Цезий металлический в ампулах

Цезий (Cs) — мягкий щелочной металл золотисто-белого цвета с атомным номером 55 и атомной массой 132,91. Относится к редким рассеянным элементам I группы периодической системы. Название происходит от латинского caesius — небесно-голубой, по характерным синим линиям в эмиссионном спектре, обнаруженным Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом в 1860 году. Металлический цезий в чистом виде впервые выделен шведским химиком К. Сеттербергом в 1882 году электролизом расплава смеси цианида цезия и бария.

Цезий — один из наиболее химически активных металлов (уступает только франции, практически отсутствующему в природе). На воздухе мгновенно окисляется с воспламенением, при контакте с водой реагирует со взрывом. По этой причине металлический цезий хранят и транспортируют только в герметичных стеклянных ампулах из боросиликатного стекла или в контейнерах из нержавеющей стали в атмосфере инертного газа (аргона). Промышленная потребность в цезии значительно превышает объёмы его добычи, что делает этот металл стратегически важным и дорогостоящим материалом.

Физические свойства цезия

Цезий обладает одной из самых низких температур плавления среди металлов — при комнатной температуре он находится в полужидком, пастообразном состоянии. Жидкий цезий представляет собой подвижную серебристую жидкость, хорошо отражающую свет. Пары окрашены в зеленовато-синий цвет. Кристаллизуется в объёмноцентрированной кубической решётке (тип α-Fe), параметр ячейки a = 0,6141 нм. Цезий — парамагнетик.

Важнейшее для практического применения свойство цезия — крайне низкая работа выхода электрона (1,89 эВ). Это означает высокую фотоэлектрическую чувствительность: цезиевый катод испускает поток электронов даже под действием инфракрасного излучения. По чувствительности к свету цезий занимает первое место среди металлов.

Химические свойства металлического цезия

Цезий — самый химически активный из стабильных металлов. Его высокая реакционная способность обусловлена не только большим отрицательным электрохимическим потенциалом, но и низкими температурами плавления и кипения. При нагревании быстро развивается большая контактная поверхность, что увеличивает скорость реакций.

Взаимодействие цезия с различными веществами

На воздухе металлический цезий мгновенно окисляется с воспламенением, образуя надпероксид CsO₂. При контакте с водой происходит взрыв с образованием гидроксида цезия CsOH и водорода. Цезий реагирует даже со льдом при температуре −120 °C. Бурно взаимодействует с сухим льдом (CO₂), простыми спиртами, галогеноорганическими соединениями, галогенидами тяжёлых металлов и кислотами.

С азотом цезий при обычных условиях не реагирует (в отличие от лития). При нагревании взаимодействует с графитом, образуя карбиды (C₈Cs, C₂₄Cs и др.). Со многими металлами цезий образует интерметаллические соединения (CsAu, CsSn₄).

Распространение цезия в природе

Среднее содержание цезия в земной коре составляет 3,7 г/т — это типичный редкий рассеянный элемент. Основная масса цезия в природе находится в рассеянной форме. Единственный промышленно значимый минерал — поллуцит (Cs,Na)₂Al₂Si₄O₁₂·H₂O, содержащий 26–32 % Cs₂O. В виде примесей цезий входит в лепидолит, флогопит, берилл, карналлит и другие минералы.

Крупнейшие запасы поллуцита сосредоточены на месторождении Берник-Лейк (Канада, провинция Манитоба) — около 70 % мировых запасов. Добыча ведётся также в Зимбабве и Намибии. В России месторождения цезиевых минералов известны на Кольском полуострове, в Восточном Саяне и Забайкалье.

Способы получения металлического цезия

Из руды цезий извлекается в виде соединений, после чего восстанавливается до металла. Промышленная технология включает две основные стадии: переработку поллуцита с получением соединений цезия и последующее восстановление до металлического состояния.

Переработка поллуцита

Применяют два основных метода вскрытия руды. При хлоридном — минерал обрабатывают подогретой соляной кислотой, далее добавляют хлорид сурьмы SbCl₃ для осаждения соединения Cs₃[Sb₂Cl₉], после чего промывкой получают хлорид цезия CsCl. При сульфатном — поллуцит обрабатывают серной кислотой с образованием алюмоцезиевых квасцов CsAl(SO₄)₂·12H₂O.

Кальциетермическое восстановление (метод Акспиля)

Наиболее распространённый промышленный метод получения металлического цезия — восстановление хлорида цезия металлическим кальцием в вакууме (метод французского химика Л. Акспиля, 1905 г.):

2CsCl + Ca → 2Cs↑ + CaCl₂

Процесс проводят при медленном нагревании до 700–800 °C и давлении 10⁻³–10⁻¹ мм рт. ст. Реакция обратима, но протекает в нужном направлении благодаря высокой летучести цезия — его пары удаляются из зоны реакции и конденсируются в холодной части аппарата. Извлечение металла составляет 90–95 %.

Глубокая очистка цезия

Для получения цезия высокой чистоты (99,9–99,999 %) требуется многократная ректификация в вакууме, очистка на металлокерамических фильтрах, нагревание с геттерами для удаления следов водорода, азота, кислорода и ступенчатая кристаллизация. Получение особо чистого цезия является одной из наиболее сложных задач в металлургии редких элементов.

Формы поставки цезия металлического

Ввиду исключительной химической активности металлический цезий поставляется только в герметичной упаковке в среде инертного газа. Основные формы:

Массовая доля цезия в продукции высокой чистоты составляет не менее 99,99–99,999 %. Требования к чистоте определяются конкретной областью применения.

Применение цезия в промышленности и науке

Практическое применение цезий нашёл только в начале XX века, после разработки технологии получения в чистом виде. Сегодня цезий и его соединения используются в электронике, радиотехнике, химической промышленности, оптике, ядерной энергетике и космической технике.

Фотоэлектрические приборы и электронная техника

Благодаря крайне низкой работе выхода электрона цезий незаменим при производстве фотоэлементов, фотоумножителей и электронно-лучевых трубок. Цезиевые фотоэлементы способны работать в широком диапазоне — от дальней ультрафиолетовой до коротковолновой инфракрасной области спектра. Для производства фотоэлементов цезий применяется в виде сплавов с сурьмой, серебром, барием или алюминием. Это основное по объёму потребление стабильного цезия-133.

Атомные часы и эталон времени

Резонансная частота перехода между подуровнями основного состояния атома ¹³³Cs положена в основу современного определения секунды в Международной системе единиц (СИ). Цезиевые атомные часы обеспечивают исключительную точность хранения времени.

Энергетика и МГД-генераторы

Цезиевая плазма является рабочим телом магнитогидродинамических (МГД) генераторов, обеспечивая повышенный КПД преобразования тепловой энергии в электрическую. Благодаря высокой теплоёмкости и теплопроводности цезий и его низкоплавкие сплавы (например, сплав Cs 94,5 % / Na 5,5 % с t_пл = −30 °C) применяются как теплоносители в ядерных реакторах и высокотемпературных турбоэнергетических установках.

Ионные двигатели космических аппаратов

Цезий применяется в ионных двигателях в качестве рабочего тела. Большая атомная масса и низкий потенциал ионизации делают его пригодным для создания тяги путём ускорения ионов в электрическом поле.

Катализ химических процессов

Соединения цезия используют как катализаторы и промоторы в органическом и неорганическом синтезе: при получении аммиака, серной кислоты, бутанола, в реакциях дегидрогенизации. Особенно эффективно совместное применение цезия с рубидием — оба металла значительно усиливают каталитическую активность друг друга.

Сцинтилляционные детекторы

Монокристаллы иодида цезия (CsI), активированные таллием, являются одним из наиболее распространённых сцинтилляторов. Они применяются в детекторах гамма-излучения и заряженных частиц в атомной технике, геологии, медицине и космических исследованиях.

Применение изотопа цезия-137

Радиоактивный ¹³⁷Cs (период полураспада 30,17 лет) — источник гамма-излучения, применяемый в гамма-дефектоскопии, измерительной технике, радиотерапии злокачественных опухолей, стерилизации пищевых продуктов и медицинских препаратов.

Хранение и требования безопасности при работе с цезием

Металлический цезий — чрезвычайно реакционноспособное вещество, требующее строгого соблюдения правил обращения. При хранении и транспортировке обязательны следующие условия:

При разгерметизации упаковки цезий мгновенно воспламеняется на воздухе. Тушение водой категорически запрещено. Для ликвидации возгорания применяют сухой песок, порошковые огнетушители или инертный газ. Работа с открытым цезием допускается только в инертной атмосфере (перчаточные боксы, сухие камеры).

Соединения цезия для промышленного применения

Помимо металлического цезия широкое применение находят его соединения. Хлорид цезия CsCl используют как электролит в топливных элементах, флюс при сварке молибдена, а также в ультрацентрифугировании белков. Фторид цезия CsF применяют в производстве пьезоэлектрической керамики и специальных стёкол. Карбонат цезия Cs₂CO₃ востребован в оптической промышленности. Формиат цезия CsHCOO используют в буровых растворах нефтегазовой отрасли благодаря высокой плотности раствора при низкой вязкости. Перечень основных соединений цезия и другие редкие металлы представлены в каталоге редких металлов.

Легкоплавкие сплавы на основе цезия

Цезий образует низкоплавкие сплавы с другими щелочными металлами. Практическое значение имеют следующие составы:

Эти сплавы представляют интерес как низкотемпературные теплоносители в энергетических установках, где необходимо обеспечить жидкофазное состояние рабочего тела при отрицательных температурах.

Биологическая роль и содержание цезия в организме

Стабильный изотоп ¹³³Cs является постоянным микроэлементом живых организмов. Морские водоросли содержат 0,01–0,1 мкг/г цезия, наземные растения — 0,05–0,2 мкг/г. Хлориды рубидия и цезия участвуют в газовом обмене, активируя деятельность окислительных ферментов, и повышают устойчивость организма к кислородному голоданию (гипоксии). Соединения стабильного цезия-133 в составе биохимического оборота не представляют опасности для здоровья. Радиоактивный изотоп ¹³⁷Cs, напротив, является опасным канцерогеном и источником радиоактивного загрязнения.