 18) 18) 8) 1 ;

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 6 6s 1 .

Внешний энергетический уровень атома цезия содержит 1 электрон, который является валентным. Возбужденного состояния нет. Энергетическая диаграмма основного состояния принимает следующий вид:

Валентный электрон атома цезия можно охарактеризовать набором из четырех квантовых чисел: n (главное квантовое), l (орбитальное), m l (магнитное) и s (спиновое):

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Цезий - пятьдесят пятый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Cs от латинского «caesium». Расположен в шестом периоде, IA группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 55.

Цезий встречается в природе в составе многочисленных минералов, наибольшее значение из которых имеют поллуцит (Cs,Na) 2 Al 2 Si 4 O 12 ×H 2 O и авогадрит (K,Cs)BF 4 . Известно, что он также входит в состав некоторых алюмосиликатов в виде примеси.

В виде простого вещества цезий представляет собой металл золотисто-желтого цвета (рис. 1) с объемно-центрированной кристаллической решеткой. Плотность - 1,9 г/см 3 . Температура плавления 28,4 o С, кипения - 685 o С. Мягкий, легко режется ножом. На воздухе самовоспламеняется.

Рис. 1. Цезий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса цезия

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии цезий существует в виде одноатомных молекул Cs, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 132,9054.

Изотопы цезия

Известно, что в природе цезий может находиться в виде единственного стабильного изотопа 133 Cs. Массовое число равно 133, ядро атома содержит пятьдесят пять протонов и семьдесят восемь нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные изотопы цезия с массовыми числами от 112-ти до 151-го, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 135 Cs с периодом полураспада равным 2,3 млн. лет.

Ионы цезия

На внешнем энергетическом уровне атома цезия имеется один электрон, который является валентным:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5р 6 6s 1 .

В результате химического взаимодействия цезий отдает свой валентный электрон, т.е. является его донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Cs 0 -1e → Cs + .

Молекула и атом цезия

В свободном состоянии цезий существует в виде одноатомных молекул Cs. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу цезия:

Сплавы цезия

Цезий используют в виде сплавов с сурьмой, кальцием, барием, алюминием и серебром в качестве фотоэлементов.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Если бы писателю-беллетристу пришлось заняться «биографией» цезия, то он, может быть, начал так: «Открыт цезий сравнительно недавно, в 1860 г., в минеральных водах известных целебных источников Шварцвальда (Баден-Баден и др.). За короткий исторический срок прошел блистательный путь – от редкого, никому не ведомого химического элемента до стратегического металла. Принадлежит к трудовой семье щелочных металлов, по в жилах его течет голубая кровь последнего в роде... Впрочем, это нисколько не мешает ему общаться с другими элементами и даже, если они не столь знамениты, он охотно вступает с ними в контакты и завязывает прочные связи. В настоящее время работает одновременно в нескольких отраслях: в электронике и автоматике, в радиолокации и кино, в атомных реакторах и на космических кораблях...».

Не принимая всерьез шутливого топа и некоторых явно литературных преувеличений, это жизнеописание можно смело принять за «роман без вранья». Не беспредметен разговор о «голубой крови» цезия – впервые он был обнаружен по двум ярким линиям в синей области спектра и латинское слово «caesius», от которого произошло его название, означает небесно-голубой. Неоспоримо утверждение о том, что цезий практически последний в ряду щелочных металлов. Правда, еще Менделеев предусмотрительно оставил в своей таблице пустую клетку для «экацезия», который должен был следовать в I группе за цезием. И этот элемент (франций) в 1939 г. был открыт. Однако франций существует лишь в виде быстро распадающихся радиоактивных изотопов с периодами полураспада в несколько минут, секунд или даже тысячных долей секунды. Наконец, правда и то, что цезий применяется в некоторых важнейших областях современной техники и науки.

Распространенность цезия в природе и его производство

В литературе нет точных данных о том, сколько цезия имеется на земном шаре. Известно лишь, что он относится к числу редких химических элементов. Полагают, что его содержание в земной коре во всяком случае в несколько сот раз меньше, чем рубидия, и не превышает 7·10 –4 %.

Цезий встречается в крайне рассеянном состоянии (порядка тысячных долей процента) во многих горных породах; ничтожные количества этого металла были обнаружены и в морской воде. В большей концентрации (до нескольких десятых процента) он содержится в некоторых калиевых и литиевых минералах, главным образом в лепидолите. Но особенно существенно то, что, в отличие от рубидия и большинства других редких элементов, цезий образует собственные минералы – поллуцит, авогадрит и родицит. Родицит крайне редок, притом некоторые авторы причисляют его к литиевым минералам, так как в его состав (R 2 O · 2Al 2 O 3 · 3B 2 O 3 , где R 2 O – сумма окисей щелочных металлов) входит обычно больше лития, чем цезия. Авогадрит (K, Cs) тоже редок, да и поллуциты встречаются нечасто; их залежи маломощны, зато цезия они содержат не менее 20, а иногда и до 35%. Наибольшее практическое значение имеют поллуциты США (Южная Дакота и Мэн), Юго-Западной Африки, Швеции и Советского Союза (Казахстан и др.).

Поллуциты – это алюмосиликаты, сложные и весьма прочные соединения. Их состав определяют формулой (Cs, Na) · n H 2 O, и хотя цезия в них много, извлечь его не так просто. Чтобы «вскрыть» минерал и перевести в растворимую форму ценные компоненты, его обрабатывают при нагревании концентрированными минеральными кислотами – плавиковой или соляной и серной. Затем освобождают раствор от всех тяжелых и легких металлов и, что особенно трудно, от постоянных спутников цезия – щелочных металлов: калия, натрия и рубидия.

Современные методы извлечения цезия из поллуцитов основаны на предварительном сплавлении концентратов с избытком извести и небольшим количеством плавикового шпата. Если вести процесс при 1200°C, то почти весь цезий возгоняется в виде окиси Cs 2 O. Этот возгон, конечно, загрязнен примесью других щелочных металлов, но он растворим в минеральных кислотах, что упрощает дальнейшие операции.

Из лепидолитов цезий извлекается вместе с рубидием попутно, как побочный продукт производства лития. Лепидолиты предварительно сплавляют (или спекают) при температуре около 1000°C с гипсом или сульфатом калия и карбонатом бария. В этих условиях все щелочные металлы превращаются в легкорастворимые соединения – их можно выщелачивать горячей водой. После выделения лития остается переработать полученные фильтраты, и здесь самая трудная операция – отделение цезия от рубидия и громадного избытка калия. В результате ее получают какую-либо соль цезия – хлорид, сульфат или карбонат. Но это еще только часть дела, так как цезиевую соль надо превратить в металлический цезий. Чтобы понять всю сложность последнего этапа, достаточно указать, что первооткрывателю цезия – крупнейшему немецкому химику Бунзену – так и не удалось получить элемент №55 в свободном состоянии. Все способы, пригодные для восстановления других металлов, не давали желаемых результатов. Металлический цезий был впервые получен только через 20 лет, в 1882 г., шведским химиком Сеттербергом в процессе электролиза расплавленной смеси цианидов цезия и бария, взятых в отношении 4:1. Цианид бария добавляли для снижения температуры плавления. Однако барий загрязнял конечный продукт, а работать с цианидами было трудно ввиду их крайней токсичности, да и выход цезия был весьма мал. Вол ее рациональный способ найден в 1890 г. известным русским химиком Н.Н. Бекетовым, предложившим восстанавливать гидроокись цезия металлическим магнием в токе водорода при повышенной температуре. Водород заполняет прибор и препятствует окислению цезия, который отгоняется в специальный приемник. Однако и в этом случае выход цезия не превышает 50% теоретического.

Наилучшее решение трудной задачи получения металлического цезия было найдено в 1911 г. французским химиком Акспилем. При методе Акспиля, до сих пор остающемся наиболее распространенным, хлорид цезия восстанавливают металлическим кальцием в вакууме, причем реакция

2CsCl + Ca → CaCl 2 + 2Cs

идет практически до конца. Процесс ведут в специальном приборе (в лабораторных условиях – из кварца или тугоплавкого стекла), снабженном отростком. Если давление в приборе не больше 0,001 мм рт. ст., температура процесса может не превышать 675°C. Выделяющийся цезий испаряется и отгоняется в отросток, а хлористый кальций полностью остается в реакторе, так как в этих условиях летучесть соли ничтожна (температура плавления CaCl 2 равна 773°C, т.е. на 100°C выше температуры процесса). В результате повторной дистилляции в вакууме получается абсолютно чистый металлический цезий.

В литературе описаны еще многие другие способы получения металлического цезия из его соединений, но, как правило, они не сулят особых преимуществ. Так, при замене металлического кальция его карбидом температуру реакции приходится повышать до 800°C, и конечный продукт загрязняется дополнительными примесями. Можно разлагать азид цезия или восстанавливать цирконием его бихромат, но эти реакции взрывоопасны. Впрочем, при замене бихромата хроматом цезия процесс восстановления протекает спокойно, и, хотя выход не превышает 50%, отгоняется очень чистый металлический цезий. Этот способ применим для получения небольших количеств металла в специальном вакуумном приборе.

Мировое производство цезия сравнительно невелико, но в последнее время оно постоянно растет. О масштабах этого роста можно только догадываться – цифры не публикуются.

Свойства цезия

Блестящая поверхность металлического цезия имеет бледно-золотистый цвет. Это – один из самых легкоплавких металлов: он плавится при 28,5°C, кипит при 705°C в обычных условиях и при 330°C в вакууме. Легкоплавкость цезия сочетается с большой легкостью. Несмотря на довольно большую атомную массу (132,905) элемента, его плотность при 20°C всего 1,87. Цезий во много раз легче своих соседей по менделеевской таблице. Лантан, например, имеющий почти такую же атомную массу, по плотности превосходит цезий в три с лишним раза. Цезий всего вдвое тяжелее натрия, а их атомные массы относятся, как 6:1. По-видимому, причина этого кроется в своеобразной электронной структуре атомов цезия. Каждый его атом содержит 55 протонов, 78 нейтронов и 55 электронов, но все эти многочисленные электроны расположены относительно рыхло – ионный радиус цезия очень велик – 1,65 Å*. Ионный радиус лантана, например, равен всего 1,22 Å, хотя в состав его атома входят 57 протонов, 82 нейтрона и 57 электронов.

* Атомный радиус цезия равен 2,62 Å.

Самое замечательное свойство цезия – его исключительно высокая активность. По чувствительности к свету он превосходит все другие металлы. Цезиевый катод испускает поток электронов даже под действием инфракрасных лучей с длиной волны 0,80 мкм. Кроме того, максимальная электронная эмиссия, превосходящая нормальный фотоэлектрический эффект в сотни раз, наступает у цезия при освещении зеленым светом, тогда как у других светочувствительных металлов этот максимум проявляется лишь при воздействии фиолетовых или ультрафиолетовых лучей.

Долгое время ученые надеялись найти радиоактивные изотопы цезия в природе, поскольку они есть у рубидия и калия. Но в природном цезии не удалось обнаружить каких-либо иных изотопов, кроме вполне стабильного 133 Cs. Правда, искусственным путем получено 22 радиоактивных изотопа цезия с атомными массами от 123 до 144. В большинстве случаев они недолговечны: периоды полураспада измеряются секундами и минутами, реже – несколькими часами или днями. Однако три из них распадаются не столь быстро – это 134 Cs, 137 Cs и 135 Cs, живущие 2,07; 26,6 и 3·10 6 лет. Все три изотопа образуются в атомных реакторах при распаде урана, тория и плутония; их удаление из реакторов довольно затруднительно.

Химическая активность цезия необычайна. Он очень быстро реагирует с кислородом и не только моментально воспламеняется на воздухе, но способен поглощать малейшие следы кислорода в условиях глубокого вакуума. Воду он бурно разлагает уже при обычной температуре; при этом выделяется много тепла, и вытесняемый из воды водород тут же воспламеняется. Цезий взаимодействует даже со льдом при –116°C. Его хранение требует большой предосторожности.

Цезий взаимодействует и с углеродом. Только самая совершенная модификация углерода – алмаз – в состоянии противостоять его «натиску». Жидкий расплавленный цезий и его пары разрыхляют сажу, древесный уголь и даже графит, внедряясь между атомами углерода и образуя своеобразные, довольно прочные соединения золотисто-желтого цвета, которые в пределе, по-видимому, отвечают составу C 8 Cs 5 . Они воспламеняются на воздухе, вытесняют водород из воды, а при нагревании разлагаются и отдают весь поглощенный цезий.

Даже при обычной температуре реакции цезия с фтором, хлором и другими галогенами сопровождаются воспламенением, а с серой и фосфором – взрывом. При нагревании цезий соединяется с водородом, азотом и другими элементами, а при 300°C разрушает стекло и фарфор. Гидриды и дейтериды цезия легко воспламеняются на воздухе, а также в атмосфере фтора и хлора. Неустойчивы, а иногда огнеопасны и взрывчаты соединения цезия с азотом, бором, кремнием и германием, а также с окисью углерода. Галоидные соединения цезия и цезиевые соли большинства кислот, напротив, очень прочны и устойчивы. Активность исходного цезия проявляется у них разве только в хорошей растворимости подавляющего большинства солей. Кроме того, они легко превращаются в более сложные комплексные соединения.

Сплавы и интерметаллические соединения цезия всегда сравнительно легкоплавки.

У цезия имеется еще одно весьма важное свойство, тесно связанное с его электронной структурой. Дело в том, что он теряет свой единственный валентный электрон легче, чем любой другой металл; для этого необходима очень незначительная энергия – всего 3,89 эВ. Поэтому получение плазмы из цезия требует гораздо меньших энергетических затрат, чем при использовании любого другого химического элемента.

Где применяется цезий

Неудивительно, что замечательные свойства цезия давно открыли ему доступ в различные сферы человеческой деятельности.

Прежде всего он нашел применение в радиотехнике. Вакуумные фотоэлементы со сложным 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, работают без инерции. В телевидении и звуковом кино широко распространены вакуумные сурьмяно-цезиевые фотоэлементы; их чувствительность даже после 250 часов работы падает всего на 5...6%, они надежно работают в интервале температур от –30° до +90°C. Из них составляют так называемые многокаскадные фотоэлементы; в этом случае под действием электронов, вызванных лучами света в одном из катодов, наступает вторичная эмиссия – электроны испускаются добавочными фотокатодами прибора. В результате общий электрический ток, возникающий в фотоэлементе, многократно усиливается. Усиление тока и повышение чувствительности достигаются также в цезиевых фотоэлементах, заполненных инертным газом (аргоном или неоном).

В оптике и электротехнике широко используются бромиды, иодиды и некоторые другие соли цезия. Если при изготовлении флуоресцирующих экранов для телевизоров и научной аппаратуры ввести между кристалликами сернистого цинка примерно 20% иодистого цезия, экраны будут лучше поглощать рентгеновские лучи и ярче светиться при облучении электронным пучком.

На проходившей в 1965 г. в Москве Международной выставке «Химия-65» в павильоне СССР демонстрировались сцинтилляционные приборы с монокристаллами иодида цезия, активированного таллием. Эти приборы, предназначенные для регистрации тяжелых заряженных частиц, обладают наибольшей чувствительностью из всех приборов подобного назначения.

Кристаллы бромистого и иодистого цезия прозрачны для инфракрасных лучей с длиной волны от 15 до 30 мкм (CsBr) и от 24 до 54 мкм (CsI). Обычные призмы из хлористого натрия пропускают только лучи с длиной волны 14 мкм, а из хлористого калия – 25 мкм. Поэтому применение бромистого и иодистого цезия сделало возможным снятие спектров сложных молекул в отдаленной инфракрасной области.

Весьма чувствительны к свету соединения цезия с оловянной кислотой (ортостаннаты) и с окисью циркония (метацирконаты). Изготовленные на их основе люминесцентные трубки при облучении ультрафиолетовыми лучами или электронами дают зеленую люминесценцию.

Активность многих соединений цезия проявляется в их каталитической способности. Установлено, что при получении синтола (синтетической нефти) из водяного газа и стирола из этилбензола, а также при некоторых других синтезах добавление к катализатору незначительного количества окиси цезия (вместо окиси калия) повышает выход конечного продукта и улучшает условия процесса. Гидроокись цезия служит превосходным катализатором синтеза муравьиной кислоты. С этим катализатором реакция идет при 300°C без высокого давления. Выход конечного продукта очень велик – 91,5%. Металлический цезий лучше, чем другие щелочные металлы, ускоряет реакцию гидрогенизации ароматических углеводородов.

В целом же каталитические свойства цезия изучались мало и его положительное действие оценивалось скорее качественно, чем количественно. Вероятно, это можно объяснить недостаточной актуальностью вопроса, поскольку на цезий имеется настоятельный спрос в ряде других весьма важных областей. К числу последних относится, в частности, медицина. Изотопом 137 Cs, образующимся во всех атомных реакторах (в среднем из 100 ядер урана 6 ядер 137 Cs), заинтересовались специалисты в области рентгенотерапии. Этот изотоп разлагается сравнительно медленно, теряя за год только 2,4% своей исходной активности. Он оказался пригодным для лечения злокачественных опухолей и имеет определенные преимущества перед радиоактивным кобальтом-60: более длительный период полураспада (26,6 года против 5,27) и в четыре раза менее жесткое гамма-излучение. В связи с этим приборы на основе 137 Cs долговечнее, а защита от излучения менее громоздка. Впрочем, эти преимущества становятся реальными лишь при условии абсолютной радиохимической чистоты 137 Cs, отсутствия в нем примеси 134 Cs, имеющего более короткий период полураспада и более жесткое гамма-излучение.

Не только радиоактивный, но и стабильный металлический цезий приобретает все большее значение. Он служит для изготовления специальных выпрямителей, во многих отношениях превосходящих ртутные. В военном и военно-морском деле вакуумные лампы с парами цезия применяются для инфракрасной сигнализации и контроля. В США такого рода прибор, способный обнаружить в темноте всевозможные объекты, называют «снайперскопом».

Но особенно большое внимание уделяется в последнее время цезиевой плазме, всестороннему изучению ее свойств и условий образования. Возможно, она станет «топливом» плазменных двигателей будущего. Кроме того, работы по исследованию цезиевой плазмы тесно связаны с проблемой управляемого термоядерного синтеза. Многие ученые считают, что целесообразно создавать цезиевую плазму, используя высокотемпературную тепловую энергию атомных реакторов, то есть непосредственно превращать эту тепловую энергию в электрическую.

Таков далеко не полный перечень возможностей цезия.

Вскоре после открытия

Цезий, как известно, был первым элементом, открытым с помощью спектрального анализа. Ученые, однако, имели возможность познакомиться с этим элементом еще до того, как Бунзен и Кирхгоф создали новый исследовательский метод. В 1846 г. немецкий химик Платтнер, анализируя минерал поллуцит, обнаружил, что сумма известных его компонентов составляет лишь 93%, но не сумел точно установить, какой еще элемент (или элементы) входит в этот минерал. Лишь в 1864 г., уже после открытия Бунзена, итальянец Пизани нашел цезий в поллуците и установил, что именно соединения этого элемента не смог идентифицировать Платтнер.

Цезий и давление

Все щелочные металлы сильно изменяются под действием высокого давления. Но именно цезий реагирует на него наиболее своеобразно и резко. При давлении в 100 тыс. атм. его объем уменьшается почти втрое – сильнее, чем у других щелочных металлов. Кроме того, именно в условиях высокого давления были обнаружены две новые модификации элементарного цезия. Электрическое сопротивление всех щелочных металлов с ростом давления увеличивается; у цезия это свойство выражено особенно сильно.

Атомные часы

Ядро атома цезия и его валентный электрон обладают собственными магнитными моментами. Эти моменты могут быть ориентированы двояко – параллельно или антипараллельно. Разница между энергиями обоих состояний постоянна, и, естественно, переход из одного состояния в другое сопровождается колебаниями со строго постоянными характеристиками (длина волны 3,26 см). Используя это свойство, ученые создали цезиевые «атомные часы» – едва ли не самые точные в мире.