ОПРЕДЕЛЕНИЕ

цезийсе намира в шести период от I група на основната (А) подгрупа на Периодичната система.

принадлежи на семейството с-елементи. метални. Обозначение - Cs. Пореден номер - 55. Относителна атомна маса - 132,95 a.m.u.

Електронната структура на цезиевия атом

Цезиевият атом се състои от положително заредено ядро ​​(+55), вътре в което има 55 протона и 78 неутрона, а 55 електрона се движат в шест орбити.

Фиг. 1. Схематична структура на цезиевия атом.

Разпределението на електроните в орбиталите е както следва:

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

1с 2 2с 2 2стр 6 3с 2 3стр 6 3д 10 4с 2 4стр 6 4д 10 5с 2 5стр 6 6с 1 .

Външното енергийно ниво на цезиевия атом съдържа 1 електрон, който е валентност. Няма възбудено състояние. Енергийната диаграма на основното състояние приема следната форма:

Валентният електрон на цезиевия атом може да се характеризира с набор от четири квантови числа: н(главен квант), л(орбитална), м л(магнитни) и с(въртене):

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

Цезият е включен в групата на химичните елементи с ограничени запаси, заедно с хафний, тантал, берилий, рений, метали от платиновата група, кадмий, телур. Общите идентифицирани световни ресурси на руди са около 180 хиляди тона (по отношение на цезиев оксид), но те са изключително разпръснати. Супер високите цени са неразделна характеристика, която съпътства цезия и рубидия в миналото и настоящето. Световното производство на цезий е около 9 тона годишно, а нуждата е над 85 тона годишно и непрекъснато нараства. Цезият има и недостатъци, които причиняват постоянно търсене на неговите минерали: извличането на този метал от рудите е непълно, по време на работа на материала той се разсейва и следователно се губи безвъзвратно, запасите от цезиеви руди са много ограничени и не могат да изпълнят вечно -нарастващото търсене на метален цезий (изискванията за метал са над 8,5 пъти повече от производството му, а положението в металургията на цезия е дори по-тревожно, отколкото например в металургията на тантал или рений). Промишлеността се нуждае от точно много чист материал (на ниво 99,9-99,999%), а това е една от най-трудните задачи в металургията на редките елементи. За получаване на цезий с достатъчна степен на чистота са необходими многократна ректификация във вакуум, пречистване от механични примеси върху металокерамични филтри, нагряване с гетери за отстраняване на следи от водород, азот, кислород и многократна стъпаловидна кристализация. Цезият е много активен и агресивен към контейнерните материали и изисква съхранение, например, в съдове, направени от специално стъкло в атмосфера от аргон или водород (цезият унищожава конвенционалните класове лабораторно стъкло).

Място на раждане

Канада е лидер в добива на цезиева руда (полюцит). Находището на езерото Берник (югоизточна Манитоба) съдържа около 70% от световните запаси на цезий. Полуцит се добива и в Намибия и Зимбабве. В Русия неговите мощни находища се намират на Колския полуостров, в Източен Саян и Забайкалия. Замърсяващи находища има и в Казахстан, Монголия и Италия (остров Елба), но те имат малки запаси и не са от голямо икономическо значение.

Годишното производство на цезий в света е около 20 тона.

Геохимия и минералогия

Средното съдържание на цезий в земната кора е 3,7 g/t. Има известно увеличение на съдържанието на цезий от ултраосновни скали (0,1 g/t) до киселинни (5 g/t). По-голямата част от неговата маса в природата е в разпръсната форма и само малка част се съдържа в собствените му минерали. Постоянно повишени количества цезий се наблюдават в спароит (1-4%), родицит (около 5%), овогадрит и лепидолит (0,85%). По кристалнохимични свойства цезият е най-близък до рубидий, калий и талий. В увеличени количества цезият се намира в калиеви минерали. Цезият, подобно на рубидий, има тенденция да се натрупва в късните етапи на магматичните процеси и неговите концентрации достигат най-високи стойности в пегматитите. Средното съдържание на цезий в гранитните пегматити е около 0,01%, а в отделни пегматитни жили, съдържащи замърсяване, то дори достига 0,4%, което е около 400 пъти по-високо от това в гранитите. Най-високи концентрации на цезий се наблюдават в редкометални заместени микроклин-албитови пегматити със сподумен. По време на пневматолитно-хидротермалния процес повишени количества цезий се свързват с масиви от грейзенизирани аласкити и гранити с кварц-берил-волфрамитни жилки, където присъства предимно в мусковитите и фелдшпатовете. В зоната на хипергенеза (при повърхностни условия) цезият се натрупва в малки количества в глини, глинести скали и почви, съдържащи глинести минерали, понякога в манганови хидроксиди. Максималното съдържание на цезий е само 15 g/t. Ролята на глинестите минерали се свежда до сорбция, цезият участва в междупакетното пространство като абсорбирана основа. Активната миграция на този елемент във водите е много ограничена. Основното количество цезий мигрира "пасивно", в глинестите частици на речните води. В морската вода концентрацията на цезий е прибл. 0,5 µg/l. От самите цезиеви минерали най-разпространени са полуцит (Cs, Na) nH2O (22–36% Cs2O), цезиев берил (воробиевит) Be2CsAl2(Si6O18) и авогадрит (KCs)BF4. Последните два минерала съдържат до 7,5% цезиев оксид.

Получаване на цезий

Основните цезиеви минерали са полюцит и много редкият овогадрит (K,Cs). Освен това, под формата на примеси, цезият е включен в редица алумосиликати: лепидолит, флогопит, биотит, амазонит, петалит, берил, цинвалдит, левцит, карналит. Полуцит и лепидолит се използват като промишлени суровини.
В промишленото производство цезият под формата на съединения се извлича от минерала полюцит. Това става чрез отваряне на хлорид или сулфат. Първият включва третиране на оригиналния минерал с нагрята солна киселина, добавяне на антимонов хлорид SbCl3 за утаяване на Cs3 съединението и измиване с гореща вода или разтвор на амоняк за образуване на цезиев хлорид CsCl. Във втория случай минералът се обработва с нагрята сярна киселина, за да се образува цезиев стипца CsAl(SO4)2 12H2O.
В Русия, след разпадането на СССР, промишленото производство на полюцит не е извършено, въпреки че още по съветско време в тундрата Вороня близо до Мурманск са открити колосални запаси от минерала. Докато руската индустрия успя да стъпи на крака, се оказа, че канадска компания е закупила лиценза за разработване на това поле. В момента преработката и извличането на цезиеви соли от замърсяване се извършва в Новосибирск в ЗАО Завод за редки метали.

Има няколко лабораторни метода за получаване на цезий. Може да се получи:
нагряване във вакуум на смес от цезиев хромат или бихромат с цирконий;
разлагане на цезиев азид във вакуум;
нагряване на смес от цезиев хлорид и специално приготвен калций.

Всички методи са трудоемки. Вторият метод дава възможност за получаване на метал с висока чистота, но той е експлозивен и изисква няколко дни, за да бъде реализиран.

Химични свойства

Цезият е най-реактивният метал, получен в макроскопични количества (тъй като активността на алкалните метали се увеличава с поредния номер, францият вероятно е още по-активен, но не се получава в макроскопични количества, тъй като всичките му изотопи имат кратък полуживот). Той е най-силният реставратор. Във въздуха цезият моментално се окислява при запалване, образувайки супероксид CsO2. При ограничен достъп на кислород, той се окислява до Cs2O оксид. Взаимодействието с вода протича с експлозия, продуктът на взаимодействието е хидроксид CsOH и водород H2. Цезият реагира с лед (дори при -120 °C), прости алкохоли, органохалогениди, тежки метални халиди, киселини, сух лед (взаимодействието протича със силна експлозия). Реагира с бензол. Активността на цезия се дължи не само на висок отрицателен електрохимичен потенциал, но и на ниска точка на топене и кипене (бързо се развива много голяма контактна повърхност, което увеличава скоростта на реакцията). Много соли, образувани от цезия - нитрати, хлориди, бромиди, флуориди, йодиди, хромати, манганати, азиди, цианиди, карбонати и др. - са изключително лесно разтворими във вода и редица органични разтворители; перхлоратите са най-малко разтворими (което е важно за технологията за получаване и пречистване на цезий). Въпреки факта, че цезият е много активен метал, за разлика от лития, той не реагира с азот при нормални условия и за разлика от барий, калций, магнезий и редица други метали, не е в състояние да образува съединения с азот дори при силно нагряване .

Цезиевият хидроксид е най-силната основа с най-висока електрическа проводимост във воден разтвор; така, например, когато се работи с него, трябва да се има предвид, че концентриран разтвор на CsOH разрушава стъклото дори при обикновени температури, а стопилката разрушава желязо, кобалт, никел, както и платина, корунд и циркониев диоксид и дори постепенно разрушава среброто и златото (в присъствието на кислород много бързо). Единственият стабилен метал в стопилката на цезиев хидроксид е родий и някои от неговите сплави.

Ако писателят-белетрист трябваше да се занимава с „биографията” на цезия, тогава той може да започне така: „Цезий е открит сравнително наскоро, през 1860 г., в минералните води на известните лечебни извори на Шварцвалд (Баден- Баден и др.). За кратък исторически период е изминал брилянтен път – от рядък, непознат химичен елемент до стратегически метал. Принадлежи към работното семейство на алкалните метали, но във вените му тече синята кръв от последния по рода си... Това обаче ни най-малко не му пречи да общува с други елементи, дори и те да не са толкова известни , той охотно влиза в контакти с тях и установява силни връзки.връзки. В момента той работи едновременно в няколко индустрии: в електрониката и автоматизацията, в радарите и киното, в ядрените реактори и в космическите кораби...“.

Без да приемаме сериозно закачливия връх и някои очевидно литературни преувеличения, тази биография може спокойно да бъде сбъркана с „роман без лъжи“. Разговорът за „синята кръв“ на цезия не е безсмислен - той за първи път е открит от две ярки линии в синята област на спектъра и латинската дума „caesius“, от която идва името му, означава небесно синьо. Твърдението, че цезият е практически последният от поредицата алкални метали, е неоспоримо. Вярно е, че дори Менделеев благоразумно остави празна клетка в таблицата си за "екацезий", който трябваше да следва цезия в група I. И този елемент (франций) е открит през 1939г. Въпреки това, францийът съществува само под формата на бързо разпадащи се радиоактивни изотопи с период на полуразпад от минути, секунди или дори хилядна част от секундата. И накрая, вярно е също, че цезият се използва в някои от най-важните области на съвременните технологии и наука.

Разпространението на цезия в природата и неговото производство

В литературата няма точни данни за това колко цезий е наличен на земното кълбо. Известно е само, че е един от редките химични елементи. Смята се, че съдържанието му в земната кора е поне няколкостотин пъти по-малко от рубидия и не надвишава 7·10–4%.

Цезият се среща в изключително дисперсно състояние (от порядъка на хилядни от процента) в много скали; следи от този метал също са открити в морската вода. В по-високи концентрации (до няколко десети от процента) се намира в някои калиеви и литиеви минерали, главно в лепидолита. Но особено важно е, че за разлика от рубидия и повечето други редки елементи, цезият образува свои собствени минерали - полуцит, овогадрит и родицит. Родицитът е изключително рядък, освен това някои автори го класифицират като литиев минерал, тъй като неговият състав (R 2 O 2Al 2 O 3 3B 2 O 3, където R 2 O е сумата от оксиди на алкални метали) обикновено съдържа повече литий, отколкото цезий . Авогадритът (K, Cs) също е рядък, а полуцитите са редки; отлаганията им са тънки, но съдържат най-малко 20, а понякога и до 35% цезий. Най-голямо практическо значение имат замърсителите на САЩ (Южна Дакота и Мейн), Югозападна Африка, Швеция и Съветския съюз (Казахстан и др.).

Полюцитите са алумосиликати, сложни и много силни съединения. Съставът им се определя по формулата (Cs, Na) н H 2 O и въпреки че в тях има много цезий, не е толкова лесно да се извлече. За да "отвори" минерала и да превърне ценните компоненти в разтворима форма, при нагряване се обработва с концентрирани минерални киселини - флуороводородна или солна и сярна. След това разтворът се освобождава от всички тежки и леки метали и, което е особено трудно, от постоянните спътници на цезия - алкални метали: калий, натрий и рубидий.

Съвременните методи за извличане на цезий от замърсявания се основават на предварителното сливане на концентрати с излишък от вар и малко количество флуорен шпат. Ако процесът се проведе при 1200°C, тогава почти целият цезий сублимира под формата на Cs 2 O оксид. Тази сублимация, разбира се, е замърсена с примес от други алкални метали, но е разтворима в минерални киселини, които опростява по-нататъшните операции.

От лепидолитите цезият се извлича заедно с рубидий по пътя, като страничен продукт от производството на литий. Лепидолитите предварително се легират (или синтероват) при около 1000°C с гипс или калиев сулфат и бариев карбонат. При тези условия всички алкални метали се превръщат в лесно разтворими съединения - те могат да бъдат излужени с гореща вода. След изолирането на лития остава да се обработят получените филтрати и тук най-трудната операция е отделянето на цезий от рубидий и огромен излишък от калий. В резултат се получава малко цезиева сол - хлорид, сулфат или карбонат. Но това е само част от историята, тъй като цезиевата сол трябва да се превърне в метален цезий. За да се разбере сложността на последния етап, е достатъчно да се посочи, че откривателят на цезия – най-големият немски химик Бунзен – не успява да получи елемент No 55 в свободно състояние. Всички методи, подходящи за редукция на други метали, не дадоха желаните резултати. Металният цезий е получен за първи път едва 20 години по-късно, през 1882 г., от шведския химик Сетерберг в процеса на електролиза на разтопена смес от цезий и бариеви цианиди, взети в съотношение 4:1. Прибавя се бариев цианид, за да се понижи точката на топене. Въпреки това, барият замърсява крайния продукт и цианидите са трудни за работа поради тяхната изключителна токсичност, а добивът на цезий е много малък. Рационалният му метод на вола е открит през 1890 г. от известния руски химик Н.Н. Бекетов, който предлага редукция на цезиевия хидроксид с метален магнезий в поток от водород при повишена температура. Водородът запълва устройството и предотвратява окисляването на цезия, който се дестилира в специален приемник. Но дори и в този случай добивът на цезий не надвишава 50% от теоретичния.

Най-доброто решение на трудния проблем с получаването на метален цезий е намерено през 1911 г. от френския химик Axpil. С метода Axpil, който все още е най-разпространеният, цезиевият хлорид се редуцира с метален калций във вакуум и реакцията

2CsCl + Ca → CaCl 2 + 2Cs

отива почти до края. Процесът се извършва в специално устройство (в лабораторни условия - от кварц или огнеупорно стъкло), оборудвано с процес. Ако налягането в устройството е не повече от 0,001 mm Hg. чл., температурата на процеса не може да надвишава 675°C. Освободеният цезий се изпарява и се дестилира в издънката, а калциевият хлорид остава напълно в реактора, тъй като при тези условия летливостта на солта е незначителна (точката на топене на CaCl 2 е 773°C, т.е. 100°C по-висока от температурата на процеса). В резултат на многократна дестилация във вакуум се получава абсолютно чист метален цезий.

В литературата са описани много други методи за получаване на метален цезий от неговите съединения, но като правило те не обещават особени предимства. По този начин, когато металният калций се заменя с неговия карбид, реакционната температура трябва да се повиши до 800°C и крайният продукт се замърсява с допълнителни примеси. Възможно е да се разложи цезиевият азид или да се редуцира неговият бихромат с цирконий, но тези реакции са експлозивни. Въпреки това, когато дихроматът се заменя с цезиев хромат, процесът на редукция протича гладко и въпреки че добивът не надвишава 50%, много чист метален цезий се отдестилира. Този метод е приложим за получаване на малки количества метал в специално вакуумно устройство.

Световното производство на цезий е сравнително малко, но през последните години непрекъснато нараства. За мащаба на този ръст може само да се гадае - цифрите не се публикуват.

Свойства на цезий

Блестящата повърхност на металния цезий има бледо златист цвят. Той е един от най-топимите метали: топи се при 28,5°C, кипи при 705°C при нормални условия и при 330°C във вакуум. Лепимостта на цезия е съчетана с голяма лекота. Въпреки доста голямата атомна маса (132,905) на елемента, неговата плътност при 20°C е само 1,87. Цезият е много пъти по-лек от своите съседи в периодичната таблица. Лантана, например, който има почти същата атомна маса, е повече от три пъти по-плътен от цезия. Цезият е само два пъти по-тежък от натрия, а съотношението им на атомна маса е 6:1. Очевидно причината за това се крие в особената електронна структура на атомите на цезий. Всеки негов атом съдържа 55 протона, 78 неутрона и 55 електрона, но всички тези многобройни електрони са относително хлабави - йонният радиус на цезия е много голям - 1,65 Å*. Йонният радиус на лантана, например, е само 1,22 Å, въпреки че неговият атом съдържа 57 протона, 82 неутрона и 57 електрона.

* Атомният радиус на цезия е 2,62 Å.

Най-забележителното свойство на цезия е неговата изключително висока активност. Той превъзхожда всички други метали по своята чувствителност към светлина. Цезиевият катод излъчва поток от електрони дори когато е изложен на инфрачервени лъчи с дължина на вълната 0,80 микрона. В допълнение, максималната електронна емисия, която надвишава нормалния фотоелектричен ефект стотици пъти, се появява в цезий, когато е осветен със зелена светлина, докато при други фоточувствителни метали този максимум се появява само при излагане на виолетови или ултравиолетови лъчи.

Дълго време учените се надяваха да намерят радиоактивни изотопи на цезий в природата, тъй като рубидий и калий ги имат. В естествения цезий обаче не са открити други изотопи, освен доста стабилния 133 Cs. Вярно е, че изкуствено са получени 22 радиоактивни изотопа на цезий с атомна маса от 123 до 144. В повечето случаи те са краткотрайни: времето на полуразпад се измерва в секунди и минути, по-рядко - няколко часа или дни. Три от тях обаче не се разпадат толкова бързо - това са 134 Cs, 137 Cs и 135 Cs, живеещи 2,07; 26,6 и 3 10 6 години. И трите изотопа се образуват в ядрени реактори при разпадането на уран, торий и плутоний; отстраняването им от реакторите е доста трудно.

Химическата активност на цезия е изключителна. Той реагира много бързо с кислорода и не само незабавно се запалва във въздуха, но е в състояние да абсорбира и най-малките следи от кислород в дълбок вакуум. Той бързо разлага водата вече при обикновена температура; в този случай се отделя много топлина и водородът, изместен от водата, незабавно се запалва. Цезият взаимодейства дори с лед при –116°C. Съхранението му изисква много грижи.

Цезият също взаимодейства с въглерода. Само най-съвършената модификация на въглерода - диамантът - е в състояние да устои на неговия "нападение". Течният разтопен цезий и неговите пари разхлабват сажди, въглен и дори графит, прониквайки между въглеродните атоми и образувайки особени, доста силни златисто-жълти съединения, които в границата очевидно съответстват на състава на C 8 Cs 5 . Те се запалват във въздуха, изместват водорода от водата и при нагряване се разлагат и освобождават целия абсорбиран цезий.

Дори при обикновени температури реакциите на цезия с флуор, хлор и други халогени са придружени от запалване, а със сяра и фосфор - от експлозия. При нагряване цезият се комбинира с водород, азот и други елементи, а при 300 ° C разрушава стъклото и порцелана. Цезиевите хидриди и деутеридите са силно запалими във въздуха и в атмосфера на флуор и хлор. Нестабилни, а понякога и запалими и експлозивни съединения на цезия с азот, бор, силиций и германий, както и с въглероден окис. Цезиевите халогениди и цезиевите соли на повечето киселини, от друга страна, са много силни и стабилни. Активността на първоначалния цезий се проявява в тях само в добрата разтворимост на по-голямата част от солите. Освен това те лесно се превръщат в по-сложни комплексни съединения.

Сплавите и интерметалните съединения на цезия винаги са относително топими.

Цезият има още едно много важно свойство, тясно свързано с електронната му структура. Въпросът е, че той губи своя единичен валентен електрон по-лесно от всеки друг метал; това изисква много малко енергия - само 3,89 eV. Следователно получаването на плазма от цезий изисква много по-малко енергия, отколкото при използване на всеки друг химичен елемент.

Къде се използва цезият?

Не е изненадващо, че забележителните свойства на цезия отдавна са отворили достъп до различни сфери на човешката дейност.

На първо място, той намери приложение в радиотехниката. Вакуумните фотоклетки със сложен сребърно-цезиев фотокатод са особено ценни за радарите: те са чувствителни не само към видимата светлина, но и към невидимите инфрачервени лъчи и, за разлика например от селеновите клетки, работят без инерция. Вакуумните антимон-цезиеви фотоклетки се използват широко в телевизионни и звукови филми; чувствителността им дори след 250 часа работа пада само с 5...6%, работят надеждно в температурен диапазон от -30° до +90°C. От тях са така наречените многостепенни фотоклетки; в този случай под действието на електрони, причинени от светлинни лъчи в един от катодите, възниква вторична емисия - електроните се излъчват от допълнителни фотокатоди на устройството. В резултат на това общият електрически ток, който възниква във фотоклетката, се умножава многократно. Усилване на тока и повишаване на чувствителността се постигат и в цезиеви фотоклетки, пълни с инертен газ (аргон или неон).

Бромидите, йодидите и някои други цезиеви соли се използват широко в оптиката и електротехниката. Ако при производството на флуоресцентни екрани за телевизори и научно оборудване се въведе приблизително 20% цезиев йодид между кристалите на цинков сулфид, екраните ще абсорбират по-добре рентгеновите лъчи и ще светят по-ярко, когато бъдат облъчени с електронен лъч.

На Международната изложба "Химия-65", проведена в Москва през 1965 г. в павилиона на СССР, бяха демонстрирани сцинтилационни устройства с монокристали на цезиев йодид, активиран от талий. Тези устройства, предназначени да откриват тежки заредени частици, имат най-високата чувствителност от всички устройства от този тип.

Кристалите от цезиев бромид и йодид са прозрачни за инфрачервени лъчи с дължина на вълната от 15 до 30 µm (CsBr) и 24 до 54 µm (CsI). Конвенционалните призми от натриев хлорид пропускат само лъчи с дължина на вълната 14 микрона, а от калиев хлорид - 25 микрона. Следователно, използването на цезиев бромид и йодид направи възможно записването на спектрите на сложни молекули в далечната инфрачервена област.

Съединенията на цезия с каланова киселина (ортостанати) и с циркониев оксид (метацирконати) са много чувствителни към светлина. Луминесцентните тръби, направени на тяхна основа, когато са облъчени с ултравиолетови лъчи или електрони, дават зелена луминесценция.

Активността на много цезиеви съединения се проявява в тяхната каталитична способност. Установено е, че когато синтол (синтетично масло) се получава от воден газ и стирен от етилбензен, както и при някои други синтези, добавянето на малко количество цезиев оксид към катализатора (вместо калиев оксид) повишава добива на крайния продукт и подобрява условията на процеса. Цезиевият хидроксид е отличен катализатор за синтеза на мравчена киселина. С този катализатор реакцията протича при 300°С без високо налягане. Добивът на крайния продукт е много висок – 91,5%. Металният цезий е по-добър от другите алкални метали за ускоряване на реакцията на хидрогениране на ароматните въглеводороди.

Като цяло каталитичните свойства на цезия са малко проучени, а положителният му ефект е оценен по-скоро качествено, отколкото количествено. Това вероятно може да се обясни с липсата на актуалност на въпроса, тъй като има спешно търсене на цезий в редица други много важни области. Последните включват по-специално медицината. Изотопът 137 Cs, който се образува във всички ядрени реактори (средно от 100 уранови ядра 6 137 Cs ядра), се интересуват от специалисти в областта на рентгеновата терапия. Този изотоп се разлага сравнително бавно, губейки само 2,4% от първоначалната си активност годишно. Оказа се, че е подходящ за лечение на злокачествени тумори и има определени предимства пред радиоактивния кобалт-60: по-дълъг полуживот (26,6 години срещу 5,27) и четири пъти по-малко силно гама-лъчение. В това отношение устройствата на базата на 137 Cs са по-издръжливи, а радиационната защита е по-малко тромава. Тези предимства обаче стават реални само ако 137 Cs е абсолютно радиохимично чист и не съдържа 134 Cs примес, който има по-кратък полуживот и по-силно гама-лъчение.

Не само радиоактивният, но и стабилният метален цезий става все по-важен. Той служи за производството на специални токоизправители, в много отношения превъзхождащи живачните. Във военните и военноморските сили вакуумните тръби с цезиева пара се използват за инфрачервена сигнализация и контрол. В Съединените щати този вид устройство, способно да открива всякакви обекти в тъмното, се нарича "снайперскоп".

Но особено голямо внимание напоследък беше обърнато на цезиевата плазма, на цялостното изследване на нейните свойства и условията на образуване. Може би той ще стане "горивото" на плазмените двигатели на бъдещето. Освен това работата по изследването на цезиевата плазма е тясно свързана с проблема за контролирания термоядрен синтез. Много учени смятат, че е препоръчително да се създаде цезиева плазма, използвайки високотемпературната топлинна енергия на ядрените реактори, тоест директно да преобразува тази топлинна енергия в електрическа енергия.

Това в никакъв случай не е пълен списък на възможностите на цезия.

Малко след отваряне

Известно е, че цезият е първият елемент, открит чрез спектрален анализ. Учените обаче имаха възможността да се запознаят с този елемент още преди Бунзен и Кирхоф да създадат нов изследователски метод. През 1846 г. немският химик Платнер, анализирайки минерала полюцит, открива, че сборът от известните му компоненти е само 93%, но не може да определи точно кой друг елемент (или елементи) е включен в този минерал. Едва през 1864 г., след откриването на Бунзен, италианският Пизани открива цезий в полуцита и установява, че именно съединенията на този елемент Платнер не може да идентифицира.

Цезий и налягане

Всички алкални метали се променят силно под високо налягане. Но именно цезият реагира на него най-особено и остро. При налягане от 100 хиляди атм. обемът му намалява почти три пъти - повече от този на другите алкални метали. Освен това при условия на високо налягане бяха открити две нови модификации на елементарния цезий. Електрическото съпротивление на всички алкални метали се увеличава с увеличаване на налягането; при цезия това свойство е особено изразено.

атомен часовник

Ядрото на цезиевия атом и неговият валентен електрон имат свои собствени магнитни моменти. Тези моменти могат да бъдат ориентирани по два начина – паралелно или антипаралелно. Разликата между енергиите на двете състояния е постоянна и, естествено, преходът от едно състояние в друго е придружено от трептения със строго постоянни характеристики (дължина на вълната 3,26 cm). Използвайки това свойство, учените са създали цезиев "атомен часовник" - може би най-точният в света.

Характеристиките на цезия, неговите структурни характеристики и качества, присъщи на този елемент, трябва да бъдат взети в хода на химията. Не само учениците, но и студентите от химически специалности трябва да знаят специфичните характеристики на това съединение. Използването на цезий в момента е доста широко - но в специфична област. Това до голяма степен се дължи на факта, че при стайна температура елементът придобива течно състояние и практически никога не се среща в чиста форма. В момента само пет метала имат подобни качества. Свойствата на цезия определят интереса на учените към него и възможностите за използване на съединението.

За какво се отнася?

Мекият метал цезий е обозначен в периодичната таблица със символите Cs. Серийният му номер е 55. Мекият метал има сребрист, златист оттенък. Точка на топене - 28 градуса по Целзий.

Цезият е алкален метал, чиито качества и характеристики са подобни на калия, рубидия. Структурата на цезия причинява повишена реактивност. С вода металът може да реагира при температура по скалата на Целзий от 116 градуса под нулата. Химическият елемент цезий е силно пирофорен. Получава се от полуцит. Много радиоактивни изотопи на цезий (включително цезий 137, който намери активно приложение) се произвеждат по време на преработката на отпадъците, генерирани по време на работата на ядрен реактор. Цезий 137 е резултат от реакция на делене.

Историческа справка

Заслугата за откриването на електронната формула на цезия принадлежи на химици от Германия, изключителни умове в своята област, Кирхоф, Бунзен. Това събитие се случи през далечната 1860 година. По това време те започнаха активно да променят новооткрития метод за пламъчна спектроскопия и в хода на експериментите си немски учени откриха химически елемент, непознат досега на обществеността - цезий. В този момент като реципиент беше представен цезият, който е актуален за фотоклетки и електронни лампи.

Забележими промени в историята на дефиницията и изолирането на елемента настъпват през 1967 г. Като се вземе предвид твърдението на Айнщайн, че скоростта на светлината може да се счита за най-постоянния фактор за измерване, присъщ на нашата вселена, беше решено да се изолира цезий 133. Това беше важен момент за разширяване на обхвата на приложение на химическия елемент цезий - по-специално , върху него се правят атомни часовници.

Цезий през деветдесетте години

Именно през последното десетилетие на миналия век химическият елемент цезий започва да се използва от човечеството особено активно. Установено е, че е приложим при пробиване на флуиди. Също така успяхме да намерим доста обширна област на приложение в химическата промишленост. Оказа се, че цезиевият хлорид и другите негови производни могат да се използват при проектирането на сложна електроника.

В същото време през деветдесетте години специално внимание на научната общност беше приковано към всичко, което може да се превърне в нова дума в атомната, ядрената енергия. Именно тогава радиоактивният цезий беше най-внимателно проучен. Установено е, че полуживотът на този компонент изисква около три десетилетия. Понастоящем радиоактивните изотопи на цезия се използват широко в хидрологията. Медицината и индустрията не могат без тях. Най-широко използваният радиоактивен изотоп е цезий 137. Цезият се характеризира с ниско ниво на токсични способности, докато радиоактивните производни във високи концентрации могат да навредят на природата и хората.

Физически параметри

Спецификата на цезия (както и на цезиевия хлорид и други производни на този метал) определя възможността за широко приложение на продукта. Сред другите елементи, именно цезият има най-малкия индекс на твърдост - само 0,2 единици в допълнение към мекотата, ковкостта е характерна за метала. В нормално състояние правилната електронна формула на цезия позволява образуването на материал с блед цвят, способен да промени цвета си в по-тъмен при най-малкия контакт с кислородни съединения.

Точката на топене на метала е само 28 градуса по Целзий, което означава, че съединението е един от петте метала, които са в течна фаза при или близо до стайна температура. Още по-ниска точка на топене от тази на цезия е регистрирана само за живака. Точката на кипене на цезия също е ниска - само живакът има по-малко. Характеристиките на електрохимичния потенциал регулират изгарянето на метала - създава лилави нюанси или синьо.

Съвместимост и функции

Цезият има способността да реагира с Елементът също така образува цезиеви оксиди. Освен това се наблюдават реакции със смеси на живак и злато. Характеристиките на взаимодействието с други съединения, както и температурните условия, при които са възможни реакции, декларират възможни интерметални състави. По-специално, цезият е първоначалният компонент за образуването на фоточувствителни съединения. За това се провежда метална реакция с участието на торий, антимон, галий и индий.

Освен цезиевия оксид, химиците се интересуват и от резултатите от взаимодействието с редица алкални елементи. В същото време трябва да се има предвид, че металът не може да реагира с литий. Всяка от цезиевите сплави има свой собствен нюанс. Някои смеси са черно-виолетови съединения, други са златисти, а трети са почти безцветни, но с подчертан метален блясък.

Химични характеристики

Най-изразената характеристика на цезия е неговата пирофорност. Освен това вниманието на учените е привлечено от електрохимичния потенциал на метала. Цезият може спонтанно да се запали направо във въздуха. При взаимодействие с вода се получава експлозия, дори ако условията на реакцията предполагат ниски температури. В това отношение цезият забележимо се различава от първата група от химическата таблица на Менделеев. Когато цезий и вода взаимодействат в твърда форма, също настъпва реакция.

Установено е, че полуживотът на цезия продължава около три десетилетия. Материалът е признат за опасен поради своите характеристики. За да работите с цезий, е необходимо да се създаде атмосфера от инертен газ. В същото време експлозията при контакт с вода с еднакво количество натрий и цезий във втория случай ще бъде забележимо по-слаба. Химиците обясняват това със следната характеристика: когато цезият влезе в контакт с вода, настъпва моментална експлозивна реакция, тоест няма достатъчно дълъг период от време за натрупване на водород. Най-добрият метод за съхранение на цезий са запечатани контейнери, изработени от боросиликатно съединение.

Цезий: в съединения

Цезият в съединенията действа като катион. Има много различни аниони, с които е възможна реакция на образуване на съединение. Повечето цезиеви соли са безцветни, освен ако цветът не се дължи на анион. Простите соли са хигроскопични, макар и в по-малка степен от другите леки алкални метали. Много от тях са разтворими във вода.

Те имат относително ниска степен на разтворимост. Намира доста широко приложение в индустрията. Например, алуминиево-цезиевият сулфат се използва активно в пречиствателните станции за руда поради ниската му разтворимост във вода.

Цезий: уникален и полезен

Визуално този метал е подобен на златото, но малко по-лек от най-популярния благороден метал. Ако вземете парче цезий в ръката си, то бързо ще се разтопи и полученото вещество ще бъде подвижно, ще промени цвета си - по-близо до среброто. В разтопено състояние цезият отразява перфектно светлинните лъчи. От алкалните метали цезият се счита за най-тежък, в същото време има най-ниска плътност.

Историята на откриването на цезий съдържа препратки към източника на Дюрххайм. От тук е изпратена водна проба за лабораторно изследване. В хода на анализа на съставните компоненти беше обърнато специално внимание на решаването на въпроса: кой елемент осигурява лечебните качества на течността? Немският учен Бунзен решава да приложи метода на спектралния анализ. Тогава се появиха две неочаквани линии със син оттенък, които не бяха характерни за съединенията, познати по това време. Именно цветът на тези ленти помогна на учените да изберат име за новия компонент - небесно синьо на латински звучи като "цезий".

Къде мога да те намеря?

Както беше разкрито в хода на дългосрочни тестове, цезият е микроелемент, който се среща изключително рядко в естествени условия. И така, извършвайки сравнителен анализ на съдържанието на рубидий и цезий в кората на планетата, учените установиха, че второто е по-малко от стотици пъти. Груба оценка на концентрацията даде индикатор от 7 * 10 (-4)%. Никой друг по-малко чувствителен метод от спектроскопията просто не би разкрил толкова рядко съединение. Това обяснява факта, че по-ранните учени дори не са подозирали за съществуването на цезий.

Понастоящем е установено, че цезият е по-разпространен в скалите, добивани от планините. Концентрацията му в този материал не надвишава хилядни от процента. Категорично малки количества са регистрирани във водите на моретата. Нивото на концентрация в литиеви, калиеви минерални съединения достига десети от процента. Най-често може да се открие в лепидолит.

При сравняване на отличителните характеристики на цезия и рубидия, както и на други елементи, които са изключително редки, беше възможно да се разкрие, че цезият се характеризира с образуването на уникални минерали, на които други съединения не са способни. Така се получават полуцит, родицит, овогадрит.

Родицитът, както са установили учените, е изключително рядък. Авогадритът е много труден за намиране. Полюцитът е малко по-често срещан, в някои случаи са открити малки отлагания. Те имат много ниска мощност, но съдържат цезий в количество от 20-35 процента от общата маса. Най-важните от гледна точка на обществото замърсявания са открити в американските недра и на територията на Русия. Има и шведски разработки, казахстански. Известно е, че полуцит е открит в югозападната част на африканския континент.

Работата продължава

Не е тайна, че откриването на елемент и получаването му в чист вид са две напълно различни задачи, макар и свързани. Когато стана ясно, че цезият е много рядък, учените започнаха да разработват методи за синтез на метала в лабораторията. Отначало изглеждаше, че това е напълно невъзможна задача, ако използваме наличните по това време средства и технологии. В продължение на много години Бунзен не успява да изолира метален цезий в чистата му форма. Само две десетилетия по-късно напредналите химици най-накрая успяха да решат този проблем.

Пробивът идва през 1882 г., когато Сетерберг от Швеция електролизира смес в четири части цезиев цианид, смесен с една част барий. Последният компонент беше използван за по-ниска точка на топене. Цианидите, както учените вече знаеха в този момент, са много опасни компоненти. В същото време се образува замърсяване поради барий, което не позволява да се получи повече или по-малко задоволително количество цезий. Беше ясно, че методологията изисква значителни подобрения. Добро предложение в тази област беше внесено за обсъждане от научната общност Бекетов. Тогава вниманието привлече цезиевият хидроксид. Ако това съединение се намали чрез използване на метален магнезий, увеличаване на топлината и използване на водороден ток, може да се постигне малко по-добър резултат от този, доказан от шведския химик. Реални експерименти обаче показват, че добивът е наполовина от изчисления на теория.

Какво следва?

Цезият продължава да бъде в центъра на вниманието на международната химическа научна общност. По-специално, френският учен Axpil посвети много усилия и време за него в своите изследвания. През 1911 г. той предлага радикално нов подход към извличането на чист цезий. Беше необходимо реакцията да се проведе във вакуум, като изходен материал беше взет метален хлорид, а за редуцирането му беше използван метален калций.

Такава реакция, както показаха експериментите, се случва почти до края. За да се постигне достатъчен ефект, е необходимо да се използва специално устройство. В лабораториите обикновено прибягват до огнеупорно стъкло или използват кварцови съдове. Устройството трябва да има процес. Вътре се поддържа налягане от около 0,001 mm Hg. Изкуство. За успешна реакция е необходимо да се гарантира, че контейнерът се нагрява до 675 градуса по Целзий. В този случай се отделя цезий, който се изпарява почти веднага. Двойките преминават в процеса, предназначен за това. Но калиевият хлорид се утаява главно директно в реактора. При дадени условия летливостта на тази сол е толкова малка, че изобщо може да се пренебрегне, тъй като за това съединение характерната точка на топене е 773 градуса (според същата скала на Целзий). Това означава, че утайката може да се стопи, ако контейнерът се прегрее със сто градуса спрямо предвиденото. За да се постигне най-ефективният резултат, е необходимо да се повтори процесът на дестилация. За да направите това, създайте вакуум. Резултатът ще бъде идеален метален цезий. В момента описаният метод се използва най-широко и се счита за оптимален за получаване на връзката.

Активност и реакции

В хода на множество изследвания учените успяха да установят, че цезият има удивителна активност, която обикновено не е характерна за металите. При контакт с въздуха възниква запалване, което води до отделяне на супероксид. Оксидът може да се получи чрез ограничаване на достъпа на кислород до реагентите. Има възможност за образуване на субоксиди.

Ако цезият влезе в контакт с фосфор, сяра, халоген, това провокира експлозия, придружена от експлозия. Също така експлозията придружава реакцията с вода. Използвайки кристализатор, чаша, може да срещнете факта, че контейнерът буквално се разпада на парчета. Възможна е и реакция с лед, ако температурата по скалата на Целзий не е по-ниска от 116 градуса. В резултат на тази реакция се получават водород и хидроксид.

Хидроксид: характеристики

В хода на изучаването на реакционните продукти, произведени от цезий, химиците са открили, че полученият хидроксид е много силна основа. Когато взаимодействате с него, трябва да се помни, че при висока концентрация това съединение може лесно да унищожи стъклото дори без допълнително нагряване. Но когато температурата се повиши, хидроксидът лесно топи никел, желязо, кобалт. Ефектът върху корунд, платина ще бъде подобен. Ако кислородът участва в реакцията, цезиевият хидроксид разрушава изключително бързо среброто и златото. Ако ограничите доставката на кислород, процесът протича сравнително бавно, но все още не спира. Родий и няколко сплави на това съединение са устойчиви на цезиев хидроксид.

Прилагайте разумно

Понастоящем много широко се използват не само цезий, но и съединения, известни на основата на този метал. Без тях е невъзможно да си представим дизайна на радиотехниката, те също са незаменими в електрониката. Съединението и вариациите на цезия се използват активно в химията, индустрията, офталмологията и медицината. Цезият не е пренебрегнат при разработването на технологии, приложими в космоса, както и ядрената енергетика.

Сега е обичайно да се използва цезий при изграждането на слънчеви клетки. Бромид, йодид на този метал са необходими за създаването на системи за инфрачервено зрение. Монокристалите, получени индустриално, могат да се използват като елементи на детектори, позволяващи откриване на йонизиращо лъчение. Някои съединения на базата на цезий се използват активно като катализатори в промишлените процеси. Това е необходимо за създаването на амоняк, образуването и производството на бутадиен.

Радиация и цезий

Най-голямо внимание на учените привлича изотопът цезий 137. Той принадлежи към категорията бета емитери. В момента този елемент е незаменим в процеса на стерилизация на хранителни продукти, лекарствени съединения. Обичайно е да се прибягва до него при лечението на злокачествени новообразувания. Съвременните подходи направиха възможно използването на елемента при детекция на гама дефекти. Въз основа на него са проектирани сензори за ниво, както и източници на ток. 137-ият изотоп влезе в околната среда в много голямо количество след аварията в атомната електроцентрала в Чернобил. Именно той е един от най-важните фактори за замърсяване след тази катастрофа.

Въпреки това, 137-ият не е единственият радиоактивен изотоп на цезия, който е намерил приложение в съвременната индустрия. И така, атомните часовници са създадени на изотопа на цезий 133. В момента това е най-точното устройство, което ви позволява да контролирате хода на времето. Една секунда, както са установили съвременните учени в хода на високоточни изследвания, е 9192631770 периода на радиация. Това прави възможно използването на атома на изотопа цезий 133 като стандарт за определяне на честотата и времето.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

цезийе петдесет и петият елемент от периодичната таблица. Обозначение - Cs от латинското "цезий". Намира се в шести период, група IA. Отнася се за метали. Основният заряд е 55.

Цезият се среща в природата като част от множество минерали, най-важните от които са полюцит (Cs,Na) 2 Al 2 Si 4 O 12 ×H 2 O и авогадрит (K, Cs)BF 4 . Известно е, че се включва и в някои алумосиликати като примес.

Под формата на просто вещество цезият е златисто жълт метал (фиг. 1) с центрирана по тялото кристална решетка. Плътност - 1,9 g / cm 3. Точка на топене 28,4 o C, кипене - 685 o C. Мека, лесна за рязане с нож. Самозапалва се във въздуха.

Ориз. 1. Цезий. Външен вид.

Атомно и молекулно тегло на цезия

Относителната молекулна маса на веществото (M r) е число, показващо колко пъти масата на дадена молекула е по-голяма от 1/12 от масата на въглероден атом и относителната атомна маса на елемент (Ar r) е колко пъти средната маса на атомите на химичен елемент е по-голяма от 1/12 масата на въглероден атом.

Тъй като в свободно състояние цезият съществува под формата на едноатомни Cs молекули, стойностите на неговата атомна и молекулна маса съвпадат. Те са равни на 132,9054.

Изотопи на цезий

Известно е, че цезият може да се среща в природата под формата на единствения стабилен изотоп 133 Cs. Масовото число е 133, ядрото на атома съдържа петдесет и пет протона и седемдесет и осем неутрона.

Съществуват изкуствени нестабилни изотопи на цезий с масови числа от 112 до 151, сред които изотопът 135 Cs с период на полуразпад от 2,3 милиона години е най-дълго живеещият.

Цезиеви йони

На външното енергийно ниво на цезиевия атом има един електрон, който е валентен:

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

В резултат на химическо взаимодействие цезият отдава своя валентен електрон, т.е. е негов донор и се превръща в положително зареден йон:

Cs 0 -1e → Cs + .

Молекула и атом на цезия

В свободно състояние цезият съществува под формата на едноатомни Cs молекули. Ето някои свойства, които характеризират атома и молекулата на цезия:

Цезиеви сплави

Цезият се използва под формата на сплави с антимон, калций, барий, алуминий и сребро като слънчеви клетки.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2