2. Нахождение в природе

Цезий относится к числу редких химических элементов. Полагают, что его содержание в земной коре во всяком случае в несколько сот раз меньше, чем другого редкого элемента - рубидия, и не превышает 7·10-⁴ %.

Цезий встречается в крайне рассеянном состоянии (порядка тысячных долей процента) во многих горных породах; ничтожные количества этого металла были обнаружены и в морской воде. В большей концентрации (до нескольких десятых процента) он содержится в некоторых калиевых и литиевых минералах. Однако, в отличие от большинства других редких элементов, цезий образует собственные минералы - Поллуцит, Авогадрит, Родицит, Лепидолит, Биотит, Амазонит, Лейцит и другие. Все они, кроме Авогадрита, являются алюмоселикатами. Родицит ( R₂O · 2Al₂O₃ · 3B₂O₃ ) крайне редок. Авогадрит (K, Cs) [BF₄] тоже редок, да и Поллуциты встречаются нечасто; их залежи маломощны, зато цезия они содержат не менее 20, а иногда и до 35%. поэтому наибольшее практическое значение имеют как раз они.

Поллуциты - сложные и весьма прочные соединения. Их состав определяют формулой (Cs, Na) [AlSi₂O₆] · nH₂O, и хотя цезия в них много, извлечь его не так просто. Чтобы перевести в растворимую форму ценные компоненты минерала, его обрабатывают при нагревании концентрированными минеральными кислотами - соляной и серной. Затем освобождают раствор от всех тяжелых и легких металлов и, что особенно трудно, от постоянных спутников цезия - щелочных металлов: калия, натрия и рубидия.

3. Методы получения

Промышленности требуется цезий особой чистоты, и в настоящем основным способом получения подобного материала (несмотря на взрывоопасность процесса) является длительное разложение небольших количеств азида цезия в вакууме.

Обычно выделяют два основных способа извлечения цезия в виде соединений из поллуцита:

1) Хлоридное вскрытие - минерал обрабатывается подогретой соляной кислотой, а потом при добавлении SbCl3 осаждают Cs3[Sb2Cl9], который затем обрабатывают горячей водой или раствором аммиака.

2) Сульфатное вскрытие - минерал обрабатывается подогретой серной кислотой, в результате чего получают алюмо-цезиевые квасцы ( CsAl(SO4)2 · 12H2O ).

Чтобы понять всю сложность решения этой задачи, достаточно знать, что первооткрывателю цезия - крупнейшему немецкому химику Бунзену - так и не удалось получить этот элемент в свободном состоянии: все способы, пригодные для восстановления других металлов, не дали желаемых результатов.

Металлический цезий был впервые получен только через 20 лет, в 1882 г., шведским химиком Сеттербергом в процессе электролиза расплавленной смеси цианидов цезия и бария, взятых в отношении 4:1. Цианид бария добавляли для снижения температуры плавления. Однако барий загрязнял конечный продукт, а работать с цианидами было трудно ввиду их крайней токсичности. Но выход цезия при этом способе был весьма мал.

Более рациональный способ был найден в 1890 г. известным русским химиком Н.Н. Бекетовым, предложившим восстанавливать гидроокись цезия металлическим магнием в водороде при повышенной температуре. Водород заполняет прибор и препятствует окислению цезия, который отгоняется в специальный приемник. Однако и в этом случае выход цезия не превышает 50% теоретического.

Наилучшее же решение трудной задачи получения металлического цезия было найдено в 1911 г. французским химиком Акспилем. При методе Акспиля, до сих пор остающемся наиболее распространенным, хлорид цезия восстанавливают металлическим кальцием в вакууме, причем реакция

2CsCl + Ca > CaCl₂ + 2Cs

идет практически до конца. Процесс ведут в специальном приборе из кварца или тугоплавкого стекла, снабженном отростком. Если давление снижено почти до вакуума, температура процесса может не превышать 675°C. Выделяющийся в результате реакции цезий испаряется и отгоняется в отросток, а хлористый кальций полностью остается в реакторе, так как в этих условиях летучесть соли ничтожна (температура плавления CaCl₂ равна 773°C, т.е. на 100°C выше температуры процесса). В результате повторной дистилляции в вакууме получается абсолютно чистый металлический цезий.

Существует еще множество других способов получения цезия, но все они не сравнятся по рациональности с методом Акспиля, являясь при этом еще и довольно трудоемкими. Пожалуй лишь разложение азида металла может встать с этим методом в один ряд, т.к. позволяет получать очень чистый металлический цезий, но тем не менее способ этот очень опасен.

4. Свойства

Цезий - один из самых легкоплавких металлов: он плавится при 28,5°C, кипит при 705°C в обычных условиях и при 330°C в вакууме. Легкоплавкость цезия сочетается с большой легкостью. Несмотря на довольно большую атомную массу (132,905) элемента, его плотность при 20°C всего 1,87. Цезий во много раз легче своих соседей по менделеевской таблице. Лантан, например, имеющий почти такую же атомную массу, по плотности превосходит цезий в три с лишним раза. Цезий всего вдвое тяжелее натрия, а их атомные массы относятся, как 6:1. цезий оптика энергетика

Самое замечательное свойство цезия - его исключительно высокая активность. По чувствительности к свету он превосходит все другие металлы.

Он очень быстро реагирует с кислородом и не только моментально воспламеняется на воздухе, но способен поглощать малейшие следы кислорода в условиях глубокого вакуума. Воду он бурно разлагает уже при обычной температуре; при этом выделяется много тепла, и вытесняемый из воды водород тут же воспламеняется:

2Cs + 2H₂O = 2CsOH + H_2;

Цезий взаимодействует даже со льдом при -116°C, поэтому его хранение требует большой предосторожности.

Цезий взаимодействует и с углеродом. Только самая совершенная модификация углерода - алмаз - в состоянии противостоять его «натиску». Жидкий расплавленный цезий и его пары разрыхляют сажу, древесный уголь и даже графит, внедряясь между атомами углерода и образуя своеобразные, довольно прочные соединения золотисто-желтого цвета, которые в пределе, по-видимому, отвечают составу C₈Cs₅. Они воспламеняются на воздухе, вытесняют водород из воды, а при нагревании разлагаются и отдают весь поглощенный цезий.

Даже при обычной температуре реакции цезия с фтором, хлором и другими галогенами сопровождаются воспламенением:

2Cs + Сl₂ = 2CsСl;

а с серой и фосфором - взрывом:

2CS + S = Cs₂S;

При нагревании цезий соединяется с водородом, азотом и другими элементами, а при 300°C разрушает стекло и фарфор. Гидриды, получаемые реакцией: 2Cs + Н₂ = 2CsH, и дейтериды цезия легко воспламеняются на воздухе, а также в атмосфере фтора и хлора. Неустойчивы, а иногда огнеопасны и взрывчаты соединения цезия с азотом, бором, кремнием и германием, а также с окисью углерода. Галоидные соединения цезия и цезиевые соли большинства кислот, напротив, очень прочны и устойчивы. Активность исходного цезия проявляется у них разве только в хорошей растворимости подавляющего большинства солей. Кроме того, они легко превращаются в более сложные комплексные соединения. Цезий растворяется почти во всех кислотах с образованием солей: 2Cs + 2НСl = 2CsСl + Н₂

Сплавы и интерметаллические соединения цезия всегда сравнительно легкоплавки.

У цезия имеется еще одно весьма важное свойство, тесно связанное с его электронной структурой. Дело в том, что он теряет свой единственный валентный электрон ( валентность цезия постоянно равна единице ) легче, чем любой другой металл; для этого необходима очень незначительная энергия - всего 3,89 эВ. Поэтому получение плазмы из цезия требует гораздо меньших энергетических затрат, чем при использовании любого другого химического элемента.

5. Применение

Цезий длительное время после своего открытия представлял чисто научный интерес, но в начале XX века, в связи с разработкой технологии его получения в чистом виде и нахождением ряда (хотя и очень редких) собственных минералов, постепенно вошел в сферу человеческой деятельности и развитие технологий, и приобрел ряд весьма важных и стратегических областей своего применения.

В настоящее время цезий и его соединения применяются в электронике, радио-, электро-, рентгенотехнике, химической промышленности, оптике, медицине, ядерной энергетике. В основном применяется стабильный природный цезий-133, и ограниченно -- его радиоактивный изотоп цезий-137, выделяемый из суммы осколков деления урана, плутония, тория в реакторах АЭС.

Значительное практическое применение цезия имеет производство фотоэлектрических приборов -- фотоэлементов, фотоумножителей. Цезий является элементом с наиболее низкой работой выхода электрона и соответственно затраты энергии излучения для получения электрического тока в приборах на его основе наиболее низкие. В связи с этим приборы на основе цезия наиболее чувствительны к воздействию излучения и кроме того обладают весьма малой инерционностью.

В фотоэлементах цезий обычно применяется в виде сплавов с сурьмой, кальцием, барием, алюминием, или серебром (для улучшения эффективности, экономии чрезвычайно дорогого цезия и удобства использования), кроме того, недавно обнаружено свойство цезия при диффузии в золото очень резко снижать работу выхода.

Диапазон работы таких фотоэлементов очень широк: от дальней ультрафиолетовой, до видимой и дальней инфракрасной области электромагнитного излучения. В этой связи применение цезия намного более эффективно, чем применение рубидия.

6. Оптика

Йодид и бромид цезия применяются в качестве оптических материалов в специальной оптике -- инфракрасные приборы, очки и бинокли ночного видения, прицелы, обнаружение техники и живой силы противника (в том числе из космоса).

Источники света. В электротехнике цезий применяется в изготовлении светящихся трубок, где он применяется в виде соединений с цирконием или оловом (метацирконаты и ортостаннаты цезия).

Катализаторы. Цезий нашел большое применение в производственной химии в качестве катализатора (органический и неорганический синтез). Каталитическая активность цезия используется в процессах получения аммиака, серной кислоты, бутилового спирта, в реакциях дегидрогенизации и при получении муравьиной кислоты. Особенно эффективным является применения цезия как промотора при каталитическом получении аммиака, синтезе бутадиена, и имеет очень большое экономическое значение так как резко увеличивает эффективность синтеза. Очень большое значение приобрел рутений-цезий-углеродный катализатор. В целом применение цезия в катализе имеет не только большую сферу его потребления но и большие перспективы дальнейшего развития. В ряде катализаторов оказалось чрезвычайно эффективным применение цезия совместно с рубидием (оба металла значительно увеличивают каталитическую активность друг друга). Цезий промотирует действие серебряного катализатора, и повышает его селективность при эпоксидировании этилена.

Изотопы. Радиоактивный изотоп цезий-137 (период полураспада 33 года) используется гамма-дефектоскопии, измерительной технике и при стерилизации пищевых продуктов (консервы, туши птиц и животных, мяса), а также для стерилизации медицинских препаратов и лекарств. В радиотерапии - для лечения злокачественных опухолей ( кроме того на основе соединений цезия созданы эффективные лекарственные препараты для лечения язвенных заболеваний, дифтерии, шоков, шизофрении. Так же цезий-137 используется в производстве радиоизотопных источников тока, где он применяется в виде хлорида.