Хлорид цезия

Хлорид цезия (цезий хлористый, CsCl) — неорганическое бинарное соединение цезия с хлором, цезиевая соль хлороводородной кислоты. В кристаллическом состоянии представляет собой бесцветное (в крупнокристаллическом виде) или белое (в виде порошка) вещество с ионной структурой. Соединение термически устойчиво, нелетуче, хорошо растворимо в воде и концентрированной соляной кислоте. В природе встречается в виде примеси к минералам карналлиту (до 0,002 %), сильвину и каиниту, а также в небольших количествах содержится в минеральных водах. Мировое годовое производство CsCl не превышает 20 тонн.

Физические свойства хлорида цезия

Хлорид цезия — гигроскопичное вещество, способное расплываться на воздухе. Кристаллогидратов не образует. Растворим в метаноле, муравьиной кислоте, малорастворим в этаноле, практически нерастворим в ацетоне. Ниже приведены основные физико-химические характеристики CsCl.

Кристаллическая структура цезия хлористого

Кристаллическая решётка CsCl — примитивная кубическая (пространственная группа Pm3̄m), параметр ячейки a = 0,410 нм. В этой структуре каждый ион Cs⁺ координирован восемью ионами Cl⁻, и наоборот — координационное число равно 8 для обоих ионов. Такой тип укладки получил в кристаллохимии собственное название — «структурный тип хлорида цезия» — и является эталонным для описания соединений состава AX с близкими размерами ионов.

При нагреве выше 445–454 °С α-CsCl обратимо переходит в модификацию β-CsCl с кристаллической структурой типа NaCl (пространственная группа Fm3̄m, a = 0,694 нм).

Растворимость хлорида цезия в воде

CsCl отличается высокой растворимостью в воде: 186,5 г на 100 г воды при 20 °С, что соответствует примерно 1865 г/л. При повышении температуры растворимость возрастает: 250 г/100 г H₂O при 80 °С и 270,5 г/100 г H₂O при 100 °С. В отличие от хлоридов натрия и калия, CsCl хорошо растворяется в концентрированной соляной кислоте. Концентрированные водные растворы CsCl обладают высокой плотностью при относительно невысокой вязкости — это свойство определяет ряд специфических применений соединения в лабораторной практике.

Химические свойства CsCl

Хлорид цезия — типичный ионный кристалл. При растворении в воде практически полностью диссоциирует на ионы Cs⁺ и Cl⁻. Раствор имеет нейтральную реакцию. В водных растворах вступает в реакции обмена с образованием малорастворимых соединений цезия. CsCl является химически устойчивым соединением и очень слабым восстановителем: окисление хлорид-иона до свободного хлора происходит только под действием сильных окислителей в жёстких условиях. При нагревании твёрдого CsCl с концентрированной серной кислотой образуется сульфат цезия и выделяется хлороводород.

Природные источники и промышленное получение цезия хлористого

Природные источники CsCl

Хлорид цезия в чистом виде в природе не встречается. Ионы цезия в следовых количествах входят в состав минералов карналлита, сильвина, каинита. Основным промышленным минералом цезия является поллуцит — алюмосиликат состава (Cs,Na)₂Al₂Si₄O₁₂·2H₂O. Именно из поллуцитовых руд извлекают соединения цезия, в том числе хлорид. Впервые цезий был обнаружен в минеральной воде Дюркхеймского источника (Германия), где содержание CsCl достигает 0,17 мг/л.

Лабораторный синтез хлорида цезия

В лабораторных условиях CsCl получают взаимодействием соляной кислоты с различными соединениями цезия: гидроксидом, карбонатом, гидрокарбонатом или сульфидом цезия. Реакции протекают с выделением воды, углекислого газа или сероводорода соответственно, конечным продуктом во всех случаях является водный раствор хлорида цезия, из которого соль выделяют упариванием и кристаллизацией.

Применение хлорида цезия в промышленности и науке

Несмотря на малый объём мирового производства, хлорид цезия востребован в ряде высокотехнологичных отраслей. CsCl используется как сырьё для получения металлического цезия, а также как исходное вещество для синтеза других соединений цезия.

Радиоэлектроника и оптика

В радиоэлектронной промышленности хлорид цезия применяется при изготовлении вакуумных трубок для радио- и телеаппаратуры, производстве рентгенофлуоресцентных экранов и фотоэлементов. Монокристаллы CsCl прозрачны в широком спектральном диапазоне (от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного — примерно 0,2–55 мкм), что позволяет использовать их в инфракрасной спектроскопии в качестве призм и окон для кювет.

Ультрацентрифугирование в биохимии и молекулярной биологии

Одно из основных современных направлений использования CsCl — приготовление рабочих растворов для ультрацентрифугирования в градиенте плотности (метод изопикнического центрифугирования). Растворы хлорида цезия обладают высокой плотностью при относительно низкой вязкости и химически стабильны, что позволяет эффективно разделять биомолекулы — ДНК, РНК, вирусные частицы — по разнице их плотности.

Аналитическая химия

CsCl используется в аналитической химии как качественный реагент — для обнаружения ионов по цвету и морфологии осадков. Применяется также в качестве подавляющей жидкости для капельного анализа трёхвалентного хрома и галлия, как стационарная жидкость в высокотемпературной газовой хроматографии.

Металлургия и электрохимия

Хлорид цезия находит применение как флюс при сварке тугоплавких металлов (молибдена, вольфрама), а также как компонент электролитов в топливных элементах. CsCl служит сырьём для получения металлического цезия методом восстановления кальцием в вакууме. Кроме того, соединение применяется в производстве электропроводящего стекла.

Радиография и лучевая терапия

CsCl, обогащённый радиоизотопом цезий-137, применяется в лучевой терапии и в радиографии в качестве контрастного вещества. Следует различать стабильный изотоп ¹³³Cs (безопасный) и радиоактивный ¹³⁷Cs, применение которого требует строгого соблюдения радиационной безопасности.

Токсичность и меры безопасности при работе с CsCl

Стабильный (нерадиоактивный) хлорид цезия является малотоксичным соединением. По российской классификации относится к 4-му классу опасности (малоопасные вещества). Показатели острой токсичности:

Токсическое действие CsCl в больших дозах обусловлено способностью ионов Cs⁺ вытеснять ионы калия из биохимических процессов, что может приводить к гипокалиемии и нарушению сердечного ритма. Пыль соединения способна вызвать раздражение верхних дыхательных путей. При работе с CsCl необходимо использовать стандартные средства индивидуальной защиты: перчатки, защитные очки. Хранить вещество следует в герметично закрытой таре вследствие его гигроскопичности.

Формы поставки хлорида цезия

Хлорид цезия поставляется в виде белого кристаллического порошка различных квалификаций чистоты: технический, химически чистый (хч), чистый для анализа (чда), высокочистый (99,99 % и выше). Фасовка — от лабораторных навесок до промышленных партий. Вещество упаковывается в герметичную тару, исключающую контакт с влагой воздуха. Помимо хлорида цезия, для различных технических задач могут потребоваться другие галогениды цезия — например, бромид цезия.

Гарантийный срок хранения CsCl квалификации хч — 3 года с даты изготовления при хранении в закрытой таре при комнатной температуре.