Цезий как химический элемент¶

Цезий (лат. Caesium, химический символ — Cs) — химический элемент 1-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы первой группы), шестого периода периодической системы, атомный номер 55. Относится к группе щелочных металлов. Простое вещество цезий — мягкий, легкоплавкий серебристо-золотистый металл, один из самых химически активных элементов периодической таблицы.

¶История открытия

Цезий был открыт в 1860 году немецкими учёными Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом при спектральном анализе воды из минерального источника в Бад-Дюркхайме (Германия). Исследуя спектр образца, они обнаружили две яркие линии в синей части спектра, отсутствовавшие у известных тогда элементов. От латинского caesius — «небесно-голубой» — элемент и получил своё название.

Металлический цезий впервые выделил в 1882 году шведский химик Карл Сеттерберг электролизом расплава смеси цианида цезия и бария. До середины XX века элемент оставался редким лабораторным объектом; его практическое значение резко возросло после развития атомной техники и электроники.

¶Физические и химические свойства

Цезий — самый химически активный из стабильных металлов. На воздухе мгновенно окисляется и воспламеняется, бурно реагирует с водой с выделением водорода и воспламенением, поэтому хранится в запаянных ампулах под инертным газом или в вакууме.

Ключевые характеристики:

Температура плавления цезия близка к комнатной: в жарком помещении металл может находиться в жидком состоянии. По электроотрицательности цезий уступает только францию — радиоактивному элементу с коротким периодом полураспада. В соединениях проявляет единственную степень окисления +1.

¶Распространение в природе

Цезий — редкий рассеянный элемент, его содержание в земной коре оценивается примерно в 3,7·10⁻⁴ %. Собственные минералы цезия крайне редки; важнейший из них — поллуцит (алюмосиликат цезия). Промышленно значимые концентрации связаны также с лепидолитом и карналлитом. Основные месторождения поллуцита расположены в Канаде, Намибии, Зимбабве и Португалии. Изотоп ¹³⁷Cs образуется при делении ядер урана в реакторах и при испытаниях ядерного оружия, является одним из главных компонентов радиоактивного загрязнения.

¶Получение

Металлический цезий получают термическим восстановлением его солей (например, хлорида или хромата) кальцием, магнием или алюминием в вакууме, а также электролизом расплавов. Высокая чистота достигается вакуумной дистилляцией. Мировое производство элемента невелико — порядка десятков тонн в год в пересчёте на соединения.

¶Применение

Благодаря уникальным свойствам цезий используется в нескольких ключевых областях.

¶Атомные стандарты частоты

Цезий-133 лежит в основе определения секунды в Международной системе единиц (СИ): секунда определяется как 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Цезиевые стандарты частоты обеспечивают наивысшую точность измерения времени и применяются в навигационных спутниковых системах, телекоммуникациях и метрологии.

¶Фотоэлектроника

Соединения цезия (в частности, сплавы с сурьмой, кислородом, галогенидами) используются для изготовления фотокатодов, чувствительных к видимому и инфракрасному излучению. Такие фотокатоды применяются в фотоэлектронных умножителях, приборах ночного видения и телевизионных передающих трубках.

¶Энергетика и металлургия

Цезий применяется как геттер (поглотитель остаточных газов) в вакуумных приборах, как компонент электролитов в топливных элементах, а также в качестве теплоносителя в некоторых ядерных и космических энергетических установках. Добавки цезия улучшают свойства некоторых сплавов и катализаторов.

¶Прочие области

Изотоп ¹³⁷Cs используется в медицине (лучевая терапия), в радиационных технологиях и в геологии для датирования пород. Соли цезия применяются в буровых растворах повышенной плотности.

¶Биологическое действие и безопасность

Стабильный цезий не проявляет выраженной токсичности, однако его соединения могут раздражать кожу и слизистые. Основную опасность представляет радиоактивный ¹³⁷Cs: попадая в организм, он накапливается преимущественно в мышцах и мягких тканях, создавая внутреннее облучение. Период полураспада ¹³⁷Cs составляет около 30 лет, что делает его долговременным фактором радиационного риска. Меры защиты включают ограничение поступления загрязнённых продуктов и применение сорбентов (например, ферроцина).

¶Интересные факты

• Цезий — единственный металл, который в тёплом помещении может плавиться от тепла руки.
• Именно цезиевые часы служат первичным эталоном времени на планете.
• Название элемента дало имя цвету «цезиевый» в спектроскопии, обозначающему оттенок синей линии.