Химический элемент цезий: характеристика, формула, свойства

Характеристика цезия, его особенности строения и качества, свойственные этому элементу, обязательно проходят в курсе химии. Не только школьники, но и студенты химических специальностей должны знать специфические особенности этого соединения. Применение цезия в настоящее время довольно широкое – но в специфической сфере. Во многом это связано с тем, что при комнатной температуре элемент приобретает жидкое состояние, а в чистом виде практически не встречается. В настоящее время только пять металлов имеют аналогичные качества. Свойства цезия определяют интерес к нему ученых и возможности по применению соединения.

О чем идет речь?

Мягкий металл цезий обозначается в таблице Менделеева символами Cs. Его порядковый номер - 55. Мягкий металл имеет серебристый, золотистый оттенок. Температура плавления – 28 градусов по шкале Цельсия.

Цезий представляет собой щелочной металл, чьи качества и особенности сходны с калием, рубидием. Строение цезия обусловливает повышенную реактивность. С водой металл может реагировать при температуре по шкале Цельсия 116 градусов ниже нуля. Химический элемент цезий имеет высокую пирофорность. Добывается он из поллуцита. Многие радиоактивные изотопы цезия (включая нашедший себе активное применение цезий 137) производятся в ходе переработки отходов, возникающих при функционировании ядерного реактора. Цезий 137 представляет собой результат реакции расщепления.

Исторические предпосылки

Заслуга открытия электронной формулы цезия принадлежит химикам из Германии, выдающимся умам в свой области Кирхгоффу, Бунзену. Это событие случилось в далеком 1860 году. В тот период начали активно менять только-только изобретенную методику спектроскопии пламенем, и в ходе своих экспериментов немецкие ученые обнаружили прежде неизвестный общественности химический элемент – цезий. В тот момент цезий был представлен в качестве получателя, что актуально для фотоэлементов, электронных ламп.

Заметные изменения в истории определения и выделения элемента случились в 1967-м. С учетом сделанного Эйнштейном заявления о том, что скорость света можно считать наиболее постоянным фактором измерения, присущим нашей вселенной, было решено выделить цезий 133. Это стало важным моментом в расширении спектра применения химического элемента цезия – в частности, на нем изготавливают атомные часы.

Цезий в девяностые годы

Именно в последнем десятилетии прошлого века химический элемент цезий начал использоваться человечеством особенно активно. Выяснилось, что он применим в работах бурения жидкостей. Также удалось найти довольно обширную зону применения в химических отраслях. Оказалось, что хлорид цезия и другие его производные могут использоваться при конструировании сложной электроники.

Тогда же, в девяностые, особенное внимание научного сообщества было приковано ко всему, что могло бы стать новым словом в атомной, ядерной энергетике. Именно тогда наиболее тщательно изучили радиоактивный цезий. Выявлено, что полураспад этого компонента требует около трех десятилетий. В настоящее время радиоактивные изотопы цезия нашли широкое применение в гидрологии. Без них не обходятся и медицина, промышленность. Наиболее широкое распространение получил радиоактивный изотоп цезий 137. Цезию свойственен низкий уровень отравляющих способностей, в то же время радиоактивные производные в большой концентрации могут нанести вред природе и человеку.

Физические параметры

Специфика цезия (а также хлорида цезия и других производных этого металла) обуславливает возможности по широкому применению продукта. Среди прочих элементов именно цезий имеет самый малый показатель твердости – всего 0,2 единицы по шкале Мооса. Кроме мягкости, металлу свойственна податливость. В нормальном состоянии правильная электронная формула цезия позволяет сформировать бледный по цвету материал, способный менять краску на более темную при малейшем контакте с соединениями кислорода.

Точка плавления металла – всего лишь 28 градусов по Цельсию, а это означает, что соединение принадлежит к числу пяти металлов, при комнатной температуре или близкой к таковой находящихся в жидкой фазе. Еще более низкая точка плавления, нежели у цезия, зарегистрирована только у меркурия. Точка кипения цезия тоже невелика – меньше только у ртути. Особенности электрохимического потенциала регламентируют горение металла – он создает фиолетовые оттенки либо синий цвет.

Сочетаемость и особенности

У цезия есть способность вступать в реакции с щелочными соединениями, металлами. Также элемент формирует оксиды цезия. Кроме того, наблюдаются реакции с ртутными смесями, золотом. Особенности взаимодействия с другими соединениями, а также температурные режимы, при которых реакции возможны, декларируют возможные межметаллические составы. В частности, цезий является исходным компонентом для формирования фоточувствительных соединений. Для этого проводят реакцию металла с участием тория, сурьмы, галлия, индия.

Кроме оксида цезия, интерес у химиков вызывают и результаты взаимодействия с рядом щелочных элементов. В то же время нужно учитывать, что металл не может реагировать с литием. Для каждого из сплавов цезия характерен собственный оттенок. Некоторые смеси – это черно-фиолетовые соединения, другие окрашены в золотой оттенок, а третьи практически бесцветны, но с ярко выраженным металлическим блеском.

Химические особенности

Наиболее ярко выраженная особенность цезия – его пирофорность. Кроме того, внимание ученых привлекает и электрохимический потенциал металла. Цезий может спонтанно загореться прямо в воздухе. При взаимодействии с водой происходит взрыв, даже если условия реакции предполагали низкие температуры. Заметно отличается в этом плане цезий от первой группы Менделеевской химической таблицы. При взаимодействии цезия и воды в твердом виде также происходит реакция.

Выявлено, что период полураспада цезия длится порядка трех десятилетий. Материал признали опасным в силу его особенностей. Чтобы работать с цезием, необходимо создать атмосферу инертного газа. В то же время взрыв при контакте с водой при равном количестве натрия и цезия во втором случае будет ощутимо слабее. Химики объясняют это следующей особенностью: при контакте цезия с водой происходит мгновенная взрывная реакция, то есть не остается достаточно продолжительного временного промежутка для накопления водорода. Оптимальный метод хранения цезия – закупоренные емкости из боросиликатного соединения.

Цезий: в составе соединений

Цезий в соединениях выступает в качестве катиона. Есть много разнообразных анионов, с которыми возможна реакция формирования соединения. Большая часть солей цезия не имеет цвета, если только окрашивание не обусловлено анионом. Простые соли гигроскопичны, хотя в меньшей степени, чем у других легких металлов-щелочей. Многие в воде растворяются.

Двойные соли имеют относительно низкую степень растворимости. Это нашло довольно широкое применение в промышленности. Например, сульфат алюминия-цезия активно используется в рудноочистительных установках в силу своей малой растворимости водой.

Цезий: уникальный и полезный

Визуально этот металл сходен с золотом, но немного светлее, нежели самый популярный благородный металл. Если взять кусочек цезия в руку, он быстро расплавится, а полученная субстанция будет подвижной, несколько изменит цвет – ближе к серебру. В расплавленном состоянии цезий отлично отражает лучи света. Из щелочных металлов цезий считается наиболее тяжелым, в то же время ему свойственна самая низкая плотность.

История открытия цезия содержит упоминания о Дюрхгеймском источнике. Именно отсюда прислали образец воды для лабораторного исследования. В ходе анализа составных компонентов особенное внимание уделялось решению вопроса: какой именно элемент обеспечивает лечебные качества жидкости? Немецкий ученый Бунзен решил применить метод спектрального анализа. Именно тогда появились две неожиданные линии голубого оттенка, не свойственные известным на тот момент соединениям. Именно цвет этих полос и помог ученым выбрать имя для нового компонента – небесно-голубой на латыни звучит как «цезий».

Где же мне тебя найти?

Как было выявлено в ходе длительных испытаний, цезий – это рассеянный элемент, который в природных условиях встречается крайне редко. Так, проводя сравнительный анализ содержания в коре планеты рубидия и цезия, ученые выявили, что второго меньше в сотни раз. Приблизительная оценка концентрации дала показатель 7*10(-4) %. Никакой другой менее чувствительный метод, нежели спектроскопия, просто не позволил бы выявить столь редкое соединение. Это объясняет факт того, что раньше ученые даже не подозревали о существовании цезия.

В настоящее время удалось выяснить, что чаще встречается цезий в извлекаемых в горах породах. Его концентрация в этом материале не превышает тысячных долей процента. Категорически малые количества удалось зафиксировать в водах морей. До десятых долей процента доходит уровень концентрации в литиевых, калиевых минеральных соединениях. Чаще всего его удается выявить в лепидолите.

Такой похожий, но совсем другой

При сравнении отличительных особенностей цезия и рубидия, а также других элементов, встречающихся крайне редко, удалось выявить, что цезию свойственно формирование уникальных минералов, на что не способны прочие соединения. Именно таким образом получаются поллуцит, родицит, авогадрит.

Родицит, как выяснили ученые, встречается в исключительно редко. Аналогичным образом очень сложно найти авогадрит. Поллуцит несколько более распространен, в ряде случаев обнаруживались небольшие залежи. Они обладают очень низкой мощностью, но содержат цезий в количестве 20-35 процентов от общей массы. Самые важные, с точки зрения общественности, поллуциты были обнаружены в американских недрах и на территории России. Также есть шведские разработки, казахстанские. Известно, что поллуцит найден на юго-западе Африканского континента.

Работа продолжается

Не секрет, что открытие элемента и получение его в чистом виде – это две совершенно разные задачи, хоть и связанные между собой. Когда стало ясно, что цезий встречается очень редко, ученые начали разрабатывать методики синтезирования металла в лабораторных условиях. Первое время казалось, что это совершенно непосильная задача, если применять доступные в те времена средства и технику. Бунзену за долгие годы так и не удалось выделить металлический цезий в чистом его виде. Лишь два десятилетия спустя передовые химики смогли наконец решить эту задачу.

Прорыв произошёл в 1882-м, когда Сеттерберг из Швеции провел электролиз смеси, на четыре части состоящей из цианидов цезия, к которым была примешана одна часть бария. Последний компонент использовался, чтобы сделать температуру плавления меньше. Цианиды, как в этот момент уже знали ученые, представляли собой очень опасные компоненты. В то же время за счет бария формировалось загрязнение, что не позволяло получить более-менее удовлетворительное количество цезия. Было ясно, что методика требует существенных доработок. Хорошее предложение в этой сфере было вынесено на обсуждение научного сообщества Бекетовым. Именно тогда внимание привлекла гидроокись цезия. Если восстановить это соединение, применяя металлический магний, повышая нагрев и используя водородный ток, можно добиться несколько лучшего результата, нежели доказанный шведским химиком. Впрочем, реальные эксперименты показали, что выход вдвое меньше, нежели рассчитываемый в теории.

Что дальше?

Цезий и дальше оставался в фокусе внимания международного химического научного сообщества. В частности, в своих исследованиях ему посвятил немало усилий и времени французский ученый Акспиль. В 1911 он предложил кардинально новый подход к вопросу извлечения чистого цезия. Необходимо было проводить реакцию в вакууме, в качестве исходного материала брался хлорид металла, а для его восстановления применялся металлический кальций.

Такая реакция, как показали эксперименты, происходит почти до конца. Чтобы добиться достаточного эффекта, необходимо использовать специальный прибор. В лабораториях обычно прибегают к тугоплавкому стеклу либо применяют кварцевые ёмкости. У прибора должен быть отросток. Внутри поддерживается давление порядка 0.001 мм рт. ст. Для успешной реакции необходимо обеспечить нагрев ёмкости до 675 градусов по шкале Цельсия. При этом выделяется цезий, который практически сразу же испаряется. Пары переходят в предназначенный для этого отросток. А вот хлористый калий преимущественно оседает прямо в реакторе. При заданных условиях летучесть этой соли столь мала, что ее можно вообще не учитывать, поскольку для этого соединения характерная температура плавления – 773 градуса (по той же шкале Цельсия). Это означает, что осадок может расплавиться, если емкость перегреть на сто градусов относительно задуманного. Чтобы добиться максимально эффективного результата, необходимо провести повторный процесс дистилляции. Для этого создают вакуум. На выходе будет идеальный металлический цезий. В настоящее время описанная методика применяется наиболее широко и считается оптимальной для получения соединения.

Активность и реакции

В ходе многочисленных исследований ученые смогли определить, что цезию присуща удивительная активность, в норме не свойственная металлам. При контакте с воздухом происходит возгорание, которое приводит к выделению надпероксида. Добиться окиси можно, если ограничить доступ кислорода к реагентам. Есть возможность формирования субоксидов.

Если цезий контактирует с фосфором, серой, галогеном, это провоцирует сопровождающуюся взрывом реакцию. Также взрыв сопутствует реакции с водой. Используя кристаллизатор, стакан, можно столкнуться с тем, что емкость буквально разлетается на кусочки. Также возможна реакция со льдом, если температура по шкале Цельсия – не ниже 116 градусов. В результате такой реакции продуцируются водород, гидроксид.

Гидроксид: особенности

В ходе изучения продуктов реакции, производимых цезием, химики выявили, что получаемый гидроксид – это очень сильное основание. Взаимодействуя с ним, необходимо помнить, что при высокой концентрации это соединение запросто может разрушить стекло даже без дополнительного нагрева. А вот при повышении температуры гидроксид без труда плавит никель, железо, кобальт. Аналогичным будет влияние на циркониевый диоксид, корунд, платину. Если в реакции принимает участие кислород, гидроксид цезия крайне быстро разрушает серебро, золото. Если ограничить поступление кислорода, процесс протекает относительно медленно, но все же не останавливается. Стойкостью к гидроксиду цезия обладают родий и несколько сплавов этого соединения.

Применять с умом

Не только цезий, но и известные на основе этого металла соединения используются в настоящее время очень широко. Без них невозможно представить себе конструирование радиотехники, незаменимы они и в электронике. Активно применяется соединение и вариации цезия в химии, промышленности, офтальмологической сфере, медицинской. Не обойден вниманием цезий и в рамках развития применимых в космосе технологий, а также ядерной энергетики.

В настоящее время распространено использовать цезий при конструировании фотоэлементов. Бромид, иодид этого металла необходимы для создания систем инфракрасного видения. Полученные промышленным путем монокристаллы допускается использовать в качестве элементов детекторов, позволяющих фиксировать ионизирующее излучение. Некоторые соединения на основе цезия активно используются как катализаторы в процессах промышленности. Это необходимо при создании аммиака, формировании окиси этилена и продуцировании бутадиена.

Радиация и цезий

Наибольшее внимание ученых привлекает изотоп цезий 137. Он принадлежит к категории бета-излучателей. В настоящее время этот элемент незаменим в процессе стерилизации продуктов питания, лекарственных соединений. К нему принято прибегать при терапии злокачественных новообразований. Современные подходы позволили применять элемент при гамма-дефектоскопии. На его основе конструируются датчики уровня, а также источники тока. 137-й изотоп в окружающую среду в очень большом количестве попал после аварии на Чернобыльской атомной станции. Именно он – один из самых главных факторов загрязнения после этой катастрофы.

Впрочем, 137-й – это не единственный радиоактивный изотоп цезия, который нашел применение в современной промышленности. Так, атомные часы создаются на изотопе цезия 133. В настоящее время - это самый точный прибор, позволяющий контролировать ход времени. Одна секунда, как выяснили в ходе высокоточных исследований современные ученые, это 9192631770 периодов излучения. Это позволяет использовать атом изотопа цезия 133 как стандарт для определения частоты, времени.