Цезий тяжелый металл. Цезий и его характеристики. Где же мне тебя найти

В природном цезии не удалось обнаружить какие-либо иные изотопы, кроме стабильного 133 Cs. Известно 33 радиоактивных изотопа цезия с массовыми числами от 114 до 148. В большинстве случаев они недолговечны: периоды полураспада измеряются секундами и минутами, реже – несколькими часами или днями. Однако три из них распадаются не так быстро – это 134 Cs, 137 Cs и 135 Cs с периодами полураспада 2 года, 30 лет и 3·10 6 лет. Все три изотопа образуются при распаде урана, тория и плутония в атомных реакторах или в ходе испытаний ядерного оружия.

Степень окисления +1.

В 1846 в пегматитах о.Эльба в Тирренском море был открыт силикат цезия – поллуцит. При изучении этого минерала неизвестный в то время цезий был принят за калий. Содержания калия вычислялось по массе соединения платины, с помощью которого элемент переводили в нерастворимое состояние. Так как калий легче цезия, то подсчет результатов химического анализа показывал нехватку около 7%. Эта загадка была разрешена только после открытия спектрального метода анализа немецкими учеными Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгоффом в 1859. Бунзен и Кирхгофф открыли цезий в 1861. Первоначально он был найден в минеральных водах целебных источников Шварцвальда. Цезий стал первым из элементов, открытых методом спектроскопии. Его название отражает цвет наиболее ярких линий в спектре (от латинского caesius – небесно-голубой).

Первооткрывателям цезия не удалось выделить этот элемент в свободном состоянии. Металлический цезий был впервые получен только через 20 лет, в 1882, шведским химиком К.Сеттербергом (Setterberg C.) при электролизе расплавленной смеси цианидов цезия и бария, взятых в отношении 4:1. Цианид бария добавлялся для снижения температуры плавления, однако работать с цианидами было трудно ввиду их высокой токсичности, а барий загрязнял конечный продукт, да и выход цезия был весьма мал. Более рациональный способ был найден в 1890 известным русским химиком Н.Н.Бекетовым , предложившим восстанавливать гидроксид цезия металлическим магнием в потоке водорода при повышенной температуре. Водород заполнял прибор и препятствовал окислению цезия, который отгонялся в специальный приемник, однако и в этом случае выход цезия не превышал 50% от теоретического.

Цезий в природе и его промышленное извлечение.

Цезий относится к редким элементам. Он встречается в рассеянном состоянии (порядка тысячных долей процента) во многих горных породах; ничтожные количества этого металла были обнаружены и в морской воде. В большей концентрации (до нескольких десятых процента) он содержится в некоторых калиевых и литиевых минералах, главным образом, в лепидолите. В отличие от рубидия и большинства других редких элементов, цезий образует собственные минералы – поллуцит, авогадрит и родицит.

Родицит крайне редок. Его часто относят к литиевым минералам, так как в его состав (М 2 O·2Al 2 O 3 ·3B 2 O 3 , где М 2 O – сумма оксидов щелочных металлов) лития обычно входит больше, чем цезия. Авогадрит (K,Cs) тоже редок. Больше всего цезия содержится в поллуците (Cs,Na)·n H 2 O (содержание Cs 2 O составляет 29,8–36,7% по массе).

Данные по мировым ресурсам цезия очень ограничены. Их оценки основаны на поллуците, добываемом в качестве побочного продукта вместе с другими пегматитовыми минералами.

По добыче поллуцита лидирует Канада. В месторождении Берник-Лейк (юго-восточная Манитоба) сосредоточено 70% мировых запасов цезия (ок. 73 тыс. т). Поллуцит добывают также в Намибии и Зимбабве, ресурсы которых оценивают в 9 тыс. т и 23 тыс. т цезия, соответственно. В России месторождения поллуцита находятся на Кольском п-ове, в Восточных Саянах и Забайкалье. Имеются они также в Казахстане, Монголии и Италии (о. Эльба).

Чтобы вскрыть этот минерал и перевести ценные компоненты, в растворимую форму его обрабатывают при нагревании концентрированными минеральными кислотами. Если поллуцит разлагают соляной кислотой, то из полученного раствора действием SbCl 3 осаждают Cs 3 , который затем обрабатывают горячей водой или раствором аммиака. При разложении поллуцита серной кислотой получают алюмоцезиевые квасцы CsAl(SO 4) 2 ·12H 2 O.

Используют и другой способ: поллуцит спекают со смесью оксида и хлорида кальция, спек выщелачивают в автоклаве горячей водой, раствор выпаривают досуха с серной кислотой, а остаток обрабатывают горячей водой. После отделения сульфата кальция из раствора выделяют соединения цезия.

Современные методы извлечения цезия из поллуцита основаны на предварительном сплавлении концентратов с избытком извести и небольшим количеством плавикового шпата. Если процесс вести при 1200° C, то почти весь цезий возгоняется в виде оксида Cs 2 O. Этот возгон загрязнен примесью других щелочных металлов, однако он растворим в минеральных кислотах, что упрощает дальнейшие операции. Металлический цезий извлекают, нагревая до 900° С смеси (1:3) измельченный поллуцит с кальцием или алюминием.

Но, в основном, цезий получают как пробочный продукт при производстве лития из лепидолита. Лепидолит предварительно сплавляют (или спекают) при температуре около 1000° С с гипсом или сульфатом калия и карбонатом бария. В этих условиях все щелочные металлы превращаются в легкорастворимые соединения – их можно выщелачивать горячей водой. После выделения лития остается переработать полученные фильтраты, и здесь самая трудная операция – отделение цезия от рубидия и громадного избытка калия.

Для разделения цезия, рубидия и калия и получения чистых соединений цезия применяют методы многократной кристаллизации квасцов и нитратов, осаждения и перекристаллизации Cs 3 или Cs 2 . Используют также хроматографию и экстракцию. Для получения соединений цезия высокой чистоты применяют полигалогениды.

Бóльшую часть производимого цезия выделяют в ходе получения лития, поэтому когда в 1950-х литий начали использовать в термоядерных устройствах и широко применять в автомобильных смазках, добыча лития, как и цезия возросла и соединения цезия стали доступнее, чем прежде.

Данные по мировому производству и потреблению цезия и его соединений не публикуются с конца 1980-х. Рынок цезия небольшой, и его ежегодное потребление оценивается всего лишь в несколько тысяч килограммов. В результате нет торговли и официальных рыночных цен.

Характеристика простого вещества, промышленное получение и применение металлического цезия.

Цезий – золотисто-желтый металл, один из трех интенсивно окрашенных металлов (наряду с медью и золотом). После ртути – это самый легкоплавкий металл. Плавится цезий при 28,44° С, кипит при 669,2° С. Его пары окрашены в зеленовато-синий цвет.

Легкоплавкость цезия сочетается с большой легкостью. Несмотря на довольно большую атомную массу элемента, его плотность при 20° С составляет всего 1,904 г/см 3 . Цезий много легче своих соседей по Периодической таблице. Лантан, например, имеющий почти такую же атомную массу, по плотности превосходит цезий в три с лишним раза. Цезий всего вдвое тяжелее натрия, в то время как их атомные массы относятся, как 6:1. По-видимому, причина этого кроется в электронной структуре атомов цезия (один электрон на последнем s -подуровне), приводящей к тому, что металлический радиус цезия очень велик (0,266 нм).

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

По чувствительности к свету цезий превосходит все другие металлы. Цезиевый катод испускает поток электронов даже под действием инфракрасных лучей с длиной волны 0,80 мкм. Максимальная электронная эмиссия наступает у цезия при освещении зеленым светом, тогда как у других светочувствительных металлов этот максимум проявляется лишь при воздействии фиолетовых или ультрафиолетовых лучей.

Химически цезий очень активен. На воздухе он мгновенно окисляется с воспламенением, образуя надпероксид CsO 2 с примесью пероксида Cs 2 O 2 . Цезий способен поглощать малейшие следы кислорода в условиях глубокого вакуума. С водой он реагирует со взрывом с образованием гидроксида CsOH и выделением водорода. Цезий взаимодействует даже со льдом при –116° C. Его хранение требует большой осторожности.

Цезий взаимодействует и с углеродом . Только самая совершенная модификация углерода – алмаз – в состоянии противостоять цезию. Жидкий расплавленный цезий и его пары разрыхляют сажу, древесный уголь и даже графит, внедряясь между атомами углерода и давая довольно прочные соединения золотисто-желтого цвета. При 200–500° С образуется соединение состава C 8 Cs 5 , а при более высоких температурах – C 24 Cs, C 36 Cs. Они воспламеняются на воздухе, вытесняют водород из воды, а при сильном нагревании разлагаются и отдают весь поглощенный цезий.

Даже при обычной температуре реакции цезия с фтором, хлором и другими галогенами сопровождаются воспламенением, а с серой и фосфором – взрывом. При нагревании цезий соединяется с водородом. С азотом в обычных условиях цезий не взаимодействует. Нитрид Cs 3 N образуется в реакции с жидким азотом при электрическом разряде между электродами, изготовленными из цезия.

Цезий растворяется в жидком аммиаке , алкиламинах и полиэфирах, образуя синие растворы, обладающие электронной проводимостью. В аммиачном растворе цезий медленно реагирует с аммиаком с выделением водорода и образованием амида CsNH 2 .

Сплавы и интерметаллические соединения цезия сравнительно легкоплавки. Аурид цезия CsAu, в котором между атомами золота и цезия реализуется частично ионная связь, является полупроводником n -типа.

Наилучшее решение задачи получения металлического цезия было найдено в 1911 французским химиком А.Акспилем. По его методу, до сих пор остающемуся наиболее распространенным, хлорид цезия восстанавливают металлическим кальцием в вакууме:

2CsCl + Ca → CaCl 2 + 2Cs

при этом реакция идет практически до конца. Процесс ведут при давлении 0,1–10 Па и температуре 700–800° С. Выделяющийся цезий испаряется и отгоняется, а хлористый кальций полностью остается в реакторе, так как в этих условиях летучесть соли ничтожна (температура плавления CaCl 2 равна 773° С). В результате повторной дистилляции в вакууме получается абсолютно чистый металлический цезий.

Описаны и многие другие способы получения металлического цезия из его соединений. Металлический кальций можно заменить его карбидом, однако при этом температуру реакции приходится повышать до 800° С, поэтому конечный продукт загрязняется дополнительными примесями. Проводят также электролиз расплава галогенида цезия с использованием жидкого свинцового катода. В результате получают сплав цезия со свинцом, из которого металлический цезий выделяют дистилляцией в вакууме.

Можно разлагать азид цезия или восстанавливать цирконием его дихромат, однако эти реакции иногда сопровождаются взрывом. При замене дихромата цезия хроматом процесс восстановления протекает спокойно, и хотя выход не превышает 50%, отгоняется очень чистый металлический цезий. Этот способ применим для получения небольших количеств металла в специальном вакуумном приборе.

Мировое производство цезия сравнительно невелико.

Металлический цезий – компонент материала катодов для фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей, телевизионных передающих электронно-лучевых трубок. Фотоэлементы со сложным серебряно-цезиевым фотокатодом особенно ценны для радиолокации: они чувствительны не только к видимому свету, но и к невидимым инфракрасным лучам и, в отличие, например, от селеновых, работают безинерционно. В телевидении и кино широко распространены сурьмяно-цезиевые фотоэлементы; их чувствительность даже после 250 часов работы падает всего на 5–6%, они надежно работают в интервале температур от –30° С до +90° С. Из них составляют так называемые многокаскадные фотоэлементы; в этом случае под действием электронов, вызванных лучами света в одном из катодов, наступает вторичная эмиссия – электроны испускаются добавочными фотокатодами прибора. В результате общий электрический ток, возникающий в фотоэлементе, многократно усиливается. Усиление тока и повышение чувствительности достигаются также при заполнении цезиевых фотоэлементов инертным газом (аргоном или неоном).

Металлический цезий служит для изготовления специальных выпрямителей, во многих отношениях превосходящих ртутные. Его используют в качестве теплоносителя в ядерных реакторах, компонента смазочных материалов для космической техники, геттера в вакуумных электронных приборах. Металлический цезий проявляет и каталитическую активность в реакциях органических соединений.

Цезий используется в атомных стандартах времени. «Цезиевые часы» необыкновенно точны. Их действие основано на переходах между двумя состоянием атома цезия с параллельной и антипараллельной ориентацией собственных магнитных моментов ядра атома и валентного электрона. Этот переход сопровождается колебаниями со строго постоянными характеристиками (длина волны 3,26 см). В 1967 Международная генеральная конференция по мерам и весам установила: «Секунда – время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133».

В последнее время большое внимание уделяется цезиевой плазме, всестороннему изучению ее свойств и условий образования, возможно, она станет использоваться в плазменных двигателях будущего. Кроме того, работы по исследованию цезиевой плазмы тесно связаны с проблемой управляемого термоядерного синтеза. Многие считают, что целесообразно создавать цезиевую плазму, используя тепловую энергию атомных реакторов.

Хранят цезий в стеклянных ампулах в атмосфере аргона или стальных герметичных сосудах под слоем обезвоженного вазелинового масла. Утилизируют остатки металла обработкой пентанолом.

Соединения цезия.

Цезий образует бинарные соединения с большинством неметаллов. Гидриды и дейтериды цезия легко воспламеняются на воздухе, а также в атмосфере фтора и хлора. Неустойчивы, а иногда огнеопасны и взрывчаты соединения цезия с азотом, бором, кремнием и германием. Галогениды и соли большинства кислот более стабильны.

Соединения с кислородом . Цезий образует девять соединений с кислородом, имеющих состав от Cs 7 O до CsO 3 .

Оксид цезия Cs 2 O образует коричнево-красные кристаллы, расплывающиеся на воздухе. Его получают медленным окислением недостаточным (2/3 от стехиометрического) количеством кислорода. Остаток непрореагировавшего цезия отгоняют в вакууме при 180–200° С. Оксид цезия в вакууме при 350–450° С возгоняется, а при 500° С разлагается:

2Cs 2 O = Cs 2 O 2 + 2Cs

Энергично реагирует с водой, давая гидроксид цезия.

Оксид цезия является компонентом сложных фотокатодов, специальных стекол и катализаторов. Установлено, что при получении синтола (синтетической нефти) из водяного газа и стирола из этилбензола, а также при некоторых других синтезах добавление к катализатору незначительного количества оксида цезия (вместо оксида калия) повышает выход конечного продукта и улучшает условия процесса.

Гигроскопичные бледно-желтые кристаллы пероксида цезия Cs 2 O 2 можно получить окислением цезия (или его раствора в жидком аммиаке) дозированным количеством кислорода. Выше 650° С пероксид цезия разлагается с выделением атомарного кислорода и энергично окисляет никель, серебро, платину и золото. Пероксид цезия растворяется в ледяной воде без разложения, а выше 25° С реагирует с ней:

2Cs 2 O 2 + 2H 2 O = 4CsOH + O 2

В кислотах он растворяется с образованием пероксида водорода.

При сжигании цезия на воздухе или в кислороде образуется золотисто-коричневый надпероксид цезия CsO 2 . Выше 350° С он диссоциирует с выделением кислорода. Надпероксид цезия – очень сильный окислитель.

Пероксид и надпероксид цезия служат источниками кислорода и используются для его регенерации в космических и подводных кораблях.

Полуторный оксид «Cs 2 О 3 » образуется в виде темного парамагнитного порошка при осторожном термическом разложении надпероксида цезия. Его можно также получить окислением металла, растворенного в жидком аммиаке, или контролируемым окислением пероксида. Предполагается, что он является динадпероксидом-пероксидом [(Cs +)4(O 2 2–)(O 2 –) 2 ].

Оранжево-красный озонид CsО 3 можно получить при действии озона на безводный порошок гидроксида или пероксида цезия при низкой температуре. При стоянии озонид медленно разлагается на кислород и надпероксид, а при гидролизе он сразу превращается в гидроксид.

Цезий образует также субоксиды, в которых формальная степень окисления элемента существенно ниже +1. Оксид состава Cs 7 O имеет бронзовую окраску, его температура плавления равна 4,3° С, активно реагирует с кислородом и водой. В последнем случае образуется гидроксид цезия. При медленном нагревании Cs 7 O разлагается на Cs 3 O и цезий. Фиолетовые кристаллы Cs 11 O 3 плавятся с разложением при 52,5° С. Красно-фиолетовый Cs 4 O разлагается выше 10,5° С. Нестехиометрическая фаза Cs 2+x O меняет состав вплоть до Cs 3 O, который разлагается при 166° С.

Гидроксид цезия CsOH образует бесцветные кристаллы, которые плавятся при ° С. Температуры плавления гидратов еще ниже, например моногидрат CsOH·H 2 O плавится с разложением при 2,5° С, а тригидрат CsOH·3H 2 O – даже –5,5° С.

Гидроксид цезия служит катализатором синтеза муравьиной кислоты. С этим катализатором реакция идет при 300° С без высокого давления. Выход конечного продукта очень велик – 91,5%.

Галогениды цезия CsF, CsCl, CsBr, CsI (бесцветные кристаллы) плавятся без разложения, выше температуры плавления летучи. Термическая устойчивость понижается при переходе от фторида к иодиду; бромид и иодид в парах частично разлагаются на простые вещества. Галогениды цезия хорошо растворимы в воде. В 100 г воды при 25° С растворяется 530 г фторида цезия, 191,8 г хлорида цезия, 123,5 г бромида цезия, 85,6 г иодида цезия. Из водных растворов кристаллизуются безводные хлорид, бромид и иодид. Фторид цезия выделяется в виде кристаллогидратов состава CsF·n H 2 O, где n = 1, 1,5, 3.

При взаимодействии с галогенидами многих элементов галогениды цезия легко образуют комплексные соединения. Некоторые из них, например Cs 3 , используют для выделения и аналитического определения цезия.

Фторид цезия применяют для получения фторорганических соединений, пьезоэлектрической керамики, специальных стекол. Хлорид цезия – электролит в топливных элементах, флюс при сварке молибдена.

Бромид и иодид цезия широко используются в оптике и электротехнике. Кристаллы этих соединений прозрачны для инфракрасных лучей с длиной волны от 15 до 30 мкм (CsBr) и от 24 до 54 мкм (CsI). Обычные призмы из хлорида натрия пропускают лучи с длиной волны 14 мкм, а из хлорида калия – 25 мкм, поэтому применение бромида и иодида цезия вместо хлоридов натрия и калия сделало возможным снятие спектров сложных молекул в отдаленной инфракрасной области.

Если при изготовлении флуоресцирующих экранов для телевизоров и научной аппаратуры ввести между кристалликами сульфида цинка примерно 20% иодида цезия, экраны будут лучше поглощать рентгеновские лучи и ярче светиться при облучении электронным пучком.

Сцинтилляционные приборы для регистрации тяжелых заряженных частиц, содержащие монокристаллы иодида цезия, активированного таллием, обладают наибольшей чувствительностью из всех приборов подобного назначения.

Цезий-137.

Изотоп 137 Cs образуется во всех атомных реакторах (в среднем 6 ядер 137 Cs из 100 ядер урана).

При нормальных условиях эксплуатации АЭС выбросы радионуклидов, в том числе радиоактивного цезия, незначительны. Подавляющее количество продуктов ядерного деления остается в топливе. По данным дозиметрического контроля, концентрация цезия в районах расположения АЭС почти не превышает концентрацию этого нуклида в контрольных районах.

Сложные ситуации возникают после аварий, когда во внешнюю среду поступает огромное количество радионуклидов и загрязнению подвергаются большие территории. Поступление цезия-137 в атмосферу было отмечено при аварии на Южном Урале в 1957 г., где произошел тепловой взрыв хранилища радиоактивных отходов, при пожаре на радиохимическом заводе в Уинденейле в Великобритании в 1957, при ветровом выносе радионуклидов из поймы оз. Карачай на Южном Урале в 1967. Катастрофой стала авария на Чернобыльской атомной электростанции в 1986, на долю цезия-137 пришлось около 15% общего радиационного заражения. Основной источник поступления радиоактивного цезия в организм человека – загрязненные нуклидом продукты питания животного происхождения.

Радионуклид 137 Cs можно использовать и с пользой для человека. Он применяется в дефектоскопии, а также в медицине для диагностики и лечения. Цезием-137 заинтересовались специалисты в области рентгенотерапии. Этот изотоп разлагается сравнительно медленно, теряя за год только 2,4% своей исходной активности. Он оказался пригодным для лечения злокачественных опухолей. Цезий-137 имеет определенные преимущества перед радиоактивным кобальтом-60: более длительный период полураспада и менее жесткое g -излучение. В связи с этим приборы на основе 137 Cs долговечнее, а защита от излучения менее громоздка. Однако, эти преимущества становятся реальными лишь при отсутствии примеси 134 Cs с более коротким периодом полураспада и более жестким g -излучением.

Из растворов, полученных при переработке радиоактивных отходов ядерных реакторов, 137 Cs извлекается методами соосаждения с гексацианоферратами железа , никеля , цинка или фторовольфраматом аммония. Используют также ионный обмен и экстракцию.

Елена Савинкина

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

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

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

Электронное строение атома цезия

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

Рис.1. Схематическое строение атома цезия.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

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

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

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

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

Подуровень

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Атому элемента марганец отвечает сокращенная электронная формула: [ 18 Ar]3d 5 4s 2 ; [ 18 Ar, 3d 10 ]4s 2 4p 5 ; [ 10 Ne]3s 2 3p 5 ; [ 36 Кr]4d 5 5s 2 ;
Решение	Будем по очереди расшифровывать сокращенные электронные формулы, чтобы обнаружить ту, которая соответствует атому марганца в основном состоянии. Порядковый номер этого элемента равен 25. Запишем электронную конфигурацию аргона: 18 Ar1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 . Тогда, полная ионная формула будет иметь вид: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2 . Общее количество электронов в электронной оболочке совпадает с порядковым номером элемента в Периодической таблице. Оно равно 25. Такой порядковый номер имеет марганец.
Ответ	Вариант 1

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Цезий

ЦЕ́ЗИЙ -я; м. [от лат. caesius - голубой] Химический элемент (Cs), мягкий щелочной металл серебристого цвета (используется в газовых лазерах).

◁ Це́зиевый, -ая, -ое. Ц. катод. Ц-ое покрытие.

це́зий

(лат. Caesium), химический элемент I группы периодической системы, относится к щелочным металлам. Название от лат. caesius - голубой (открыт по ярко-синим спектральным линиям). Серебристо-белый металл, легкоплавкий, мягкий, как воск; плотность 1,904 г/см 3 , t пл 28,4°C. На воздухе воспламеняется, с водой реагирует со взрывом. Основной минерал - поллуцит. Применяют при изготовлении фотокатодов и как геттер; пары цезия - рабочее тело в МГД-генераторах, газовых лазерах.

ЦЕЗИЙ

ЦЕ́ЗИЙ (лат. Cesium), Cs (читается «цезий»), химический элемент с атомным номером 55, атомная масса 132,9054. Имеет один стабильный нуклид 133 Cs. Расположен в группе IA в 6 периоде. Электронная конфигурация внешнего слоя 6s 1 , в соединениях проявляет степень окисления +1 (валентность I). Радиус нейтрального атома цезия 0,266 нм, радиус иона Cs + 0,181 нм (координационное число 6), 0,202 (координационное число 12). Энергии последовательной ионизации атома 3,89397, 25,1 и 34,6 эВ. Сродство к электрону 0,47 эВ. Работа выхода электрона 1,81 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 0,7.
Цезий был открыт в 1860 немецкими учеными Р . В. Бунзеном (см. БУНЗЕН Роберт Вильгельм) и Г. Кирхгофом (см. КИРХГОФ Густав Роберт) в водах Дюрхгеймского минерального источника в Германии методом спектрального анализа. Назван цезием по двум ярким линиям в синей части спектра (от лат. caesius - небесно-голубой). Металлический цезий впервые был выделен в 1882 шведским химиком К. Сеттербергом при электролизе расплава смеси CsCN и Ba.
Содержание в земной коре 3,7·10 -4 % по массе. Типичный редкий, рассеянный элемент. Геохимически тесно связан с гранитнлй магмой, образуя концентрации в пегматитах вместе с Li, Be, Ta, Nb. Известно два крайне редких минерала цезия: поллуцит, (Cs,Na)·n H 2 O и авогадрит, (K,Сs) 4 . Как примесь, 0,0003-5%, цезий содержится в лепидолите (см. ЛЕПИДОЛИТ) , флогопите (см. ФЛОГОПИТ) , карналлите (см. КАРНАЛЛИТ) .
Получение
Цезий получают из поллуцита методом вакуумтермического восстановления. Руду обогащают, затем выделенный концентрат разлагают соляной или серной кислотами или спекают с оксидно-солевыми смесями, СаО и СаСl 2 . Из продуктов разложения поллуцита цезий осаждают в виде CsAl(SO 4) 2 или Cs 3 . Далее осадки переводят в растворимые соли. Особо чистые соединения цезия получают дальнейшей дробной кристаллизацией, сорбцией, экстракцией и ионным обменом. Металлический цезий получают металлотермическим восстановлением хлорида цезия CsCl кальцием (см. КАЛЬЦИЙ) или магнием (см. МАГНИЙ) или электролизом расплава галогенидов (см. ГАЛОГЕНИДЫ) цезия. Хранят цезий в ампулах из стекла пирекс в атмосфере аргона или в стальных герметичных сосудах под слоем обезвоженного вазелинового или парафинового масла.
Физические и химические свойства
Цезий - мягкий серебристо-белый металл. При обычной температуре находится в пастообразном состоянии, температура плавления 28,44°C. Температура кипения 669,2°C. Кристаллическая решетка кубическая объемно центрированная, параметр ячейки а = 0,6141 нм. Плотность 1,904 кг/дм 3 . Цезий имеет высокую чувствительность к свету, цезиевый катод испускает электроны даже под действием инфракрасного (см. ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ) излучения с длиной волны до 0,80 мкм.
Цезий чрезвычайно реакционноспособен. Стандартный электродный потенциал –2,923 В. На воздухе и в атмосфере кислорода (см. КИСЛОРОД) цезий мгновенно воспламеняется, образуя смесь пероксида Сs 2 O 2 и надпероксида цезия CsO 2 . При незначительном содержании кислорода в газе, с которым реагирует цезий, возможно образование оксида Cs 2 O. C водой цезий реагирует со взрывом:
2Cs + 2H 2 O = 2CsOH + H 2
При нагревании под повышенным давлением в присутствии катализатора цезий реагирует с водородом с образованием гидрида CsH. Взаимодействуя с галогенами, дает галогениды CsCl, c серой - сульфид Cs 2 S. С азотом цезий в обычных условиях не реагирует, а нитрид цезия Cs 3 N образуется при пропускании электрического разряда между электродами из цезия, помещенными в жидкий азот. При нагревании цезий реагирует с красным фосфором, образуя фосфид Cs 2 P 5 .
При нагревании взаимодействует с графитом, давая следующие карбиды C 8 Cs, C 24 Cs, C 36 Cs, Cs 2 C 2 (ацетиленид цезия). Цезий восстанавливает кремний из стекла и из SiO 2 . Со многими металлами цезий образует интерметаллиды (см. МЕТАЛЛИДЫ) (CsAu, CsSn 4). Гидроксид цезия CsOH - сильное хорошо растворимое в воде основание. Соли цезия (хлорид CsCl, сульфат Cs 2 SO 4 , нитрат CsNO 3 , карбонат Cs 2 CO 3 и другие) хорошо растворимы в воде. Плохо растворимы в воде перхлорат цезия CsClO 4 , хлорплатинат цезия Cs 2 PtCl 6 и Cs 2 .
Цезий - компонент различных фотокатодов, фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей, электронно-лучевых трубок. Цезий используют как геттер. (см. ГЕТТЕР) Чрезвычайно точны «атомные цезиевые часы», резонансная частота энергетического перехода между подуровнями основного состояния 133 Cs положена в основу современного определения секунды (см. СЕКУНДА) . Радионуклид 137 Cs источник гамма-излучения в радиологии.
Цезий - постоянный химический микрокомпонент организма растений и животных. Морские водоросли содержат 0,01-0,1 мкг/г цезия, наземные растения - 0,05-0,2 мкг/г. В организме млекопитающих содержится 0,05 мкг/г цезия, где он концентрируется в мышцах, сердце и печени. В крови до 2,8 мкг/л цезий относительно малотоксичен. Изотоп 137 Cs b-, g-излучающий радиоизотоп, один из компонентов радиоактивного загрязнения атмосферы.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Синонимы :

Смотреть что такое "цезий" в других словарях:

Очень мягкий металл серебристого цвета; в свободном состоянии не встречается, а только в соединениях. Полный словарь иностранных слов, вошедших в употребление в русском языке. Попов М., 1907. ЦЕЗИЙ щелочной металл, недавно открытый посредством… … Словарь иностранных слов русского языка

ЦЕЗИЙ - хим. элемент, символ Cs (лат. Caesium), ат. н. 55, ат. м. 132,9, относится к группе щелочных металлов, всегда проявляет степень окисления + 1. Цезий мягкий, как воск, бледно золотистого цвета, лёгкий (плотность 1900 кг/м3) металл, температура… … Большая политехническая энциклопедия

- (символ Cs), редкий серебристо белый металл первой группы периодической таблицы. Самый щелочной элемент, с положительным электрическим зарядом. Цезий открыт в 1860 г. отличается тянучестью, используют его в фотоэлектрических элементах. Изотоп… … Научно-технический энциклопедический словарь

Cs (от лат. caesius голубой; лат. Caesium * a. caesium; н. Zasium; ф. cesium; и. cesio), хим. элемент I группы периодич. системы Mенделеева, относится к щелочным металлам, ат. н. 55, ат. м. 132,9054. B природе встречается в виде… … Геологическая энциклопедия

Поллуцит Словарь русских синонимов. цезий сущ., кол во синонимов: 3 металл (86) поллуцит … Словарь синонимов

Цезий - (Cesium), Cs, химический элемент I группы периодической системы, атомный номер 55, атомная масса 132,9054; мягкий щелочной металл. Открыт немецкими учеными Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом в 1860; металлический цезий выделен шведским химиком К.… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

- (лат. Caesium) Cs, химический элемент I группы периодической системы Менделеева, атомный номер 55, атомная масса 132,9054. Назван от латинского caesius голубой (открыт по ярко синим спектральным линиям). Серебристо белый металл из группы… … Большой Энциклопедический словарь

ЦЕЗИЙ, цезия, мн. нет, муж. (от лат. caesius голубой) (хим.). Химический элемент, мягкий металл серебристого цвета. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

- (лат. Caesium), Cs, хим. элемент I группы перио дич. системы элементов, ат. номер 55, ат. масса 132,9054, щелочной металл. В природе представлен стабильным Cs. Конфигурация внеш. электронной оболочки 6s1. Энергия последоват. ионизации 3,894;… … Физическая энциклопедия

- (хим. Caesium; Cs=133 при O=16, среднее из определений Бунзена,Джонсона с Алленом и Годефруа, 1861 1876) первый при содействииспектрального анализа открытый металл. Он получил это название отcaesius небесно синий, лазоревый за цвет двух резких… … Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

ЦЕЗИЙ - ЦЕЗИЙ, Cs, хим. элемент с ат. в. 132,7. Принадлежит к II группе щелочных металлов. По своим свойствам Ц. очень похож на элементы калий и рубидий. Ц. открыт в 1860 г. Бунзеном и Кирхгофом.. В природе встречается в очень небольших количествах… … Большая медицинская энциклопедия

Цезий входит в группу химических элементов с ограниченными запасамивместе с гафнием, танталом, бериллием, рением, металлами платиновой группы, кадмием, теллуром. Общие выявленные мировые ресурсы руд составляют около 180 тыс. тонн (в пересчёте на окись цезия), но они крайне распылены. Сверхвысокие цены — это неотъемлемая черта, сопровождающая цезий и рубидий в прошлом и настоящем. Мировой объём добычи цезия составляет около 9 тонн в год, а потребность свыше 85 тонн в год и она постоянно растёт. У цезия есть и недостатки, которые обусловливают постоянный поиск его минералов: извлечение этого металла из руд неполное, в процессе эксплуатации материала он рассеивается и потому безвозвратно теряется, запасы цезиевых руд очень ограничены и не могут обеспечить постоянно растущий спрос на металлический цезий (потребности в металле более чем в 8,5 раз превышают его добычу, и положение в металлургии цезия ещё более тревожное, чем, например, в металлургии тантала или рения). Промышленность нуждается именно в очень чистом материале (на уровне 99,9—99,999 %), и это является одной из труднейших задач в металлургии редких элементов. Для получения цезия достаточной степени чистоты требуется многократная ректификация в вакууме, очистка от механических примесей на металлокерамических фильтрах, нагревание с геттерами для удаления следов водорода, азота, кислорода и многократная ступенчатая кристаллизация. Цезий весьма активен и агрессивен по отношению к контейнерным материалам и требует хранения, например, в сосудах из специального стекла в атмосфере аргона или водорода (обычные марки лабораторного стекла цезий разрушает).

Месторождения

По добыче цезиевой руды (поллуцита) лидирует Канада. В месторождении Берник-Лейк (юго-восточная Манитоба) сосредоточено около 70 % мировых запасов цезия. Поллуцит также добывается в Намибии и Зимбабве. В России его мощные месторождения находятся на Кольском полуострове, в Восточном Саяне и Забайкалье. Месторождения поллуцита также имеются в Казахстане, Монголии и Италии (о. Эльба), но они обладают малыми запасами и не имеют важного экономического значения.

Ежегодное производство цезия в мире составляет около 20 тонн.

Геохимия и минералогия

Среднее содержание цезия в земной коре 3,7 г/т. Наблюдается некоторое увеличение содержание цезия от ультраосновных пород (0,1 г/т) к кислым (5 г/т). Основная его масса в природе находится в рассеянной форме и лишь незначительная часть заключена в собственных минералах. Постоянно повышенные количества цезия наблюдаются в воробьевите (1—4 %), родиците (около 5 %), авогадрите и лепидолите (0,85 %). По кристаллохимическим свойствам цезий наиболее близок к рубидию, калию и таллию. В повышенных количествах цезий находится в калиевых минералах. Цезий, как и рубидий, имеет тенденцию накапливаться на поздних стадиях магматических процессов, и в пегматитах его концентрации достигают наивысших значений. Среднее содержание цезия в гранитных пегматитах около 0,01 %, а в отдельных пегматитовых жилах, содержащих поллуцит, даже достигает 0,4 %, что примерно в 400 раз выше, чем в гранитах. Наиболее высокие концентрации цезия наблюдаются в редкометально замещённых микроклин-альбитовых пегматитах со сподуменом. При пневматолито-гидротермальном процессе повышенные количества цезия связанны с массивами грейзенезированных аляскитов и гранитов с кварц-берилл-вольфрамитовыми жилами, где он присутствует главным образом в мусковитах и полевых шпатах. В зоне гипергенеза (в поверхностных условиях) цезий в небольшом количестве накапливается в глинах, глинистых породах и почвах, содержащих глинистые минералы, иногда в гидроокислах марганца. Максимальное содержание цезия составляет лишь 15 г/т. Роль глинистых минералов сводится к сорбции, цезий вовлекается в межпакетное пространство в качестве поглощённого основания. Активная миграция этого элемента в водах очень ограничена. Основное количество цезия мигрирует «пассивно», в глинистых частичках речных вод. В морской воде концентрация цезия составляет ок. 0,5 мкг/л. Из числа собственно цезиевых минералов наиболее распространены поллуцит (Cs, Na)·nH2O (22 — 36 % Cs2O), цезиевый берилл (воробьевит) Be2CsAl2(Si6O18) и авогадрит (KCs)BF4. Последние два минерала содержат до 7,5 % окиси цезия.

Получение цезия

Основными цезиевыми минералами являются поллуцит и очень редкий авогадрит (K,Cs). Кроме того, в виде примесей цезий входит в ряд алюмосиликатов: лепидолит, флогопит, биотит, амазонит, петалит, берилл, циннвальдит, лейцит, карналлит. В качестве промышленного сырья используются поллуцит и лепидолит.
При промышленном получении цезий в виде соединений извлекается из минерала поллуцита. Это делается хлоридным или сульфатным вскрытием. Первое включает обработку исходного минерала подогретой соляной кислотой, добавление хлорида сурьмы SbCl3 для осаждения соединения Cs3 и промывку горячей водой или раствором аммиака с образованием хлорида цезия CsCl. При втором — минерал обрабатывается подогретой серной кислотой с образованием алюмоцезиевых квасцов CsAl(SO4)2 · 12H2O.
В России после распада СССР промышленная добыча поллуцита не велась, хотя в Вороньей тундре под Мурманском ещё в советское время были обнаружены колоссальные запасы минерала. К тому времени, когда российская промышленность смогла встать на ноги, выяснилось, что лицензию на разработку этого месторождения купила Канадская компания. В настоящее время переработка и извлечение солей цезия из поллуцита ведется в Новосибирске на ЗАО «Завод редких металлов».

Существует несколько лабораторных методов получения цезия. Он может быть получен:
нагревом в вакууме смеси хромата или дихромата цезия с цирконием;
разложением азида цезия в вакууме;
нагревом смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция.

Все методы являются трудоёмкими. Второй позволяет получить высокочистый металл, однако является взрывоопасным и требует на реализацию несколько суток.

Химические свойства

Цезий является наиболее химически активным металлом, полученным в макроскопических количествах (так как активность щелочных металлов растёт с порядковым номером, то франций, вероятно, ещё более активен, но в макроскопических количествах не получен, так как все его изотопы имеют малый период полураспада). Является сильнейшим восстановителем. На воздухе цезий мгновенно окисляется с воспламенением, образуя надпероксид CsO2. При ограниченном доступе кислорода окисляется до оксида Cs2O. Взаимодействие с водой происходит со взрывом, продуктом взаимодействия являются гидроксид CsOH и водород H2. Цезий вступает в реакцию со льдом (даже при −120 °C), простыми спиртами, галогеноорганическими соединениями, галогенидами тяжёлых металлов, кислотами, сухим льдом (взаимодействие протекает с сильным взрывом). Реагирует с бензолом. Активность цезия обусловлена не только высоким отрицательным электрохимическим потенциалом, но и невысокой температурой плавления и кипения (быстро развивается очень большая контактная поверхность, что увеличивает скорость реакции). Многие образуемые цезием соли — нитраты, хлориды, бромиды, фториды, иодиды, хроматы, манганаты, азиды, цианиды, карбонаты и т. д. — чрезвычайно легко растворимы в воде и ряде органических растворителей; наименее растворимы перхлораты (что важно для технологии получения и очистки цезия). Несмотря на то, что цезий является весьма активным металлом, он, в отличие от лития, не вступает в реакцию с азотом при обычных условиях и, в отличие от бария, кальция, магния и ряда других металлов, не способен образовать с азотом соединений даже при сильнейшем нагревании.

Гидроксид цезия — сильнейшее основание с высочайшей электропроводностью в водном растворе; так, например, при работе с ним необходимо учитывать, что концентрированный раствор CsOH разрушает стекло даже при обычной температуре, а расплав разрушает железо, кобальт, никель, а также платину, корунд и диоксид циркония, и даже постепенно разрушает серебро и золото (в присутствии кислорода — очень быстро). Единственным устойчивым в расплаве гидроксида цезия металлом является родий и некоторые его сплавы.