Львів
C
» » Хімічний елемент цезій: характеристика, формула, властивості

Хімічний елемент цезій: характеристика, формула, властивості

Характеристика цезію, його особливості будови і якості, властиві цьому елементу, обов'язково проходять в курсі хімії. Не тільки школярі, але й студенти хімічних спеціальностей повинні знати специфічні особливості цього з'єднання. Застосування цезію в даний час досить широке – але у специфічній сфері. Багато в чому це пов'язано з тим, що при кімнатній температурі елемент набуває рідкий стан, а в чистому вигляді практично не зустрічається. В даний час тільки п'ять металів мають аналогічні якості. Властивості цезію визначають інтерес до нього вчених і можливості по застосуванню з'єднання.


Хімічний елемент цезій: характеристика, формула, властивості

Про що йдеться?

М'який метал цезій позначається в таблиці Менделєєва символами Cs. Його порядковий номер - 55. М'який метал має сріблястий, золотистий відтінок. Температура плавлення – 28 градусів за шкалою Цельсія. Цезій являє собою лужний метал, чиї якості і особливості схожі з калій, рубідій. Будова цезію обумовлює підвищену реактивність. З водою метал може реагувати при температурі за шкалою Цельсія 116 градусів нижче нуля. Хімічний елемент цезій має високу пирофорность. Видобувається він з поллуцита. Багато радіоактивні ізотопи цезію (включаючи знайшов собі активне застосування цезій 137) виробляються в ході переробки відходів, що виникають при функціонуванні ядерного реактора. Цезій 137 являє собою результат реакції розщеплення.

Історичні передумови

Заслуга відкриття електронної формули цезію належить хімікам з Німеччини, видатним умам у свій області Кирхгоффу, Бунзену. Це подія трапилася в далекому 1860 році. У той період почали активно змінювати тільки-тільки винайдену методику спектроскопії полум'ям, і в ході своїх експериментів німецькі вчені виявили раніше невідомий громадськості хімічний елемент – цезій. В той момент цезій був представлений в якості одержувача, що актуально для фотоелементів, електронних ламп.


Хімічний елемент цезій: характеристика, формула, властивості
Помітні зміни в історії визначення і виділення елемента трапилося в 1967-м. З урахуванням зробленого Ейнштейном заяви про те, що швидкість світла можна вважати найбільш постійним фактором вимірювання, властивим нашій всесвіту, було вирішено виділити цезій 133. Це стало важливим моментом у розширенні спектру застосування хімічного елемента цезію – зокрема, на ньому виготовляють атомні годинники.

Цезій у дев'яності роки

Саме в останньому десятилітті минулого століття хімічний елемент цезій почав використовуватися людством особливо активно. З'ясувалося, що він застосуємо в роботах буріння рідин. Також вдалося знайти досить велику зону застосування в хімічних галузях. Виявилося, що хлорид цезію і інші його похідні можуть використовуватися при конструюванні складної електроніки. Тоді ж, у дев'яності, особливу увагу наукової спільноти була прикута до всього, що могло б стати новим словом у атомної, ядерної енергетики. Саме тоді найбільш ретельно вивчили радіоактивний цезій. Виявлено, що напіврозпад цього компонента вимагає близько трьох десятиліть. В даний час радіоактивні ізотопи цезію знайшли широке застосування в гідрології. Без них не обходяться і медицина, промисловість. Найбільш широке поширення отримав радіоактивний ізотоп цезій 137. Цезію властивий низький рівень отруйних здібностей, у той же час радіоактивні похідні у великій концентрації можуть завдати шкоди природі та людині.

Фізичні параметри

Специфіка цезію (а також хлориду цезію та інших похідних цього металу) обумовлює можливості широкого застосування продукту. Серед інших елементів саме цезій має найменший показник твердості – всього 02 одиниці за шкалою Мооса. Крім м'якості, металу властива податливість. В нормальному стані правильна електронна формула цезію дозволяє сформувати блідий за кольором матеріал, здатний міняти фарбу на більш темну при найменшому контакті зі сполуками кисню.
Хімічний елемент цезій: характеристика, формула, властивості
Точка плавлення металу – всього лише 28 градусів за Цельсієм, а це означає, що з'єднання належить до числа п'яти металів, при кімнатній температурі або близькою до такої знаходяться в рідкій фазі. Ще більш низька точка плавлення, ніж у цезію, зареєстрована тільки у меркурія. Точка кипіння цезію теж невелика – менше тільки у ртуті. Особливості електрохімічного потенціалу регламентують горіння металу – він створює фіолетові відтінки або синій колір.

Сполучуваність і особливості

У цезію є здатність вступати в реакції з лужними сполуками, металами. Також елемент формує оксиди цезію. Крім того, спостерігаються реакції з ртутними сумішами, золотом. Особливості взаємодії з іншими з'єднаннями, а також температурні режими, при яких можливі реакції, декларують можливі межметаллические склади. Зокрема, цезій є вихідним компонентом для формування фоточутливих сполук. Для цього проводять реакцію металу з участю торію, сурми, галію, індію. Крім оксиду цезію, інтерес викликають і хіміків результати взаємодії з низкою лужних елементів. У той же час потрібно враховувати, що метал не може реагувати з літієм. Для кожного із сплавів цезію характерний власний відтінок. Деякі суміші – це чорно-фіолетові сполуки, інші пофарбовані в золотий відтінок, а треті практично безбарвні, але з яскраво вираженим металевим блиском.

Хімічні особливості

Найбільш яскраво виражена особливість цезію – його пирофорность. Крім того, увагу вчених привертає і електрохімічний потенціал металу. Цезій може спонтанно загорітися прямо в повітрі. При взаємодії з водою відбувається вибух, навіть якщо умови реакції припускали низькі температури. Помітно відрізняється в цьому плані цезій від першої групи Менделєєвської хімічної таблиці. При взаємодії цезію і води в твердому вигляді також відбувається реакція. Виявлено, що період напіврозпаду цезію триває близько трьох десятиліть. Матеріал визнали небезпечним в силу його особливостей. Щоб працювати з цезієм, необхідно створити атмосферу інертного газу. У той же час вибух при контакті з водою при рівній кількості натрію та цезію у другому випадку буде відчутно слабкіше. Хіміки пояснюють це наступною особливістю: при контакті цезію з водою відбувається миттєва вибухова реакція, тобто не залишається достатньо тривалого часового проміжку для накопичення водню. Оптимальний метод зберігання цезію – закупорені ємності з боросилікатного з'єднання.

Цезій: у складі з'єднань

Цезій у з'єднаннях виступає в як катіона. Є багато різноманітних аніонів, з якими можлива реакція формування з'єднання. Велика частина солей цезію не має кольору, якщо тільки фарбування не обумовлено аніоном. Прості солі гігроскопічні, хоча в меншій мірі, ніж у інших легких металів-лугів. Багато у воді розчиняються. Подвійні солі мають відносно низьку ступінь розчинності. Це знайшло досить широке застосування у промисловості. Наприклад, сульфат алюмінію-цезію активно використовується в рудноочистительных установках в силу своєї малої розчинності водою.

Цезій: унікальний і корисний

Візуально цей метал схожий з золотом, але трохи світліше, ніж найпопулярніший благородний метал. Якщо взяти шматочок цезію в руку, він швидко розплавиться, а отримана субстанція буде рухомого, дещо змінить колір – ближче до срібла. У розплавленому стані цезій відмінно відображає промені світла. З лужних металів цезій вважається найбільш важким, в той же час йому властива найнижча щільність.
Хімічний елемент цезій: характеристика, формула, властивості
Історія відкриття цезію містить згадки про Дюрхгеймском джерелі. Саме звідси надіслали зразок води для лабораторного дослідження. В ході аналізу складових компонентів особлива увага приділялась вирішенню питання: який саме елемент забезпечує лікувальні якості рідини? Німецький вчений Бунзен вирішив застосувати метод спектрального аналізу. Саме тоді з'явилися дві несподівані лінії блакитного відтінку, не властиві відомим на той момент з'єднанням. Саме колір цих смуг і допоміг вченим вибрати ім'я для нового компонента – небесно-блакитний на латині звучить як «цезій».

Де ж мені тебе знайти?

Як було виявлено в ході тривалих випробувань, цезій – це розсіяний елемент, який в природних умовах зустрічається вкрай рідко. Так, проводячи порівняльний аналіз змісту в корі планети рубідію і цезію, вчені виявили, що другого менше в сотні разів. Приблизна оцінка концентрації дала показник 7*10(-4) %. Ніякий інший менш чутливий метод, ніж спектроскопія, просто не дозволив би виявити настільки рідкісне поєднання. Це пояснює факт того, що раніше вчені навіть не підозрювали про існування цезію. В даний час вдалося з'ясувати, що частіше зустрічається цезій у видобутих в горах породах. Його концентрація у цьому матеріалі не перевищує тисячних часток відсотка. Категорично малі кількості вдалося зафіксувати у водах морів. До десятих часток відсотка доходить рівень концентрації в літієвих, калійних мінеральних сполуках. Найчастіше його вдається виявити в лепидолите.

Такий схожий, але зовсім інший

При порівнянні особливостей цезію і рубідію, а також інших елементів, що зустрічаються вкрай рідко, вдалося виявити, що цезію властиво формування унікальних мінералів, на що не здатні інші сполуки. Саме таким чином виходять поллуцит, родицит, авогадрит. Родицит, як з'ясували вчені, зустрічається виключно рідко. Аналогічним чином дуже складно знайти авогадрит. Поллуцит кілька більш поширений, в ряді випадків виявлялися невеликі поклади. Вони володіють дуже низькою потужністю, але містять цезій у кількості 20-35 відсотків від загальної маси. Найважливіші, з точки зору громадськості, поллуциты були виявлені в американських надрах і на території Росії. Також є шведські розробки, казахстанські. Відомо, що поллуцит знайдений на південно-заході Африканського континенту.
Хімічний елемент цезій: характеристика, формула, властивості

Робота триває

Не секрет, що відкриття елемента і одержання його в чистому вигляді – це дві абсолютно різні завдання, хоч і пов'язані між собою. Коли стало ясно, що цезій зустрічається дуже рідко, вчені почали розробляти методики синтезування металу в лабораторних умовах. Перший час здавалося, що це зовсім непосильне завдання, якщо застосовувати доступні в ті часи кошти і техніку. Бунзену за довгі роки так і не вдалося виділити металевий цезій в чистому його вигляді. Лише через два десятиліття передові хіміки змогли нарешті вирішити цю задачу. Прорив стався в 1882-му, коли Сеттерберг зі Швеції провів електроліз суміші, на чотири частини складається з ціанідів цезію, до яких була замішана одна частина барію. Останній компонент використовувався, щоб зробити температуру плавлення менше. Ціаніди, як у цей момент вже знали вчені, представляли собою дуже небезпечні компоненти. У той же час за рахунок барію формувалося забруднення, що не дозволяло отримати більш-менш задовільний кількість цезію. Було ясно, що методика не потребує суттєвих доробок. Хороша пропозиція у цій сфері було винесено на обговорення наукової спільноти Бекетовим. Саме тоді увагу привернула гідроокис цезію. Якщо відновити це з'єднання, застосовуючи металевий магній, підвищуючи нагрівання і використовуючи водневий струм, можна домогтися кілька кращого результату, ніж доведений шведським хіміком. Втім, реальні експерименти показали, що вихід вдвічі менше, ніж розраховується в теорії.

Що далі?

Цезій і далі залишався у фокусі уваги міжнародного хімічного наукового співтовариства. Зокрема, у своїх дослідженнях йому присвятив чимало зусиль і часу французький вчений Акспиль. У 1911 році він запропонував кардинально новий підхід до питання вилучення чистого цезію. Необхідно було проводити реакцію у вакуумі, в якості вихідного матеріалу брався хлорид металу, а для його відновлення застосовувався металевий кальцій. Така реакція, як показали експерименти, відбувається майже до кінця. Щоб домогтися достатнього ефекту, необхідно використовувати спеціальний прилад. У лабораторіях звичайно вдаються до тугоплавкому склу або застосовують кварцові ємності. У приладу повинен бути відросток. Всередині підтримується тиск порядку 0001 мм рт. ст. Для успішної реакції необхідно забезпечити нагрів ємності до 675 градусів за шкалою Цельсія. При цьому виділяється цезій, який практично одразу ж випаровується. Пари переходять у призначений для цього відросток. А ось хлористий калій переважно осідає прямо в реакторі. При заданих умовах летючість цієї солі настільки мала, що її можна взагалі не враховувати, оскільки для цього з'єднання характерна температура плавлення – 773 градуси (за тією ж шкалою Цельсія). Це означає, що осад може розтанути, якщо ємність перегріти на сто градусів відносно задуманого. Щоб досягнути максимально ефективного результату, необхідно провести повторний процес дистиляції. Для цього створюють вакуум. На виході буде ідеальний металевий цезій. В даний час описана методика застосовується найбільш широко і вважається оптимальною для отримання з'єднання.

Активність і реакції

В ході численних досліджень вчені змогли визначити, що цезію притаманна дивовижна активність, в нормі не властива металів. При контакті з повітрям відбувається загоряння, яке призводить до виділення надпероксида. Домогтися окису можна, якщо обмежити доступ кисню до реагентів. Є можливість формування субоксидов.
Хімічний елемент цезій: характеристика, формула, властивості
Якщо цезій контактує з фосфором, сіркою, галогеном, це провокує супроводжується вибухом реакцію. Також вибух супроводжує реакції з водою. Використовуючи кристалізатор, склянку, можна зіткнутися з тим, що ємність буквально розлітається на шматочки. Також можлива реакція з льодом, якщо температура за шкалою Цельсія – не нижче 116 градусів. В результаті такої реакції продукуються водень, гідроксид.

Гідроксид: особливості

В ході вивчення продуктів реакції, що виробляються цезієм, хіміки виявили, що отримується гідроксид – це дуже сильне підставу. Взаємодіючи з ним, необхідно пам'ятати, що при високій концентрації це з'єднання запросто може зруйнувати скло навіть без додаткового нагрівання. А ось при підвищенні температури гідроксид без праці плавить нікель, залізо, кобальт. Аналогічним буде вплив на цирконієвий діоксид, корунд, платину. Якщо в реакції бере участь кисень, гідроксид цезію вкрай швидко руйнує срібло, золото. Якщо обмежити надходження кисню, процес протікає відносно повільно, але все ж не зупиняється. Стійкість до гідроксиду цезію мають родій і кілька сплавів цього з'єднання.

Застосовувати з розумом

Не тільки цезій, але і відомі на основі цього металу з'єднання використовуються в даний час дуже широко. Без них неможливо уявити собі конструювання радіотехніки, вони незамінні і в електроніці. Активно застосовується з'єднання і варіації цезію в хімії, промисловості, офтальмологічній сфері, медичної. Не обійдено увагою цезій і в рамках розвитку застосовних в космосі технологій, а також ядерної енергетики. В даний час поширена використовувати цезій при конструюванні фотоелементів. Бромід, йодид цього металу необхідні для створення систем інфрачервоного бачення. Отримані промисловим шляхом монокристали допускається використовувати в якості елементів детекторів, що дозволяють фіксувати іонізуюче випромінювання. Деякі сполуки на основі цезію активно використовуються як каталізатори в процесах промисловості. Це необхідно при створенні аміаку, формуванні окису етилену і продукуванні бутадієну.

Радіація і цезій

Найбільшу увагу вчених привертає ізотоп цезій 137. Він належить до категорії бета-випромінювачів. В даний час цей незамінний елемент в процесі стерилізації продуктів харчування, лікарських сполук. До нього заведено вдаватися при терапії злоякісних новоутворень. Сучасні підходи дозволили застосовувати елемент при гамма-дефектоскопії. На його основі конструюються датчики рівня, а також джерела струму. 137-й ізотоп в навколишнє середовище в дуже великій кількості потрапив після аварії на Чорнобильській атомній станції. Саме він – один з найголовніших факторів забруднення після цієї катастрофи.
Хімічний елемент цезій: характеристика, формула, властивості
Втім, 137-й – це не єдиний радіоактивний ізотоп цезію, який знайшов застосування в сучасній промисловості. Так, атомні годинники створюються на ізотопу цезію 133. В даний час - це самий точний прилад, що дозволяє контролювати хід часу. Одна секунда, як з'ясували в ході високоточних досліджень сучасні вчені, це 9192631770 періодів випромінювання. Це дозволяє використовувати атом ізотопу цезію 133 як стандарт для визначення частоти, часу.