Det var ikke mulig å påvise andre isotoper enn stabil 133 Cs i naturlig cesium. Det er 33 kjente radioaktive isotoper av cesium med massetall fra 114 til 148. I de fleste tilfeller er de kortvarige: halveringstider måles i sekunder og minutter, sjeldnere - flere timer eller dager. Tre av dem forfaller imidlertid ikke så raskt – dette er 134 Cs, 137 Cs og 135 Cs med halveringstider på 2 år, 30 år og 3·10 6 år. Alle tre isotoper dannes under nedbrytning av uran, thorium og plutonium i atomreaktorer eller under atomvåpentesting.

Oksidasjonstilstand +1.

I 1846 ble cesiumsilikat - forurenset - oppdaget i pegmatittene på øya Elba i Tyrrenhavet. Når man studerte dette mineralet, ble cesium, ukjent på den tiden, forvekslet med kalium. Kaliuminnholdet ble beregnet fra massen av platinaforbindelsen, ved hjelp av hvilken grunnstoffet ble overført til en uløselig tilstand. Siden kalium er lettere enn cesium, viste beregningen av resultatene av kjemisk analyse en mangel på ca. 7%. Dette mysteriet ble løst først etter oppdagelsen av spektralanalyse av de tyske vitenskapsmennene Robert Bunsen og Gustav Kirchhoff i 1859. Bunsen og Kirchhoff oppdaget cesium i 1861. Det ble opprinnelig funnet i mineralvannet i de helbredende kildene i Schwarzwald. Cesium var det første grunnstoffet som ble oppdaget ved spektroskopi. Navnet gjenspeiler fargen på de lyseste linjene i spekteret (fra latin caesius - himmelblå).

Oppdagerne av cesium klarte ikke å isolere dette grunnstoffet i fri tilstand. Metallisk cesium ble først oppnådd bare 20 år senere, i 1882, av den svenske kjemikeren K. Setterberg C. ved elektrolyse av en smeltet blanding av cesium og bariumcyanider, tatt i forholdet 4:1. Bariumcyanid ble tilsatt for å senke smeltepunktet, men det var vanskelig å arbeide med cyanider på grunn av deres høye toksisitet, og barium forurenset sluttproduktet, og utbyttet av cesium var svært lite. En mer rasjonell metode ble funnet i 1890 av den berømte russiske kjemikeren N.N. Beketov, som foreslo å redusere cesiumhydroksid med magnesiummetall i en hydrogenstrøm ved forhøyet temperatur. Hydrogen fylte enheten og forhindret oksidasjon av cesium, som ble destillert til en spesiell mottaker, men selv i dette tilfellet oversteg ikke cesiumutbyttet 50% av det teoretiske.

Cesium i naturen og dets industrielle utvinning.

Cesium er et sjeldent grunnstoff. Det finnes i en spredt tilstand (i størrelsesorden tusendeler av en prosent) i mange bergarter; Mindre mengder av dette metallet ble også funnet i sjøvann. Det finnes i høyere konsentrasjoner (opptil flere tideler av en prosent) i noen kalium- og litiummineraler, hovedsakelig i lepidolitt. I motsetning til rubidium og de fleste andre sjeldne grunnstoffer, danner cesium sine egne mineraler - forurenset, avogadritt og rodicitt.

Rodisitt er ekstremt sjelden. Det er ofte klassifisert som et litiummineral, siden dets sammensetning (M 2 O 2Al 2 O 3 3B 2 O 3, hvor M 2 O er summen av alkalimetalloksider) vanligvis inneholder mer litium enn cesium. Avogadritus (K,Cs) er også sjelden. Mesteparten av cesium finnes i forurenset (Cs,Na) n H 2 O (Cs 2 O-innhold er 29,8–36,7 vekt%).

Data om globale cesiumressurser er svært begrenset. Deres estimater er basert på forurensning, utvunnet som et biprodukt sammen med andre pegmatittmineraler.

Canada er ledende innen forurensende produksjon. Bernick Lake-forekomsten (sørøstlige Manitoba) inneholder 70 % av verdens cesiumreserver (ca. 73 tusen tonn). Pollucite utvinnes også i Namibia og Zimbabwe, hvis ressurser er anslått til henholdsvis 9 tusen tonn og 23 tusen tonn cesium. I Russland er forurensede forekomster lokalisert på Kola-halvøya, i de østlige Sayan-fjellene og Transbaikalia. De finnes også i Kasakhstan, Mongolia og Italia (Elba Island).

For å åpne dette mineralet og omdanne verdifulle komponenter til en løselig form, behandles det ved oppvarming med konsentrerte mineralsyrer. Hvis forurenset spaltes med saltsyre, blir Cs 3 utfelt fra den resulterende løsningen ved påvirkning av SbCl 3, som deretter behandles med varmt vann eller ammoniakkløsning. Når forurenset spaltes med svovelsyre, oppnås cesiumalun CsAl(SO 4) 2 12H 2 O.

En annen metode brukes også: forurensning sintres med en blanding av oksid og kalsiumklorid, kaken utlutes i en autoklav med varmt vann, løsningen fordampes til tørrhet med svovelsyre, og resten behandles med varmt vann. Etter separering av kalsiumsulfatet fra løsningen, isoleres cesiumforbindelser.

Moderne metoder for utvinning av cesium fra forurensning er basert på foreløpig fusjon av konsentrater med overflødig kalk og en liten mengde flusspat. Hvis prosessen utføres ved 1200° C, sublimeres nesten alt cesium i form av Cs 2 O-oksid Denne sublimeringen er forurenset med tilsetninger av andre alkalimetaller, men den er løselig i mineralsyrer, noe som forenkler ytterligere operasjoner. Metallisk cesium ekstraheres ved å varme opp en blanding (1:3) av knust forurensning med kalsium eller aluminium til 900°C.

Men hovedsakelig oppnås cesium som et pluggprodukt ved produksjon av litium fra lepidolitt. Lepidolitt er forhåndssmeltet (eller sintret) ved en temperatur på omtrent 1000 ° C med gips eller kaliumsulfat og bariumkarbonat. Under disse forholdene omdannes alle alkalimetaller til lettløselige forbindelser - de kan utvaskes med varmt vann. Etter å ha separert litiumet, gjenstår det å behandle de resulterende filtratene, og her er den vanskeligste operasjonen separasjonen av cesium fra rubidium og et stort overskudd av kalium.

For å skille cesium, rubidium og kalium og oppnå rene cesiumforbindelser, brukes metoder for gjentatt krystallisering av alun og nitrater, utfelling og omkrystallisering av Cs 3 eller Cs 2. Kromatografi og ekstraksjon brukes også. For å oppnå cesiumforbindelser med høy renhet, brukes polyhalogenider.

Mesteparten av cesiumet som produseres kommer fra litiumproduksjon, så da litium begynte å bli brukt i fusjonsenheter og ble mye brukt i bilsmøremidler på 1950-tallet, økte litiumutvinningen, så vel som cesium, og cesiumforbindelsene ble mer tilgjengelige enn før.

Data om global produksjon og forbruk av cesium og dets forbindelser har ikke blitt publisert siden slutten av 1980-tallet. Markedet for cesium er lite, med et årlig forbruk anslått til bare noen få tusen kilo. Som et resultat er det ingen handel og ingen offisielle markedspriser.

Kjennetegn på et enkelt stoff, industriell produksjon og bruk av metallisk cesium.

Cesium er et gyllent-gult metall, ett av de tre intenst fargede metallene (sammen med kobber og gull). Etter kvikksølv er det det mest smeltbare metallet. Cesium smelter ved 28,44 ° C, koker ved 669,2 ° C. Dens damp er farget grønnblå.

Fusjonsevnen til cesium er kombinert med stor letthet. Til tross for den ganske store atommassen til grunnstoffet, er dens tetthet ved 20°C bare 1,904 g/cm 3 . Cesium er mye lettere enn naboene i det periodiske systemet. Lantan, for eksempel, som har nesten samme atommasse, er mer enn tre ganger tettere enn cesium. Cesium er bare dobbelt så tungt som natrium, mens deres atommasse er i forholdet 6:1. Tilsynelatende ligger årsaken til dette i den elektroniske strukturen til cesiumatomer (ett elektron på det siste s-sublevel), noe som fører til at den metalliske radiusen til cesium er veldig stor (0,266 nm).

Cesium har en annen svært viktig egenskap knyttet til dens elektroniske struktur - det mister sitt eneste valenselektron lettere enn noe annet metall; dette krever svært lite energi - bare 3,89 eV, derfor krever for eksempel å produsere plasma fra cesium mye mindre energi enn å bruke noe annet kjemisk element.

Cesium er overlegen alle andre metaller i lysfølsomhet. Cesiumkatoden sender ut en strøm av elektroner selv når den utsettes for infrarøde stråler med en bølgelengde på 0,80 mikron. Maksimal elektronemisjon oppstår for cesium når det belyses med grønt lys, mens for andre fotosensitive metaller vises dette maksimumet kun når det utsettes for fiolette eller ultrafiolette stråler.

Kjemisk er cesium veldig aktivt. I luft oksiderer det øyeblikkelig med betennelse, og danner superoksid CsO 2 med en blanding av peroksid Cs 2 O 2. Cesium er i stand til å absorbere de minste spor av oksygen under dype vakuumforhold. Det reagerer eksplosivt med vann for å danne hydroksydet CsOH og frigjøre hydrogen. Cesium reagerer selv med is ved –116°C. Oppbevaring krever stor forsiktighet.

Cesium interagerer også med karbon. Bare den mest avanserte modifikasjonen av karbon - diamant - er i stand til å motstå cesium. Flytende smeltet cesium og dets damp løsner sot, trekull og til og med grafitt, setter seg inn mellom karbonatomer og produserer ganske sterke forbindelser med en gylden gul farge. Ved 200–500°C dannes en forbindelse med sammensetningen C 8 Cs 5, og ved høyere temperaturer – C 24 Cs, C 36 Cs. De antennes i luft, fortrenger hydrogen fra vann, og ved kraftig oppvarming brytes de ned og frigjør alt absorbert cesium.

Selv ved vanlige temperaturer er reaksjoner av cesium med fluor, klor og andre halogener ledsaget av tenning, og med svovel og fosfor - ved eksplosjon. Ved oppvarming kombineres cesium med hydrogen. Cesium reagerer ikke med nitrogen under normale forhold. Cs 3 N nitrid dannes i en reaksjon med flytende nitrogen under en elektrisk utladning mellom elektroder laget av cesium.

Cesium løses opp i flytende ammoniakk, alkylaminer og polyetere, og danner blå løsninger som er elektronisk ledende. I en ammoniakkløsning reagerer cesium sakte med ammoniakk for å frigjøre hydrogen og danne amidet CsNH 2.

Legeringer og intermetalliske forbindelser av cesium er relativt lavtsmeltende. Cesiumaurid CsAu, der en delvis ionisk binding er realisert mellom gull- og cesiumatomer, er en halvleder n-type.

Den beste løsningen på problemet med å skaffe metallisk cesium ble funnet i 1911 av den franske kjemikeren A. Axpil. Ifølge metoden hans, som fortsatt er den vanligste, reduseres cesiumklorid med kalsiummetall i vakuum:

2CsCl + Ca → CaCl2 + 2Cs

i dette tilfellet fortsetter reaksjonen nesten til slutt. Prosessen utføres ved et trykk på 0,1–10 Pa og en temperatur på 700–800°C. Det frigjorte cesiumet fordamper og destilleres av, og kalsiumkloridet forblir fullstendig i reaktoren, siden under disse forholdene flyktigheten til salt er ubetydelig (smeltepunktet til CaCl 2 er 773°C). Som et resultat av gjentatt destillasjon i vakuum oppnås absolutt rent cesiummetall.

Mange andre metoder for å produsere cesiummetall fra dets forbindelser er beskrevet. Kalsiummetall kan erstattes med karbid, men reaksjonstemperaturen må økes til 800 ° C, slik at sluttproduktet er forurenset med ytterligere urenheter. Elektrolyse av cesiumhalogenidsmelten utføres også ved bruk av en flytende blykatode. Resultatet er en legering av cesium og bly, hvorfra metallisk cesium isoleres ved destillasjon i vakuum.

Det er mulig å dekomponere cesiumazid eller redusere dets dikromat med zirkonium, men disse reaksjonene er noen ganger ledsaget av en eksplosjon. Når man erstatter cesiumdikromat med kromat, går reduksjonsprosessen jevnt, og selv om utbyttet ikke overstiger 50 %, destilleres veldig rent metallisk cesium av. Denne metoden er anvendelig for å oppnå små mengder metall i en spesiell vakuumanordning.

Verdensproduksjonen av cesium er relativt liten.

Metallisk cesium er en komponent av katodemateriale for fotoceller, fotomultiplikatorrør og fjernsynsoverførende katodestrålerør. Fotoceller med en kompleks sølv-cesium-fotokatode er spesielt verdifulle for radar: de er ikke bare følsomme for synlig lys, men også for usynlige infrarøde stråler, og i motsetning til for eksempel selen fungerer de treghetsfritt. Antimon-cesium solceller er mye brukt i TV og kino; deres følsomhet, selv etter 250 timers drift, faller med bare 5–6 %, de fungerer pålitelig i temperaturområdet fra –30 ° C til +90 ° C. De utgjør de såkalte flertrinns fotocellene; i dette tilfellet, under påvirkning av elektroner forårsaket av lysstråler i en av katodene, oppstår sekundær utslipp - elektroner sendes ut av ytterligere fotokatoder av enheten. Som et resultat blir den totale elektriske strømmen som oppstår i fotocellen multiplisert. Økt strøm og økt følsomhet oppnås også ved å fylle cesiumfotoceller med en inert gass (argon eller neon).

Cesiummetall brukes til å lage spesielle likerettere som er overlegne kvikksølvlikerettere på mange måter. Den brukes som kjølevæske i atomreaktorer, en komponent av smøremidler for romteknologi, og en getter i vakuum elektroniske enheter. Cesiummetall viser også katalytisk aktivitet i reaksjoner av organiske forbindelser.

Cesium brukes i atomtidsstandarder. Cesium-klokker er utrolig nøyaktige. Deres handling er basert på overganger mellom to tilstander av cesiumatomet med parallell og antiparallell orientering av de iboende magnetiske momentene til atomkjernen og valenselektronet. Denne overgangen er ledsaget av oscillasjoner med strengt konstante egenskaper (bølgelengde 3,26 cm). I 1967 etablerte den internasjonale generalkonferansen om vekter og mål: "Et sekund er en tid som tilsvarer 9.192.631.770 perioder med stråling som tilsvarer overgangen mellom to hyperfine nivåer av grunntilstanden til cesium-133-atomet."

Nylig har mye oppmerksomhet blitt viet til cesiumplasma, en omfattende studie av dets egenskaper og betingelser for dannelse; kanskje det vil bli brukt i fremtidens plasmamotorer. I tillegg er arbeidet med studiet av cesiumplasma nært knyttet til problemet med kontrollert termonukleær fusjon. Mange mener at det er tilrådelig å lage cesiumplasma ved å bruke den termiske energien til atomreaktorer.

Cesium lagres i glassampuller i en argonatmosfære eller forseglede stålbeholdere under et lag med dehydrert vaselin. Avhend metallrester ved å behandle med pentanol.

Cesiumforbindelser.

Cesium danner binære forbindelser med de fleste ikke-metaller. Cesiumhydrider og deuterider er svært brannfarlige i luft, så vel som i fluor- og kloratmosfære. Cesiumforbindelser med nitrogen, bor, silisium og germanium er ustabile og noen ganger brannfarlige og eksplosive. Halogenidene og saltene til de fleste syrer er mer stabile.

Oksygenforbindelser. Cesium danner ni forbindelser med oksygen, som varierer i sammensetning fra Cs 7 O til CsO 3 .

Cesiumoksid Cs 2 O danner brunrøde krystaller som diffunderer i luft. Det oppnås ved langsom oksidasjon med en utilstrekkelig (2/3 av den støkiometriske) mengde oksygen. Resten av ureagert cesium destilleres av i vakuum ved 180–200°C. Cesiumoksid sublimerer i vakuum ved 350–450°C, og spaltes ved 500°C:

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

Reagerer kraftig med vann for å produsere cesiumhydroksid.

Cesiumoksid er en komponent i komplekse fotokatoder, spesialglass og katalysatorer. Det er fastslått at når man produserer syntol (syntetisk olje) fra vanngass og styren fra etylbenzen, så vel som i noen andre synteser, øker tilsetningen av en liten mengde cesiumoksid (i stedet for kaliumoksid) til katalysatoren utbyttet av den endelige produkt og forbedrer prosessforholdene.

Hygroskopiske blekgule krystaller av cesiumperoksid Cs 2 O 2 kan oppnås ved å oksidere cesium (eller dets oppløsning i flytende ammoniakk) med en dosert mengde oksygen. Over 650°C brytes cesiumperoksid ned med frigjøring av atomært oksygen og oksiderer kraftig nikkel, sølv, platina og gull. Cesiumperoksid løses opp i isvann uten nedbrytning, og over 25 ° C reagerer det med det:

2Cs2O2 + 2H2O = 4CsOH + O2

Det oppløses i syrer for å danne hydrogenperoksid.

Når cesium brennes i luft eller oksygen, dannes det gyllenbrunt cesiumsuperoksid CsO 2. Over 350°C dissosieres det med frigjøring av oksygen. Cesiumsuperoksid er et veldig sterkt oksidasjonsmiddel.

Cesiumperoksid og superoksid tjener som kilder til oksygen og brukes til regenerering i romfartøy og undervannsfarkoster.

Seskvioksid "Cs 2 O 3" dannes i form av et mørkt paramagnetisk pulver under forsiktig termisk dekomponering av cesiumsuperoksid. Det kan også produseres ved oksidasjon av et metall oppløst i flytende ammoniakk eller ved kontrollert oksidasjon av peroksid. Det antas å være et dinadperoksid-peroksid [(Cs +)4(O 2 2–)(O 2 –) 2 ].

Oransjerød ozonid CsO 3 kan oppnås ved innvirkning av ozon på vannfritt pulver av cesiumhydroksid eller peroksid ved lav temperatur. Når det står, brytes ozonid sakte ned til oksygen og superoksid, og ved hydrolyse blir det umiddelbart til hydroksid.

Cesium danner også suboksider, der den formelle oksidasjonstilstanden til grunnstoffet er betydelig lavere enn +1. Oksydet av sammensetningen Cs 7 O har en bronsefarge, smeltepunktet er 4,3 ° C, og reagerer aktivt med oksygen og vann. I sistnevnte tilfelle dannes cesiumhydroksid. Ved sakte oppvarming spaltes Cs 7 O til Cs 3 O og cesium. Fiolette krystaller av Cs 11 O 3 smelter med dekomponering ved 52,5 ° C. Rødfiolett Cs 4 O spaltes over 10,5 ° C. Ikke-støkiometrisk fase Cs 2+ x O endrer sammensetning opp til Cs 3 O, som spaltes ved 166 ° C.

Cesiumhydroksid CsOH danner fargeløse krystaller som smelter ved ° C. Smeltetemperaturene til hydrater er enda lavere, for eksempel smelter CsOH H 2 O monohydrat med dekomponering ved 2,5 ° C, og CsOH 3H 2 O trihydrat til og med -5,5 ° C.

Cesiumhydroksid tjener som en katalysator for syntese av maursyre. Med denne katalysatoren skjer reaksjonen ved 300°C uten høyt trykk. Utbyttet av sluttproduktet er svært høyt - 91,5%.

Cesiumhalogenider CsF, CsCl, CsBr, CsI (fargeløse krystaller) smelter uten dekomponering; over smeltepunktet er de flyktige. Termisk stabilitet avtar når man går fra fluor til jodid; bromid og jodid i damp brytes delvis ned til enkle stoffer. Cesiumhalogenider er svært løselige i vann. I 100 g vann ved 25 ° C oppløses 530 g cesiumfluorid, 191,8 g cesiumklorid, 123,5 g cesiumbromid, 85,6 g cesiumjodid. Vannfritt klorid, bromid og jodid krystalliserer fra vandige løsninger. Cesiumfluorid frigjøres i form av krystallinske hydrater av sammensetningen CsF· n H 2 O, hvor n = 1, 1,5, 3.

Når de interagerer med halogenider av mange grunnstoffer, danner cesiumhalogenider lett komplekse forbindelser. Noen av dem, for eksempel Cs 3, brukes til isolering og analytisk bestemmelse av cesium.

Cesiumfluorid brukes til å produsere organofluorforbindelser, piezoelektrisk keramikk og spesialglass. Cesiumklorid er en elektrolytt i brenselceller, en fluss for sveising av molybden.

Cesiumbromid og jodid er mye brukt i optikk og elektroteknikk. Krystallene til disse forbindelsene er gjennomsiktige for infrarøde stråler med bølgelengder fra 15 til 30 μm (CsBr) og fra 24 til 54 μm (CsI). Konvensjonelle prismer laget av natriumklorid overfører stråler med en bølgelengde på 14 mikron, og de av kaliumklorid - 25 mikron, så bruken av cesiumbromid og jodid i stedet for natrium- og kaliumklorider gjorde det mulig å registrere spektrene til komplekse molekyler i langt infrarødt område.

Hvis det, når man lager fluorescerende skjermer for fjernsyn og vitenskapelig utstyr, introduseres omtrent 20 % cesiumjodid mellom sinksulfidkrystaller, vil skjermene absorbere røntgenstråler bedre og lyse sterkere når de bestråles med en elektronstråle.

Scintillasjonsinstrumenter for å detektere tungt ladede partikler som inneholder enkeltkrystaller av cesiumjodid aktivert av tallium har den høyeste følsomheten av alle instrumenter av denne typen.

Cesium-137.

137 Cs-isotopen dannes i alle atomreaktorer (i gjennomsnitt 6 137 Cs-kjerner av 100 urankjerner).

Under normale driftsforhold for kjernekraftverk er utslippene av radionuklider, inkludert radioaktivt cesium, ubetydelige. De aller fleste fisjonsproduktene forblir i drivstoffet. I følge dosimetriske overvåkingsdata overstiger konsentrasjonen av cesium i områdene hvor kjernekraftverk er plassert nesten ikke konsentrasjonen av denne nukliden i kontrollområder.

Vanskelige situasjoner oppstår etter ulykker, når en enorm mengde radionuklider kommer inn i det ytre miljø og store områder forurenses. Frigjøringen av cesium-137 til atmosfæren ble registrert under en ulykke i Sør-Ural i 1957, hvor det var en termisk eksplosjon av et lagringsanlegg for radioaktivt avfall, under en brann ved et radiokjemisk anlegg i Windenale i Storbritannia i 1957, under vindfjerning av radionuklider fra flomsletten i Lake. Karachay i Sør-Ural i 1967. Ulykken ved atomkraftverket i Tsjernobyl i 1986 ble en katastrofe, cesium-137 sto for omtrent 15 % av den totale strålingsforurensningen. Hovedkilden til radioaktivt cesium som kommer inn i menneskekroppen er matprodukter av animalsk opprinnelse forurenset med nuklidet.

Radionuklidet 137 Cs kan også brukes til fordel for mennesker. Det brukes i feildeteksjon, så vel som i medisin for diagnose og behandling. Spesialister innen røntgenterapi ble interessert i cesium-137. Denne isotopen brytes ned relativt sakte, og mister bare 2,4 % av sin opprinnelige aktivitet per år. Det har vist seg nyttig for behandling av ondartede svulster. Cesium-137 har visse fordeler fremfor radioaktivt kobolt-60: lengre halveringstid og mindre hard g-stråling. I denne forbindelse er enheter basert på 137 Cs mer holdbare, og strålebeskyttelse er mindre tungvint. Imidlertid blir disse fordelene reelle bare i fravær av 134 Cs urenheter med kortere halveringstid og hardere g-stråling.

Fra løsninger oppnådd under behandling av radioaktivt avfall fra atomreaktorer, utvinnes 137 Cs ved samtidig utfelling med jern, nikkel, sinkheksacyanoferrater eller ammoniumfluorwolframat. Ionebytte og ekstraksjon brukes også.

Elena Savinkina

Kjemisk grunnstoff i gruppe I i det periodiske system, atomnummer 55, atommasse 132,9054; refererer til alkalimetaller.

Oppdagelseshistorie

Cesium ble oppdaget relativt nylig, i 1860, i mineralvannet til kjente helbredende kilder i Schwarzwald (Baden-Baden, etc.). I en kort historisk periode har den gått gjennom en strålende vei – fra et sjeldent, ukjent kjemisk grunnstoff til et strategisk metall. Tilhører familien av sjeldne alkali lettmetaller. Interagerer enkelt med andre elementer og danner sterke bånd. For tiden brukes den samtidig i flere bransjer: i elektronikk og automasjon, i radar og kino, i atomreaktorer og på romfartøy.

Det ble først oppdaget av to lyse linjer i det blå området av spekteret, og det latinske ordet "caesius" som navnet er avledet fra betyr himmelblått. Det er ubestridelig at cesium praktisk talt er den siste i rekken av alkalimetaller. Riktignok la Mendeleev forsiktig igjen i bordet sitt en tom celle for "ecacesium", som skulle følge cesium i gruppe I. Og dette elementet (Francium) ble oppdaget i 1939. Imidlertid eksisterer francium bare i form av raskt råtnende radioaktive isotoper med halveringstider på noen få minutter, sekunder eller til og med tusendeler av et sekund.

Cesium var det første grunnstoffet som ble oppdaget gjennom spektralanalyse. Tidligere ble cesiumsalter feilaktig ansett som kaliumsalter. Forskere hadde imidlertid muligheten til å bli kjent med dette elementet allerede før Bunsen og Kirchhoff skapte en ny forskningsmetode. Vi snakker om et tap som har hjemsøkt kjemikere i mange år. Tilbake i 1846 begynte den tyske forskeren K. Plattner å forske på hemisittmineralet som ble funnet på øya Elba. Å utføre en fullstendig kjemisk analyse av mineralet var ikke en vanskelig oppgave, men her er fangsten: uansett hvordan Plattner la sammen resultatene, viste summen av alle komponentene seg å være lik 93%. Hvor kan de resterende 7% gå? I nesten to tiår var det ingen som kunne svare på dette spørsmålet. Og først i 1864 presenterte italieneren Pisani ugjendrivelige bevis på at synderen til "undervekten" var cesium, feilaktig tatt av Plattner for kalium - disse elementene er ganske nært kjemisk beslektet, men cesium er mer enn dobbelt så tungt.

Cesiummetall ble først oppnådd av Setterberg i 1882 ved elektrolyse av smeltet cesiumcyanid. Produksjonen av cesiumforbindelser oppsto på slutten av forrige århundre, og produksjonen av cesiummetaller ble organisert på tjuetallet av forrige århundre. Men for tiden er de oppnådd i begrensede mengder.

Beskrivelse

Den skinnende overflaten av metallisk cesium har en blek gylden farge. Det er et av de mest smeltbare metallene: det smelter ved 28,5 °C, koker ved 705 °C under normale forhold og ved 330 °C i vakuum. Fusjonsevnen til cesium er kombinert med stor letthet. Til tross for den ganske store atommassen (132,905) til grunnstoffet, er dens tetthet ved 20 °C bare 1,87. Cesium er mange ganger lettere enn naboene i det periodiske systemet. Lantan, for eksempel, som har nesten samme atommasse, er mer enn tre ganger tettere enn cesium. Cesium er bare dobbelt så tungt som natrium, og deres atommasse er i forholdet 6:1. Tilsynelatende ligger årsaken til dette i den særegne elektroniske strukturen til cesiumatomer. Hvert av dets atomer inneholder 55 protoner, 78 nøytroner og 55 elektroner, men alle disse tallrike elektronene er plassert relativt løst - den ioniske radiusen til cesium er veldig stor - 1,65 Ǻ*. Ioneradiusen til lantan er for eksempel bare 1,22 Ǻ, selv om atomet inneholder 57 protoner, 82 nøytroner og 57 elektroner. Atomradiusen til cesium er 2,62 Ǻ.

Naturlig cesium består av den stabile nukliden 133 Cs. Tverrsnittet av termisk nøytronfangst er 2,9 * 10 -27 m 2.
Konfigurasjonen av det ytre elektronskallet til atomet er 6s 1, oksidasjonstilstand +1; ioniseringsenergien under overgangen Cs →Cs + →Cs 2+ tilsvarer 3,89397, 25,1 eV; elektronaffinitet 0,47 eV; Pauling elektronegativitet 0,7; Jobb
elektronutbytte 1,81 eV; metallisk radius 0,266 nm, kovalent radius 0,235 nm, ionisk radius Cs + 0,181 nm (koordinasjonsnummer 6), 0,188 nm (8), 0,192 nm (9), 0,195 nm (10), 0,202 nm).

Cesiuminnholdet i jordskorpen er 3,7·10 -4 masseprosent. Cesiummineraler er forurenset (Cs, Na) [AlSi 2 O 6 ] · H 2 O (Cs 2 O-innhold 29,8–36,7 vekt%) og sjelden avogadritt (K, Cs) [ВF 4 ]. Cesium er tilstede som en urenhet i kaliumrike aluminosilikater: lepidolitt (0,1–0,5 % CsO), flogopitt (0,2–1,5 %), etc., også i karnallitt (0,0003–0,002 % CsС1), triphyllin, i termisk (opp til 5 mg/l Cs) og innsjøvann (opptil 0,3 mg/l Cs). Industrielle kilder til cesium er forurenset og lepidolitt.

Egenskaper til cesium

Cesium er et mykt metall som er i en halvflytende tilstand ved romtemperatur. Parene er farget grønnblå. Krystalliserer i et kubisk kroppssentrert gitter: a = 0,6141 nm, z = 2, mellomrom, gruppe Im3m\ m.p. 28,44 °C, kokepunkt 669,2 °C; tetthet 1,904 g/cm3 (20 °C); C0p 32,21 J/(mol K); H 0 pl 2,096 kJ/mol, ∆H 0 ex 65,62 kJ/mol, ∆H 0 sub 76,54 kJ/mol (298,15 K); S 0 298 85,23 J/(mol K); ligninger for temperaturavhengigheten til damptrykk: log p (mm Hg) = -4122/T + 5,228 – 1,514 log T + 3977 T (100–301,59 K), log p (mm Hg) = -3822/ T + 4,940 – 0,746 lg T (301,59–897 K); termisk ledningsevne, W/(m K): 19,0 (298 K), 19,3 (373 K), 20,2 (473 K); ρ, μΩ m: 0,1830 (273,15 K), 0,2142 (301,59 K, faststoff), 0,3568 (301,59 K, flytende), temperaturkoeffisient ρ 6,0–10 -3 K -1 (273–291 K); paramagnetisk, spesifikk magnetisk susceptibilitet +0,22·10 -9 (293 K); n, mPa s: 6,76 (301,59 K), 5,27 (350 K), 3,18 (500 K); y 60,6 mN/m (301,59 K); temperaturkoeffisient for lineær ekspansjon 97·10 -6 K -1 (273 K); Mohs hardhet 0,2; elastisitetsmodul 1,7 GPa (293 K); koeffisient. kompressibilitet 71·10 -11 Pa -1 (323 K).

I luft oksiderer cesium øyeblikkelig med betennelse og dannelse av peroksid og superoksid. Cesium og rubidium reagerer voldsomt med vann for å danne hydroksyder og frigjøre hydrogen. Denne reaksjonen skjer selv ved en temperatur på –100°C.

Cesium løses opp i flytende ammoniakk og danner alkoholater med alkohol som kan tilsette ett molekyl alkohol. På grunn av sin høye reaktivitet lagres cesium i forseglede stålbeholdere under et lag med parafin.

Cesium, som natrium og kalium, har en enkelt 5-elektron over edelgasskonfigurasjonen. Strukturen til cesium-elektronskjell bestemmer mange av dets fysisk-kjemiske egenskaper. Konfigurasjonen av elektronskallene er som følger: Kb – [Kg] krypton. 5s og Sz – [Xe] xenon 6s. På grunn av den lille forskjellen i energiene til atombaner - 5d og 6s for cesium, blir atomene deres lett begeistret. Av denne grunn har metaller lave ioniseringspotensialer, god elektrisk ledningsevne og den fotoelektriske effekten. Lysstrålenes evne til å lade legemer med positiv elektrisitet eller fjerne negativ ladning fra dem ble kalt den fotoelektriske effekten (fra det greske ordet "fotos" - lys og det latinske - "effekt" - handling). Lysstråler "slår ut" elektroner fra cesium, som danner en elektrisk strøm. Det er veldig enkelt å "slå ut" et elektron fra cesium, siden det bare er ett elektron på det ytre elektronlaget. Jo lenger et elektron er fra kjernen til et atom, jo lettere er det å rive det av. Dermed har cesium seks elektronlag, mens natrium kun har tre; Mellom kjernen og det ytre elektronet har cesium 54 elektroner, mens natrium kun har 10. Derfor gir cesium fra seg elektronet sitt lettest fordi det har den største atomradiusen og det minste ioniseringspotensialet. Cesium forekommer i naturen bare som den stabile isotopen 135 Cs

Den mest bemerkelsesverdige egenskapen til cesium er dens eksepsjonelt høye aktivitet. Den er overlegen alle andre metaller i sin følsomhet for lys. Cesiumkatoden sender ut en strøm av elektroner selv når den utsettes for infrarøde stråler med en bølgelengde på 0,80 mikron. I tillegg oppstår den maksimale elektronemisjonen, som overstiger den normale fotoelektriske effekten hundrevis av ganger, i cesium når den belyses med grønt lys, mens i andre fotosensitive metaller vises dette maksimumet kun når det utsettes for fiolette eller ultrafiolette stråler.

I lang tid håpet forskerne å finne radioaktive isotoper av cesium i naturen, siden rubidium og kalium har dem. Men i naturlig cesium var det ikke mulig å påvise andre isotoper enn de helt stabile 133 Cs. Riktignok er det kunstig oppnådd 22 radioaktive isotoper av cesium med atommasser fra 123 til 144. I de fleste tilfeller er de kortvarige: halveringstider måles i sekunder og minutter, sjeldnere - flere timer eller dager. Tre av dem forfaller imidlertid ikke så raskt – disse er 134 Cs, 137 Cs og 135 Cs, med en levetid på 2,07; 26,6 og 3·10 6 år. Alle tre isotoper dannes i atomreaktorer fra nedbrytning av uran, thorium og plutonium; deres fjerning fra reaktorer er ganske vanskelig.

Den kjemiske aktiviteten til cesium er ekstraordinær. Den reagerer veldig raskt med oksygen og antennes ikke bare øyeblikkelig i luft, men er i stand til å absorbere de minste spor av oksygen i et dypt vakuum. Den bryter raskt ned vann selv ved vanlige temperaturer; i dette tilfellet frigjøres mye varme, og hydrogenet som fortrenges fra vannet antennes umiddelbart. Cesium reagerer til og med med is ved –116 °C. Oppbevaringen krever stor forsiktighet.

Cesium interagerer også med karbon. Bare den mest avanserte modifikasjonen av karbon - diamant - er i stand til å motstå sitt "angrep". Flytende smeltet cesium og dets damp løsner sot, trekull og til og med grafitt, trenger inn mellom karbonatomer og danner særegne, ganske sterke forbindelser med gylden gul farge, som i grensen tilsynelatende tilsvarer sammensetningen C 8 Cs 5. De antennes i luft, fortrenger hydrogen fra vann, og når de varmes opp, brytes de ned og frigjør alt absorbert cesium.

Selv ved vanlige temperaturer er reaksjoner av cesium med fluor, klor og andre halogener ledsaget av tenning, og med svovel og fosfor - ved eksplosjon. Ved oppvarming kombineres cesium med hydrogen, nitrogen og andre grunnstoffer, og ved 300 °C ødelegger det glass og porselen. Cesiumhydrider og deuterider er svært brannfarlige i luft, så vel som i fluor- og kloratmosfære. Cesiumforbindelser med nitrogen, bor, silisium og germanium, samt karbonmonoksid, er ustabile og noen ganger brennbare og eksplosive. Cesiumhalogenider og cesiumsalter av de fleste syrer, tvert imot, er veldig sterke og stabile. Aktiviteten til det opprinnelige cesiumet manifesteres i dem bare i den gode løseligheten til det store flertallet av salter. I tillegg omdannes de lett til mer komplekse komplekse forbindelser.

Hvis en skjønnlitterær forfatter måtte forholde seg til "biografien" om cesium, kan han begynne slik: "Cesium ble oppdaget relativt nylig, i 1860, i mineralvannet til berømte helbredende kilder i Schwarzwald (Baden-Baden, etc.). ). I en kort historisk periode har den gått gjennom en strålende vei – fra et sjeldent, ukjent kjemisk grunnstoff til et strategisk metall. Han tilhører arbeiderfamilien av alkalimetaller, og det blå blodet av det siste av hans slag renner i hans årer... Dette hindrer ham imidlertid ikke i det minste fra å kommunisere med andre grunnstoffer, og selv om de ikke er det. berømt, tar han villig kontakt med dem og etablerer sterk kommunikasjon. For tiden jobber han samtidig i flere bransjer: innen elektronikk og automasjon, i radar og kino, i atomreaktorer og på romskip...”

Uten å ta på alvor den humoristiske toppen og noen åpenbart litterære overdrivelser, kan denne biografien trygt tas som en "roman uten løgner." Samtalen om det "blå blodet" av cesium er ikke meningsløst - det ble først oppdaget av to lyse linjer i det blå området av spekteret og det latinske ordet "caesius", som navnet kommer fra, betyr himmelblå. Det er ubestridelig at cesium praktisk talt er den siste i rekken av alkalimetaller. Riktignok la Mendeleev forsiktig igjen i bordet sitt en tom celle for "ecacesium", som skulle følge cesium i gruppe I. Og dette elementet (Francium) ble oppdaget i 1939. Imidlertid eksisterer francium bare i form av raskt råtnende radioaktive isotoper med halveringstider på noen få minutter, sekunder eller til og med tusendeler av et sekund. Til slutt er det også sant at cesium brukes i noen av de viktigste områdene innen moderne teknologi og vitenskap.

Prevalens av cesium i naturen og produksjonen av det

Det er ingen eksakte data i litteraturen om hvor mye cesium som er tilgjengelig på kloden. Det er bare kjent at det er et av de sjeldne kjemiske elementene. Det antas at innholdet i jordskorpen i alle fall er flere hundre ganger mindre enn rubidium, og ikke overstiger 7·10–4%.

Cesium forekommer i en ekstremt spredt tilstand (i størrelsesorden tusendeler av en prosent) i mange bergarter; Mindre mengder av dette metallet ble også funnet i sjøvann. Det finnes i høyere konsentrasjoner (opptil flere tideler av en prosent) i noen kalium- og litiummineraler, hovedsakelig i lepidolitt. Men det som er spesielt viktig er at, i motsetning til rubidium og de fleste andre sjeldne grunnstoffer, danner cesium sine egne mineraler - forurenset, avogadritt og rodicitt. Rodisitt er ekstremt sjelden, og noen forfattere klassifiserer det som et litiummineral, siden sammensetningen (R 2 O 2Al 2 O 3 3B 2 O 3, hvor R 2 O er summen av alkalimetalloksider) vanligvis inneholder mer litium enn cesium. Avogadritus (K, Cs) er også sjelden, og forurensing er ikke vanlig; deres forekomster er tynne, men de inneholder minst 20, og noen ganger opptil 35%, cesium. Forurensende stoffer fra USA (Sør-Dakota og Maine), Sør-Vest-Afrika, Sverige og Sovjetunionen (Kasakhstan, etc.) er av størst praktisk betydning.

Forurensninger er aluminosilikater, komplekse og meget sterke forbindelser. Sammensetningen deres bestemmes av formelen (Cs, Na) · n H 2 O, og selv om de inneholder mye cesium, er det ikke så lett å trekke det ut. For å "åpne" mineralet og konvertere verdifulle komponenter til løselig form, behandles det ved oppvarming med konsentrerte mineralsyrer - flussyre eller saltsyre og svovelsyre. Deretter frigjøres løsningen fra alle tung- og lette metaller og, det som er spesielt vanskelig, fra cesiums konstante satellitter - alkalimetaller: kalium, natrium og rubidium.

Moderne metoder for å utvinne cesium fra forurensninger er basert på foreløpig fusjon av konsentrater med overflødig kalk og en liten mengde flusspat. Hvis prosessen utføres ved 1200°C, sublimeres nesten alt cesium i form av Cs 2 O-oksid. Denne sublimeringen er selvfølgelig forurenset med tilsetninger av andre alkalimetaller, men den er løselig i mineralsyrer , noe som forenkler videre drift.

Cesium utvinnes fra lepidolitter sammen med rubidium som et biprodukt av litiumproduksjon. Lepidolitter er forhåndssmeltet (eller sintret) ved en temperatur på ca. 1000°C med gips- eller kaliumsulfat og bariumkarbonat. Under disse forholdene omdannes alle alkalimetaller til lettløselige forbindelser - de kan utvaskes med varmt vann. Etter å ha separert litiumet, gjenstår det å behandle de resulterende filtratene, og her er den vanskeligste operasjonen separasjonen av cesium fra rubidium og et stort overskudd av kalium. Som et resultat oppnås noe cesiumsalt - klorid, sulfat eller karbonat. Men dette er bare en del av historien, siden cesiumsaltet må omdannes til cesiummetall. For å forstå kompleksiteten til det siste stadiet, er det nok å påpeke at oppdageren av cesium - den største tyske kjemikeren Bunsen - aldri klarte å oppnå grunnstoff nr. 55 i fri tilstand. Alle metoder egnet for utvinning av andre metaller ga ikke de ønskede resultatene. Cesiummetall ble først oppnådd bare 20 år senere, i 1882, av den svenske kjemikeren Setterberg i ferd med elektrolyse av en smeltet blanding av cesium og bariumcyanid, tatt i forholdet 4:1. Bariumcyanid ble tilsatt for å senke smeltepunktet. Barium forurenset imidlertid sluttproduktet, og det var vanskelig å arbeide med cyanider på grunn av deres ekstreme toksisitet, og utbyttet av cesium var svært lite. Dens rasjonelle metode ble oppdaget i 1890 av den berømte russiske kjemikeren N.N. Beketov, som foreslo å redusere cesiumhydroksid med metallisk magnesium i en strøm av hydrogen ved forhøyede temperaturer. Hydrogen fyller enheten og forhindrer oksidasjon av cesium, som destilleres til en spesiell mottaker. Men i dette tilfellet overstiger ikke cesiumutbyttet 50 % av det teoretiske.

Den beste løsningen på det vanskelige problemet med å skaffe cesiummetall ble funnet i 1911 av den franske kjemikeren Axpil. Med Axpil-metoden, som fortsatt er den vanligste, reduseres cesiumklorid med kalsiummetall i vakuum, og reaksjonen

2CsCl + Ca → CaCl2 + 2Cs

går nesten til slutten. Prosessen utføres i en spesiell enhet (i laboratorieforhold - laget av kvarts eller ildfast glass), utstyrt med en forlengelse. Hvis trykket i enheten ikke er mer enn 0,001 mm Hg. Art., prosesstemperaturen må ikke overstige 675°C. Det frigjorte cesiumet fordamper og destilleres inn i prosessen, og kalsiumkloridet forblir fullstendig i reaktoren, siden saltets flyktighet under disse forholdene er ubetydelig (smeltepunktet til CaCl 2 er 773°C, dvs. 100°C høyere enn prosesstemperaturen). Som et resultat av gjentatt destillasjon i vakuum oppnås absolutt rent cesiummetall.

Mange andre metoder for å produsere cesiummetall fra dets forbindelser er beskrevet i litteraturen, men som regel lover de ingen spesielle fordeler. Når man erstatter kalsiummetall med karbid, må reaksjonstemperaturen økes til 800°C, og sluttproduktet forurenses med ytterligere urenheter. Det er mulig å dekomponere cesiumazid eller redusere dets dikromat med zirkonium, men disse reaksjonene er eksplosive. Men når du erstatter dikromat med cesiumkromat, går reduksjonsprosessen jevnt, og selv om utbyttet ikke overstiger 50 %, destilleres veldig rent metallisk cesium av. Denne metoden er anvendelig for å oppnå små mengder metall i en spesiell vakuumanordning.

Verdensproduksjonen av cesium er relativt liten, men den siste tiden har den økt stadig. Man kan bare gjette på omfanget av denne veksten; tallene er ikke publisert.

Egenskaper til cesium

Den skinnende overflaten av metallisk cesium har en blek gylden farge. Det er et av de mest smeltbare metallene: det smelter ved 28,5 °C, koker ved 705 °C under normale forhold og ved 330 °C i vakuum. Fusjonsevnen til cesium er kombinert med stor letthet. Til tross for den ganske store atommassen (132.905) til grunnstoffet, er dens tetthet ved 20 °C bare 1,87. Cesium er mange ganger lettere enn naboene i det periodiske systemet. Lantan, for eksempel, som har nesten samme atommasse, er mer enn tre ganger tettere enn cesium. Cesium er bare dobbelt så tungt som natrium, og deres atommasse er i forholdet 6:1. Tilsynelatende ligger årsaken til dette i den særegne elektroniske strukturen til cesiumatomer. Hvert av dets atomer inneholder 55 protoner, 78 nøytroner og 55 elektroner, men alle disse tallrike elektronene er plassert relativt løst - den ioniske radiusen til cesium er veldig stor - 1,65 Å*. Ioneradiusen til lantan er for eksempel bare 1,22 Å, selv om atomet inneholder 57 protoner, 82 nøytroner og 57 elektroner.

* Atomradiusen til cesium er 2,62 Å.

Selv ved vanlige temperaturer er reaksjoner av cesium med fluor, klor og andre halogener ledsaget av tenning, og med svovel og fosfor - ved eksplosjon. Ved oppvarming kombineres cesium med hydrogen, nitrogen og andre grunnstoffer, og ved 300°C ødelegger det glass og porselen. Cesiumhydrider og deuterider er svært brannfarlige i luft, så vel som i fluor- og kloratmosfære. Cesiumforbindelser med nitrogen, bor, silisium og germanium, samt karbonmonoksid, er ustabile og noen ganger brennbare og eksplosive. Cesiumhalogenider og cesiumsalter av de fleste syrer, tvert imot, er veldig sterke og stabile. Aktiviteten til det opprinnelige cesiumet manifesteres i dem bare i den gode løseligheten til det store flertallet av salter. I tillegg omdannes de lett til mer komplekse komplekse forbindelser.

Cesiumlegeringer og intermetalliske forbindelser er alltid relativt lavtsmeltende.

Cesium har en annen svært viktig egenskap, nært knyttet til dens elektroniske struktur. Faktum er at det mister enkeltvalenselektronet lettere enn noe annet metall; Dette krever svært lite energi - kun 3,89 eV. Derfor krever produksjon av plasma fra cesium mye mindre energi enn å bruke noe annet kjemisk element.

Hvor brukes cesium?

Det er ikke overraskende at de bemerkelsesverdige egenskapene til cesium lenge har gitt det tilgang til forskjellige sfærer av menneskelig aktivitet.

Først av alt fant den bruk i radioteknikk. Vakuumfotoceller med en kompleks sølv-cesium-fotokatode er spesielt verdifulle for radar: de er ikke bare følsomme for synlig lys, men også for usynlige infrarøde stråler, og i motsetning til for eksempel selen fungerer de uten treghet. Vakuum antimon-cesium fotoceller er mye brukt i TV og lydfilmer; deres følsomhet, selv etter 250 timers drift, faller med bare 5...6 %, de fungerer pålitelig i temperaturområdet fra –30° til +90°C. Disse utgjør de såkalte flertrinns fotocellene; i dette tilfellet, under påvirkning av elektroner forårsaket av lysstråler i en av katodene, oppstår sekundær utslipp - elektroner sendes ut av ytterligere fotokatoder av enheten. Som et resultat blir den totale elektriske strømmen som oppstår i fotocellen multiplisert. Økt strøm og økt følsomhet oppnås også i cesiumfotoceller fylt med en inert gass (argon eller neon).

Bromider, jodider og noen andre cesiumsalter er mye brukt i optikk og elektroteknikk. Hvis det, når man lager fluorescerende skjermer for fjernsyn og vitenskapelig utstyr, introduseres omtrent 20 % cesiumjodid mellom krystallene av sinksulfid, vil skjermene absorbere røntgenstråler bedre og lyse sterkere når de bestråles med en elektronstråle.

På den internasjonale utstillingen "Chemistry-65" som ble holdt i Moskva i 1965, ble scintillasjonsanordninger med enkeltkrystaller av talliumaktivert cesiumjodid demonstrert i USSR-paviljongen. Disse enhetene, designet for å oppdage tunge ladede partikler, har den høyeste følsomheten av alle enheter av denne typen.

Krystaller av cesiumbromid og jodid er gjennomsiktige for infrarøde stråler med bølgelengder fra 15 til 30 μm (CsBr) og fra 24 til 54 μm (CsI). Konvensjonelle prismer laget av natriumklorid overfører kun stråler med en bølgelengde på 14 mikron, og de laget av kaliumklorid - 25 mikron. Derfor gjorde bruken av cesiumbromid og jodid det mulig å registrere spektrene til komplekse molekyler i det fjerne infrarøde området.

Cesiumforbindelser med tinnsyre (ortoannater) og med zirkoniumoksid (metazirkonater) er svært følsomme for lys. Lysrør laget på basis av disse produserer grønn luminescens når de bestråles med ultrafiolette stråler eller elektroner.

Aktiviteten til mange cesiumforbindelser manifesteres i deres katalytiske evne. Det er fastslått at når man produserer syntol (syntetisk olje) fra vanngass og styren fra etylbenzen, så vel som i noen andre synteser, øker tilsetningen av en liten mengde cesiumoksid (i stedet for kaliumoksid) til katalysatoren utbyttet av den endelige produkt og forbedrer prosessforholdene. Cesiumhydroksid fungerer som en utmerket katalysator for syntese av maursyre. Med denne katalysatoren skjer reaksjonen ved 300°C uten høyt trykk. Utbyttet av sluttproduktet er svært høyt - 91,5%. Cesiummetall er bedre enn andre alkalimetaller når det gjelder å akselerere hydrogeneringsreaksjonen til aromatiske hydrokarboner.

Generelt har de katalytiske egenskapene til cesium blitt studert lite, og dens positive effekt har blitt vurdert kvalitativt snarere enn kvantitativt. Dette kan trolig forklares med problemstillingens manglende relevans, siden cesium er etterspurt på en rekke andre svært viktige områder. Sistnevnte inkluderer spesielt medisin. Isotopen 137 Cs, dannet i alle atomreaktorer (i gjennomsnitt av 100 urankjerner, 6 kjerner 137 Cs), ble av interesse for spesialister innen røntgenterapi. Denne isotopen brytes ned relativt sakte, og mister bare 2,4 % av sin opprinnelige aktivitet per år. Det har vist seg egnet for behandling av ondartede svulster og har visse fordeler fremfor radioaktivt kobolt-60: en lengre halveringstid (26,6 år mot 5,27) og fire ganger mindre sterk gammastråling. I denne forbindelse er enheter basert på 137 Cs mer holdbare, og strålebeskyttelse er mindre tungvint. Imidlertid blir disse fordelene virkelige bare under betingelsen av absolutt radiokjemisk renhet på 137 Cs og fravær av 134 Cs urenheter, som har en kortere halveringstid og hardere gammastråling.

Ikke bare radioaktivt, men også stabilt metall cesium blir stadig viktigere. Den brukes til fremstilling av spesielle likerettere, som på mange måter er overlegne kvikksølvlikerettere. I militære og marineapplikasjoner brukes cesiumdampvakuumrør for infrarød signalering og kontroll. I USA kalles denne typen enhet, som er i stand til å oppdage alle slags gjenstander i mørket, et "snikskytterskop".

Men spesielt mye oppmerksomhet har nylig blitt viet til cesiumplasma, en omfattende studie av dets egenskaper og dannelsesbetingelser. Kanskje det vil bli "drivstoffet" til fremtidens plasmamotorer. I tillegg er arbeidet med studiet av cesiumplasma nært knyttet til problemet med kontrollert termonukleær fusjon. Mange forskere mener at det er tilrådelig å lage cesiumplasma ved å bruke høytemperatur termisk energi fra atomreaktorer, det vil si direkte konvertere denne termiske energien til elektrisk energi.

Dette er ikke en fullstendig liste over egenskapene til cesium.

Kort tid etter åpning

Cesium er kjent for å ha vært det første grunnstoffet som ble oppdaget ved spektralanalyse. Forskere hadde imidlertid muligheten til å bli kjent med dette elementet allerede før Bunsen og Kirchhoff skapte en ny forskningsmetode. I 1846 oppdaget den tyske kjemikeren Plattner, som analyserte mineralet forurensning, at summen av dets kjente komponenter bare var 93%, men var ikke i stand til nøyaktig å bestemme hvilket annet element (eller grunnstoffer) som var inkludert i dette mineralet. Først i 1864, etter oppdagelsen av Bunsen, fant italieneren Pisani cesium i forurenset og fastslo at det var forbindelsene av dette grunnstoffet som Plattner ikke kunne identifisere.

Cesium og trykk

Alle alkalimetaller endres sterkt når de utsettes for høyt trykk. Men det er cesium som reagerer mest unikt og skarpt på det. Ved et trykk på 100 tusen atm. volumet reduseres nesten tre ganger - mer enn for andre alkalimetaller. I tillegg var det under høytrykksforhold at to nye modifikasjoner av elementært cesium ble oppdaget. Den elektriske motstanden til alle alkalimetaller øker med økende trykk; I cesium er denne egenskapen spesielt uttalt.

Atomklokke

Kjernen til et cesiumatom og dets valenselektron har sine egne magnetiske momenter. Disse momentene kan orienteres på to måter - parallelt eller antiparallelt. Forskjellen mellom energiene til begge tilstander er konstant, og naturligvis er overgangen fra en tilstand til en annen ledsaget av svingninger med strengt konstante egenskaper (bølgelengde 3,26 cm). Ved å bruke denne egenskapen skapte forskere cesium "atomklokker" - kanskje de mest nøyaktige i verden.

(Caesium; fra latin caesius - blå), Cs - kjemisk. element av gruppe I i det periodiske systemet av elementer; kl, n. 55, kl. m. 132,9054. Sølv-hvit metall. I forbindelser viser den en oksidasjonstilstand på +1. Naturlig karbon består av den stabile isotopen 133Cs. Det er oppnådd 22 radioaktive isotoper, hvorav den mest praktiske bruken er 137Cs isotopen med en halveringstid på 27 år. Cesium ble oppdaget (1860) av den tyske kjemikeren R. W. Bunsen og den tyske fysikeren G. P. Kirchhoff mens de studerte spekteret av alkalimetallsalter hentet fra vannet i mineralkilden Durkheim.

Cesiummetall ble først oppnådd (1882) av K. Setterberg ved elektrolyse av en smeltet blanding av cesium og bariumcyanider. Cesium er et sjeldent grunnstoff. Innholdet i jordskorpen er 3,7 10-4 % og finnes ikke i naturen i fri tilstand på grunn av dens høye aktivitet. C. ble funnet i 78 mineraler; den største mengden av det er inneholdt i cesiummineraler: forurensing (opptil 36 % Cs20), spurveritt og avogadritt (opptil 7,5 % Cs20). Inneholder i små mengder (fra 0,004 til 0,001 % eller mindre). bergarter: basalter, granitter, diabaser, syenitter, nefeliner, glimmer, feltspat, kalkstein, skifer, etc. Hovedkildene til C. er forurensing, karnallitt, saltlake fra saltsjøer, saltlake og marin slam. Krystallgitter C. kroppssentrert kubikk med periode a = 6,05 A (temperatur - 175 ° C).

Atomradius 2,65 A, ionisk radius av Cs+ er 165 A. Tetthet 1,9039 (temperatur 0°C) og 1,880 g/cm3 (temperatur 26,85°C); smeltepunkt 28,60°C; kokepunkt 685,85°C; ons koeffisient lineær ekspansjon (i temperaturområdet 0-26° C) 9,7-10-5 grader-1; koeffisient termisk ledningsevne (temperatur 28,5°C) 0,04 - 0,065 cal/cm -sek. varmekapasitet gjennomsnitt 7,24 (temperatur 0° C) og 7,69 cal/g-atom grader (temperatur 25° C); spesifikk elektrisk motstand er 18,30 (temperatur 0° C) og 21,25 μΩ cm (temperatur 26,85° C). Metallisk damp er amagnetisk. Cesium er et mykt, formbart metall. Hardhet på Mohs skala 0,2; HB- = 0,015; normal elastisitetsmodul 175 kgf/mm2; komprimerbarhet ved romtemperatur 7,0-10-5 kgf/cm2. Cesiummetall har den høyeste reaktiviteten blant de alkaliske elementene. I luften oksiderer det øyeblikkelig med betennelse, og danner peroksid og superoksid.

Med hydrogen ved en temperatur på 200-350 ° C og et trykk på 50-100 ved. danner hydridet CsH - et hvitt krystallinsk stoff som antennes i et fuktig miljø, i et miljø med klor og fluor. Med oksygen, avhengig av forholdene, gir det: Cs2O-oksid - rødbrune krystaller, sprer seg i luft; Cs2O2-peroksid - hygroskopiske gule krystaller; CsO2-superoksid - gule krystaller, ved temperaturer over 180 ° C endrer de farge til oransje; ozonid CsO3 - fin krystallinsk oransje - rødt pulver; CsOH-hydroksid er et hvitt krystallinsk stoff som raskt løses opp i luft. C. kombineres direkte med halogener (med tenning), og danner halogenider CsF, CsCl, CsBr i Csl - fargeløse krystaller, svært løselige i vann og mange andre. organiske løsemidler.

I flytende nitrogen, under en elektrisk utladning mellom elektrodene, oppnås cesiumnitrid fra cesium - et hygroskopisk, ustabilt pulver av en grågrønn eller blå farge. Azid CsN3 - gul-hvite krystaller. Det er kjente forbindelser av kalsium med svovel, selen og tellur - kalkogenider. Med svovel danner cesium sulfid Cs2S, et mørkerødt krystallinsk pulver som er løselig i vann. I tillegg er det oppnådd di-, tri- og pentasulfider. C. med selen og tellur danner krystallinske forbindelser: hvitt pulver av Cs2Se-selenid og lysegult pulver av Cs2Te-tellurid, som spaltes i luft. Med silisium danner det silicid CsSi, et gult krystallinsk stoff som antennes i luft; når det samhandler med vann, antennes det eksplosivt. Det er kjente forbindelser av C. med fosfor - . Når man erstatter hydrogen i et uorganisk stoff med karbon, oppnås de tilsvarende salter: sulfat, nitrat, karbonat, etc.

Med mange metaller, inkludert alkalimetaller, danner Cesium også intermetalliske forbindelser, hvorav de viktigste er forbindelser med vismut, antimon, gull og kvikksølv. I reaksjoner med uorganiske forbindelser oppfører cesium seg som et sterkt reduksjonsmiddel. Reagerer eksplosivt med karbondioksid og karbontetraklorid. Metallisk sink oppnås hovedsakelig ved å reagere med for eksempel sinksalter. på, magnesium eller kalsium på høy

t-rah i et vakuum. For å oppnå karbon brukes også en elektrokjemisk metode, hvor man under elektrolyse, for eksempel CsCl på en flytende blykatode, får en bly-cesium-legering, hvorfra fargen fjernes ved vakuumdestillasjon. Små mengder zirkonium oppnås ved å redusere dets kromat (Cs2Cr04) med pulverisert zirkonium ved en temperatur på 650°C eller ved å dekomponere CsN3 ved en temperatur på 390-395°C i vakuum.

Anvendelser av cesium

Den brukes i fotoceller; i fotomultiplikatorer beregnet for scintillasjonstellere, himmelske navigasjonsinstrumenter, spektroskoper, for strålingsdetektorer i lasersystemer; i elektro-optiske omformere som brukes i nattsynsenheter; i overføring av katodestrålerør. Cesium brukes som en getter for å absorbere rester av luft i produksjonen av vakuumradiorør. Den finner anvendelse i glødeutladningstyratroner og i atomstandarder - de mest nøyaktige standardene for tidsintervaller. Feilen til en atomklokke med en cesiumkilde er 1 sekund på 4000 år. Cesiumdamp brukes i optiske kvantegeneratorer - gasslasere. Tilsetninger av karbon til en inert gass i magnetohydrodynamiske generatorer gjør det mulig å ionisere gassen ved temperaturer omtrent to ganger lavere enn uten disse tilsetningsstoffene. C. brukes i termionomformere designet for å direkte omdanne varme til elektrisitet. energi; i ionerakettmotorer for romfartøy. Cesium har funnet anvendelse i en ny gren av elektronikk - mikrobølgeplasmaelektronikk, så vel som i cesiumlamper, som er overlegne i intensitet i forhold til andre lyskilder.

Elementegenskaper

Oppdagelsen av cesium, som rubidium, er assosiert med spektralanalyse. I 1860 oppdaget R. Bunsen to knallblå linjer i spekteret som ikke tilhørte noe grunnstoff kjent på den tiden. Det er her navnet "caesius" kommer fra, som betyr himmelblå. Det er det siste elementet i alkalimetallundergruppen som fortsatt forekommer i målbare mengder. Den største atomradiusen og de minste første ioniseringspotensialene bestemmer karakteren og oppførselen til dette elementet. Den har uttalt elektropositivitet og uttalte metalliske kvaliteter. Ønsket om å donere det ytre 6s-elektronet fører til det faktum at alle reaksjonene går ekstremt voldsomt. Liten forskjell i atom 5 energierd- og 6 s -orbitaler forårsaker lett eksitabilitet av atomer. Elektronutslipp fra cesium observeres under påvirkning av usynlige infrarøde stråler (varme). Denne egenskapen til atomstrukturen bestemmer god elektrisk ledningsevne av strømmen. Alt dette gjør cesium uunnværlig i elektroniske enheter. Den siste tiden har det blitt viet mer og mer oppmerksomhet til cesiumplasma som fremtidens brensel og i forbindelse med å løse problemet med termonukleær fusjon.

Egenskaper til enkel materie og forbindelser

Cesium under normale romforhold er et halvflytende metall (t pl = 28,5°C, t koke = 688°C). Dens skinnende overflate har en blek gylden farge. Cesium er et lettmetall med kvm. 1,9 g/cm³ , for eksempel, med omtrent samme atommasse veier mer enn 6 ganger mer.

Grunnen til at cesium er mange ganger lettere enn naboene i det periodiske systemet er den store størrelsen på atomene. Atom- og ioneradiusene til metallet er veldig store:R ved = 2,62 A, R og han =1,6 A. Cesium er uvanlig kjemisk aktivt. Den reagerer så grådig med oksygen at den er i stand til å rense gassblandingen fra de minste spor av oksygen selv under dype vakuumforhold. Det reagerer med vann når det er frosset til -116° C. De fleste reaksjoner med andre stoffer skjer med eksplosjoner: med halogener, svovel, fosfor, grafitt, silisium (i de tre siste tilfellene kreves det lett oppvarming). Vanskelige mennesker reagerer også voldsomt med det: CO 2 tetraklorid, silika (ved 300°C). I en hydrogenatmosfære dannes CsH-hydrid, som antennes i utilstrekkelig tørr luft. Det fortrenger alle uorganiske og organiske syrer og danner salter.

Reaksjonene av cesium med nitrogen foregår roligere i feltet med en stille elektrisk ladning, og med kull når det varmes opp. Reagerer med hydrogen ved 300-350°C eller under et trykk på 5-10⋅ 10 ⁶ Pa. Derfor kan den trygt lagres i et kar fylt med hydrogen.

2Сs + 2SiO 2 = Сs 2 O 4 + 2Si

2Rb + 2Si02 = Rb204 + 2Si

Av cesiumforbindelsene er de viktigste c sølv og antimon. Cesiumbromid og jodidkrystaller er gjennomsiktige for infrarøde stråler, derfor brukes de i optikk og elektroteknikk.

Sulfat CSSO 4 - en ildfast og termisk stabil forbindelse som begynner å fordampe merkbart bare ved temperaturer over 1400°C. Samtidig er alle cesiumsalter høye.

Produksjon og bruk av cesium

Cesium, som , danner ikke uavhengige mineraler og følger vanligvis med de mer vanlige elementene i gruppe I. Cesium forekommer i naturen som en urenhet i mineralene Na og K. Pollucite CsNa ⋅ nH 2 er rikest på cesium O. Det finnes i naturen i en svært spredt tilstand i form av forbindelser som følger med andre malmer. For eksempel inneholder pollusite cesium sammen med natrium. Den mest arbeidskrevende delen av produksjonen deres er anrikning og separering av fraksjoner med rubidium og cesium fra kalium, natrium og litium. Rent (Rb og Cs) oppnås fra halogener ved reduksjon med kalsiummetall ved 700-800°C. De oppnås ved utvekslingsreaksjon av smeltede klorider med kalsiummetall:

Cesium(lat. Caesium), Cs, kjemisk element av gruppe I i det periodiske systemet til Mendeleev; atomnummer 55, atommasse 132, 9054; sølvhvitt metall, tilhører alkalimetallene. Den forekommer i naturen som den stabile isotopen 133 Cs. Av de kunstig produserte radioaktive isotopene med massetall fra 113 til 148, er den mest stabile 137 Cs med en halveringstid T ½ = 33 år.

Historisk referanse. Cesium ble oppdaget i 1860 av R. W. Bunsen og G. R. Kirchhoff i vannet i mineralkilden Durkheim (Tyskland) ved bruk av metoden for spektralanalyse. Den heter Cesium (fra latin caesius - himmelblå) for sine to lyse linjer i den blå delen av spekteret. Metallisk cesium ble først isolert av den svenske kjemikeren K. Setterberg i 1882 under elektrolysen av en smeltet blanding av CsCN og Ba.

Distribusjon av cesium i naturen. Cesium er et typisk sjeldent og sporelement. Gjennomsnittlig innhold av cesium i jordskorpen (clarke) er 3,7·10 -4 masseprosent. Ultramafiske bergarter inneholder 1·10 -5 % cesium, basiske bergarter inneholder 1·10 -4 %. Cesium er geokjemisk nært beslektet med granittisk magma, og danner konsentrasjoner i pegmatitter sammen med Li, Be, Ta, Nb; spesielt i pegmatitter rike på Na (albitt) og Li (lepidolitt). To ekstremt sjeldne cesiummineraler er kjent - forurenset og avogadritt (K,Cs)(BF) 4; den høyeste konsentrasjonen av cesium er i forurenset (26-32 % Cs 2 O). De fleste av cesiumatomene erstatter isomorf K og Rb i feltspat og glimmer. Cesium urenheter finnes i beryl, karnallitt og vulkansk glass. Svak anrikning av cesium er påvist i enkelte termiske farvann. Generelt er cesium en svak akvatisk migrant. Prosessene med isomorfisme og sorpsjon av store cesiumkationer er av primær betydning i cesiums historie. Geokjemisk ligger Cesium nær Rb og K, og delvis Ba.

Fysiske egenskaper til cesium. Cesium er et veldig mykt metall; tetthet 1,90 g/cm3 (20 °C); t pl 28,5 °C; t koke 686 °C. Ved vanlige temperaturer krystalliserer det i et kroppssentrert kubisk gitter (a = 6,045 Å). Atomradius 2,60 Å, ioneradius Cs + 1,86 Å. Spesifikk varmekapasitet 0,218 kJ/(kg K); spesifikk smeltevarme 15,742 kJ/kg (3,766 cal/g); spesifikk fordampningsvarme 610,28 kJ/kg (146,0 cal/g); temperaturkoeffisient for lineær ekspansjon (0-26 °C) 9,7·10 -5; termisk konduktivitetskoeffisient (28,5°C) 18,42 W/(m K); elektrisk resistivitet (20 °C) 0,2 μΩ m; temperaturkoeffisient for elektrisk motstand (0-30°C) 0,005. Cesium er diamagnetisk, spesifikk magnetisk følsomhet (18 °C) -0,1·10 -6. Dynamisk viskositet 0,6299 Mn·s/m2 (43,4 °C), 0,4065 Mn·s/m2 (140,5 °C). Overflatespenning (62 °C) 6,75·10-2 n/m (67,5 dyn/cm); kompressibilitet (20 °C) 7,05 MN/m2 (70,5 kgf/cm2). Ioniseringsenergi 3.893 eV; standard elektrodepotensial er 2,923 V, elektronarbeidsfunksjonen er 1,81 eV. Brinell hardhet 0,15 Mn/m2 (0,015 kgf/cm2).

Kjemiske egenskaper til cesium. Konfigurasjonen av de ytre elektronene til cesiumatomet er 6s 1; i forbindelser har den en oksidasjonstilstand på + 1. Cesium har en meget høy reaktivitet. I luft antennes den øyeblikkelig med dannelse av peroksid Cs 2 O 2 og superoksid CsO 2; med mangel på luft oppnås Cs2O-oksid; ozonid CsO 3 er også kjent. Cesium reagerer eksplosivt med vann, halogener, karbondioksid, svovel, karbontetraklorid, og gir henholdsvis hydroksyd CsOH, halogenider, oksider, sulfider, CsCl. Det interagerer med hydrogen ved 200-350 °C og et trykk på 5-10 Mn/m2 (50-100 kgf/cm2), og danner et hydrid. Over 300 °C ødelegger cesium glass, kvarts og andre materialer, og forårsaker også korrosjon av metaller. Ved oppvarming kombineres cesium med fosfor, silisium og grafitt. Når Cesium interagerer med alkali- og jordalkalimetaller, samt med Hg, Au, Bi og Sb, dannes legeringer; med acetylen - acetylenid Cs 2 C 2. De fleste enkle cesiumsalter, spesielt CsF, CsCl, Cs 2 CO 3, Cs 2 SO 4, CsH 2 PO 4, er svært løselige i vann; CsMnO 4, CsClO 4 og Cs 2 Cr 2 O 7 er lite løselige. Cesium er ikke et kompleksdannende grunnstoff, men det inngår i mange komplekse forbindelser som en miljøkation.

Innhenting av cesium. Cesium oppnås direkte fra forurensning ved vakuum-termisk reduksjon. Ca, Mg, Al og andre metaller brukes som reduksjonsmidler.

Forskjellige cesiumforbindelser oppnås også ved bearbeiding av forurensning. Først anrikes malmen (ved flotasjon, manuell gruvedrift osv.), og deretter spaltes det separerte konsentratet enten med syrer (H 2 SO 4, HNO 3 og andre) eller ved sintring med oksid-saltblandinger (f.eks. CaO med CaCl 2). Fra nedbrytningsproduktene av forurensning utfelles cesium i form av CsAl(SO 4) 2 ·12H 2 O, Cs 3 og andre dårlig løselige forbindelser. Deretter omdannes sedimentene til løselige salter (sulfat, klorid, jodid og andre). Det siste stadiet av den teknologiske syklusen er produksjonen av spesielt rene cesiumforbindelser, for hvilke metoder for krystallisering fra løsninger av Cs, Cs 3, Cs 2 og sorpsjon av urenheter på oksidert aktivert karbon brukes. Dyprensing av metallisk cesium utføres ved hjelp av rektifikasjonsmetoden. Det er lovende å få cesium fra avfall fra prosessering av nefelin, noe glimmer, samt grunnvann under oljeproduksjon; Cesium utvinnes ved ekstraksjons- og sorpsjonsmetoder.

Cesium lagres enten i Pyrex glassampuller i en argonatmosfære, eller i forseglede stålbeholdere under et lag vannfri vaselin eller parafinolje.

Påføring av cesium. Cesium brukes til fremstilling av fotokatoder (antimon-cesium, vismut-cesium, oksygen-sølv-cesium), elektrovakuum-fotoceller, fotomultiplikatorer og elektron-optiske omformere. Cesiumisotoper brukes: 133 Cs i kvantefrekvensstandarder, 137 Cs i radiologi. Resonansfrekvensen til energiovergangen mellom undernivåer av grunntilstanden på 133 Cs danner grunnlaget for den moderne definisjonen av den andre.

Cesium i kroppen. Cesium er en permanent kjemisk mikrokomponent i kroppen til planter og dyr. Tang inneholder 0,01-0,1 mcg cesium per 1 g tørrstoff, landplanter - 0,05-0,2. Dyr får cesium gjennom vann og mat. I kroppen til leddyr er det omtrent 0,067-0,503 μg/g cesium, hos reptiler - 0,04, hos pattedyr - 0,05. Hoveddepotet av cesium i kroppen til pattedyr er muskler, hjerte, lever; i blodet - opptil 2,8 mcg/l. Cesium er relativt lite giftig.

Cesium-137 (137 Cs) er en beta-gamma-emitterende radioisotop av Cesium; en av hovedkomponentene i radioaktiv forurensning av biosfæren. Inneholdt i radioaktivt nedfall, radioaktivt avfall, utslipp fra fabrikker som behandler avfall fra atomkraftverk. Intensivt sorbert av jord og bunnsedimenter; i vann finnes det hovedsakelig i form av ioner. Inneholdt i planter og kroppen til dyr og mennesker. Akkumuleringshastigheten på 137 Cs er høyest i ferskvannsalger og arktiske landplanter, spesielt lav. I dyrekroppen akkumuleres 137 Cs hovedsakelig i muskler og lever. Den høyeste akkumuleringsraten er observert hos reinsdyr og nordamerikanske vannfugler. I menneskekroppen er l37 Cs fordelt relativt jevnt og har ingen signifikante skadelige effekter.