Цезий
Цезий | ||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
← Ксенон | Барий → | ||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||
Внешний вид простого вещества | ||||||||||||||||||||||||||||
![]() Образец цезия |
||||||||||||||||||||||||||||
Свойства атома | ||||||||||||||||||||||||||||
Название, символ, номер | цезий / caesium (Cs), 55 | |||||||||||||||||||||||||||
период , блок |
1 (устар. IA), 5, s-элемент |
|||||||||||||||||||||||||||
Атомная масса (молярная масса) |
132,9054519(2)[1] а. е. м. (г/моль) | |||||||||||||||||||||||||||
Электронная конфигурация | [Xe] 6s1 | |||||||||||||||||||||||||||
Радиус атома | 267 пм | |||||||||||||||||||||||||||
Химические свойства | ||||||||||||||||||||||||||||
Ковалентный радиус | 235 пм | |||||||||||||||||||||||||||
Радиус иона | (+1e) 167 пм | |||||||||||||||||||||||||||
Электроотрицательность | 0,79 (шкала Полинга) | |||||||||||||||||||||||||||
Электродный потенциал | −2,923 | |||||||||||||||||||||||||||
Степени окисления | 0, +1 | |||||||||||||||||||||||||||
Энергия ионизации (первый электрон) |
375,5 (3,89) кДж/моль (эВ) | |||||||||||||||||||||||||||
Термодинамические свойства простого вещества | ||||||||||||||||||||||||||||
Плотность (при н. у.) | 1,873 г/см³ | |||||||||||||||||||||||||||
Температура плавления | 28,44 °C[4] | |||||||||||||||||||||||||||
Температура кипения | 667,6 °C[2]; 688 °C[3]; 669,2 °C[4] | |||||||||||||||||||||||||||
Мол. теплота плавления | 2,09 кДж/моль | |||||||||||||||||||||||||||
Мол. теплота испарения | 68,3 кДж/моль | |||||||||||||||||||||||||||
Молярная теплоёмкость | 32,21[4] Дж/(K·моль) | |||||||||||||||||||||||||||
Молярный объём | 70,0 см³/моль | |||||||||||||||||||||||||||
Кристаллическая решётка простого вещества | ||||||||||||||||||||||||||||
Структура решётки | Кубическая объёмноцентрированная | |||||||||||||||||||||||||||
Параметры решётки |
6,140 Å | |||||||||||||||||||||||||||
Температура Дебая | 39,2 K | |||||||||||||||||||||||||||
Прочие характеристики | ||||||||||||||||||||||||||||
Теплопроводность | (300 K) 35,9 Вт/(м·К) | |||||||||||||||||||||||||||
Номер CAS | 7440-46-2 | |||||||||||||||||||||||||||
Эмиссионный спектр | ||||||||||||||||||||||||||||
![]() |
||||||||||||||||||||||||||||
Наиболее долгоживущие изотопы | ||||||||||||||||||||||||||||
|
55 | Цезий
|
[Xe]6s1 |
Це́зий (
История
Цезий открыт в
.Нахождение в природе. Добыча
Основным цезиевым минералом является
Подтверждённые мировые запасы цезия на начало 2012 года оцениваются в 70 000 тонн[7].
По добыче цезиевой руды (поллуцита) лидирует Канада — в месторождении Танко[англ.] (юго-восточная Манитоба, северо-западный берег озера Берник-Лейк) сосредоточено около 70 % мировых запасов цезия. Поллуцит также добывается в Намибии и Зимбабве. В России месторождения поллуцита есть 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[7].
Мировая добыча обогащённой руды цезия составляет около 20 тонн в год. Мировой объём производства металлического (чистого) цезия — около 9 тонн в год[7].
Некоторые источники[8] 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[9]. Из числа собственно цезиевых минералов наиболее распространены поллуцит (Cs, Na)[AlSi2O6]·nH2O (22—36 % Cs2O), цезиевый берилл (пеццоттаит) Be2CsAl2(Si6O18) и авогадрит (KCs)BF4. Последние два минерала содержат до 7,5 % окиси цезия. Из других цезиевых минералов известны также галхаит (Cs,Tl)(Hg,Cu,Zn)6(As,Sb)4S12 и маргаритасит (Cs,K,H3O)2(UO2)2V2O8·H2O.
Изотопы
Известны изотопы цезия с массовыми числами от 112 до 151 (количество протонов 55, нейтронов от 57 до 96), и 22 ядерных изомеров[10]. Природный цезий — моноизотопный элемент, состоящий из единственного стабильного изотопа 133Cs.
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3e/Cs-137-decay.svg/220px-Cs-137-decay.svg.png)
Самым долгоживущим искусственным радиоактивным нуклидом цезия является 135Cs с периодом полураспада T1/2 около 2,3 миллиона лет. Другой относительно долгоживущий изотоп 137Cs (T1/2 = 30,17 года).
Цезий-137 является одним из виновников радиоактивного загрязнения
Физические свойства
Полная электронная конфигурация атома цезия: 1s22s22p63s23p63d104s24p65s24d105p66s1.
Цезий — мягкий металл, из-за низкой температуры плавления (Tпл = 28,6 °C) при комнатной температуре находится в полужидком состоянии.
Металлический цезий из-за релятивистских эффектов электронов представляет собой вещество золотисто-белого цвета, по внешнему виду похожее на золото, но светлее. Расплав цезия — подвижная жидкость, цвет которой является более серебристым. Жидкий цезий хорошо отражает свет. Пары цезия окрашены в зеленовато-синий цвет.
Цезий образует кристаллы
Цезий растворяется в жидком аммиаке (тёмно-синие растворы) и расплавленном CsOH.
Цезий образует легкоплавкие сплавы с другими щелочными металлами. Его сплав с калием и натрием имеет температуру плавления −78 °С.
Химические свойства
Цезий является наиболее химически активным
При ограниченном доступе кислорода или на холоде, окисляется до оксида Cs2O.
Взаимодействие с водой происходит со взрывом, продуктом взаимодействия являются гидроксид цезия 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 количество одновременно реагирующего вещества).
Многие образуемые цезием соли —
Гидроксид цезия — сильнейшее основание с высочайшей электропроводностью в водном растворе; так, например, при работе с ним необходимо учитывать, что концентрированный раствор CsOH разъедает 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).
Цезий способен присоединяться к этилену с образованием дицезиоэтилена CsCH2CH2Cs.
Получение
При промышленном получении цезий в виде соединений извлекается из минерала поллуцита. Это делается хлоридным или сульфатным вскрытием. Первое включает обработку исходного минерала подогретой
Для получения цезия достаточной степени чистоты требуется многократная
.Сложности получения цезия обусловливают постоянный поиск его минералов: извлечение этого металла из руд неполное, в процессе эксплуатации материал рассеивается и 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 ведётся в Новосибирске на ЗАО «Завод редких металлов».
Существует несколько лабораторных методов получения цезия[12]. 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 или лития.
Все методы являются трудоёмкими. Второй позволяет получить высокочистый металл, однако является взрывоопасным и требует на реализацию несколько суток.
Применение
Цезий нашёл применение только в начале XX века, когда были обнаружены его минералы и разработана технология получения в чистом виде. В настоящее время 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
Детекторы ионизирующего излучения
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
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[13].
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
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[14].
Цезий в живых организмах
Цезий в живых организмах — постоянный химический микроэлемент организма растений и животных. Морские водоросли, например, содержат 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.
.
Примечания
- ↑ Wieser et al., 2013, с. 1047—1078.
- ↑ 1 2 Лидин, 2000.
- ↑ 1 2 Справочник химика. — 3-е изд., испр. — Л.: Химия, 1971. — Т. 2-й. — 1168 с.
- ↑ 1 2 3 Зефиров, 1999.
- NIST. Дата обращения: 13 марта 2011. Архивировано12 марта 2011 года.
- 7 декабря 2022 года.
- ↑ 1 2 3 Рынок цезия, 2013.
- ↑ О цезии на сайте Российского нефтяного союза . Дата обращения: 31 марта 2016. Архивировано из оригинала 15 апреля 2016 года.
- ↑ J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. I, 1965
- ↑ Audi et al., 2017.
- ↑ Ulrich Schwarz. Metallic high-pressure modifications of main group elements. Z. Kristallogr. 219 (2004) 376—390 (недоступная ссылка)
- ↑ Руководство по неорганическому синтезу. Т. 3. Под ред. Брауэра Г. М.: Мир 1985.
- ↑ Лекарственные препараты при психических заболеваниях // Научный центр психического здоровья РАМН . Дата обращения: 28 января 2014. Архивировано 1 февраля 2014 года.
- ↑ Цезий и рубидий в организме человека . Дата обращения: 9 декабря 2010. Архивировано из оригинала 19 января 2012 года.
- ↑ А. Г. Шишкин. Чернобыль (2003). — Радиоэкологические исследования грибов и дикорастущих ягод. Дата обращения: 27 июля 2009. Архивировано из оригинала 22 февраля 2014 года.
Литература
- Перельман Ф. М.. Рубидий и цезий. М., Изд-во АН УССР, 1960. 140 стр. с илл.
- Кульварская Б. С., Соболева Н. А., Татаринова Н. В. Композиционные соединения щелочных металлов — новые эффективные источники ионов и электронов. Изв. АН СССР. Сер. физич.; 1988. Т.52. № 8. С.1509-1512.
- Лидин Р.А. и др. Химические свойства неорганических веществ. — 3-е изд., испр. — Москва: Химия, 2000. — 480 с. — ISBN 5-7245-1163-0.
- Плющев В. Е., Степин Б. Д. Химия и технология соединений лития, рубидия и цезия.- М.-Л.: Химия, 1970.- 407 с
- Солодов Н. А., Рубидий и цезий, М., 1971;
- Плющев В. Е., Степин Б. Д., Аналитическая химия рубидия и цезия, М., 1975
- Коган Б. И., Названова В. А., Солодов Н. А., Рубидий и цезий, М., 1971;
- Моисеев А. А., Рамзаев П. В., Цезий-137 в биосфере, М., 1975;
- Редкол.: Зефиров Н. С. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Большая Российская энциклопедия, 1999. — Т. 5. — 783 с. — ISBN 5-85270-310-9.
- Венецкий С.И. Две голубые незнакомки (Цезий) // О редких и рассеянных (Рассказы о металлах) . — Москва: Металлургия, 1980. — 184 с. — 200 000 экз.
- Audi G., Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S. The Nubase2016 evaluation of nuclear properties (англ.) // doi:10.1088/1674-1137/41/3/030001. — .
- Mattsson S., Radionuclides in lichen, reindeer and man, Lund, 1972.
- Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // .
Ссылки
- Цезий на Webelements
- Цезий в Популярной библиотеке химических элементов
- Накопление радиоцезия в грибах, предельно допустимые уровни
- Краткий обзор рынка цезия России . Мировой и российский рынок цезия 2013. MetalResearch. Металлургические исследования (декабрь 2013). Дата обращения: 31 марта 2016.