Химия и Химики № 2 2010. Цезий

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Цезий - металл золотисто-белого цвета, напоминающий по внешнему виду золото (правда, цезий имеет более светлый оттенок). Это довольно мягкий металл, который плавится даже от тепла ладони (T_пл=28.6 °C). Расплав представляет собой подвижную жидкость, после плавления цвет цезия становится более серебристым. Жидкий металл хорошо отражает свет.

Подобно другим щелочным металлам, цезий довольно мягок. Цезий - самый тяжелый щелочной металл, несмотря на это, он имеет низкую плотность - 1.873 г/см³.

Цезий был открыт в 1860 году немецкими учёными Р.В. Бунзеном и Г.Р. Кирхгофом. В лабораторию Бунзена прислали минеральную воду из Дюрхгеймского источника. Врачи, приславшие воду, просили проанализировать состав, чтобы узнать, чем обусловлены ее лечебные свойства. Бунзен подверг воду спектральному анализу и неожиданно обнаружил две голубые линии, которые не соответствовали ни одному известному тогда элементу. Так впервые благодаря методу спектрального анализа был открыт новый элемент, который назвали цезием - от латинского "небесно-голубой".

Позже выяснилось, что цезий является очень редким и рассеянным элементом. Считается, что его содержание в земной коре в несколько сот раз меньше, чем рубидия и не превышает 7·10^-4 %. Не удивительно, что металл был открыт новым спектроскопическим методом анализа, который обладает высокой чувствительностью.

Цезий встречается в небольших количествах (порядка тысячных долей процента) во многих горных породах; ничтожные количества этого металла обнаружены в морской воде. В большей концентрации (до нескольких десятых процента) он содержится в некоторых калиевых и литиевых минералах, главным образом в лепидолите. Но особенно существенно то, что, в отличие от рубидия и большинства других редких элементов, цезий образует собственные минералы - поллуцит (Cs,Na)[AlSi₂O₆]·nH₂O, авогадрит (K,Cs)[BF₄] и родицит (K,Cs)Al₄Be₄(B,Be)₁₂O₂₈. Родицит крайне редок. Авогадрит тоже редок, поллуциты встречаются нечасто; их залежи маломощны, зато цезия они содержат не менее 20, а иногда и до 35%. Наибольшее практическое значение имеют поллуциты США (Южная Дакота и Мэн), Юго-Западной Африки, Швеции, России и Казахстана.

Одно дело - открыть новый химический элемент, совсем другое - получить его в индивидуальном состоянии. В случае цезия эта задача оказалась исключительно сложной. Несмотря на упорную работу, Бунзен так и не смог выделить металлический цезий. Это удалось сделать только через двадцать лет после открытия элемента.

В 1882 г., шведский химик Сеттерберг подверг электролизу расплав смеси цианидов цезия и бария (взятых в отношении 4:1). Ba(CN)₂ был необходим для снижения температуры плавления. Работать с цианидами опасно, барий загрязнял конечный продукт, а выход цезия был небольшим. Н.Н. Бекетов предложил восстанавливать гидроокись цезия металлическим магнием в токе водорода при повышенной температуре. Однако и в этом случае выход цезия не превышал 50% от теоретического.

Лучший способ получения металлического цезия был предложен в 1911 г. французским химиком Акспилем. При методе Акспиля, хлорид цезия восстанавливают металлическим кальцием в вакууме, реакция

2CsCl + Ca => CaCl₂ + 2Cs

идет практически до конца. Процесс ведут в специальном приборе (в лабораторных условиях - из кварца или тугоплавкого стекла), снабженном отростком. Если давление в приборе не больше 0.001 мм рт. ст., температура процесса может не превышать 675°C. Выделяющийся цезий испаряется и отгоняется в отросток, а хлористый кальций полностью остается в реакторе, так как в этих условиях летучесть соли ничтожна (температура плавления CaCl₂ равна 773°C, т.е. на 100°C выше температуры процесса). В результате повторной дистилляции в вакууме получается абсолютно чистый металлический цезий. Этот способ до сих пор остается наиболее распространенным.

По другому методу цезий получают, восстанавливая его бихромат цирконием:

Cs₂Cr₂O₇ + 2Zr => 2Cs + Cr₂O₃ + 2ZrO₂

Цезий - исключительно активный металл. На воздухе он воспламеняется, образуя надпероксид CsO₂. При ограниченном доступе кислорода окисляется до оксида Cs₂O. Цезий образует также ряд соединений с более низким содержанием кислорода - субоксидов, например: Cs₁₁O₃, Cs₄O, Cs₇O.

Реакции цезия с галогенами, серой, фосфором протекают со взрывом.

При контакте цезия с водой происходит взрыв. Если реакцию проводить в стакане или кристаллизаторе, они могут разлететься на куски. Со льдом цезий реагирует вплоть до температуры -116 °C. Продуктами реакции являются гидроксид CsOH и водород H₂.

Гидроксид цезия - сильнейшее основание. 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 и его соединения нашли многочисленные применения в электронике, радиотехнике, химической промышленности, оптике, медицине, ядерной энергетике и космической технике. В частности, цезий широко применяется в фотоэлементах, иодид и бромид цезия используется в приборах инфракрасного видения, монокристаллы CsI служат детекторами ионизирующего излучения, соединения цезия входят в состав катализаторов для ряда важных промышленных процессов (синтез аммиака, бутадиена, получение окиси этилена).

Радиоактивный изотоп ¹³⁷Cs (бета-излучатель с периодом полураспада 30.17 лет) используется для стерилизации пищевых продуктов и медицинских препаратов, в радиотерапии для лечения злокачественных опухолей. Кроме того, ¹³⁷Cs применяется в гамма-дефектоскопии, датчиках уровня и в производстве радиоизотопных источников тока. Изотоп ¹³⁷Cs является одним из основных загрязнителей, которые попали в окружающую среду в результате аварии на Чернобыльской АЭС.

Стабильный изотоп ¹³³Cs используется в атомных часах - точнейшем приборе для измерения времени.

Согласно современному определению секунда - интервал времени, равный 9192631770 периодам излучения, которое соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома ¹³³Cs. Другими словами, атом ¹³³Cs является стандартом для измерений времени и частоты. Точность измерения секунды лимитирует точность измерения других основных единиц, которые содержат секунду в своем определении - например, таких как вольт или метр. Цезиевые часы считались самыми точными последние 50 лет.

Сегодня много областей науки и техники не могут обойтись без цезия. В будущем следует ожидать, что применение этого элемента станет более широким и разнообразным.