Что такое Цезий, caesium, характеристики, свойства

Цезий — это химический элемент Cs

Не следует путать с Церием.

Цезий ( химический символ — Cs ; лат.C ae s ium) — элемент главной подгруппы первой группы шестого периода перидической системы химических элементов, атомный номер — 55. Простое вещество цезий — мягкий щелочной металл серебристо-жёлтого цвета . Своё название цезий получил за наличие двух ярких синих линий в эмиссионном спектре (caesius — небесно-голубой).

Нахождение в природе. Добыча

Основным цезиевым минералом является поллуцит . В виде примесей цезий входит в ряд алюмосиликатов : лепидолит , флогопит , биотит , амазонит , петалит , берилл , циннвальдит , лейцит , карналлит . Также содержится в редком минерале авогадрите . В качестве промышленного сырья используются поллуцит и лепидолит .

Подтверждённые мировые запасы цезия на начало 2012 года оцениваются в 70 000 тонн.

По добыче цезиевой руды (поллуцита ) лидирует Канада — в месторождении Танко (юго-восточная Манитоба, северо-западный берег озера Берник-Лейк ) сосредоточено около 70 % мировых запасов цезия. Поллуцит также добывается в Намибии и Зимбабве .

Месторождения поллуцита

  • на Кольском полуострове , в Восточном Саяне и Забайкалье .
  • в Казахстане , Монголии и Италии (о. Эльба ), но они обладают малыми запасами и не имеют важного экономического значения .

Мировая добыча обогащённой руды цезия составляет около 20 тонн в год. Мировой объём производства металлического (чистого) цезия — около 9 тонн в год

Некоторые источники утверждают, что потребности в цезии более чем в 8,5 раза превышают его добычу, что положение в металлургии цезия ещё более тревожное, чем, например, в металлургии тантала или рения , и производители не могут обеспечить постоянно растущий спрос на металлический цезий.

Геохимия и минералогия

Среднее содержание цезия в земной коре — 3,7 г/т. Наблюдается некоторое увеличение содержания 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 цезия ( поллуците и др.). Постоянно повышенные количества цезия наблюдаются в морганите (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 40 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 связаны 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)[AlSi 2 O6n H2 O (22—36 % Cs 2 O), цезиевый берилл ( пеццоттаит ) Be 2 CsAl 2 (Si 6 O18 ) и авогадрит (KCs)BF 4 . Последние два минерала содержат до 7,5 % окиси цезия. Из других цезиевых минералов известны также галхаит (Cs,Tl)(Hg,Cu,Zn) 6 (As,Sb) 4 S12 и маргаритасит (Cs,K,H 3 O) 2 (UO 2 )2 V2 O8 ·H 2 O.

Получение

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 SbCl 3 для осаждения соединения Cs 3 [Sb 2 Cl 9 ] и промывку горячей водой или раствором аммиака с образованием хлорида цезия CsCl. При втором — минерал обрабатывается подогретой серной кислотой с образованием алюмоцезиевых квасцов CsAl(SO 4 )2 ·12H 2 O.

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 .

Сложности получения цезия обусловливают постоянный поиск его минералов: извлечение этого металла из руд неполное, в процессе эксплуатации материала он рассеивается и потому безвозвратно теряется, Промышленность нуждается именно в очень чистом материале (на уровне 99,9—99,999 %), и это является одной из труднейших задач в металлургии редких элементов .

В России 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.

Изотопы

Природный цезий — мононуклидный элемент , состоящий из единственного стабильного нуклида 133 Cs. На сегодняшний день известно 39 искусственных радиоактивных изотопов цезия с массовыми числами от 112 до 151 (бо́льшая часть известных изотопов цезия приводится в таблице нуклидов ). Самым долгоживущим искусственным радиоактивным нуклидом цезия является 135 Cs с периодом полураспадаT1/2 около 2,3 миллиона лет. Другой относительно долгоживущий изотоп 137 Cs (T1/2 = 30,17 года). Цезий-137 является одним из виновников радиоактивного загрязнения биосферы , так как образуется при делении ядер в ядерных реакторах и при испытаниях ядерного оружия .

Схема распада Cs-137

Цезий-137 претерпевает бета-распад, который происходит в большинстве случаев в метастабильный барий-137m, быстро распадающийся с излучением гамма-кванта с энергией 661,7 кэВ в основное состояние, стабильный барий-137.

Физические свойства

Кристаллы цезия

Цезий — мягкий металл, из-за низкой температуры плавления (Tпл = 28,6 °C) при комнатной температуре находится в полужидком состоянии. Металлический цезий представляет собой вещество золотисто-белого цвета, по внешнему виду похожее на золото, но светлее. Расплав представляет подвижную жидкость, при этом его цвет становится более серебристым. Жидкий цезий хорошо отражает свет. Пары цезия окрашены в зеленовато-синий цвет.

Цезий образует кристаллы кубической сингонии (объёмно-центрированная решётка), пространственная группа Im 3m , параметры ячейки a = 0,6141 нм, Z = 2.

При высоком давлении может переходить в другие полиморфные модификации. Цезий — парамагнетик.

Цезий растворяется в жидком аммиаке (тёмно-синие растворы) и расплавленном CsOH.

Химические свойства

Цезий является наиболее химически активным металлом , за исключением радиоактивного франция , практически отсутствующего в природе. Является сильнейшим восстановителем. На воздухе цезий мгновенно окисляется с воспламенением, образуя надпероксид CsO 2 . При ограниченном доступе кислорода окисляется до оксида Cs 2 O . 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).

Соли цезия, 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.

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).

Применение

Цезий нашёл применение только в начале XX века, когда были обнаружены его минералы и разработана технология получения в чистом виде.

Цезий и его соединения используются в электронике , радио- , электро- , рентгенотехнике , химической промышленности , оптике, медицине , ядерной энергетике . В основном применяется стабильный природный цезий-133, и ограниченно — его радиоактивный изотоп цезий-137, выделяемый из суммы осколков деления урана , плутония , тория в реакторах атомных электростанций .

Фотоэлементы, фотоумножители

Благодаря крайне низкой  работе выхода электрона цезий используется при производстве высокочувствительных и малоинерционных фотоэлектрических приборов — фотоэлементов , фотоумножителей . В фотоэлементах цезий обычно применяется в виде сплавов с сурьмой , кальцием , барием , алюминием или серебром , которые вводятся для повышения эффективности устройства, а также для экономии чрезвычайно дорогого цезия. Такие фотоэлементы способны работать в широком диапазоне длин волн: от дальней инфракрасной , до коротковолновой ультрафиолетовой области электромагнитного излучения , что делает цезиевые фотоэлементы эффективнее рубидиевых.

Детекторы ионизирующего излучения

Иодид цезия в виде монокристаллов (обычно активированный небольшой примесью таллия) является одним из наиболее распространённых сцинтилляторов — веществ, конвертирующих энергию ионизирующего излучения в свет. Это связано с высокой эффективностью поглощения гамма-квантов из-за большого атомного номера обоих основных составляющих иодида цезия, а также с высоким световыходом этого сцинтиллятора. Детекторы заряженных частиц и гамма-излучения на его основе применяются в атомной технике, геологии, медицине, космических исследованиях.

Измерения элементного состава поверхности Марса выполнялись с помощью гамма-спектрометра на основе CsI(Tl), установленного на космическом орбитальном аппарате « Марс-5 ». Недостатком этого сцинтиллятора является некоторая гигроскопичность, из-за которой он может длительно использоваться без герметичной оболочки лишь в достаточно сухом воздухе. Впрочем, его гигроскопичность на порядки ниже, чем у другого распространённого сцинтиллятора — иодида натрия .

Оптика

Иодид и бромид цезия применяются в качестве оптических материалов в специальной оптике — инфракрасные приборы, очки и бинокли ночного видения, прицелы, обнаружение техники и живой силы противника (в том числе из космоса).

Источники света

В электротехнике цезий применяется в изготовлении светящихся трубок, в виде соединений с цирконием или оловом (метацирконаты и ортостаннаты цезия). Наряду с другими металлами цезий используется для наполнения осветительных газоразрядных металлогалогеновых ламп.

Катализаторы

Цезий нашёл большое применение в производственной химии в качестве катализатора (органический и неорганический синтез). Каталитическая активность цезия используется в процессах получения аммиака, серной кислоты , бутилового спирта , в реакциях дегидрогенизации и при получении муравьиной кислоты. Особенно эффективным является применение цезия как промотора при каталитическом получении аммиака, синтезе бутадиена . В ряде катализаторов оказалось эффективным применение цезия совместно с рубидием (оба металла значительно увеличивают каталитическую активность друг друга), в частности, используется рутений-цезий-углеродный катализатор. Цезий промотирует действие серебряного катализатора и повышает его селективность при эпоксидировании этилена.

Химические источники тока

На основе цезия создан и применяется высокоэффективный твёрдый электролит для топливных элементов (в том числе автомобильных), и аккумуляторов чрезвычайно высокой энергоёмкости — цезий-бета-глинозём ( алюминат цезия ).

Радиационная техника

Гамма-излучение цезия-137 используется в гамма-дефектоскопии , измерительной технике и при стерилизации пищевых продуктов (консервы, туши птиц и животных, мяса), а также для стерилизации медицинских препаратов и лекарств, в радиотерапии для лечения злокачественных опухолей. Также цезий-137 используется в производстве радиоизотопных источников тока , где он применяется в виде хлорида цезия (плотность 3,9 г/см³, энерговыделение около 1,27 Вт/см³). Цезий-137 используется в датчиках предельных уровней сыпучих веществ в непрозрачных бункерах.

Медицина

На основе соединений цезия созданы эффективные лекарственные препараты для лечения язвенных заболеваний, дифтерии, шоков, шизофрении. Его соли, подобно препаратам лития , способны проявлять нормотимический эффект.

Применение цезия в энергетике

Значительной сферой применения металлического цезия являются новейшие и стремительно развивающиеся работы и производство энергетических агрегатов. Цезиевая плазма является важнейшей и неотъемлемой компонентой МГД-генераторов с повышенным КПД до 65—70 %.

Ввиду того, что цезий имеет большую теплоёмкость, теплопроводность и ряд собственных сплавов с очень низкой температурой плавления (цезий 94,5 % и натрий 5,5 %) −30 °C, то используется в качестве теплоносителя в атомных реакторах и высокотемпературных турбоэнергетических установках, а сплав состава натрий 12 %, калий 47 %, цезий 41 % обладает рекордно низкой температурой плавления −78 °C среди сплавов.

Прочие области применения цезия

Фторид цезия применяют для пьезоэлектрической керамики, специальных стёкол. Хлорид цезия — электролит в топливных элементах, флюс при сварке молибдена. Атомные переходы в пара́х цезия используются как эталон частоты в атомных часах .

Биологическая роль

Хлорид рубидия и хлорид цезия участвуют в газовом обмене, активируя деятельность окислительных ферментов, соли этих элементов повышают устойчивость организма к гипоксии.

Цезий в живых организмах

Цезий в живых организмах — постоянный химический микроэлемент организма растений и животных. Морские водоросли, например, содержат от 0,01-0,1 мкг цезия в 1 г сухого вещества, наземные растения — 0,05—0,2 мкг/г. Животные получают цезий с водой и пищей. В организме членистоногих около 0,067—0,503 мкг/г цезия, пресмыкающихся — 0,04 мкг/г, млекопитающих — 0,05 мкг/г. Главное депо цезия в организме млекопитающих — мышцы, сердце, печень; в крови — до 2,8 мкг/л. Цезий относительно малотоксичен; его биологическая роль в организме растений и животных окончательно не раскрыта.

Цезий-137 — радиоактивный изотоп цезия, испускающий бета-излучение и гамма-кванты, и один из главных компонентов техногенного радиоактивного загрязнения биосферы. Продукт деления урана-235 , урана-238 , плутония-239 и других делящихся изотопов. Содержится в радиоактивных выпадениях, радиоактивных отходах, сбросах заводов, перерабатывающих отходы атомных электростанций. Интенсивно сорбируется почвой и донными отложениями; в воде находится преимущественно в виде ионов. Содержится в растениях и организме животных и человека.

Коэффициент накопления Cs-137 наиболее высок у пресноводных водорослей и арктических наземных растений, особенно лишайников. В организме животных Cs-137 накапливается главным образом в мышцах и печени. Наибольший коэффициент накопления его отмечен у северных оленей и североамериканских водоплавающих птиц. Накапливается в грибах, ряд которых (маслята, моховики , свинушка , горькушка , польский гриб ) считается «аккумуляторами» радиоцезия.

Интересные факты

Цезий — самый мягкий металл при комнатной температуре. Так же как и галлий, его можно расплавить в руках (однако, естественно, это можно сделать только при условии, что цезий запаян в стеклянную ампулу, иначе происходит его возгорание).

Цезий образует легкоплавкие сплавы с другими щелочными металлами. Его сплав с калием и натрием имеет температуру плавления −78 °С — самую низкую температуру плавления для металлических сплавов.

Цезий способен присоединяться к этилену с образованием дицезиоэтилена CsCH 2 CH 2 Cs.

Цезий класс химических элементов

Элемент Cs — относится к группе, классу хим элементов (…)

Элемент Cs свойство химического элемента Цезий Caesium

Основные характеристики и свойства элемента Cs…, его параметры.

формула химического элемента Цезий Caesium

Химическая формула Цезийа:

Атомы Цезий Caesium химических элементов

Атомы Caesium хим. элемента

Caesium Цезий ядро строение

Строение ядра химического элемента Caesium — Cs,

История открытия Цезий Caesium

Открытие элемента Caesium — Цезий открыт в 1860 году немецкими учёными Р. В. Бунзеном и Г. Р. Кирхгофом в водах Бад-Дюркхаймского минерального источника в Германии методом оптической спектроскопии, тем самым, став первым элементом, открытым при помощи спектрального анализа. В чистом виде цезий впервые был выделен в 1882 году шведским химиком К. Сеттербергом при электролизе расплава смеси цианида цезия (CsCN) и бария.

Цезий Caesium происхождение названия

Откуда произошло название Caesium …

Распространённость Цезий Caesium

Как любой хим. элемент имеет свою распространенность в природе, Cs …

Получение Цезий Caesium

Caesium — получение элемента

Физические свойства Цезий Caesium

Основные свойства Caesium

Изотопы Caesium Цезий

Наличие и определение изотопов Caesium

Cs свойства изотопов Цезий Caesium

Химические свойства Цезий Caesium

Определение химических свойств Caesium

Меры предосторожности Цезий Caesium

Внимание! Внимательно ознакомьтесь с мерами безопасности при работе с Caesium

Стоимость Цезий Caesium

Рыночная стоимость Cs, цена Цезий Caesium

Примечания

Список примечаний и ссылок на различные материалы про хим. элемент Cs