Eigenschaften des Cäsiumelements. Cäsium und seine Eigenschaften

Es schmilzt in den Händen, aber kein Schnee – ein Rätsel aus der Rubrik „Chemie“. Erraten - Cäsium. Der Schmelzpunkt dieses Metalls liegt bei 24,5 Grad Celsius. Die Substanz, die buchstäblich durch die Finger fließt, wurde 1860 entdeckt. Cäsium war das erste Element, das durch Spektralanalyse entdeckt wurde.

Es wurde von Robert Bunsen und Gustav Kirgoff geleitet. Chemiker untersuchten das Wasser der Mineralquellen in Dürkheim. Gefunden: Magnesium, Lithium, Kalzium,... Schließlich gaben wir einen Wassertropfen in das Spektroskop und sahen zwei blaue Linien – ein Beweis für die Anwesenheit einer unbekannten Substanz.

Zunächst wurde sein Chloroplatinat isoliert. Für 50 Gramm wurden 300 Tonnen Mineralwasser verarbeitet. Beim Namen des neuen Metalls gab es keine Tricks. Aus dem Lateinischen wird „Cäsium“ mit „blau“ übersetzt.

Chemische und physikalische Eigenschaften von Cäsium

Im Spektroskop leuchtet das Metall leuchtend blau. In Wirklichkeit ist das Element ähnlich, aber etwas leichter. Im flüssigen Zustand verschwindet die Gelbfärbung des Cäsiums und die Schmelze wird silbrig. Es ist nicht einfach, Rohstoffe für Experimente zu beschaffen.

Von den Metallen ist das Element das seltenste und in der Erdkruste am weitesten verbreitet. In der Natur kommt nur ein Isotop vor – Cäsium 133. Es ist völlig stabil, das heißt, es unterliegt keinem radioaktiven Zerfall.

Radioaktive Isotope des Metalls werden künstlich gewonnen. Cäsium 135 ist langlebig. Seine Halbwertszeit nähert sich 3.000.000 Jahren. Cäsium 137 Die Hälfte zerfällt in 33,5 Jahren. Das Isotop gilt als eine der Hauptquellen der Biosphärenverschmutzung.

Das Nuklid gelangt durch Ableitungen aus Fabriken und Kernkraftwerken in die Atmosphäre. Halbwertszeit von Cäsium ermöglicht es ihm, in Wasser, Boden und Pflanzen einzudringen und sich darin anzusammeln. Das 137. Isotop kommt besonders häufig in Süßwasseralgen und Flechten vor.

Als seltenstes Metall ist Cäsium auch das reaktivste. Das alkalische Element befindet sich in der Hauptnebengruppe der 1. Gruppe des Periodensystems, was den Stoff bereits dazu zwingt, leicht chemische Reaktionen einzugehen. Ihr Fluss wird durch die Anwesenheit von Wasser verstärkt. Ja, in der Luft Cäsiumatom explodiert aufgrund der Anwesenheit seiner Dämpfe in der Atmosphäre.

Die Wechselwirkung mit Wasser geht mit einer Explosion einher, auch wenn es gefroren ist. Bei -120 Grad Celsius ist eine Reaktion mit Eis möglich. Trockeneis ist keine Ausnahme. Eine Explosion ist auch dann unvermeidlich, wenn Cäsium mit Säuren, einfachen Alkoholen, Schwermetallhalogeniden und organischen Halogenen in Kontakt kommt.

Interaktionen sind aus zwei Gründen einfach zu starten. Das erste ist ein stark negatives elektrochemisches Potenzial. Das heißt, das Atom ist negativ geladen und neigt dazu, andere Teilchen anzuziehen.

Der zweite Grund ist die Oberfläche von Cäsium bei Reaktionen mit anderen Stoffen. Das Element schmilzt unter Raumbedingungen und breitet sich aus. Es stellt sich heraus, dass eine größere Anzahl von Atomen für Wechselwirkungen offen ist.

Die Aktivität des Elements hat dazu geführt, dass es in der Natur keine reine Form mehr gibt. Es gibt nur Verbindungen, zum Beispiel . Darunter: Cäsiumchlorid, Fluorid, Jodit, Azit, Cyanit, Bromid und Cäsiumcarbonat. Alle Salze des 55. Elements sind in Wasser leicht löslich.

Wenn mit gearbeitet wird Cäsiumhydroxid, Sie müssen keine Angst vor seiner Auflösung haben, sondern vor der Tatsache, dass es selbst beispielsweise Glas zerstören kann. Seine Struktur wird durch das Reagenz bereits bei Raumtemperatur zerstört. Sobald Sie den Grad erhöhen, wird das Hydroxid Kobalt, Korund und Eisen nicht verschonen.

In einer Sauerstoffumgebung laufen Reaktionen besonders schnell ab. Nur Cäsiumhydroxid kann widerstehen. Stickstoff interagiert auch nicht mit Element 55. Cäsiumasite wird nur indirekt gewonnen.

Anwendungen von Cäsium

Cäsium, Formel das eine niedrige Elektronenaustrittsarbeit bietet, ist bei der Herstellung von Solarzellen nützlich. Bei Geräten, die auf der 55. Substanz basieren, sind die Kosten für die Stromerzeugung minimal. Die Strahlungsempfindlichkeit hingegen ist maximal.

Um zu verhindern, dass Photovoltaikanlagen aufgrund der Seltenheit von Cäsium übermäßig teuer werden, wird es mit , , , legiert. Cäsium wird als Stromquelle in Brennstoffzellen verwendet. Festelektrolyt auf Basis von 55 Metallen – Bestandteil von Autos und Hochenergiebatterien.

Das 55. Metall wird auch in Zählern geladener Teilchen verwendet. Für sie wird Cäsiumjodid eingekauft. Mit Thallium aktiviert, erkennt es nahezu jede Strahlung. Cäsiumdetektoren werden für Nuklearunternehmen, geologische Erkundungen und medizinische Kliniken gekauft.

Sie nutzen auch Geräte aus der Raumfahrtindustrie. Insbesondere untersuchte Mars-5 mithilfe eines Gammaspektrometers auf Cäsiumbasis die Elementzusammensetzung der Oberfläche des Roten Planeten.

Die Fähigkeit, Infrarotstrahlen einzufangen, ist der Grund für seine Verwendung in der Optik. Sie tragen dazu bei Cäsiumbromid Und Cäsiumoxid. Man findet es in Ferngläsern, Nachtsichtbrillen und Waffenzielgeräten. Letztere werden sogar aus dem Weltraum ausgelöst.

Auch das 137. Isotop des Elements fand eine würdige Verwendung. Das radioaktive Nuklid verschmutzt nicht nur die Atmosphäre, sondern sterilisiert auch Produkte bzw. deren Behälter. Halbwertszeit von Cäsium lang Millionen von Konserven können verarbeitet werden. Manchmal wird auch Fleisch sterilisiert – Vogelkadaver und...

Auch medizinische Instrumente und Medikamente können mit dem 137. Isotop verarbeitet werden. Auch bei der Behandlung von Tumoren wird das Nuklid benötigt. Die Methode nennt sich Strahlentherapie. Präparate mit Cäsium werden auch gegen Schizophrenie, Diphtherie, Magengeschwüre und einige Arten von Schock verabreicht.

Metallurgen brauchen ein reines Element. Es wird mit Legierungen gemischt und. Der Zusatzstoff erhöht ihre Hitzebeständigkeit. Bei Cäsium verdreifacht es sich beispielsweise mit nur 0,3 %.

Auch Zugfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit nehmen zu. Zwar suchen Industrielle nach einer Alternative zum 55. Element. Es ist zu selten und preislich nicht wettbewerbsfähig.

Cäsiumabbau

Das Metall wird aus Pollucit isoliert. Es ist ein wasserhaltiges Alumosilikat und Cäsium. Mineralien, die das 55. Element der Einheit enthalten. In Pollucit macht der Anteil an Cäsium den Abbau wirtschaftlich. Avogardit enthält auch viel Metall. Allerdings ist dieser Stein selbst ebenso selten wie Cäsium.

Industrielle öffnen Pollucit mit Chloriden oder Sulfate. Cäsium durch Eintauchen in erhitzte Salzsäure aus dem Stein gewonnen. Dort wird auch Antimonchlorid gegossen. Es bildet sich ein Niederschlag.

Es wird mit heißem Wasser gewaschen. Das Ergebnis der Operationen ist Cäsiumchlorid. Bei der Arbeit mit Sulfat wird Pollucit in Schwefelsäure getaucht. Das Ergebnis ist Cäsiumalaun.

Labore verwenden andere Methoden, um das 55. Element zu erhalten. Es gibt drei davon, alle arbeitsintensiv. Sie können Cäsiumdichromat und Zirkoniumchromat erhitzen. Dafür braucht es aber ein Vakuum. Es wird auch für die Zersetzung von Cäsiumazid benötigt. Vakuum wird nur durch Erhitzen von speziell hergestelltem Calcium und Chlorid des 55. Metalls vermieden.

Cäsiumpreis

In Russland beschäftigt sich das Werk für seltene Metalle in Nowosibirsk mit dem Abbau und der Verarbeitung von Pollucit. Auch das Bergbau- und Verarbeitungswerk Lovozersk bietet Produkte an. Letzteres bietet Cäsium in Ampullen 10 und 15 Milligramm.

Sie sind in Packungen zu 1000 Stück erhältlich. Mindestpreis – 6000 Rubel. Sevredmet verkauft auch Ampullen, ist aber auch bereit, kleinere Mengen zu liefern – ab 250 Gramm.

Wenn die Reinheit des Metalls 99,9 % beträgt, werden für ein Gramm in der Regel etwa 15 bis 20 US-Dollar verlangt. Die Rede ist vom stabilen 133. Isotop des 55. Elements des Periodensystems.

(Caesium; von lateinisch caesius – blau), Cs – chemisch. Element der Gruppe I des Periodensystems der Elemente; bei, n. 55, um. m. 132,9054. Silberweißes Metall. In Verbindungen weist es die Oxidationsstufe +1 auf. Natürlicher Kohlenstoff besteht aus dem stabilen Isotop 133Cs. Es wurden 22 radioaktive Isotope gewonnen, von denen das 137Cs-Isotop mit einer Halbwertszeit von 27 Jahren die praktischste Verwendung darstellt. Cäsium wurde (1860) von dem deutschen Chemiker R. W. Bunsen und dem deutschen Physiker G. P. Kirchhoff entdeckt, als sie das Spektrum der Alkalimetallsalze untersuchten, die aus dem Wasser der Durkheimer Mineralquelle gewonnen wurden.

Cäsiummetall wurde erstmals (1882) von K. Setterberg durch Elektrolyse einer geschmolzenen Mischung aus Cäsium- und Bariumcyaniden gewonnen. Cäsium ist ein seltenes Element. Sein Gehalt in der Erdkruste beträgt 3,7 · 10-4 % und kommt aufgrund seiner hohen Aktivität in der Natur im freien Zustand nicht vor. C. wurde in 78 Mineralien gefunden; Die größte Menge davon ist in den Cäsiummineralien enthalten: Pollucit (bis zu 36 % Cs20), Sparrowit und Avogadrit (bis zu 7,5 % Cs20). Enthält kleine Mengen (von 0,004 bis 0,001 % oder weniger). Gesteine: Basalte, Granite, Diabas, Syenite, Nepheline, Glimmer, Feldspäte, Kalksteine, Schiefer usw. Die Hauptquellen für C. sind Pollucit, Carnallit, Sole aus Salzseen, Solen und Meeresschlamm. Kristallgitter C. kubisch raumzentriert mit Periode a = 6,05 A (Temperatur - 175 ° C).

Atomradius 2,65 A, Ionenradius von Cs+ beträgt 165 A. Dichte 1,9039 (Temperatur 0 °C) und 1,880 g/cm3 (Temperatur 26,85 °C); Schmelzpunkt 28,60 °C; Siedepunkt 685,85°C; Heiraten Koeffizient lineare Ausdehnung (im Temperaturbereich 0-26° C) 9,7-10-5 Grad-1; Koeffizient Wärmeleitfähigkeit (Temperatur 28,5 °C) 0,04 – 0,065 cal/cm –sec-deg; Wärmekapazität durchschnittlich 7,24 (Temperatur 0 °C) und 7,69 cal/g-Atom Grad (Temperatur 25 °C); Der spezifische elektrische Widerstand beträgt 18,30 (Temperatur 0 °C) und 21,25 μΩ·cm (Temperatur 26,85 °C). Metallischer Dampf ist amagnetisch. Cäsium ist ein weiches, duktiles Metall. Härte auf der Mohs-Skala 0,2; HB - = 0,015; Normalelastizitätsmodul 175 kgf/mm2; Kompressibilität bei Raumtemperatur 7,0-10-5 kgf/cm2. Cäsiummetall weist unter den alkalischen Elementen die höchste Reaktivität auf. An der Luft oxidiert es sofort unter Entzündung und bildet Peroxid und Superoxid.

Mit Wasserstoff bei einer Temperatur von 200–350 °C und einem Druck von 50–100 at. bildet das Hydrid CsH – eine weiße kristalline Substanz, die sich in einer feuchten Umgebung, in einer Umgebung aus Chlor und Fluor, entzündet. Mit Sauerstoff entsteht je nach Bedingungen: Cs2O-Oxid – rotbraune Kristalle, die sich in der Luft ausbreiten; Cs2O2-Peroxid – hygroskopische gelbe Kristalle; CsO2-Superoxid – gelbe Kristalle, bei Temperaturen über 180 ° C verfärben sie sich orange; Ozonid CsO3 - feines kristallines orange-rotes Pulver; CsOH-Hydroxid ist eine weiße kristalline Substanz, die sich schnell in der Luft löst. C. verbindet sich direkt mit Halogenen (mit Zündung) und bildet die Halogenide CsF, CsCl, CsBr in Csl – farblose Kristalle, gut wasserlöslich und viele andere. organische Lösungsmittel.

In flüssigem Stickstoff wird bei einer elektrischen Entladung zwischen Elektroden aus Cäsium Cäsiumnitrid gewonnen – ein hygroskopisches, instabiles Pulver von graugrüner oder blauer Farbe. Azid CsN3 – gelb-weiße Kristalle. Es sind Verbindungen von Calcium mit Schwefel, Selen und Tellur bekannt – Chalkogenide. Cäsium bildet mit Schwefel Sulfid Cs2S, ein dunkelrotes, kristallines Pulver, das in Wasser löslich ist. Darüber hinaus wurden Di-, Tri- und Pentasulfide gewonnen. Bei ca. 100 °C bildet Selen und Tellur kristalline Verbindungen: weißes Pulver aus Cs2Se-Selenid und hellgelbes Pulver aus Cs2Te-Tellurid, die sich an der Luft zersetzen. Mit Silizium bildet es Silizid CsSi, eine gelbe kristalline Substanz, die sich an der Luft entzündet; Bei der Wechselwirkung mit Wasser entzündet es sich explosionsartig. Es sind Verbindungen von C. mit Phosphor bekannt - . Wenn Wasserstoff in einem anorganischen Stoff durch Kohlenstoff ersetzt wird, erhält man die entsprechenden Salze: Sulfat, Nitrat, Carbonat usw.

Mit vielen Metallen, darunter auch Alkalimetallen, bildet Cäsium auch intermetallische Verbindungen, von denen die wichtigsten Verbindungen mit Wismut, Antimon, Gold und Quecksilber sind. Bei Reaktionen mit anorganischen Verbindungen verhält sich Cäsium als starkes Reduktionsmittel. Reagiert explosionsartig mit Kohlendioxid und Tetrachlorkohlenstoff. Metallisches Zink wird hauptsächlich durch Reaktion beispielsweise mit Zinksalzen gewonnen. auf, Magnesium oder Kalzium in hoher Konzentration

t-rah im luftleeren Raum. Um Kohlenstoff zu gewinnen, wird auch ein elektrochemisches Verfahren verwendet, bei dem bei der Elektrolyse von beispielsweise CsCl an einer flüssigen Bleikathode eine Blei-Cäsium-Legierung gewonnen wird, aus der die Farbe durch Vakuumdestillation entfernt wird. Kleine Mengen Zirkonium werden durch Reduktion seines Chromats (Cs2CrO4) mit pulverisiertem Zirkonium bei einer Temperatur von 650 °C oder durch Zersetzung von CsN3 bei einer Temperatur von 390–395 °C im Vakuum gewonnen.

Anwendungen von Cäsium

Es wird in Fotozellen verwendet; in Photomultipliern für Szintillationszähler, Himmelsnavigationsinstrumente, Spektroskope, für Strahlungsdetektoren in Lasersystemen; in elektrooptischen Wandlern, die in Nachtsichtgeräten verwendet werden; in übertragenden Kathodenstrahlröhren. Cäsium wird als Getter verwendet, um bei der Herstellung von Vakuumradioröhren Restluftspuren zu absorbieren. Es findet Anwendung in Glimmentladungs-Thyratrons und in Atomstandards – den genauesten Standards für Zeitintervalle. Der Fehler einer Atomuhr mit einer Cäsiumquelle beträgt 1 Sekunde in 4000 Jahren. Cäsiumdampf wird in optischen Quantengeneratoren – Gaslasern – verwendet. Durch die Zugabe von Kohlenstoff zu einem Inertgas in magnetohydrodynamischen Generatoren ist es möglich, das Gas bei Temperaturen zu ionisieren, die etwa doppelt so niedrig sind wie ohne diese Zusätze. C. wird in thermionischen Konvertern verwendet, die Wärme direkt in Elektrizität umwandeln sollen. Energie; in Ionenraketentriebwerken für Raumfahrzeuge. Cäsium hat Anwendung in einem neuen Zweig der Elektronik gefunden – der Mikrowellenplasmaelektronik sowie in Cäsiumlampen, deren Intensität anderen Lichtquellen überlegen ist.

Elementeigenschaften

Die Entdeckung von Cäsium ist wie Rubidium mit der Spektralanalyse verbunden. Im Jahr 1860 entdeckte R. Bunsen zwei leuchtend blaue Linien im Spektrum, die zu keinem damals bekannten Element gehörten. Daher kommt auch der Name „caesius“, was „Himmelblau“ bedeutet. Es ist das letzte Element der Alkalimetall-Untergruppe, das noch in messbaren Mengen vorkommt. Der größte Atomradius und die kleinsten ersten Ionisationspotentiale bestimmen den Charakter und das Verhalten dieses Elements. Es weist ausgeprägte Elektropositivität und ausgeprägte metallische Eigenschaften auf. Der Wunsch, das äußere 6s-Elektron abzugeben, führt dazu, dass alle seine Reaktionen äußerst heftig ablaufen. Kleiner Unterschied in den AtomenergienD- und 6 S -Orbitale bewirken eine leichte Erregbarkeit von Atomen. Die Elektronenemission von Cäsium wird unter dem Einfluss unsichtbarer Infrarotstrahlen (Wärme) beobachtet. Dieses Merkmal der Atomstruktur bestimmt eine gute elektrische Leitfähigkeit des Stroms. All dies macht Cäsium in elektronischen Geräten unverzichtbar. In letzter Zeit wird Cäsiumplasma als Brennstoff der Zukunft und im Zusammenhang mit der Lösung des Problems der Kernfusion immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt.

Eigenschaften einfacher Materie und Verbindungen

Cäsium ist unter normalen Raumbedingungen ein halbflüssiges Metall (t pl = 28,5°C, t kochen = 688°C). Seine glänzende Oberfläche hat eine blassgoldene Farbe. Cäsium ist ein Leichtmetall mit einer Quadratzahl. 1,9 g/cm³ Beispielsweise wiegt es bei annähernd gleicher Atommasse mehr als das Sechsfache.

Der Grund dafür, dass Cäsium um ein Vielfaches leichter ist als seine Nachbarn im Periodensystem, ist die Größe seiner Atome. Die Atom- und Ionenradien des Metalls sind sehr groß:R bei = 2,62 A, R und er =1,6 A. Cäsium ist ungewöhnlich chemisch aktiv. Es reagiert so heftig mit Sauerstoff, dass es selbst im tiefen Vakuum das Gasgemisch von geringsten Sauerstoffspuren reinigen kann. Es reagiert mit Wasser, wenn es auf -116° C gefroren ist. Die meisten Reaktionen mit anderen Stoffen finden bei Explosionen statt: mit Halogenen, Schwefel, Phosphor, Graphit, Silizium (in den letzten drei Fällen ist leichtes Erhitzen erforderlich). Auch schwierige Menschen reagieren heftig damit: CO 2 , Tetrachlorid, Siliciumdioxid (bei 300 °C). In einer Wasserstoffatmosphäre entsteht CsH-Hydrid, das sich bei unzureichend trockener Luft entzündet. Es verdrängt alle anorganischen und organischen Säuren und bildet Salze.

Die Reaktionen von Cäsium mit Stickstoff verlaufen im Bereich einer ruhigen elektrischen Ladung ruhiger und mit Kohle beim Erhitzen. Reagiert mit Wasserstoff bei 300–350°C oder unter einem Druck von 5–10⋅ 10 ⁶ Pa. Daher kann es sicher in einem mit Wasserstoff gefüllten Gefäß gelagert werden.

2Сs + 2SiO 2 = Сs 2 O 4 + 2Si

2Rb + 2SiO 2 = Rb 2 O 4 + 2Si

Von den Cäsiumverbindungen sind c. die wichtigsten Silber und Antimon. Cäsiumbromid- und Jodidkristalle sind für Infrarotstrahlen transparent und werden daher in der Optik und Elektrotechnik verwendet.

Sulfat СsSO 4 - eine feuerfeste und thermisch stabile Verbindung, die erst bei Temperaturen über 1400°C merklich zu verdampfen beginnt. Gleichzeitig sind alle Cäsiumsalze hoch.

Herstellung und Verwendung von Cäsium

Cäsium bildet, wie auch Cäsium, keine eigenständigen Mineralien und ist meist eine Begleiterscheinung der häufiger vorkommenden Elemente der Gruppe I. Cäsium kommt in der Natur als Verunreinigung in den Mineralien Na und K vor. Pollucit CsNa ⋅ nH 2 ist am reichsten an Cäsium Ö. Es kommt in der Natur in sehr dispergierter Form in Form von Begleitverbindungen anderer Erze vor. Pollucit enthält beispielsweise neben Natrium auch Cäsium. Der arbeitsintensivste Teil ihrer Herstellung ist die Anreicherung und Trennung der Fraktionen mit Rubidium und Cäsium aus Kalium, Natrium und Lithium. Reines (Rb und Cs) wird aus Halogenen durch Reduktion mit Calciummetall bei 700–800 °C erhalten. Sie werden durch die Austauschreaktion von geschmolzenen Chloriden mit Calciummetall erhalten:

Die Eigenschaften von Cäsium, seine Strukturmerkmale und die für dieses Element charakteristischen Eigenschaften müssen in einem Chemiekurs behandelt werden. Nicht nur Schüler, sondern auch Studierende chemischer Fachrichtungen sollten die Besonderheiten dieser Verbindung kennen. Der Einsatz von Cäsium ist derzeit recht weit verbreitet – allerdings in einem bestimmten Bereich. Dies liegt vor allem daran, dass das Element bei Raumtemperatur einen flüssigen Zustand annimmt und praktisch nie in reiner Form vorkommt. Derzeit haben nur fünf Metalle ähnliche Eigenschaften. Die Eigenschaften von Cäsium bestimmen das Interesse der Wissenschaftler daran und die Einsatzmöglichkeiten der Verbindung.

Worum geht es?

Das Weichmetall Cäsium wird im Periodensystem mit dem Symbol Cs bezeichnet. Seine Seriennummer ist 55. Das weiche Metall hat einen silbrig-goldenen Farbton. Schmelzpunkt - 28 Grad Celsius.

Cäsium ist ein Alkalimetall, dessen Eigenschaften und Eigenschaften denen von Kalium und Rubidium ähneln. Die Struktur von Cäsium führt zu einer erhöhten Reaktivität. Das Metall kann bei einer Temperatur auf der Celsius-Skala von 116 Grad unter Null mit Wasser reagieren. Das chemische Element Cäsium weist eine hohe Pyrophorizität auf. Es wird aus Pollucit abgebaut. Viele radioaktive Isotope von Cäsium (einschließlich des weit verbreiteten Cäsium 137) entstehen bei der Verarbeitung von Abfällen, die beim Betrieb eines Kernreaktors anfallen. Cäsium 137 ist das Ergebnis einer Spaltreaktion.

Historischer Hintergrund

Der Verdienst für die Entdeckung der elektronischen Formel von Cäsium gebührt den Chemikern aus Deutschland, herausragenden Köpfen auf ihrem Gebiet, Kirchhoff und Bunsen. Dieses Ereignis ereignete sich bereits im Jahr 1860. In dieser Zeit begannen sie, die neu erfundene Flammenspektroskopietechnik aktiv zu verändern, und im Verlauf ihrer Experimente entdeckten deutsche Wissenschaftler ein der Öffentlichkeit bisher unbekanntes chemisches Element – ​​Cäsium. Als Rezipient wurde damals Cäsium vorgestellt, das für Fotozellen und Elektronenröhren relevant ist.

Im Jahr 1967 kam es zu bemerkenswerten Veränderungen in der Geschichte der Definition und Isolierung des Elements. Unter Berücksichtigung von Einsteins Aussage, dass die Lichtgeschwindigkeit als der konstanteste Messfaktor unseres Universums angesehen werden kann, wurde beschlossen, Cäsium 133 zu isolieren. Dies wurde zu einem wichtigen Punkt für die Erweiterung des Anwendungsbereichs insbesondere des chemischen Elements Cäsium , es wird zur Herstellung von Atomuhren verwendet.

Cäsium in den neunziger Jahren

Im letzten Jahrzehnt des letzten Jahrhunderts begann die Menschheit, das chemische Element Cäsium besonders aktiv zu nutzen. Es stellte sich heraus, dass es in Bohrflüssigkeiten anwendbar ist. Auch in der chemischen Industrie konnte ein recht breites Einsatzgebiet gefunden werden. Es stellte sich heraus, dass Cäsiumchlorid und seine anderen Derivate beim Aufbau komplexer Elektronik eingesetzt werden können.

Dann, in den neunziger Jahren, richtete sich die besondere Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf alles, was zu einem neuen Wort in der Atom- und Kernenergie werden könnte. Damals wurde radioaktives Cäsium am gründlichsten untersucht. Es zeigte sich, dass die Halbwertszeit dieser Komponente etwa drei Jahrzehnte beträgt. Derzeit werden radioaktive Cäsiumisotope in der Hydrologie häufig verwendet. Medizin und Industrie kommen ohne sie nicht aus. Das am weitesten verbreitete radioaktive Isotop ist Cäsium 137. Cäsium weist nur geringe toxische Eigenschaften auf, gleichzeitig können radioaktive Derivate in hohen Konzentrationen der Natur und dem Menschen schaden.

Physikalische Parameter

Die Spezifität von Cäsium (sowie von Cäsiumchlorid und anderen Derivaten dieses Metalls) ermöglicht eine breite Verwendung des Produkts. Cäsium hat unter anderen Elementen den niedrigsten Härteindex – nur 0,2 Einheiten. Neben Weichheit zeichnet sich das Metall durch Geschmeidigkeit aus. Im Normalzustand ermöglicht die korrekte elektronische Formel von Cäsium die Bildung eines blass gefärbten Materials, das bei geringstem Kontakt mit Sauerstoffverbindungen seine Farbe in eine dunklere Farbe ändern kann.

Der Schmelzpunkt des Metalls beträgt nur 28 Grad Celsius, was bedeutet, dass die Verbindung eines der fünf Metalle ist, die bei oder nahe Raumtemperatur in der flüssigen Phase vorliegen. Ein noch niedrigerer Schmelzpunkt als der von Cäsium wurde nur für Quecksilber festgestellt. Auch der Siedepunkt von Cäsium ist niedrig – nur Quecksilber hat einen niedrigeren Siedepunkt. Die Eigenschaften des elektrochemischen Potenzials regulieren die Verbrennung des Metalls – es entstehen violette Farbtöne oder eine blaue Farbe.

Kompatibilität und Funktionen

Cäsium hat die Fähigkeit, mit dem Element zu reagieren. Das Element bildet auch Cäsiumoxide. Darüber hinaus werden Reaktionen mit Quecksilbergemischen und Gold beobachtet. Merkmale der Wechselwirkung mit anderen Verbindungen sowie Temperaturbedingungen, bei denen Reaktionen möglich sind, weisen auf mögliche intermetallische Zusammensetzungen hin. Insbesondere Cäsium ist die Ausgangskomponente für die Bildung lichtempfindlicher Verbindungen. Dazu wird eine Metallreaktion unter Beteiligung von Thorium, Antimon, Gallium und Indium durchgeführt.

Neben Cäsiumoxid interessieren sich Chemiker auch für die Ergebnisse der Wechselwirkung mit einer Reihe alkalischer Elemente. Gleichzeitig muss berücksichtigt werden, dass das Metall nicht mit Lithium reagieren kann. Jede der Cäsiumlegierungen hat ihren eigenen Farbton. Einige Mischungen sind schwarz-violette Verbindungen, andere haben einen goldenen Farbton und wieder andere sind fast farblos, haben aber einen deutlichen metallischen Glanz.

Chemische Eigenschaften

Das hervorstechendste Merkmal von Cäsium ist seine Pyrophorizität. Darüber hinaus erregt auch das elektrochemische Potenzial des Metalls die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler. Cäsium kann sich in der Luft spontan entzünden. Bei der Wechselwirkung mit Wasser kommt es zu einer Explosion, auch wenn die Reaktionsbedingungen niedrige Temperaturen voraussetzen. Cäsium unterscheidet sich in dieser Hinsicht deutlich von der ersten Gruppe des Periodensystems. Wenn Cäsium mit Wasser in fester Form interagiert, kommt es ebenfalls zu einer Reaktion.

Es zeigte sich, dass die Halbwertszeit von Cäsium etwa drei Jahrzehnte beträgt. Das Material galt aufgrund seiner Eigenschaften als gefährlich. Um mit Cäsium zu arbeiten, ist es notwendig, eine Inertgasatmosphäre zu schaffen. Gleichzeitig wird eine Explosion bei Kontakt mit Wasser mit gleichen Mengen Natrium und Cäsium im zweiten Fall deutlich schwächer. Chemiker erklären dies mit folgendem Merkmal: Wenn Cäsium mit Wasser in Kontakt kommt, kommt es zu einer sofortigen Explosionsreaktion, das heißt, es bleibt keine ausreichend lange Zeitspanne für die Anreicherung von Wasserstoff übrig. Die optimale Methode zur Lagerung von Cäsium sind versiegelte Behälter aus Borosilikatverbindungen.

Cäsium: in Verbindungen

Cäsium fungiert in Verbindungen als Kation. Es gibt viele verschiedene Anionen, mit denen die Reaktion zu einer Verbindung möglich ist. Die meisten Cäsiumsalze sind farblos, es sei denn, die Färbung ist auf ein Anion zurückzuführen. Einfache Salze sind hygroskopisch, wenn auch in geringerem Maße als andere leichte Alkalimetalle. Viele lösen sich in Wasser auf.

Ihre Löslichkeit ist relativ gering. Dies hat in der Industrie eine recht breite Anwendung gefunden. Beispielsweise wird Aluminium-Cäsiumsulfat aufgrund seiner geringen Wasserlöslichkeit aktiv in Erzaufbereitungsanlagen eingesetzt.

Cäsium: einzigartig und nützlich

Optisch ähnelt dieses Metall Gold, ist jedoch etwas leichter als das beliebteste Edelmetall. Wenn Sie ein Stück Cäsium in die Hand nehmen, schmilzt es schnell und die resultierende Substanz wird beweglich und ändert leicht ihre Farbe – näher an Silber. Im geschmolzenen Zustand reflektiert Cäsium Lichtstrahlen perfekt. Von den Alkalimetallen gilt Cäsium als das schwerste, weist aber gleichzeitig die geringste Dichte auf.

Die Geschichte der Entdeckung von Cäsium enthält Hinweise auf die Durchheim-Quelle. Von hier aus wurde eine Wasserprobe zur Laboruntersuchung geschickt. Bei der Analyse der Bestandteile wurde besonderes Augenmerk auf die Lösung der Frage gelegt: Welches Element sorgt für die heilenden Eigenschaften der Flüssigkeit? Der deutsche Wissenschaftler Bunsen entschied sich für die Methode der Spektralanalyse. Zu diesem Zeitpunkt erschienen zwei unerwartete blaue Linien, die für die damals bekannten Verbindungen nicht typisch waren. Es war die Farbe dieser Streifen, die den Wissenschaftlern bei der Namenswahl für die neue Komponente half – Himmelblau klingt auf Lateinisch wie „Cäsium“.

Wo finde ich dich?

Wie Langzeittests ergaben, handelt es sich bei Cäsium um ein Spurenelement, das unter natürlichen Bedingungen äußerst selten vorkommt. Bei einer vergleichenden Analyse des Gehalts an Rubidium und Cäsium in der Erdkruste stellten Wissenschaftler fest, dass letzterer um ein Hundertfaches geringer ist. Eine ungefähre Schätzung der Konzentration ergab einen Indikator von 7*10(-4)%. Keine andere weniger empfindliche Methode als die Spektroskopie könnte eine so seltene Verbindung einfach nachweisen. Dies erklärt die Tatsache, dass Wissenschaftler bisher nicht einmal die Existenz von Cäsium vermuteten.

Nun wurde festgestellt, dass Cäsium häufiger in Gesteinen vorkommt, die aus Bergen gewonnen werden. Seine Konzentration in diesem Material überschreitet nicht Tausendstel Prozent. Im Meerwasser wurden grundsätzlich geringe Mengen festgestellt. Die Konzentration an Lithium- und Kaliummineralverbindungen erreicht Zehntelprozent. Am häufigsten kann es in Lepidolith nachgewiesen werden.

Beim Vergleich der Besonderheiten von Cäsium und Rubidium sowie anderen äußerst seltenen Elementen konnte festgestellt werden, dass sich Cäsium durch die Bildung einzigartiger Mineralien auszeichnet, zu denen andere Verbindungen nicht in der Lage sind. Auf diese Weise werden Pollucit, Rodicit und Avogadrit gewonnen.

Rodicit ist, wie Wissenschaftler herausgefunden haben, äußerst selten. Ebenso ist Avogadrit sehr schwer zu finden. Pollucit kommt etwas häufiger vor, wobei in einigen Fällen kleine Ablagerungen gefunden werden. Sie haben eine sehr geringe Leistung, enthalten aber Cäsium in einer Menge von 20-35 Prozent der Gesamtmasse. Die aus Sicht der Öffentlichkeit wichtigsten Pollucite wurden im amerikanischen Untergrund und in Russland entdeckt. Es gibt auch schwedische und kasachische Entwicklungen. Es ist bekannt, dass Pollucit im Südwesten des afrikanischen Kontinents gefunden wurde.

Die Arbeit geht weiter

Es ist kein Geheimnis, dass die Entdeckung eines Elements und seine Gewinnung in seiner reinen Form zwei völlig unterschiedliche Aufgaben sind, obwohl sie miteinander verbunden sind. Als klar wurde, dass Cäsium sehr selten war, begannen Wissenschaftler, Techniken zur Synthese des Metalls im Labor zu entwickeln. Zunächst schien es, dass dies mit den damals verfügbaren Mitteln und Technologien eine völlig unmögliche Aufgabe sei. Im Laufe der Jahre gelang es Bunsen nicht, Cäsiummetall in seiner reinen Form zu isolieren. Erst zwei Jahrzehnte später gelang es fortgeschrittenen Chemikern endlich, dieses Problem zu lösen.

Der Durchbruch gelang 1882, als Setterberg aus Schweden eine Mischung bestehend aus vier Teilen Cäsiumcyanid, dem ein Teil Barium beigemischt war, elektrolysierte. Letztere Komponente wurde verwendet, um den Schmelzpunkt zu senken. Cyanid war, wie Wissenschaftler zu diesem Zeitpunkt bereits wussten, ein sehr gefährlicher Bestandteil. Gleichzeitig kam es zu Verunreinigungen durch Barium, die es nicht ermöglichten, eine mehr oder weniger zufriedenstellende Menge an Cäsium zu gewinnen. Es war klar, dass die Technik erhebliche Verbesserungen erforderte. Ein guter Vorschlag in diesem Bereich wurde von Beketov der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Diskussion vorgelegt. Damals erregte Cäsiumhydroxid Aufmerksamkeit. Stellt man diese Verbindung durch Einsatz von metallischem Magnesium, Erhöhung der Hitze und Einsatz eines Wasserstoffstroms wieder her, lässt sich ein etwas besseres Ergebnis erzielen, als der schwedische Chemiker nachgewiesen hat. Echte Experimente haben jedoch gezeigt, dass der Ertrag nur halb so hoch ist wie der theoretisch berechnete.

Was weiter?

Cäsium stand weiterhin im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit der internationalen chemischen Wissenschaftsgemeinschaft. Insbesondere der französische Wissenschaftler Axpil widmete ihm in seiner Forschung viel Mühe und Zeit. Im Jahr 1911 schlug er einen radikal neuen Ansatz zur Gewinnung von reinem Cäsium vor. Die Reaktion musste im Vakuum durchgeführt werden, Metallchlorid wurde als Ausgangsmaterial verwendet und Calciummetall wurde zur Wiederherstellung verwendet.

Eine solche Reaktion läuft, wie Experimente gezeigt haben, nahezu vollständig ab. Um eine ausreichende Wirkung zu erzielen, müssen Sie ein spezielles Gerät verwenden. In Laboren greift man meist auf feuerfestes Glas oder Quarzbehälter zurück. Das Gerät muss über eine Erweiterung verfügen. Der Innendruck wird bei etwa 0,001 mmHg gehalten. Kunst. Für eine erfolgreiche Reaktion muss sichergestellt werden, dass der Behälter auf 675 Grad Celsius erhitzt wird. Dabei wird Cäsium freigesetzt, das fast sofort verdampft. Die Paare gehen in den dafür vorgesehenen Prozess über. Kaliumchlorid setzt sich jedoch hauptsächlich direkt im Reaktor ab. Unter bestimmten Bedingungen ist die Flüchtigkeit dieses Salzes so gering, dass sie völlig vernachlässigt werden kann, da diese Verbindung einen charakteristischen Schmelzpunkt von 773 Grad (auf der gleichen Celsius-Skala) hat. Dies bedeutet, dass das Sediment schmelzen kann, wenn der Behälter im Vergleich zur vorgesehenen Temperatur um hundert Grad überhitzt wird. Um die effektivsten Ergebnisse zu erzielen, ist es notwendig, den Destillationsprozess zu wiederholen. Erzeugen Sie dazu ein Vakuum. Das Ergebnis ist ideales Cäsiummetall. Derzeit ist die beschriebene Methode am weitesten verbreitet und gilt als optimal zur Gewinnung der Verbindung.

Aktivität und Reaktionen

Im Rahmen zahlreicher Studien konnten Wissenschaftler feststellen, dass Cäsium eine erstaunliche Aktivität besitzt, die normalerweise nicht für Metalle charakteristisch ist. Bei Kontakt mit Luft kommt es zu einer Verbrennung, die zur Freisetzung von Superoxid führt. Oxid kann durch Beschränkung des Sauerstoffzugangs zu den Reagenzien erreicht werden. Es besteht die Möglichkeit der Bildung von Suboxiden.

Kommt Cäsium mit Phosphor, Schwefel oder Halogen in Kontakt, kommt es zu einer explosionsartigen Reaktion. Die Explosion geht auch mit einer Reaktion mit Wasser einher. Wenn Sie einen Kristallisator oder ein Glas verwenden, kann es passieren, dass der Behälter buchstäblich in Stücke zerfällt. Eine Reaktion mit Eis ist auch möglich, wenn die Temperatur auf der Celsius-Skala nicht niedriger als 116 Grad ist. Als Ergebnis dieser Reaktion entstehen Wasserstoff und Hydroxid.

Hydroxid: Funktionen

Bei der Untersuchung der Reaktionsprodukte von Cäsium entdeckten Chemiker, dass das resultierende Hydroxid eine sehr starke Base ist. Wenn Sie damit interagieren, müssen Sie bedenken, dass diese Verbindung bei hohen Konzentrationen auch ohne zusätzliche Erwärmung Glas leicht zerstören kann. Wenn jedoch die Temperatur steigt, schmilzt das Hydroxid leicht Nickel, Eisen und Kobalt. Bei Korund und Platin ist die Wirkung ähnlich. Wenn Sauerstoff an der Reaktion beteiligt ist, zerstört Cäsiumhydroxid extrem schnell Silber und Gold. Begrenzt man die Sauerstoffzufuhr, läuft der Prozess relativ langsam ab, kommt aber trotzdem nicht zum Stillstand. Rhodium und mehrere Legierungen dieser Verbindung sind beständig gegen Cäsiumhydroxid.

Verwenden Sie es mit Bedacht

Nicht nur Cäsium, sondern auch bekannte Verbindungen auf Basis dieses Metalls werden derzeit sehr häufig eingesetzt. Sie sind aus der Gestaltung der Funktechnik nicht mehr wegzudenken und auch in der Elektronik sind sie unverzichtbar. Cäsiumverbindungen und -varianten werden in der Chemie, Industrie, Augenheilkunde und Medizin aktiv eingesetzt. Cäsium wurde bei der Entwicklung von Technologien für den Weltraum und die Kernenergie nicht außer Acht gelassen.

Mittlerweile ist es üblich, Cäsium beim Bau von Solarzellen zu verwenden. Bromid und Jodid dieses Metalls sind für die Herstellung von Infrarot-Sichtsystemen erforderlich. Als Detektorelemente, die die Erfassung ionisierender Strahlung ermöglichen, können industriell hergestellte Einkristalle eingesetzt werden. Einige Verbindungen auf Cäsiumbasis werden aktiv als Katalysatoren in industriellen Prozessen eingesetzt. Dies ist bei der Bildung von Ammoniak, der Bildung und Herstellung von Butadien erforderlich.

Strahlung und Cäsium

Die größte Aufmerksamkeit der Wissenschaftler erregt das Isotop Cäsium 137. Es gehört zur Kategorie der Betastrahler. Derzeit ist dieses Element bei der Sterilisation von Lebensmitteln und Arzneimitteln unverzichtbar. Es ist üblich, bei der Behandlung bösartiger Neubildungen darauf zurückzugreifen. Moderne Ansätze haben den Einsatz des Elements bei der Gammafehlererkennung ermöglicht. Auf dieser Basis werden Füllstandssensoren und auch Stromquellen konzipiert. Das 137. Isotop wurde nach dem Unfall im Kernkraftwerk Tschernobyl in sehr großen Mengen in die Umwelt freigesetzt. Dies ist einer der wichtigsten Umweltverschmutzungsfaktoren nach dieser Katastrophe.

Allerdings ist 137 nicht das einzige radioaktive Isotop von Cäsium, das in der modernen Industrie Anwendung gefunden hat. So entstehen Atomuhren mit dem Isotop Cäsium 133. Derzeit ist dies das genaueste Gerät, mit dem Sie den Zeitablauf steuern können. Eine Sekunde entspricht, wie moderne Wissenschaftler durch hochpräzise Forschung herausgefunden haben, 9192631770 Strahlungsperioden. Dadurch kann das Atom des Cäsium-133-Isotops als Standard zur Bestimmung von Frequenz und Zeit verwendet werden.

DEFINITION

Cäsium befindet sich in der sechsten Periode der Gruppe I der Hauptuntergruppe (A) des Periodensystems.

Gehört zur Familie S-Elemente. Metall. Bezeichnung - Cs. Seriennummer - 55. Relative Atommasse - 132,95 amu.

Elektronische Struktur des Cäsiumatoms

Ein Cäsiumatom besteht aus einem positiv geladenen Kern (+55), in dem sich 55 Protonen und 78 Neutronen befinden und in dem sich 55 Elektronen auf sechs Bahnen bewegen.

Abb.1. Schematischer Aufbau des Cäsiumatoms.

Die Verteilung der Elektronen auf die Orbitale ist wie folgt:

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 .

Das äußere Energieniveau des Cäsiumatoms enthält 1 Elektron, welches ein Valenzelektron ist. Es gibt keinen aufgeregten Zustand. Das Energiediagramm des Grundzustandes hat folgende Form:

Das Valenzelektron eines Cäsiumatoms kann durch einen Satz von vier Quantenzahlen charakterisiert werden: N(Hauptquantum), l(orbital), m l(magnetisch) und S(drehen):

Unterebene

Beispiele für Problemlösungen

BEISPIEL 1

Übung	Das Atom des Elements Mangan entspricht der abgekürzten elektronischen Formel: [ 18Ar]3 D 5 4S 2 ; [ 18 Ar, 3 D 10 ]4S 2 4P 5 ; [ 10 Ne]3 S 2 3P 5 ; [ 36 Kr]4 D 5 5S 2 ;
Lösung	Wir werden abwechselnd die abgekürzten elektronischen Formeln entschlüsseln, um die Formel zu finden, die dem Manganatom im Grundzustand entspricht. Die Seriennummer dieses Elements ist 25. Schreiben wir die elektronische Konfiguration von Argon auf: 18 Ar1 S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 . Dann sieht die vollständige Ionenformel wie folgt aus: 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3D 5 4S 2 . Die Gesamtzahl der Elektronen in der Elektronenhülle stimmt mit der Ordnungszahl des Elements im Periodensystem überein. Sie entspricht 25. Mangan hat diese Seriennummer.
Antwort	Variante 1