Cesiu

cesiu
←  Xenon | Bariu  →
55 Rb

Cs

pr
Sistem periodic de elemente55Cs _
Aspectul unei substanțe simple
Probă de cesiu
Proprietățile atomului
Nume, simbol, număr cesiu / cesiu (Cs), 55
Grup , punct , bloc 1 (învechit 1), 5,
p-element
Masa atomica
( masa molara )
132.9054519(2) [1]  a. e. m.  ( g / mol )
Configuratie electronica [Xe] 6s 1
Raza atomului ora 267
Proprietăți chimice
raza covalentă ora 235 
Raza ionică (+1e) 167  pm
Electronegativitatea 0,79 (scara Pauling)
Potențialul electrodului -2.923
Stări de oxidare 0, +1
Energia de ionizare
(primul electron)
375,5 (3,89)  kJ / mol  ( eV )
Proprietățile termodinamice ale unei substanțe simple
Densitate (la n.a. ) 1,873 g/cm³
Temperatură de topire

28,7 °C [2] ; 28,5 °C [3] ;

28,44°C [4]
Temperatura de fierbere 667,6 °C [2] ; 688 °C [3] ; 669,2°C [4]
Oud. căldură de fuziune 2,09 kJ/mol
Oud. căldură de evaporare 68,3 kJ/mol
Capacitate de căldură molară 32,21 [4]  J/(K mol)
Volumul molar 70,0  cm³ / mol
Rețeaua cristalină a unei substanțe simple
Structura de zăbrele Corp cubic centrat
Parametrii rețelei 6.140Å  _
Debye temperatura 39.2K  _
Alte caracteristici
Conductivitate termică (300 K) 35,9 W/(m K)
numar CAS 7440-46-2
Spectrul de emisie
izotopii cei mai longevivi
Izotop Prevalență
_
Jumătate de viață Canal de dezintegrare Produs de degradare
133Cs _ 100% grajd - -
134Cs _ sinteză. 2,0648 ani EZ 134 Xe
β − 134 Ba
135Cs _ urme de cantități 2.3⋅10 6  ani β − 135 Ba
137Cs _ sinteză. 30,17 ani β − 137 Ba
55 cesiu
Cs132,9055
[Xe]6s 1

Cesiu ( simbol chimic  - Cs , din lat.  Cesiu ) este un element chimic din grupa I (conform clasificării învechite  - subgrupul principal al primului grup, IA), a șasea perioadă a sistemului periodic de elemente chimice din D. I. Mendeleev , cu număr atomic 55.

Substanța simplă cesiu este un metal alcalin  moale, vâscos , galben-argintiu . Cesiu și-a primit numele de la culoarea a două linii albastre strălucitoare din spectrul de emisie (din latină caesius  - albastru deschis).  

Istorie

Cesiul a fost descoperit în 1860 de oamenii de știință germani R. V. Bunsen și G. R. Kirchhoff în apele izvorului mineral Bad Dürkheim din Germania prin spectroscopie optică , devenind astfel primul element descoperit prin analiza spectrală . Cesiul a fost izolat pentru prima dată în forma sa pură în 1882 de către chimistul suedez K. Setterberg în timpul electrolizei topiturii unui amestec de cianură de cesiu ( CsCN ) și bariu .

Găsirea în natură. Pradă

Principalul mineral de cesiu este polucitul . Sub formă de impurități, cesiul este inclus într-o serie de aluminosilicați : lepidolit , flogopit , biotit , amazonit , petalit , beril , zinnwaldite , leucit , carnalit . Se găsește și în mineralul rar avogadrit . Polucitul și lepidolitul sunt folosite ca materii prime industriale .

Rezervele mondiale confirmate de cesiu la începutul anului 2012 sunt estimate la 70.000 de tone [6] .

Canada conduce în extracția minereului de cesiu ( polucit ) - în  zăcământul Tanko(sud-estul Manitoba , malul de nord-vest al lacului Bernick ) conține aproximativ 70% din rezervele de cesiu ale lumii. Polucitul este exploatat și în Namibia și Zimbabwe . În Rusia , există zăcăminte de poluat în Peninsula Kola , în Estul Sayan și Transbaikalia . De asemenea, există zăcăminte de poluit în Kazahstan , Mongolia și Italia ( insula Elba ), dar au rezerve mici și nu au o importanță economică mare [6] .

Producția mondială de minereu de cesiu îmbogățit este de aproximativ 20 de tone pe an. Producția mondială de cesiu metalic (pur) este de aproximativ 9 tone pe an [6] .

Unele surse [7] susțin că cererea de cesiu este de peste 8,5 ori mai mare decât producția sa, că situația în metalurgia cesiului este chiar mai alarmantă decât, de exemplu, în metalurgia tantalului sau reniului , iar producătorii nu pot satisface. cererea tot mai mare de cesiu metalic.

Geochimie și mineralogie

Conținutul mediu de cesiu din scoarța terestră este de 3,7 g/t . Există o oarecare creștere a conținutului de cesiu de la roci ultrabazice ( 0,1 g/t ) la acide ( 5 g/t ). Cea mai mare parte a masei sale în natură este într-o formă difuză și doar o mică parte este conținută în propriile sale minerale de cesiu ( polucit etc.). Cantități constant crescute de cesiu se observă în morganit (1-4%), rodicit (aproximativ 5%), avogadrit și lepidolit (0,85%). În ceea ce privește proprietățile chimice ale cristalului, cesiul este cel mai apropiat de rubidiu, potasiu și taliu. În cantități crescute, cesiul se găsește în mineralele de potasiu. Cesiul, ca și rubidiul, tinde să se acumuleze în stadiile târzii ale proceselor magmatice, iar concentrațiile sale ating cele mai mari valori în pegmatite. Conținutul mediu de cesiu în pegmatitele granitice este de aproximativ 0,01%, iar în filoanele individuale de pegmatită care conțin poluit ajunge chiar la 0,4%, ceea ce este de aproximativ 40 de ori mai mare decât în ​​granite. Cele mai mari concentrații de cesiu sunt observate în pegmatitele microclinale-albite substituite cu metale rare cu spodumen. În timpul procesului pneumatolitic-hidrotermal, cantități crescute de cesiu sunt asociate cu masive de alaschiți și granite îngroșate cu filoane de cuarț-beril-wolframit, unde este prezent mai ales în moscoviți și feldspați. În zona de hipergeneză (în condiții de suprafață), cesiul se acumulează în cantități mici în argile, roci argiloase și soluri care conțin minerale argiloase, uneori în hidroxizi de mangan. Conținutul maxim de cesiu este de numai 15 g/t . Rolul mineralelor argiloase se reduce la sorbție, cesiul este implicat în spațiul interpachet ca bază absorbită. Migrația activă a acestui element în ape este foarte limitată. Cantitatea principală de cesiu migrează „pasiv”, în particulele de argilă ale apelor râurilor. În apa de mare, concentrația de cesiu este de cca. 0,5 µg/l [8] . Dintre mineralele de cesiu propriu-zis, cele mai comune sunt polucitul (Cs, Na)[AlSi 2 O 6 ] n H 2 O (22–36% Cs 2 O), cesiu beril ( pezzottaite ) Be 2 CsAl 2 (Si 6 O 18 ). ) și avogadrit (KCs)BF 4 . Ultimele două minerale conțin până la 7,5% oxid de cesiu. Alte minerale de cesiu sunt cunoscute și galkhait (Cs,Tl)(Hg,Cu,Zn) 6 (As,Sb) 4 S 12 și margaritazit (Cs,K,H 3 8O2V2)2(UO2)O _ _

Izotopi

Izotopi cunoscuți ai cesiului cu numere de masă de la 112 la 151 (număr de protoni 55, neutroni de la 57 la 96) și 22 de izomeri nucleari . [9] Cesiul natural este un element monoizotopic format dintr-un singur izotop stabil 133 Cs .

Cel mai lung nuclid radioactiv artificial de cesiu este de 135 Cs , cu un timp de înjumătățire T 1/2 de aproximativ 2,3 milioane de ani. Un alt izotop cu viață relativ lungă este 137 Cs ( T 1/2 = 30,17 ani ).

Cesiu-137 este unul dintre vinovații contaminării radioactive a biosferei , deoarece se formează în timpul fisiunii nucleare în reactoarele nucleare și în timpul testării armelor nucleare . Ceziul-137 suferă dezintegrare beta , izotopul fiică al bariului-137 stabil .

Proprietăți fizice

Configurația electronică completă a atomului de cesiu este: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 1

Cesiul este un metal moale; datorită punctului său de topire scăzut ( T topitură = 28,6 ° C ), se află într-o stare semi-lichidă la temperatura camerei. Duritatea cesiului pe scara Mohs este de 0,2.

Cesiu metalul este o substanță alb-aurie similară ca aspect cu aurul , dar mai deschisă la culoare. Topitura este un lichid mobil, în timp ce culoarea sa devine mai argintie. Cesiu lichid reflectă bine lumina. Vaporii de cesiu sunt colorați în albastru-verzui.

Cesiu formează cristale de sistem cubic (rețea centrată pe corp), grup spațial Im 3 m , parametrii celulei  a = 0,6141 nm , Z = 2 . La presiune mare, poate intra în alte modificări polimorfe [10] . Cesiul este un paramagnet .

Cesiul se dizolvă în amoniac lichid (soluții de culoare albastru închis) și CsOH topit.

Cesiul formează aliaje cu punct de topire scăzut cu alte metale alcaline. Aliajul său cu potasiu și sodiu are un punct de topire de -78 °C.

Proprietăți chimice

Cesiul este cel mai reactiv metal , cu excepția franciului radioactiv , care este practic absent în natură. Este cel mai puternic restaurator. În aer, cesiul se oxidează instantaneu cu aprindere, formând superoxid CsO 2 .

Cu acces limitat la oxigen sau la frig, se oxidează la oxid de Cs2O .

Interacțiunea cu apa are loc cu o explozie, produsul interacțiunii este hidroxidul de cesiu și hidrogenul H 2 .

Cesiul reacționează cu gheață (chiar și la -120 ° C), alcooli simpli , organohalogenuri, halogenuri de metale grele , acizi , gheață carbonică (interacțiunea are loc cu o explozie puternică). Reacționează cu benzenul . Activitatea cesiului se datorează nu numai unui potențial electrochimic negativ ridicat , ci și unui punct scăzut de topire și fierbere (se dezvoltă rapid o suprafață de contact foarte mare, ceea ce crește cantitatea de substanță care reacţionează simultan).

Multe săruri formate din azotaţi , cloruri , bromuri , fluoruri , ioduri , cromaţi , manganaţi , azide , cianuri , carbonaţi etc. de cesiu sunt extrem de uşor solubile în apă şi o serie de solvenţi organici ; perclorații sunt cei mai puțin solubili (ceea ce este important pentru tehnologia de obținere și purificare a cesiului). În ciuda faptului că cesiul este un metal foarte activ, spre deosebire de litiu , nu reacționează cu azotul în condiții normale și, spre deosebire de bariu , calciu , magneziu și o serie de alte metale, nu este capabil să formeze compuși cu azot chiar și la încălzire puternică. .

Hidroxidul de cesiu este cea mai puternică bază cu cea mai mare conductivitate electrică în soluție apoasă; de exemplu, atunci când lucrați cu acesta, trebuie luat în considerare faptul că o soluție concentrată de CsOH distruge sticla chiar și la temperatura obișnuită, iar topitura distruge fierul , cobaltul , nichelul , precum și platina , corindonul și dioxidul de zirconiu și chiar distruge treptat argintul și aurul (în prezența oxigenului foarte repede). Singurul metal stabil dintr-o topitură de hidroxid de cesiu este rodiul și unele dintre aliajele sale.

Cesiul este foarte activ și agresiv față de materialele recipientelor și necesită depozitare, de exemplu, în vase din sticlă specială într-o atmosferă de argon sau hidrogen (cesiul distruge tipurile convenționale de sticlă de laborator).

Cesiul este capabil să se adauge la etilenă pentru a forma dicesioetilena CsCH 2 CH 2 Cs.

Obținerea

În producția industrială, cesiul sub formă de compuși este extras din poluitul mineral. Acest lucru se face prin deschidere cu clorură sau sulfat. Prima presupune tratarea mineralului original cu acid clorhidric încălzit , adăugarea de clorură de antimoniu SbCl 3 pentru a precipita compusul Cs 3 [Sb 2 Cl 9 ] și spălarea cu apă fierbinte sau o soluție de amoniac pentru a forma clorură de cesiu CsCl . În al doilea caz, mineralul este tratat cu acid sulfuric încălzit pentru a forma alaun de cesiu CsAl(SO 4 ) 2 12H 2 O.

Pentru a obține cesiu cu un grad suficient de puritate, este necesară rectificarea multiplă în vid, purificarea de impurități mecanice pe filtrele cermet, încălzirea cu gettere pentru a îndepărta urmele de hidrogen , azot , oxigen și cristalizare în trepte multiple .

Dificultățile de obținere a cesiului determină căutarea constantă a mineralelor sale: extracția acestui metal din minereuri este incompletă, în timpul funcționării materialul se dispersează și se pierde iremediabil.Industria are nevoie de material foarte pur (la nivelul de 99,9–99,999%), iar aceasta este una dintre cele mai dificile sarcini.în metalurgia elementelor rare .

În Rusia, procesarea și extracția sărurilor de cesiu din poluit se desfășoară în Novosibirsk la Uzina de metale rare ZAO .

Există mai multe metode de laborator pentru obținerea cesiului [11] . Se poate obtine:

Toate metodele necesită forță de muncă. A doua metodă face posibilă obținerea metalului de înaltă puritate, totuși, este exploziv și necesită câteva zile pentru a fi realizat.


Aplicație

Cesiul și-a găsit aplicație abia la începutul secolului al XX-lea, când au fost descoperite mineralele sale și s-a dezvoltat tehnologia de obținere a acestuia în forma sa pură. În prezent, cesiul și compușii săi sunt utilizați în electronică , radio , electricitate , inginerie cu raze X , industria chimică , optică, medicină și energie nucleară . Practic, se folosește cesiu-133 natural stabil și, într-o măsură limitată - izotopul său radioactiv cesiu-137, izolat din suma fragmentelor de fisiune de uraniu , plutoniu , toriu din reactoarele centralei nucleare .

Fotocelule, fotomultiplicatoare

Datorită funcției de lucru extrem de scăzute a electronului , cesiul este utilizat în producția de dispozitive fotovoltaice foarte sensibile și cu răspuns rapid - fotocelule , fotomultiplicatoare . În celulele fotovoltaice, cesiul este de obicei aplicat ca aliaje cu antimoniu , calciu , bariu , aluminiu sau argint , care sunt introduse pentru a crește eficiența dispozitivului, precum și pentru a economisi cesiul extrem de scump. Astfel de fotocelule sunt capabile să funcționeze într-o gamă largă de lungimi de undă: de la infraroșu îndepărtat la regiunea ultravioletă cu unde scurte a radiației electromagnetice , ceea ce face fotocelulele cu cesiu mai eficiente decât cele cu rubidiu .

Detectoare de radiații ionizante

Iodura de cesiu sub formă de cristale simple (activată de obicei cu o mică impuritate de taliu ) este unul dintre cele mai comune scintilatoare  - substanțe care transformă energia radiațiilor ionizante în lumină. Acest lucru se datorează eficienței ridicate de absorbție a razelor gamma datorită numărului atomic mare al ambelor componente principale ale iodurii de cesiu, precum și puterii mari de lumină a acestui scintilator. Detectoarele de particule încărcate și radiații gamma bazate pe acestea sunt utilizate în tehnologia nucleară, geologie, medicină și cercetarea spațială. De exemplu, măsurătorile compoziției elementare a suprafeței marțiane au fost efectuate folosind un spectrometru gamma CsI(Tl) instalat pe orbiterul spațial Mars-5 . Dezavantajul acestui scintilator este o anumită higroscopicitate, datorită căreia poate fi folosit mult timp fără o carcasă etanșă numai în aer suficient de uscat. Cu toate acestea, higroscopicitatea sa este cu ordine de mărime mai mică decât cea a unui alt scintilator comun, iodură de sodiu .

Optica

Iodura și bromura de cesiu sunt folosite ca materiale optice în optica specială - dispozitive cu infraroșu, ochelari și binocluri de vedere pe timp de noapte, ochiuri, detectarea echipamentelor inamice și a forței de muncă (inclusiv din spațiu).

Surse de lumină

În electrotehnică, cesiul este utilizat la fabricarea tuburilor luminoase, sub formă de compuși cu zirconiu sau staniu (metazirconați de cesiu și ortostanați de cesiu). Alături de alte metale, cesiul este folosit pentru a umple lămpile cu halogenuri metalice cu descărcare în gaz.

Catalizatori

Cesiul a găsit o largă aplicație în chimia industrială ca catalizator (sinteză organică și anorganică). Activitatea catalitică a cesiului este utilizată în producerea de amoniac, acid sulfuric , alcool butilic , în reacții de dehidrogenare și în producerea acidului formic . Deosebit de eficientă este utilizarea cesiului ca promotor în producerea catalitică a amoniacului, sinteza butadienei . Într-un număr de catalizatori, utilizarea cesiului împreună cu rubidiu s-a dovedit a fi eficientă (ambele metale măresc semnificativ activitatea catalitică unul altuia), în special, se utilizează un catalizator ruteniu-cesiu-carbon. Cesiul favorizează acțiunea catalizatorului de argint și crește selectivitatea acestuia în epoxidarea etilenei .

Surse de curent chimic

Pe baza de cesiu , a fost creat și este utilizat un electrolit solid extrem de eficient pentru celulele de combustie (inclusiv automobile) și bateriile de intensitate energetică extrem de ridicată, cesiu-beta-alumina ( aluminat de cesiu ).

Tehnologia radiațiilor

Radiația cesiu-137 gamma este utilizată în detectarea defectelor gamma , echipamentele de măsurare și în sterilizarea produselor alimentare (conserve, carcase de păsări și animale, carne), precum și pentru sterilizarea medicamentelor și medicamentelor, în radioterapie pentru tratament. a tumorilor maligne. De asemenea, cesiu-137 este utilizat în producerea surselor de curent radioizotop , unde este utilizat sub formă de clorură de cesiu (densitate 3,9 g/cm³ , eliberare de energie aproximativ 1,27 W/cm³ ). Cesiu-137 este utilizat în senzorii de limită pentru solide în vrac din recipientele opace.

Medicina

Pe baza compușilor de cesiu, au fost create medicamente eficiente pentru tratamentul ulcerului peptic, difteriei, șocului și schizofreniei. Sărurile sale, ca și preparatele cu litiu , sunt capabile să prezinte un efect normotimic [12] .

Utilizarea cesiului în energie

O zonă semnificativă de aplicare a cesiului metalic este cea mai recentă și în curs de dezvoltare rapidă și producția de unități de putere. Plasma cu cesiu este cea mai importantă și integrală componentă a generatoarelor MHD, cu o eficiență crescută de până la 65-70%.

Datorită faptului că cesiul are o capacitate termică mare, conductivitate termică și un număr de aliaje proprii cu un punct de topire foarte scăzut (cesiu 94,5% și sodiu 5,5%) -30 ° C, este folosit ca agent de răcire în reactoare nucleare și centrale cu turbine de înaltă temperatură, și un aliaj de compoziție sodiu 12%, potasiu 47%, cesiu 41% are un punct de topire scăzut record de -78 ° C printre aliaje.

Alte utilizări ale cesiului

Fluorura de cesiu este folosită pentru ceramica piezoelectrică , ochelari speciale. Clorura de cesiu  este un electrolit din celulele de combustie, un flux pentru sudarea molibdenului. Tranzițiile atomice în vaporii de cesiu sunt utilizate ca standard de frecvență în ceasurile atomice .

Rolul biologic

Clorura de rubidiu și clorura de cesiu sunt implicate în schimbul de gaze, activând activitatea enzimelor oxidative, sărurile acestor elemente cresc rezistența organismului la hipoxie [13] .

Cesiu în organismele vii

Cesiul din organismele vii este un oligoelement chimic permanent în organismul plantelor și animalelor. Algele marine, de exemplu, conțin de la 0,01-0,1 μg de cesiu la 1 g de substanță uscată, plante terestre - 0,05-0,2 μg / g . Animalele primesc cesiu cu apă și hrană. În corpul artropodelor, aproximativ 0,067-0,503 μg / g de cesiu, reptile - 0,04 μg / g , mamifere - 0,05 μg / g . Principalul depozit de cesiu din corpul mamiferelor este mușchii, inima și ficatul; în sânge - până la 2,8 mcg / l . Cesiul este toxic relativ scăzut; rolul său biologic în organismul plantelor și animalelor nu a fost dezvăluit pe deplin.

Cesiu-137  este un izotop radioactiv al cesiului care emite radiații beta și raze gamma și una dintre principalele componente ale contaminării radioactive provocate de om a biosferei. Produs de fisiune al uraniului-235 , uraniu-238 , plutoniu-239 și alți izotopi fisionali. Conținut în precipitații radioactive, deșeuri radioactive, evacuări de la instalațiile care procesează deșeurile de la centralele nucleare. Intensiv absorbit de sol și sedimentele de fund; în apă este în principal sub formă de ioni. Se găsește în plante, animale și oameni. Rata de acumulare a Cs-137 este cea mai mare la algele de apă dulce și la plantele terestre arctice, în special la licheni. La animale, Cs-137 se acumulează în principal în mușchi și ficat. Cel mai mare coeficient de acumulare a fost observat la reni și păsările de apă din America de Nord. Se acumulează în ciuperci, dintre care un număr ( ​​boletus , ciuperci cu mușchi , svinushka , dulce- amăruie , ciuperca poloneză ) sunt considerate „acumulatori” de radiocesiu [14] .

Note

  1. Wieser și colab., 2013 , p. 1047-1078.
  2. 1 2 Lidin, 2000 .
  3. 1 2 Manualul unui chimist. - Ed. a 3-a, Rev. - L . : Chimie, 1971. - T. 2nd. — 1168 p.
  4. 1 2 3 Zefirov, 1999 .
  5. 1 2 3 Piața de cesiu, 2013 .
  6. Despre cesiu pe site-ul Uniunii Petrolului din Rusia
  7. JP Riley și Skirrow G. Chemical Oceanography V.I, 1965
  8. Audi și colab., 2017 .
  9. Ulrich Schwartz. Modificări metalice de înaltă presiune ale elementelor grupului principal. Z. Crystallogr. 219 (2004) 376-390  (link indisponibil)
  10. Ghid pentru sinteza anorganică. T. 3. Ed. Brauer G. M.: Mir 1985.
  11. Medicamente pentru boli mintale // Centrul Științific pentru Sănătate Mintală al Academiei Ruse de Științe Medicale
  12. Cesiu și rubidiu în corpul uman (link inaccesibil) . Data accesului: 9 decembrie 2010. Arhivat din original la 19 ianuarie 2012. 
  13. A. G. Shishkin. Cernobîl (link inaccesibil) (2003). — Studii radioecologice ale ciupercilor și fructelor sălbatice. Consultat la 27 iulie 2009. Arhivat din original la 22 februarie 2014. 

Literatură

Link -uri