Тает в руках, но не снег – загадка из раздела «химия». Отгадка – цезий . Температура плавления этого металла равна 24,5 градусам Цельсия. Вещество, буквально утекающее сквозь пальцы, открыто в 1860-ом году. Цезий стал первым элементом, обнаруженным с помощью спектрального анализа.
Провели его Роберт Бунзен и Густав Киргоф. Химики изучали воды минеральных источников в Дюркхейме. Обнаружили магний, литий, кальций, . Напоследок, поместили каплю воды в спектроскоп и увидели две линии синего цвета – свидетельство присутствия неизвестного вещества.
Для начала выделили его хлороплатинат. Ради 50 граммов переработали 300 тонн минеральной воды. С названием нового металла мудрить не стали. С латинского «цезий» переводится как «голубой».
Химические и физические свойства цезия
В спектроскопе металл лучится ярко-синий. В реальности же элемент схож с , немного светлее его. В жидком состоянии желтизна цезия уходит, расплав становится серебристым. Добыть сырье для опытов непросто.
Из металлов элемент самый редкий и рассеянный в земной коре. В природе встречается лишь один изотоп – цезий 133 . Он полностью устойчив, то есть не подвержен радиоактивному распаду.
Радиоактивные изотопы металла получены искусственно. 135-ый цезий – долгожитель. Период его полураспада приближается к 3 000 000 лет. Цезий 137 наполовину распадается за 33,5 года. Изотоп признан одним из основных источников загрязнения биосферы.
В нее нуклид попадает из сбросов заводов, атомных станций. Период полураспада цезия позволяет ему проникать в воды, почву, растения, накапливаться в них. Особенно много 137-го изотопа в пресноводных водорослях и лишайниках.
Будучи самым редким из металлов, цезий является еще и самым активным. Элемент щелочной, расположен в главной подгруппе 1-ой группы периодической системы, что уже обязывает вещество легко вступать в химические реакции. Их течение усиливает присутствие воды. Так, на воздухе атом цезия взрывается из-за нахождения ее паров в атмосфере.
Взаимодействие с водой сопровождается взрывом, даже если она замерзшая. Реакция со льдом возможна при -120-ти градусах Цельсия. Сухой лед – не исключение. Взрыв неизбежен и при контакте цезия с кислотами, простыми спиртами, галогенидами тяжелых металлов галогенами органического типа.
Взаимодействия легко запускаются по 2-м причинам. Первая – сильный отрицательный электрохимический потенциал. То есть, атом заряжен отрицательно, стремится притянуть к себе иные частицы.
Вторая причина – площадь поверхности цезия при реакциях с другими веществами. Тая в комнатных условиях, элемент растекается. Получается, что для взаимодействия открыто большее число атомов.
Активность элемента привела к отсутствии его чистой формы в природе. Встречаются лишь соединения, к примеру, . В их числе: хлорид цезия , фторид, йодит, азит, цианит, бромид и карбонат цезия . Все соли 55-го элемента легко растворяются в воде.
Если же работа ведется с гидроксидом цезия , бояться нужно не его растворения, а того, что он сам способен разрушить, к примеру, стекло. Его структура нарушается реагентом уже при комнатной температуре. Стоит повысить градус, гидроксид не пощадит и кобальт, , корунд, и железо.
Реакции проходят особенно быстро в кислородной среде. Противостоять гидроксиду цезия способен только . Во взаимодействие с 55-ым элементом не вступает и азот. Азит цезия получают только косвенным путем.
Применение цезия
Цезий, формула которого обеспечивает низкую работу выхода электрона, пригождается при изготовлении фотоэлементов. В приборах на основе 55-го вещества затраты на получение тока минимальны. Чувствительность же к излучению, напротив, максимальна.
Чтобы фотоэлектрическое оборудование не стоило запредельно из-за редкости цезия, его сплавляют с , , , . Как источник тока цезий применяется в топливных элементах. Твердый электролит на основе 55-го металла – часть автомобилей и высокоэнергоемких аккумуляторов.
Применяют 55-ый металл и в счетчиках заряженных частиц. Для них закупают йодит цезия. Активированный таллием, он регистрирует почти любые излучения. Цезиевые детекторы приобретают для атомных предприятий, геологической разведки, медицинских клиник.
Пользуются приборами и космической отрасли. В частности, «Марс-5» изучил элементарный состав поверхности красной планеты именно благодаря гамма-спектрометру на основе цезия.
Способность улавливать инфракрасные лучи – причина для применения в оптике. В нее добавляют бромид цезия и оксид цезия . Он есть в биноклях и очках ночного видения, оружейных прицелах. Последние, срабатывают даже из космоса.
137-ой изотоп элемента тоже нашел достойное применение. Радиоактивный нуклид не только загрязняет атмосферу, но и стерилизует продукты, точнее, тару для них. Полураспад цезия долог. Можно обработать миллионы консервов. Порой, стерилизуют и мясо – туши птиц и .
Обрабатывать 137-ым изотопом можно и медицинские инструменты, лекарства. Нуклид нужен и в самом лечении, если дело касается опухолей. Метод называется радиотерапией. Препараты с цезием дают и при шизофрении, дифтерии, язвенных заболеваниях, некоторых видах шока.
Металлурги нуждаются в чистом элементе. Его примешивают к сплавам и . Добавка повышает их жаропрочность. У , к примеру, она увеличивается втрое при цезия всего в 0,3%.
Растет и прочность на разрыв, стойкость к коррозии. Правда, промышленники ищут альтернативу 55-му элементу. Слишком уж он дефицитен, не выгоден в цене.
Добыча цезия
Металл выделяют из поллуцита. Это водный алюмосиликат и цезия. Минералов, содержащих 55-ый элемент единицы. В поллуците процентовка цезия делает добычу экономически обоснованной. Немало металла и в авогардите. Однако, этот камень сам столь же редок, как и цезий.
Промышленники вскрывают поллуцит хлоридами или сульфатами . Цезий из камня выделяют, погружая его в подогретую соляную кислоту. Туда же засыпают хлорид сурьмы. Образуется осадок.
Его промывают горячей водой. Итог операций – хлорид цезия. При работе с сульфатом, поллуцит погружают в серную кислоту. На выходе образуются алюмоцезиевые квасцы.
В лабораториях применяют другие методы получения 55-го элемента. Их 3, все трудоемки. Можно нагреть дихромат и хромат цезия с цирконием. Но, для этого требуется вакуум. Он нужен и для разложения азида цезия. Без вакуума обходятся лишь при нагреве специально подготовленного кальция и хлорида 55-го металла.
Цена цезия
В России добычей и переработкой поллуцита занимается Завод редких металлов в Новосибирске. Продукцию предлагает и Горно-обогатительный комбинат Ловозерска. Последний предлагает цезий в ампулах по 10 и 15 миллиграммов.
Они идут в пачках по 1000 штук. Минимальная цена – 6000 рублей. Севредмет тоже торгует ампулами, но готов осуществлять поставки меньших объемов, — от 250-ти граммов.
Если чистота металла 99,9%, за один грамм, как правило, просят в районе 15-20-ти долларов США. Речь идет об устойчивом 133-ем изотопе 55-го элемента периодической системы .
(Caesium; от лат. caesius - голубой), Cs - хим. элемент I группы периодической системы элементов; ат, н. 55, ат. м. 132,9054. Серебристо-белый металл. В соединениях про являет степень окисления +1 Природный Ц. состоит из стабильного изотопа 133Cs. Получены 22 радиоактивных изотопа, из к-рых наибольшее практическое применение находи изотоп 137Cs с периодом полураспада 27 лет. Цезий открыли (1860) немецкий химик Р. В. Бунзен и немецкий физик Г. P. Кирхгоф при изучении спектра солей щелочных металлов, полученных из воды Дюркгеймского минерального источника.
Металлический цезий впервые получил (1882) К. Сеттерберг электролизом расплава смеси цианидов цезия и бария. Цезий относится к редким элементам. Содержание его в земной коре 3,7 10-4% в природе из-за большой активности в свободном состоянии не встречается. Ц. обнаружен в составе 78 минералов; наибольшее количество его содержится в цезиевых минералах: поллуците (до 36% Cs20), воробьевите и авогадрите (до 7,5% Cs20). В небольших количествах (от 0,004 до 0,001% и меньше) содержится во мн. горных породах: базальтах, гранитах, диабазах, сиенитах, нефелинах, слюдах, полевых шпатах, известняках, глинистых сланцах и др. Основные источники получения Ц. поллуцит, карналлит, рапа соленых озер, рассолы и грязи морского типа. Кристаллическая решетка Ц. объемноцентрированная кубическая спериодом а = 6,05 А (т-ра - 175° С).
Атомный радиус 2,65 А, ионный радиус Cs+ равен 165 А. Плотность1,9039 (т-ра 0°С) и 1,880 г/см3 (т-ра 26,85° С); tпл 28,60° С; tкип 685,85°С; ср. коэфф. линейного расширения (в интервале т-р 0-26° С) 9,7-10-5 град-1; коэфф. теплопроводности (т-ра 28,5° С) 0,04 - 0,065 кал/см -сек-град; теплоемкость ср 7,24 (т-ра 0° С) и 7,69 кал/г-атом град (т-ра 25° С); удельное электрическое сопротивление 18,30 (т-ра 0° С) и 21,25 мком см (т-ра 26,85° С). Металлический Ц. пар амагнитен. Цезий - мягкий пластичный металл. Твердость по шкале Мооса 0,2; НВ - = 0,015; модуль норм- упругости 175 кгс/мм2; сжимаемость при комнатной т-ре 7,0-Ю-5 кгс/см2. Металлический цезий отличается самой высокой реакционной способностью среди щелочных элементов. На воздухе мгновенно окисляется с воспламенением, образуя перекись и надперекись.
С водородом при т-ре 200-350° С и давлении 50-100 ат. образует гидрид CsH — белое кристаллическое вещество, воспламеняющееся во влажной среде, в среде хлора и фтора. С кислородом, в зависимости от условий, даёт:окись Cs2O — красно-коричневые кристаллы, расплывающиеся на воздухе;перекись Cs2O2 — гигроскопичные кристаллы желтого цвета;надперекись CsO2 — желтые кристаллы, при температуре выше 180 ° С изменяют цвет на оранжевый;озонид CsО3 — мелкокристаллический оранжевый — красный порошок; гидроокись CsOH -белое кристаллическое вещество, быстро расплывающееся на воздухе. Ц. непосредственно соединяется с галогенами (с воспламенением), образуя галогениди CsF, CsCl, СsВг в Csl - бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде и мн. органических растворителях.
В жидком азоте при электрическом разряде между электродами из цезием получают нитрид Cs3N - гигроскопический малоустойчивый порошок серовато-зеленого или синего цвета. Азид CsN3 - желто-белые кристаллы. Известны соединения Ц. с серой, селеном и теллуром - халькогениды. С серой цезий образует сульфид Cs2S - растворимый в воде темно-красный кристаллический порошок. Кроме того, получены ди-, три-и пентасульфиды. Ц. с селеном и теллуром образует кристаллические соединения: белый порошок селенида Cs2Se и светло-желтый порошок теллурида Cs2Te, разлагающиеся на воздухе. С кремнием образует силицид CsSi — кристаллическое вещество желтого цвета, воспламеняющееся на воздухе; при взаимодействии с водой воспламеняется со взрывом. Известны соединения Ц. с фосфором — . При замене водорода в неорганической к-те на Ц. получают соответствующие соли: сульфат, нитрат, карбонат и др.
Со многими металлами, включая щелочные, Цезий образует и интерметаллические соединения, из которых наиболее важны соединения с висмутом, сурьмой, золотом и ртутью. В реакциях с неорганическими соединениями цезий ведёт себя как сильный восстановитель. С двуокисью углерода и четырёххлористым углеродом взаимодействует ствует со взрывом. Металлический Ц, получают в основном, действуя на соли Ц., напр. на , магнием или кальцием при высоких
т-рах в вакууме. Для получения Ц. применяют также электрохимический способ, по к-рому при электролизе, напр., CsCl на жидком свинцовом катоде получают свинцовоцезиевый сплав, из к-рого Ц. удаляют вакуумной дистилляцией. Небольшие количества Ц. получают восстановлением его хромата (Cs2Cr04) порошкообразным цирконием при т-ре 650° С или разложением CsN3 при т-ре 390- 395° С в вакууме.
Области применения Цезия
Его используют в фотоэлементах; в фотоэлектронных умножителях, предназначенных для сцинтилляционных счетчиков, астронавигационных приборов, спектроскопов, для детекторов излучения в лазерных системах; в электронно-оптических преобразователях, используемых в приборах ночного видения; в -передающих электроннолучевых трубках. Цезий применяют в качестве геттера для поглощения остаточных следов воздуха при произ-ве вакуумных радиоламп. Он находит применение в тиратронах тлеющего разряда, в атомных стандартах - наиболее точных эталонах промежутков времени. Погрешность атомных часов с цезиевым источником составляет 1 сек за 4000 лет. Пары цезий используют в оптических квантовых генераторах - газовых лазерах. Добавки Ц. к инертному газу в магнитогидродинамических генераторах позволяют ионизировать газ при температурах примерно в два раза меньших, чем без этих добавок. Ц. используют в термоэмиссионных преобразователях, предназначенных для непосредственного превращения тепла в электр. энергию; в ионных ракетных двигателях для космических летательных аппаратов. Ц. нашел применение в новой отрасли электроники - плазменной электронике СВЧ, а также в цезиевых лампах, превосходящих по своей интенсивности др. источники света.
Характеристика элемента
Открытие цезия, как и рубидия, связано со спектральным анализом. В 1860 г. Р. Бунзен обнаружил две яркие голубые линии в спектре, не принадлежащие ни одному известному к тому времени элементу. Отсюда произошло и название «цезиус (caesius), что значит небесно-голубой. Это последний элемент подгруппы щелочных металлов, который еще встречается в измеримых количествах. Наибольший атомный радиус и наименьшие первые потенциалы ионизации определяют характер и поведение этого элемента. Он обладает ярко выраженной электроположительностью и ярко выраженными металлическими качествами. Стремление отдать внешний 6s-электрон приводит к тому, что все его реакции протекают исключительно бурно. Небольшая разница в энергиях атомных 5 d — и 6 s -орбиталей обусловливает легкую возбудимость атомов. Электронная эмиссия у цезия наблюдается под действием невидимых инфракрасных лучей (тепловых). Указанная особенность структуры атома определяет хорошую электрическую проводимость тока. Все это делает цезий незаменимым в электронных приборах. В последнее время все больше внимания уделяется цезиевой плазме как топливу будущего и в связи с решением проблемы термоядерного синтеза.
Свойства простого вещества и соединений
Цезий при обычных комнатных условиях - полужидкий металл (t пл = 28,5°С, t кип = 688°С) . Его блестящая поверхность отливает бледно-золотистым цветом. Цезий - металл легкий с пл. 1,9 г/см ³ , например примерно с той же атомной массой весит в 6 с лишним раз больше.
Причина того, что цезий во много раз легче соседей по периодической системе - в большом размере атомов. Атомный н ионный радиусы металла очень велики: R ат = 2,62 А, R ион =1,б5 А. Цезий - необычайно химически активен. Он настолько жадно реагирует с кислородом, что способен очистить газовую смесь от малейших следов кислорода даже в условиях глубокого вакуума. С водой реагирует при замораживании до -116° С. Большинство реакций с другими веществами происходит со взрывами: с галогенами, серой, фосфором, графитом, кремнием (в последних трех случаях требуется небольшое нагревание). Сложные также реагируют с ним бурно: СО 2 , четыреххлористый , кремнезем (при 300°С). В атмосфере водорода образуется гидрид СsН, воспламеняющийся в недостаточно осушенном воздухе. Из всех неорганических и органических кислот он вытесняет , образуя соли.
Более спокойно протекают реакции цезия с азотом в поле тихого электрического заряда, а с углем при нагревании. С водородом реагирует при 300-350°С или под давлением в 5 -10 ⋅ 10 ⁶ Па. Поэтому его спокойно можно хранить в сосуде, заполненном водородом.
2Сs + 2SiO 2 = Сs 2 O 4 + 2Si
2Rb + 2SiO 2 = Rb 2 O 4 + 2Si
Из соединений цезия наиболее важные - с серебром и сурьмой. Кристаллы бромида и иодида цезия прозрачны для инфракрасных лучей, поэтому используются в оптике и электротехнике.
Сульфат СsSO 4 - тугоплавкое и термически устойчивое соединение, которое начинает заметно улетучиваться лишь при температуре свыше 1400°С. В тоже время всех солей цезия высока.
Получение и использование цезия
Цезий, как и , самостоятельных минералов не образует и обычно сопутствует более распространённым элементам I группы. Цезий в природе встречается в виде примеси к минералам Na и K . Наиболее богат цезием поллуцит CsNa ⋅ nH 2 O . Находится в природе в очень распылённом состоянии в форме соединений, сопутствующих другим рудам. Например, поллуцит вместе с натрием содержит и и цезий. Самое трудоёмкое при их получении — обогащение и отделение фракций с рубидием и цезием от калия, натрия, лития. Чистые (Rb и Cs) получают из галогенов восстановлением металлическим кальцием при 700-800°С. Получают их по обменной реакции расплавленных хлоридов с металлическим кальцием:
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):
|
Подуровень |
||||
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Атому элемента марганец отвечает сокращенная электронная формула:
|
| Решение | Будем по очереди расшифровывать сокращенные электронные формулы, чтобы обнаружить ту, которая соответствует атому марганца в основном состоянии. Порядковый номер этого элемента равен 25.
Запишем электронную конфигурацию аргона: 18 Ar1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 . Тогда, полная ионная формула будет иметь вид: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2 . Общее количество электронов в электронной оболочке совпадает с порядковым номером элемента в Периодической таблице. Оно равно 25. Такой порядковый номер имеет марганец. |
| Ответ | Вариант 1 |
