Властивості цезію

Цезій (Caesium; від лат. Caesium – блакитний), Cs – хім. елемент I групи періодичної системи елементів; ат, н. 55, ат. м. 132,9054. Сріблясто-білий метал. У з’єднаннях про являють ступінь окислення +1 Природний Ц. складається з стабільного ізотопу 133Cs. Отримано 22 радіоактивних ізотопу, з яких брало найбільше практичне застосування знаходь ізотоп 137Cs з періодом напіврозпаду 27 років. Цезій відкрили (1860) німецький хімік Р. В. Бунзен і німецький фізик Р. P. Кірхгоф при вивченні спектру солей лужних металів, отриманих з води Дюркгеймского мінерального джерела.
Металевий Ц. вперше отримав (1882) К. Сеттерберг електролізом розплаву суміші ціанідів цезію та барію. Цезій до рідкісних елементів. Зміст його в земній корі 3,7 • 10-4% в природі через великої активності у вільному стані не зустрічається. Ц. виявлений у складі 78 мінералів; найбільша кількість його міститься в цезієвих мінералах: поллуците (до 36% Cs20), Воробйова і Авогадро (до 7,5% Cs20). У невеликих кількостях (від 0,004 до 0,001% і менше) міститься у мн. гірських породах: базальтах, гранітах, діабазах, сиенитах, нефелін, слюдах, польовий шпат, вапняках, глинистих сланцях і ін. Основні джерела отримання Ц. поллуціт, лепідоліт, карналіт, ропа солоних озер, розсоли і бруду морського типу. Кристалічна решітка Ц. об’емноцентрірованная кубічна сперіодом а = 6,05 А (т-ра – 175 ° С).
Атомний радіус 2,65 А, іонний радіус Cs + дорівнює 165 А. Плотность1,9039 (т-ра 0 ° С) і 1,880 г / см3 (т-ра 26,85 ° С); tпл 28,60 ° С; tкип 685,85 ° С; СР коеф. лінійного розширення (в інтервалі т-р 0-26 ° С) 9,7-10-5 град-1; коеф. теплопровідності (т-ра 28,5 ° С) 0,04 – 0,065 кал / см -сек-град; теплоємність ср 7,24 (т-ра 0 ° С) і 7,69 кал / г-атом • град (т-ра 25 ° С); питомий електричний опір 18,30 (т-ра 0 ° С) і 21,25 мком • см (т-ра 26,85 ° С). Металевий Ц. пар амагнітен. Цезій – м’який пластичний метал. Твердість за шкалою Мооса 0,2; НВ – = 0,015; модуль норм- пружності 175 кгс / мм2; стисливість при кімнатній т-рі 7,0-Ю-5 кгс / см2. Металевий цезій відрізняється найвищою реакційною здатністю серед лужних елементів. На повітрі миттєво окислюється із запалюванням, утворюючи перекис і надперекись.
З воднем при т-рі 200-350 ° С і тиску 50-100 ат. утворює гідрид CsH – біла кристалічна речовина, запалюється у вологому середовищі, в середовищі хлору і фтору. З киснем, залежно від умов, дає: окис Cs2O – червоно-коричневі кристали, що розпливаються на повітрі; перекис Cs2O2 – гігроскопічні кристали жовтого кольору; надперекись CsO2 – жовті кристали, при температурі вище 180 ° С змінюють колір на оранжевий; озоніду CsО3 – дрібнокристалічний помаранчевий – червоний порошок; гідроокис CsOH -біле кристалічна речовина, швидко розпливається на повітрі. Ц. безпосередньо з’єднується з галогенами (із запалюванням), утворюючи галогеніди CsF, CsCl, СsВг в Csl – безбарвні кристали, добре розчинні у воді і мн. органічних розчинниках.
У рідкому азоті при електричному розряді між електродами з цезієм отримують нітрид Cs3N – гігроскопічний малостійкі порошок сірувато-зеленого або синього кольору. Азид CsN3 – жовто-білі кристали. Відомі сполуки Ц. з сіркою, селеном і телуром – халькогеніди. З сірої цезій утворює сульфід Cs2S – розчинний у воді темно-червоний кристалічний порошок. Крім того, отримані ди-, три-і пентасульфіди. Ц. з селеном і телуром утворює кристалічні сполуки: білий порошок селеніду Cs2Se і світло-жовтий порошок телуриду Cs2Te, що розкладаються на повітрі. З кремнієм утворює силіцид CsSi – кристалічна речовина жовтого кольору, запалюється на повітрі; при взаємодії з водою запалюється з вибухом. Відомі сполуки Ц. з фосфором – фосфіди. При заміні водню в неорганічної к-ті на Ц. отримують відповідні солі: сульфат, нітрат, карбонат та ін.
З багатьма металами, включаючи лужні, Цезій утворює сплави і интерметаллические сполуки, з яких найбільш важливі з’єднання з вісмуту, сурмою, золотом і ртуттю. У реакціях з неорганічними сполуками цезій поводиться як сильний відновник. З двоокисом вуглецю і чотирихлористого вуглецем взаємодіє ствует з вибухом. Металевий Ц, отримують в основному, діючи на солі Ц., напр. на галогеніди, магнієм або кальцієм при високих
т-рах у вакуумі. Для здобуття Ц. застосовують також електрохімічний спосіб, по до-рому при електролізі, напр., CsCl на рідкому свинцевому катоді отримують свінцовоцезіевий сплав, з догрого Ц. видаляють вакуумної дистиляцією. Невеликі кількості Ц. отримують відновленням його хромату (Cs2Cr04) порошкоподібною цирконієм при т-рі 650 ° С або розкладанням CsN3 при т-рі 390- 395 ° С у вакуумі.
Області застосування металевого Ц. численні. Його використовують у фотоелементах; в фотоелектронних помножувачах, призначених для сцинтиляційних лічильників, астронавігаційних приладів, спектроскопів, для детекторів випромінювання в лазерних системах; в електронно-оптичних перетворювачах, що використовуються в приладах нічного бачення; в -передають електроннопроменевих трубках. Цезій застосовують як геттера для поглинання залишкових слідів повітря при произове вакуумних радіоламп. Він знаходить застосування в тиратронах тліючого розряду, в атомних стандартах – найбільш точних еталонах проміжків часу. Похибка атомного годинника з цезієвим джерелом становить 1 сек за 4000 років. Пари цезій використовують в оптичних квантових генераторах – газових лазерах. Добавки Ц. до інертного газу в магнитогидродинамических генераторах дозволяють іонізувати газ при температурах приблизно в два рази менших, ніж без цих добавок. Ц. використовують термоемісійних перетворювачах, призначених для безпосереднього перетворення тепла в електр. енергію; в іонних ракетних двигунах для космічних літальних апаратів. Ц. знайшов застосування в новій галузі електроніки – плазмової електроніці НВЧ, а також у цезієвих лампах, що перевершують за своєю інтенсивністю ін. Джерела світла.
Характеристика елемента. Відкриття цезію, як і рубідію, пов’язано зі спектральним аналізом. У 1860 р Р. Бунзен виявив дві яскраві блакитні лінії в спектрі, які не належать жодному відомому на той час елементу. Звідси походить і назва «цезіус (caesius), що означає небесно-блакитний. Це останній елемент підгрупи лужних металів, який ще зустрічається у вимірних кількостях. Найбільший атомний радіус і найменші перший потенціали іонізації визначають характер і поведінку цього елемента. Він має яскраво вираженою електропозитивний і яскраво вираженими металевими якостями. Прагнення віддати зовнішній 6s-електрон призводить до того, що всі його реакції протікають виключно бурхливо. Невелика різниця в енергіях атомних 5d- і 6s-орбіталей обумовлює легку збудливість атомів. Електронна емісія у цезію спостерігається під дією невидимих ​​інфрачервоних променів (теплових). Зазначена особливість структури атома визначає хорошу електричну провідність струму. Все це робить цезій незамінним в електронних приладах. Останнім часом все більше уваги приділяється цезієвої плазмі як паливу майбутнього і у зв’язку з вирішенням проблеми термоядерного синтезу.
Властивості простої речовини і з’єднань. Цезій при звичайних кімнатних умовах – напіврідкий метал (tпл = 28,5 ° С, tкип = 688 ° С). Його блискуча поверхня відливає блідо-золотистим кольором. Цезій – метал легкий з пл. 1,9 г / см³, наприклад лантан приблизно з тією ж атомною масою важить в 6 з гаком разів більше.
Причина того, що цезій у багато разів легше сусідів по періодичній системі – у великому розмірі атомів. Атомний н іонний радіуси металу дуже великі: Rат = 2,62 А, Rіон = 1, б5 А. Цезій – надзвичайно хімічно активний. Він настільки жадібно реагує з киснем, що здатний очистити газову суміш від найменших слідів кисню навіть в умовах глибокого вакууму. З водою реагує при заморожуванні до -116 ° С. Більшість реакцій з іншими речовинами відбувається з вибухами: з галогенами, сіркою, фосфором, графітом, кремнієм (в останніх трьох випадках потрібне невелике нагрівання). Складні речовини також реагують з ним бурхливо: СО2, чотирихлористий вуглець, кремнезем (при 300 ° С). В атмосфері водню утворюється гідрид СsН, займистий в недостатньо осушеному повітрі. З усіх неорганічних і органічних кислот він витісняє водень, утворюючи солі.
Більш спокійно протікають реакції цезію з азотом в полі тихого електричного заряду, а з вугіллям при нагріванні. З воднем реагує при 300-350 ° С або під тиском в 5 -10 ⋅10⁶ Па. Тому його спокійно можна зберігати в посудині, заповненій воднем.
При нагріванні (600 ° С) з кремнієм в атмосфері аргону утворюється силіцид, а з діоксиду цезій, як і рубідій, може витісняти кремній:
2Сs + 2SiO2 = Сs2O4 + 2Si
2Rb + 2SiO2 = Rb2O4 + 2Si
З сполук цезію найбільш важливі – сплави з сріблом і сурмою. Кристали броміду і йодиду цезію прозорі для інфрачервоних променів, тому використовуються в оптиці та електротехніці.
Сульфат СsSO4 – тугоплавкое і термічно стійке з’єднання, яке починає помітно випаровуватися лише при температурі понад 1400 ° С. У теж час розчинність всіх солей цезію висока.
Отримання і використання. Цезій, як і рубідій, самостійних мінералів не утворює і зазвичай супроводжує більш поширеним елементам I групи. Цезій в природі зустрічається у вигляді домішки до мінералів Na і K. Найбільш багатий цезієм поллуціт CsNa [AlSi2O6] ⋅ nH2O. Знаходиться в природі в дуже розпорошеному стані у формі сполук, що супроводжують інших руд. Наприклад, поллуціт разом з натрієм містить і рубідій і цезій. Самое трудомістке при їх отриманні – збагачення і відділення фракцій з рубідій і цезієм від калію, натрію, літію. Чисті метали (Rb і Cs) отримують з галогенів відновленням металевим кальцієм при 700-800 ° С. Отримують їх по обмінній реакції розплавлених хлоридів з металевим кальцієм:
2RbCl + Са = СаСl2 + 2Rb
Внаслідок більш низьких температур кипіння і високої летючості виділяється цезій відганяється з розплаву.
Здатність цезію віддавати електрони під дією світла використовується в фотоелементах, які працюють і інфрачервоній, видимій і ультрафіолетовій частинах спектра. Дуже поширені сурм’яно-цезієві фотоелементи містять з’єднання SbCs3. Сяючі газосветние лампи, заповнені аргоном або неоном, дозволяють створювати різнокольорові написи, завдяки властивості парів цих елементів випускати блакитний або червоний колір. Деякі сполуки цезію є прекрасними каталізаторами: оксид цезіі – в процесі отримання синтола (синтетичної нафти), гідроксид – при отриманні мурашиної кислоти. Металевий цезій прискорює гидрогенизацию вуглеводнів. Для медицини представляв інтерес ізотоп цезію 137Cs. При радіоактивному лікуванні злоякісних пухлин він має переваги перед використовуваним зараз Со, оскільки має в 4 рази менше жорстке γ-випромінювання і довший період напіврозпаду. Сплави, в яких лужні метали є поглиначами газів, потрібні для видалення слідів повітря з вакуумних приладів. Застосувати цезіі як паливо в іонних двигунах.

Посилання на основну публікацію