Cezij je težka kovina. Ali veste kako

V rokah se topi, sneg pa ne - uganka iz rubrike "kemija". Odgovor - cezij. Tališče te kovine je 24,5 stopinj Celzija. Snov, ki dobesedno teče skozi prste, je bila odkrita leta 1860. Cezij je bil prvi element, ki so ga odkrili s spektralno analizo.

Dirigirata Robert Bunsen in Gustav Kirchoff. Kemiki so preučevali vode mineralnih vrelcev v Durkheimu. Najdeni magnezij, litij, kalcij,. Nazadnje so v spektroskop dali kapljico vode in videli dve modri črti - dokaz prisotnosti neznane snovi.

Za začetek je bil izoliran njegov kloroplatinat. Za 50 gramov je bilo predelanih 300 ton mineralne vode. Z imenom nove kovine ni postalo modrejše. Iz latinščine je "cezij" preveden kot "modri".

Kemijske in fizikalne lastnosti cezija

V spektroskopu kovina seva svetlo modro. V resnici je element podoben, nekoliko lažji od njega. V tekočem stanju rumenost cezija izgine, talina postane srebrnkasta. Pridobivanje surovin za eksperimente ni enostavno.

Od kovin je element najredkejši in najbolj raztresen v zemeljski skorji. V naravi najdemo le en izotop. cezij 133. Je popolnoma stabilen, torej ni podvržen radioaktivnemu razpadu.

Radioaktivni kovinski izotopi se pridobivajo umetno. 135. cezij je dolgoživ. Njena razpolovna doba je blizu 3.000.000 let. Cezij 137 polovica razpade v 33,5 letih. Izotop je priznan kot eden glavnih virov onesnaževanja biosfere.

Nuklid vanj vstopi iz izpustov tovarn, jedrskih elektrarn. Razpolovna doba cezija omogoča, da prodre v vodo, tla, rastline, se kopiči v njih. 137. izotopa je še posebej veliko v sladkovodnih algah in lišajih.

Cezij je kot najredkejša kovina tudi najbolj aktiven. Alkalni element se nahaja v glavni podskupini 1. skupine periodnega sistema, kar že obvezuje snov, da zlahka vstopi v kemične reakcije. Njihov pretok se poveča zaradi prisotnosti vode. Ja, v zraku atom cezija eksplodira zaradi prisotnosti njegovih hlapov v ozračju.

Interakcija z vodo spremlja eksplozija, tudi če je zamrznjena. Reakcija z ledom je možna pri -120 stopinjah Celzija. Suhi led ni izjema. Eksplozija je neizogibna tudi, ko pride cezij v stik s kislinami, enostavnimi alkoholi, halogenidi težkih kovin in organskimi halogeni.

Interakcije je enostavno zagnati iz dveh razlogov. Prvi je močan negativni elektrokemijski potencial. To pomeni, da je atom negativno nabit, pritegne k sebi druge delce.

Drugi razlog je površina cezija med reakcijami z drugimi snovmi. Taljenje v sobnih pogojih, element se širi. Izkazalo se je, da je večje število atomov odprto za interakcijo.

Dejavnost elementa je privedla do odsotnosti njegove čiste oblike v naravi. Obstajajo samo povezave, na primer. Med njimi: cezijev klorid, fluorid, jodit, azit, cianit, bromid in cezijev karbonat. Vse soli 55. elementa so zlahka topne v vodi.

Če se delo opravlja z cezijev hidroksid, bati se morate ne njegovega razpada, ampak dejstva, da je sam sposoben uničiti na primer steklo. Njegovo strukturo reagent moti že pri sobni temperaturi. Vredno je dvigniti stopnjo, hidroksid ne bo prizanesel kobaltu, korundu in železu.

Reakcije so še posebej hitre v okolju s kisikom. Odporen samo na cezijev hidroksid. Tudi dušik ne sodeluje s 55. elementom. Cezijev azit se pridobiva le posredno.

Uporaba cezija

Cezij, formula ki zagotavlja nizko delovno funkcijo elektrona, je uporaben pri izdelavi fotocelic. V napravah, ki temeljijo na 55. snovi, so stroški pridobivanja toka minimalni. Nasprotno, občutljivost na sevanje je največja.

Da fotovoltaična oprema zaradi redkosti cezija ne stane previsoko, je legirana z,,,. Kot vir toka se cezij uporablja v gorivnih celicah. Trden elektrolit na osnovi 55. kovine je del avtomobilov in visokoenergijskih baterij.

55. kovina se uporablja tudi v števcih nabitih delcev. Zanje se kupi cezijev jodit. Aktiviran s talijem, registrira skoraj vsako sevanje. Cezijevi detektorji se kupujejo za jedrska podjetja, geološka raziskovanja in zdravstvene klinike.

Uporabite naprave in vesoljsko industrijo. Zlasti Mars-5 je preučeval elementarno sestavo površine rdečega planeta prav po zaslugi spektrometra gama žarkov na osnovi cezija.

Zmožnost zajemanja infrardečih žarkov je razlog za njegovo uporabo v optiki. Dodajte k temu cezijev bromid in cezijev oksid. Je v daljnogledih in očalih za nočno gledanje, merkih za orožje. Slednji delujejo tudi iz vesolja.

137. izotop elementa je našel tudi vredno uporabo. Radioaktivni nuklid ne samo onesnažuje ozračje, ampak tudi sterilizira izdelke, oziroma posode zanje. Razpolovna doba cezija dolga. Milijone konzervirane hrane je mogoče predelati. Včasih se sterilizira tudi meso - trupi ptic in.

Možna je tudi obdelava medicinskih instrumentov in zdravil s 137. izotopom. Nuklid je potreben tudi pri samem zdravljenju, ko gre za tumorje. Metoda se imenuje radioterapija. Priprave s cezijem dajemo tudi za shizofrenijo, davico, peptične razjede in nekatere vrste šoka.

Metalurgi potrebujejo čisti element. Meša se z zlitinami in. Dodatek poveča njihovo toplotno odpornost. V Sloveniji se na primer potroji, ko je cezija le 0,3 %.

Poveča natezno trdnost in odpornost proti koroziji. Res je, industrialci iščejo alternativo 55. elementu. Je premalo, cenovno ni donosno.

Kopanje cezija

Kovina je izolirana iz onesnaževalca. Je vodni aluminosilikat in cezij. Minerali, ki vsebujejo 55. element enote. V pollucitu odstotek cezija naredi rudarjenje ekonomsko izvedljivo. Veliko kovine in v Avogardite. Vendar je ta kamen sam po sebi tako redek kot cezij.

Industrijalci odprejo onesnaževanje s kloridi oz sulfati. cezij iz kamna izoliramo tako, da ga potopimo v segreto klorovodikovo kislino. Tja se vlije tudi antimonov klorid. Nastane oborina.

Opere se z vročo vodo. Rezultat operacij je cezijev klorid. Pri delu s sulfatom je pollucit potopljen v žveplovo kislino. Na izhodu nastane cezijev galun.

V laboratorijih se za pridobitev 55. elementa uporabljajo druge metode. Trije so, vsi so naporni. Dikromat in cezijev kromat lahko segrevate s cirkonijem. Toda to zahteva vakuum. Potreben je tudi za razgradnjo cezijevega azida. Vakuum se odpravi šele, ko segrejemo posebej pripravljen kalcij in klorid 55. kovine.

Cena cezija

V Rusiji pollucit koplje in predeluje Obrat redkih kovin v Novosibirsku. Izdelke ponuja tudi Rudarsko-predelovalni obrat Lovozersk. Zadnji ponuja cezij v ampulah 10 in 15 miligramov.

Na voljo so v pakiranjih po 1000 kosov. Najnižja cena je 6000 rubljev. Sevredmet prodaja tudi ampule, vendar je pripravljen za dobavo manjših količin - od 250 gramov.

Če je čistost kovine 99,9 %, za en gram praviloma zahtevajo okoli 15-20 ameriških dolarjev. Govorimo o stabilnem 133. izotopu 55. elementa periodnega sistema.

DEFINICIJA

cezij se nahaja v šestem obdobju I skupine glavne (A) podskupine periodnega sistema.

pripada družini s-elementi. kovinski. Oznaka - Cs. Zaporedna številka - 55. Relativna atomska masa - 132,95 a.m.u.

Elektronska struktura atoma cezija

Atom cezija je sestavljen iz pozitivno nabitega jedra (+55), znotraj katerega je 55 protonov in 78 nevtronov, 55 elektronov pa se giblje v šestih orbitah.

sl.1. Shematska struktura atoma cezija.

Porazdelitev elektronov po orbitalah je naslednja:

55Cs) 2) 8) 18) 18) 8) 1 ;

1s 2 2s 2 2str 6 3s 2 3str 6 3d 10 4s 2 4str 6 4d 10 5s 2 5str 6 6s 1 .

Zunanja energijska raven atoma cezija vsebuje 1 elektron, ki je valenca. Ni vznemirjenega stanja. Energetski diagram osnovnega stanja ima naslednjo obliko:

Valenčni elektron atoma cezija lahko označimo z nizom štirih kvantnih števil: n(glavni kvant), l(orbitalna), m l(magnetno) in s(vrtenje):

Primeri reševanja problemov

PRIMER 1

DEFINICIJA

cezij je petindvajset element periodnega sistema. Oznaka - Cs iz latinskega "cezija". Lociran v šestem obdobju, skupina IA. Nanaša se na kovine. Naboj jedra je 55.

Cezij se v naravi nahaja kot del številnih mineralov, med katerimi sta najpomembnejša pollucit (Cs,Na) 2 Al 2 Si 4 O 12 × H 2 O in avogarit (K, Cs) BF 4 . Znano je, da je kot nečistoča vključena tudi v nekatere alumosilikate.

V obliki preproste snovi je cezij zlato rumena kovina (slika 1) s kristalno mrežo, osredotočeno na telo. Gostota - 1,9 g / cm 3. Tališče 28,4 o C, vrelišče - 685 o C. Mehko, enostavno za rezanje z nožem. Samovžig na zraku.

riž. 1. Cezij. Videz.

Atomska in molekulska masa cezija

Relativna molekulska masa snovi (M r) je število, ki kaže, kolikokrat je masa dane molekule večja od 1/12 mase ogljikovega atoma, in relativna atomska masa elementa (Ar r) je kolikokrat je povprečna masa atomov kemičnega elementa večja od 1/12 mase ogljikovega atoma.

Ker v prostem stanju obstaja cezij v obliki monoatomskih molekul Cs, se vrednosti njegove atomske in molekulske mase ujemajo. Enaka sta 132,9054.

Izotopi cezija

Znano je, da se cezij lahko v naravi pojavlja v obliki edinega stabilnega izotopa 133 Cs. Masno število je 133, jedro atoma vsebuje 55 protonov in oseminsedemdeset nevtronov.

Obstajajo umetni nestabilni izotopi cezija z masnimi števili od 112 do 151, med katerimi je najdlje živeč izotop 135 Cs z razpolovno dobo 2,3 milijona let.

Cezijevi ioni

Na zunanji energijski ravni atoma cezija je en elektron, ki je valenca:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 6 6s 1 .

Zaradi kemične interakcije cezij odda svoj valenčni elektron, t.j. je njegov darovalec in se spremeni v pozitivno nabit ion:

Cs 0 -1e → Cs + .

Molekula in atom cezija

V prostem stanju obstaja cezij v obliki enoatomskih molekul Cs. Tukaj je nekaj lastnosti, ki so značilne za atom in molekulo cezija:

Cezijeve zlitine

Cezij se uporablja v obliki zlitin z antimonom, kalcijem, barijem, aluminijem in srebrom kot sončne celice.

Primeri reševanja problemov

PRIMER 1

PRIMER 2

V naravnem ceziju niso našli nobenih drugih izotopov razen stabilnega 133 Cs. Znanih je 33 radioaktivnih izotopov cezija z masnimi številkami od 114 do 148. V večini primerov so kratkoživi: razpolovni čas se meri v sekundah in minutah, manj pogosto - nekaj ur ali dni. Vendar trije med njimi ne razpadejo tako hitro – to so 134 Cs, 137 Cs in 135 Cs z razpolovno dobo 2 leti, 30 let in 3·10 6 let. Vsi trije izotopi nastanejo z razpadom urana, torija in plutonija v jedrskih reaktorjih ali med testiranjem jedrskega orožja.

+1 oksidacijsko stanje.

Leta 1846 so v pegmatitih otoka Elba v Tirenskem morju odkrili cezijev silikat, pollucit. Pri preučevanju tega minerala so cezij, takrat še neznan, zamenjali za kalij. Vsebnost kalija je bila izračunana iz mase spojine platine, s pomočjo katere je bil element preveden v netopno stanje. Ker je kalij lažji od cezija, je izračun rezultatov kemijske analize pokazal pomanjkanje približno 7 %. Ta skrivnost je bila razrešena šele po odkritju spektralne metode analize nemških znanstvenikov Roberta Bunsena in Gustava Kirchhoffa leta 1859. Bunsen in Kirchhoff sta cezij odkrila leta 1861. Sprva so ga našli v mineralnih vodah zdravilnih vrelcev Črnega gozd. Cezij je bil prvi od elementov, odkritih s spektroskopijo. Njegovo ime odraža barvo najsvetlejših črt v spektru (iz latinskega caesius - nebo modra).

Odkritelji cezija tega elementa niso uspeli izolirati v prostem stanju. Kovinski cezij je šele 20 let pozneje, leta 1882, prvič pridobil švedski kemik K. Setterberg (Setterberg C.) z elektrolizo staljene mešanice cezija in barijevega cianidov, vzetih v razmerju 4:1. Za znižanje tališča so dodali barijev cianid, vendar je bilo zaradi njihove visoke strupenosti težko delati s cianidi, barij pa je kontaminiral končni produkt, izkoristek cezija pa je bil zelo majhen. Bolj racionalno metodo je leta 1890 našel znani ruski kemik N. N. Beketov, ki je predlagal redukcijo cezijevega hidroksida s kovinskim magnezijem v toku vodika pri povišani temperaturi. Vodik je napolnil napravo in preprečil oksidacijo cezija, ki so ga oddestilirali v poseben sprejemnik, vendar v tem primeru izkoristek cezija ni presegel 50 % teoretične vrednosti.

Cezij v naravi in ​​njegovo industrijsko pridobivanje.

Cezij je redek element. Pojavlja se v razpršenem stanju (približno tisočink odstotka) v številnih kamninah; sledove te kovine so našli tudi v morski vodi. V višjih koncentracijah (do nekaj desetink odstotka) ga najdemo v nekaterih kalijevih in litijevih mineralih, predvsem v lepidoliti. Za razliko od rubidija in večine drugih redkih elementov, cezij tvori lastne minerale - pollucit, avogarit in rodicit.

Rodicit je izjemno redek. Pogosto ga imenujemo litijevi minerali, saj njegova sestava (M 2 O 2Al 2 O 3 3B 2 O 3, kjer je M 2 O vsota oksidov alkalijskih kovin) običajno vsebuje več litija kot cezija. Redek je tudi avagadrit (K,Cs). Največ cezija je v pollucitu (Cs, Na) n H 2 O (vsebnost Cs 2 O je 29,8–36,7 mas. %).

Podatki o svetovnih virih cezija so zelo omejeni. Njihove ocene temeljijo na onesnaževanju, pridobljenem kot stranskem produktu skupaj z drugimi minerali pegmatita.

Kanada je vodilna v rudarstvu onesnaževanja. Nahajališče Bernick Lake (jugovzhodna Manitoba) vsebuje 70% svetovnih zalog cezija (približno 73 tisoč ton). Pollucit se koplje tudi v Namibiji in Zimbabveju, katerih viri so ocenjeni na 9 tisoč ton in 23 tisoč ton cezija. V Rusiji se nahajališča onesnaževalcev nahajajo na polotoku Kola, v vzhodnem Sajanu in Transbaikaliji. Na voljo so tudi v Kazahstanu, Mongoliji in Italiji (otok Elba).

Za odpiranje tega minerala in prenos dragocenih sestavin ga predelamo v topno obliko s segrevanjem s koncentriranimi mineralnimi kislinami. Če onesnaževanje razgradimo s klorovodikovo kislino, se iz nastale raztopine z delovanjem SbCl 3 obori Cs 3 , ki se nato obdela z vročo vodo ali raztopino amoniaka. Ko polucit razgradimo z žveplovo kislino, dobimo cezijev galun CsAl (SO 4) 2 12H 2 O.

Uporablja se tudi druga metoda: pollucit sintramo z mešanico kalcijevega oksida in kalcijevega klorida, pogačo izlužimo v avtoklavu z vročo vodo, raztopino uparimo do suhega z žveplovo kislino in ostanek obdelamo z vročo vodo. Po ločitvi kalcijevega sulfata iz raztopine izoliramo cezijeve spojine.

Sodobne metode za pridobivanje cezija iz pollucita temeljijo na predhodnem legiranju koncentratov s presežkom apna in majhno količino fluornega šparta. Če postopek izvajamo pri 1200 ° C, potem skoraj ves cezij sublimira v obliki oksida Cs 2 O. Ta sublimacija je onesnažena s primesjo drugih alkalijskih kovin, vendar je topen v mineralnih kislinah, kar poenostavlja nadaljnje operacije. Kovinski cezij se ekstrahira s segrevanjem mešanice (1:3) zdrobljenega pollucita s kalcijem ali aluminijem na 900 °C.

Toda v bistvu se cezij pridobi kot stranski produkt pri proizvodnji litija iz lepidolita. Lepidolit je predhodno taljen (ali sintran) pri temperaturi približno 1000 ° C z mavcem ali kalijevim sulfatom in barijevim karbonatom. Pod temi pogoji se vse alkalijske kovine pretvorijo v lahko topne spojine - izpirajo jih lahko z vročo vodo. Po izolaciji litija je treba še obdelati nastale filtrate, pri čemer je najtežja operacija ločitev cezija od rubidija in ogromen presežek kalija.

Za ločevanje cezija, rubidija in kalija ter pridobivanje čistih cezijevih spojin se uporabljajo metode večkratne kristalizacije galunca in nitratov, obarjanja in prekristalizacije Cs 3 ali Cs 2. Uporabljata se tudi kromatografija in ekstrakcija. Polihalidi se uporabljajo za pridobivanje cezijevih spojin visoke čistosti.

Večina proizvedenega cezija prihaja iz proizvodnje litija, tako da, ko se je litij začel uporabljati v fuzijskih napravah in se je v 50. letih 20. stoletja široko uporabljal v avtomobilskih mazivih, se je ekstrakcija litija, tako kot cezija, povečala in cezijeve spojine so postale bolj dostopne kot prej.

Podatki o svetovni proizvodnji in porabi cezija in njegovih spojin niso bili objavljeni od poznih osemdesetih let prejšnjega stoletja. Trg cezija je majhen in njegova letna poraba je ocenjena na le nekaj tisoč kilogramov. Posledično ni trgovanja in ni uradnih tržnih cen.

Karakterizacija enostavne snovi, industrijska proizvodnja in uporaba kovinskega cezija.

Cezij je zlato rumena kovina, ena od treh intenzivno obarvanih kovin (skupaj z bakrom in zlatom). Po živem srebru je najbolj taljiva kovina. Cezij se tali pri 28,44 ° C, vre pri 669,2 ° C. Njegovi hlapi so obarvani zelenkasto modro.

Taljivost cezija je združena z veliko lahkotnostjo. Kljub precej veliki atomski masi elementa je njegova gostota pri 20 ° C le 1,904 g / cm 3. Cezij je veliko lažji od svojih sosedov v periodnem sistemu. Lantan, na primer, ki ima skoraj enako atomsko maso, je več kot trikrat bolj gost od cezija. Cezij je le dvakrat težji od natrija, medtem ko je njihovo atomsko masno razmerje 6:1. Očitno je razlog za to v elektronski strukturi atomov cezija (en elektron na zadnjem s-podnivo), kar vodi do dejstva, da je kovinski polmer cezija zelo velik (0,266 nm).

Cezij ima še eno zelo pomembno lastnost, povezano z njegovo elektronsko strukturo – izgubi svoj enovalentni elektron lažje kot katera koli druga kovina; to zahteva zelo malo energije - le 3,89 eV, zato na primer pridobivanje plazme iz cezija zahteva veliko manj energije kot pri uporabi katerega koli drugega kemičnega elementa.

Po občutljivosti na svetlobo je cezij boljši od vseh drugih kovin. Cezijeva katoda oddaja tok elektronov tudi, ko je izpostavljena infrardečim žarkom z valovno dolžino 0,80 mikronov. Največja elektronska emisija se pojavi pri ceziju, ko je osvetljena z zeleno svetlobo, medtem ko se pri drugih svetlobno občutljivih kovinah ta maksimum pojavi le ob izpostavljenosti vijoličnim ali ultravijoličnim žarkom.

Kemično je cezij zelo aktiven. Na zraku takoj oksidira z vžigom in tvori superoksid CsO 2 s primesjo Cs 2 O 2 peroksida. Cezij je sposoben absorbirati najmanjše sledi kisika v globokem vakuumu. Z vodo reagira eksplozivno in tvori CsOH hidroksid in sprošča vodik. Cezij reagira tudi z ledom pri -116 ° C. Za njegovo shranjevanje je potrebna velika skrb.

Cezij sodeluje tudi z ogljikom. Samo najbolj popolna modifikacija ogljika - diamant - je sposobna vzdržati cezij. Tekoči staljeni cezij in njegovi hlapi rahljajo saje, oglje in celo grafit, prodirajo med ogljikove atome in dajejo dokaj močne zlato-rumene spojine. Pri 200–500°C nastane spojina sestave C 8 Cs 5, pri višjih temperaturah pa C 24 Cs, C 36 Cs. Vžgejo se na zraku, izpodrivajo vodik iz vode in pri segrevanju močno razpadejo in sprostijo ves absorbirani cezij.

Tudi pri običajnih temperaturah reakcije cezija s fluorom, klorom in drugimi halogeni spremlja vžig, z žveplom in fosforjem pa eksplozija. Pri segrevanju se cezij združi z vodikom. V normalnih pogojih cezij ne komunicira z dušikom. Cs 3 N nitrid nastane v reakciji s tekočim dušikom med električnim razelektritvijo med elektrodama iz cezija.

Cezij se raztopi v tekočem amoniaku, alkilaminih in poliestrah, pri čemer tvori modre raztopine, ki so elektronsko prevodne. V raztopini amoniaka cezij počasi reagira z amoniakom, da sprosti vodik in tvori amid CsNH 2 .

Zlitine in intermetalne spojine cezija so relativno topljive. Cezijev aurid CsAu, v katerem je delno ionska vez realizirana med atomi zlata in cezija, je polprevodnik n-tip.

Najboljšo rešitev problema pridobivanja kovinskega cezija je leta 1911 našel francoski kemik A. Axpil. Po njegovi metodi, ki je še vedno najpogostejša, se cezijev klorid reducira s kovinskim kalcijem v vakuumu:

2CsCl + Ca → CaCl 2 + 2Cs

medtem ko gre reakcija skoraj do konca. Postopek poteka pri tlaku 0,1–10 Pa in temperaturi 700–800 ° C. Sproščeni cezij izhlapi in se oddestilira, kalcijev klorid pa ostane v celoti v reaktorju, saj je v teh pogojih hlapnost soli je zanemarljiv (tališče CaCl 2 je 773 ° C) . Kot rezultat večkratne destilacije v vakuumu dobimo popolnoma čist kovinski cezij.

Opisane so bile tudi številne druge metode za pridobivanje kovinskega cezija iz njegovih spojin. Kovinski kalcij lahko nadomestimo z njegovim karbidom, vendar je treba reakcijsko temperaturo povečati na 800 °C, tako da je končni produkt kontaminiran z dodatnimi nečistočami. Elektroliza taline cezijevega halogenida se izvaja tudi z uporabo tekoče svinčene katode. Kot rezultat dobimo zlitino cezija s svincem, iz katere se z destilacijo v vakuumu izolira kovinski cezij.

Cezijev azid je mogoče razgraditi ali njegov dikromat reducirati s cirkonijem, vendar te reakcije včasih spremlja eksplozija. Ko cezijev dikromat nadomestimo s kromatom, postopek redukcije poteka gladko, in čeprav izkoristek ne presega 50%, se zelo čist kovinski cezij oddestilira. Ta metoda je uporabna za pridobivanje majhnih količin kovine v posebni vakuumski napravi.

Svetovna proizvodnja cezija je relativno majhna.

Kovinski cezij je sestavni del katodnega materiala za fotocelice, fotopomnoževalce, televizijske oddajne katodne cevi. Za radar so še posebej dragocene fotocelice s kompleksno srebrno-cezijevo fotokatodo: niso občutljive le na vidno svetlobo, ampak tudi na nevidne infrardeče žarke in za razliko od na primer selenskih delujejo brez vztrajnosti. Antimon-cezijeve fotocelice se pogosto uporabljajo na televiziji in v kinu; njihova občutljivost tudi po 250 urah delovanja pade le za 5-6%, zanesljivo delujejo v temperaturnem območju od -30 ° C do + 90 ° C. So tako imenovane večstopenjske fotocelice; v tem primeru pod delovanjem elektronov, ki jih povzročajo svetlobni žarki v eni od katod, pride do sekundarne emisije - elektrone oddajajo dodatne fotokatode naprave. Posledično se skupni električni tok, ki nastane v fotocelici, večkrat pomnoži. Ojačitev toka in povečanje občutljivosti dosežemo tudi s polnjenjem cezijevih fotocelic z inertnim plinom (argon ali neon).

Kovinski cezij se uporablja za izdelavo posebnih usmernikov, ki so v mnogih pogledih boljši od živosrebrovih. Uporablja se kot hladilno sredstvo v jedrskih reaktorjih, sestavni del maziv za vesoljsko tehnologijo, pridobivalec v vakuumskih elektronskih napravah. Kovinski cezij kaže tudi katalitično aktivnost v reakcijah organskih spojin.

Cezij se uporablja v standardih atomskega časa. Cezijeve ure so izjemno natančne. Njihovo delovanje temelji na prehodih med dvema stanjema atoma cezija z vzporedno in antiparalelno usmerjenostjo lastnih magnetnih momentov atomskega jedra in valenčnega elektrona. Ta prehod spremljajo nihanja s strogo konstantnimi lastnostmi (valovna dolžina 3,26 cm). Leta 1967 je Mednarodna generalna konferenca za uteži in mere ugotovila: "Sekunda je čas, ki je enak 9.192.631.770 obdobjem sevanja, ki ustreza prehodu med dvema hiperfinima nivojema osnovnega stanja atoma cezija-133."

V zadnjem času se veliko pozornosti posveča cezijevi plazmi, obsežni študiji njenih lastnosti in pogojev nastajanja, in morda se bo uporabljala v plazemskih motorjih prihodnosti. Poleg tega je delo na preučevanju cezijeve plazme tesno povezano s problemom nadzorovane termonuklearne fuzije. Mnogi verjamejo, da je cezijevo plazmo smotrno ustvariti s toplotno energijo jedrskih reaktorjev.

Cezij hranimo v steklenih ampulah v atmosferi argona ali v jeklenih zaprtih posodah pod plastjo dehidriranega vazelinskega olja. Kovinske ostanke odstranite z obdelavo s pentanolom.

Cezijeve spojine.

Cezij tvori binarne spojine z večino nekovin. Cezijevi hidridi in devteridi so zelo vnetljivi na zraku ter v atmosferi fluora in klora. Nestabilne, včasih vnetljive in eksplozivne spojine cezija z dušikom, borom, silicijem in germanijem. Halogenidi in soli večine kislin so bolj stabilni.

Spojine s kisikom. Cezij tvori devet spojin s kisikom, katerih sestava sega od Cs 7 O do CsO 3 .

Cezijev oksid Cs 2 O tvori rjavo-rdeče kristale, ki se v zraku topijo. Pridobiva se s počasno oksidacijo z nezadostno (2/3 stehiometrične) količine kisika. Preostanek neizreagiranega cezija oddestiliramo v vakuumu pri 180–200 ° C. Cezijev oksid sublimira v vakuumu pri 350–450 ° C in se razgradi pri 500 ° C:

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

Močno reagira z vodo, da nastane cezijev hidroksid.

Cezijev oksid je sestavni del kompleksnih fotokatod, posebnih stekel in katalizatorjev. Ugotovljeno je bilo, da pri pridobivanju sintola (sintetično olje) iz vodnega plina in stirena iz etilbenzena, pa tudi pri nekaterih drugih sintezah, dodatek majhne količine cezijevega oksida katalizatorju (namesto kalijevega oksida) poveča izkoristek. končnega izdelka in izboljša procesne pogoje.

Higroskopske bledo rumene kristale cezijevega peroksida Cs 2 O 2 lahko pridobimo z oksidacijo cezija (ali njegove raztopine v tekočem amoniaku) z odmerjeno količino kisika. Nad 650 ° C se cezijev peroksid razgradi s sproščanjem atomskega kisika in močno oksidira nikelj, srebro, platino in zlato. Cezijev peroksid se raztopi v ledeni vodi brez razgradnje in z njim reagira pri temperaturi nad 25 ° C:

2Cs 2 O 2 + 2H 2 O \u003d 4CsOH + O 2

Raztaplja se v kislinah in tvori vodikov peroksid.

Ko se cezij zgoreva na zraku ali v kisiku, nastane zlato rjav cezijev superoksid CsO 2. Nad 350 ° C se disociira s sproščanjem kisika. Cezijev superoksid je zelo močan oksidant.

Cezijev peroksid in superoksid služita kot vir kisika in se uporabljata za njegovo regeneracijo v vesoljskih in podmorniških vozilih.

Cs 2 O 3 seskvioksid nastane kot temen paramagnetni prah ob previdni toplotni razgradnji cezijevega superoksida. Dobimo ga lahko tudi z oksidacijo kovine, raztopljene v tekočem amoniaku, ali z nadzorovano oksidacijo peroksida. Domneva se, da gre za dinaperoksid-peroksid [(Cs +)4(O 2 2–)(O 2 –) 2].

Oranžno rdeč ozonid CsO 3 lahko pridobimo z delovanjem ozona na brezvodni prah cezijevega hidroksida ali peroksida pri nizki temperaturi. Ko stoji, se ozonid počasi razgradi v kisik in superoksid, pri hidrolizaciji pa se takoj spremeni v hidroksid.

Cezij tvori tudi podokside, pri katerih je formalno oksidacijsko stanje elementa veliko nižje od +1. Oksidna sestava Cs 7 O ima bronasto barvo, njeno tališče je 4,3 ° C, aktivno reagira s kisikom in vodo. V slednjem primeru nastane cezijev hidroksid. Pri počasnem segrevanju se Cs 7 O razpade na Cs 3 O in cezij. Vijolični kristali Cs 11 O 3 se talijo z razpadom pri 52,5 ° C. Rdeče-vijolični Cs 4 O se razgradi nad 10,5 ° C. Nestehiometrična faza Cs 2+ x O spremeni sestavo do Cs 3 O, ki se razgradi pri 166 ° C.

Cezijev hidroksid CsOH tvori brezbarvne kristale, ki se talijo pri ° C. Tališča hidratov so še nižja, na primer CsOH H 2 O monohidrat se tali z razpadom pri 2,5 °C, CsOH 3H 2 O trihidrat pa celo -5,5 °C.

Cezijev hidroksid služi kot katalizator za sintezo mravljinčne kisline. S tem katalizatorjem reakcija poteka pri 300°C brez visokega tlaka. Donos končnega izdelka je zelo visok - 91,5 %.

Cezijevi halogenidi CsF, CsCl, CsBr, CsI (brezbarvni kristali) se talijo brez razgradnje, hlapni nad tališčem. Toplotna stabilnost se zmanjša pri prehodu s fluorida na jodid; bromid in jodid v hlapih se delno razgradita v enostavne snovi. Cezijevi halogenidi so zelo topni v vodi. V 100 g vode pri 25 ° C raztopimo 530 g cezijevega fluorida, 191,8 g cezijevega klorida, 123,5 g cezijevega bromida, 85,6 g cezijevega jodida. Brezvodni klorid, bromid in jodid kristalizirajo iz vodnih raztopin. Cezijev fluorid se sprošča v obliki kristalnih hidratov CsF n H 2 O, kjer n = 1, 1,5, 3.

Pri interakciji s halogenidi številnih elementov cezijevi halogenidi zlahka tvorijo kompleksne spojine. Nekateri od njih, kot je Cs 3 , se uporabljajo za izolacijo in analitično določanje cezija.

Cezijev fluorid se uporablja za pridobivanje organofluorovih spojin, piezoelektrične keramike in posebnih stekel. Cezijev klorid je elektrolit v gorivnih celicah, fluks za varjenje molibdena.

Cezijev bromid in jodid se pogosto uporabljata v optiki in elektrotehniki. Kristali teh spojin so prozorni za infrardeče žarke z valovno dolžino od 15 do 30 µm (CsBr) in 24 do 54 µm (CsI). Običajne prizme natrijevega klorida prenašajo 14 µm in kalijevega klorida 25 µm, zato je uporaba cezijevega bromida in jodida namesto natrija in kalijevega klorida omogočila snemanje kompleksnih molekul v daljnem infrardečem območju.

Če se pri izdelavi fluorescenčnih zaslonov za televizorje in znanstveno opremo vnese približno 20 % cezijevega jodida med kristale cinkovega sulfida, bodo zasloni bolje absorbirali rentgenske žarke in svetili svetleje, če jih obsevamo z elektronskim žarkom.

Scintilacijske naprave za detekcijo težkih nabitih delcev, ki vsebujejo monokristale cezijevega jodida, aktiviranega s talijem, imajo najvišjo občutljivost od vseh tovrstnih naprav.

Cezij-137.

Izotop 137 Cs se proizvaja v vseh jedrskih reaktorjih (v povprečju 6 137 Cs jeder od 100 uranovih jeder).

V normalnih pogojih delovanja jedrskih elektrarn so izpusti radionuklidov, vključno z radioaktivnim cezijem, zanemarljivi. Velika večina produktov jedrske cepitve ostaja v gorivu. Po podatkih dozimetričnega monitoringa koncentracija cezija na območjih, kjer se nahaja jedrska elektrarna, skoraj ne presega koncentracije tega nuklida v kontrolnih območjih.

Težke situacije nastanejo po nesrečah, ko v zunanje okolje pride ogromna količina radionuklidov in so onesnažena velika območja. Vnos cezija-137 v ozračje je bil opažen med nesrečo na Južnem Uralu leta 1957, kjer je prišlo do toplotne eksplozije skladišča radioaktivnih odpadkov, med požarom v radiokemični tovarni v Windenaleu v Združenem kraljestvu leta 1957, med vetrom odstranjevanje radionuklidov s poplavne ravnice jezera. Karačaj na južnem Uralu leta 1967. Nesreča v jedrski elektrarni v Černobilu leta 1986 je postala katastrofa, približno 15 % celotne kontaminacije s sevanjem je padlo na delež cezija-137. Glavni vir radioaktivnega cezija v človeškem telesu je hrana živalskega izvora, kontaminirana z nuklidom.

Radionuklid 137 Cs se lahko uporablja tudi za ljudi. Uporablja se pri odkrivanju napak, pa tudi v medicini za diagnostiko in zdravljenje. Cezij-137 zanima specialiste na področju rentgenske terapije. Ta izotop se relativno počasi razgrajuje in izgubi le 2,4 % svoje prvotne aktivnosti na leto. Izkazalo se je za primerno za zdravljenje malignih tumorjev. Cezij-137 ima določene prednosti pred radioaktivnim kobaltom-60: daljšo razpolovno dobo in manj trdo g-sevanje. V zvezi s tem so naprave na osnovi 137 Cs bolj trpežne, zaščita pred sevanjem pa manj okorna. Vendar te prednosti postanejo resnične šele v odsotnosti nečistoč 134 Cs s krajšo razpolovno dobo in težjim g-sevanjem.

Iz raztopin, pridobljenih pri predelavi radioaktivnih odpadkov iz jedrskih reaktorjev, se 137 Cs ekstrahira s soprecipitacijo z železovimi, nikljevimi, cinkovimi heksacianoferati ali amonijevim fluorovolfratomom. Uporabljata se tudi ionska izmenjava in ekstrakcija.

Elena Savinkina

cezij(lat. Caesium), Cs, kemični element I. skupine periodnega sistema Mendelejeva; atomsko število 55, atomska masa 132,9054; srebrno bela kovina, spada med alkalijske kovine. V naravi se pojavlja kot stabilni izotop 133 Cs. Od umetno pridobljenih radioaktivnih izotopov z masnim številom od 113 do 148 je najbolj stabilen 137 Cs z razpolovno dobo T ½ = 33 let.

Sklic na zgodovino. Cezij sta leta 1860 odkrila R. V. Bunsen in G. R. Kirchhoff v vodah mineralnega izvira Durkheim (Nemčija) z metodo spektralne analize. Imenovan cezij (iz latinskega caesius - nebo modra) za dve svetli črti v modrem delu spektra. Kovinski cezij je prvi izoliral švedski kemik K. Setterberg leta 1882 med elektrolizo staljene mešanice CsCN in Ba.

Porazdelitev cezija v naravi. Cezij je tipičen redek element v sledovih. Povprečna vsebnost cezija v zemeljski skorji (clarke) je 3,7·10 -4 mas.%. Ultrabazične kamnine vsebujejo 1·10 -5 % cezija, glavne - 1·10 -4 %. Cezij je geokemično tesno povezan z granitno magmo, ki tvori koncentracije v pegmatitih skupaj z Li, Be, Ta, Nb; zlasti v pegmatitih, bogatih z Na (albit) in Li (lepidolit). Znana sta dva izjemno redka minerala cezija - pollucit in avogarit (K, Cs) (BF) 4 ; najvišja koncentracija cezija v pollucitu (26-32 % Cs 2 O). Večina atomov cezija izomorfno nadomešča K in Rb v feldsparih in sljudah. Primes cezija najdemo v berilu, karnalitu in vulkanskem steklu. V nekaterih termalnih vodah je ugotovljena šibka obogatitev cezija. Na splošno je cezij šibek vodni migrant. Primarnega pomena v zgodovini cezija so procesi izomorfizma in sorpcije velikih cezijevih kationov. Geokemično je cezij blizu Rb in K ter delno Ba.

Fizikalne lastnosti cezija. Cezij je zelo mehka kovina; gostota 1,90 g / cm 3 (20 ° C); t pl 28,5 °C; t kip 686 °C. Pri običajni temperaturi kristalizira v kubični telesno osredotočeni mreži (a = 6,045Å). Atomski polmer 2,60 Å, ionski polmer Cs + 1,86 Å. Specifična toplotna zmogljivost 0,218 kJ/(kg K); specifična toplota fuzije 15,742 kJ/kg (3,766 cal/g); specifična toplota izhlapevanja 610,28 kJ/kg (146,0 cal/g); temperaturni koeficient linearne ekspanzije (0-26 ° C) 9,7 10 -5; koeficient toplotne prevodnosti (28,5 ° C) 18,42 W / (m K) ; električna upornost (20 °C) 0,2 μm m; temperaturni koeficient električnega upora (0-30°C) 0,005. Cezij je diamagnetičen, specifična magnetna občutljivost (18 °C) -0,1 10 -6 . Dinamična viskoznost 0,6299 Mn s/m 2 (43,4 °C), 0,4065 Mn s/m 2 (140,5 °C). Površinska napetost (62 °C) 6,75 10 -2 N/m (67,5 din/cm); stisljivost (20 °C) 7,05 Mn/m 2 (70,5 kgf/cm 2). Energija ionizacije 3,893 eV; standardni elektrodni potencial - 2,923 V, delovna funkcija elektronov 1,81 eV. Trdota po Brinellu 0,15 MN / m 2 (0,015 kgf / cm 2).

Kemijske lastnosti cezija. Konfiguracija zunanjih elektronov atoma cezija 6s 1 ; v spojinah ima oksidacijsko stanje + 1. Cezij ima zelo visoko reaktivnost. Na zraku se takoj vžge s tvorbo peroksida Cs 2 O 2 in superoksida CsO 2; s pomanjkanjem zraka dobimo oksid Cs 2 O; Poznan je tudi ozonid CsO 3. Z vodo, halogeni, ogljikovim dioksidom, žveplom, ogljikovim tetrakloridom, cezij reagira z eksplozijo in daje hidroksid CsOH, halogenide, okside, sulfide, CsCl. V interakciji z vodikom pri 200-350 °C in tlaku 5-10 MN/m 2 (50-100 kgf/cm 2) tvori hidrid. Nad 300 °C cezij uniči steklo, kremen in druge materiale, povzroča pa tudi korozijo kovin. Cezij se pri segrevanju združi s fosforjem, silicijem, grafitom. Ko cezij sodeluje z alkalijskimi in zemeljskoalkalijskimi kovinami, pa tudi s Hg, Au, Bi in Sb, nastanejo zlitine; z acetilenom - acetilenidom Cs 2 C 2. Večina enostavnih cezijevih soli, zlasti CsF, CsCl, Cs 2 CO 3 , Cs 2 SO 4 , CsH 2 PO 4 , je zelo topnih v vodi; težko topen CsMnO 4 , CsClO 4 in Cs 2 Cr 2 O 7 . Cezij ni eden izmed kompleksnih elementov, je pa kot zunanji kation vključen v številne kompleksne spojine.

Pridobivanje cezija. Cezij se pridobiva neposredno iz onesnaževalca z vakuumsko termično redukcijo. Kot reducenti se uporabljajo Ca, Mg, Al in druge kovine.

S predelavo pollucita pridobivamo tudi različne cezijeve spojine. Najprej se ruda obogati (s flotacijo, ročnim rudarjenjem ipd.), nato pa se izločeni koncentrat razgradi bodisi s kislinami (H 2 SO 4 , HNO 3 in drugimi) bodisi s sintranjem z mešanicami oksidov in soli (npr. CaO s CaCl 2). Cezij se obori iz produktov razgradnje onesnaževalca v obliki CsAl(SO 4) 2 ·12H 2 O, Cs 3 in drugih slabo topnih spojin. Nadalje se oborine pretvorijo v topne soli (sulfat, klorid, jodid in druge). Zadnja faza tehnološkega cikla je proizvodnja cezijevih spojin visoke čiste, za katere se uporabljajo metode kristalizacije iz raztopin Cs, Cs 3 , Cs 2 in adsorpcija nečistoč na oksidiranih aktivnih ogljikih. Globinsko čiščenje kovinskega cezija se izvaja z metodo rektifikacije. Obetavno je pridobivanje cezija iz odpadkov pri predelavi nefelina, nekaterih sljud, pa tudi podtalnice med proizvodnjo nafte; Cezij se pridobiva z ekstrakcijskimi in sorpcijskimi metodami.

Cezij je shranjen v ampulah iz stekla Pyrex v atmosferi argona ali v zaprtih jeklenih posodah pod plastjo dehidriranega vazelina ali parafinskega olja.

Uporaba cezija. Cezij se uporablja za izdelavo fotokatod (antimon-cezij, bizmut-cezij, kisik-srebro-cezij), elektrovakuumskih fotocelic, fotopomnoževalcev, elektronsko-optičnih pretvornikov. Uporabljajo se cezijevi izotopi: 133 Cs v kvantnih frekvenčnih standardih, 137 Cs v radiologiji. Resonančna frekvenca energijskega prehoda med podravni osnovnega stanja 133 Cs je osnova sodobne definicije drugega.

cezij v telesu. Cezij je trajna kemična mikrokomponenta organizma rastlin in živali. Morske alge vsebujejo 0,01-0,1 μg cezija na 1 g suhe snovi, kopenske rastline - 0,05-0,2. Živali dobijo cezij iz vode in hrane. V telesu členonožcev je približno 0,067-0,503 μg / g cezija, plazilcev - 0,04, sesalcev - 0,05. Glavni depo cezija v telesu sesalcev so mišice, srce, jetra; v krvi - do 2,8 mcg / l. Cezij je relativno nizko strupen.

Cezij-137 (137 Cs) - radioizotop Cezij, ki oddaja beta-gama; ena glavnih sestavin radioaktivne kontaminacije biosfere. Vsebuje se v radioaktivnih padavinah, radioaktivnih odpadkih, izpustih iz obratov, ki predelujejo odpadke iz jedrskih elektrarn. Intenzivno absorbira tla in talne usedline; v vodi je pretežno v obliki ionov. Najdemo ga v rastlinah, živalih in ljudeh. Faktor akumulacije 137 Cs je najvišji v sladkovodnih algah in arktičnih kopenskih rastlinah, zlasti pri lišajih. Pri živalih se 137 Cs kopiči predvsem v mišicah in jetrih. Najvišji koeficient njegove akumulacije je bil zabeležen pri severnih jelenih in severnoameriških vodnih pticah. V človeškem telesu je l37 Cs razporejen razmeroma enakomerno in nima pomembnega škodljivega učinka.