Цезий характеристика элемента. Цезий. Свойства цезия. Применение цезия. Характеристика простого вещества, промышленное получение и применение металлического цезия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Цезий расположен в шестом периоде I группе главной (A) подгруппе Периодической таблицы.

Относится к семейству s -элементов. Металл. Обозначение - Cs. Порядковый номер - 55. Относительная атомная масса - 132,95 а.е.м.

Электронное строение атома цезия

Атом цезия состоит из положительно заряженного ядра (+55), внутри которого есть 55 протонов и 78 нейтронов, а вокруг, по шести орбитам движутся 55 электронов.

Рис.1. Схематическое строение атома цезия.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

55Cs) 2) 8) 18) 18) 8) 1 ;

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 6 6s 1 .

Внешний энергетический уровень атома цезия содержит 1 электрон, который является валентным. Возбужденного состояния нет. Энергетическая диаграмма основного состояния принимает следующий вид:

Валентный электрон атома цезия можно охарактеризовать набором из четырех квантовых чисел: n (главное квантовое), l (орбитальное), m l (магнитное) и s (спиновое):

Подуровень

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Атому элемента марганец отвечает сокращенная электронная формула: [ 18 Ar]3d 5 4s 2 ; [ 18 Ar, 3d 10 ]4s 2 4p 5 ; [ 10 Ne]3s 2 3p 5 ; [ 36 Кr]4d 5 5s 2 ;
Решение	Будем по очереди расшифровывать сокращенные электронные формулы, чтобы обнаружить ту, которая соответствует атому марганца в основном состоянии. Порядковый номер этого элемента равен 25. Запишем электронную конфигурацию аргона: 18 Ar1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 . Тогда, полная ионная формула будет иметь вид: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2 . Общее количество электронов в электронной оболочке совпадает с порядковым номером элемента в Периодической таблице. Оно равно 25. Такой порядковый номер имеет марганец.
Ответ	Вариант 1

Тает в руках, но не снег – загадка из раздела «химия». Отгадка – цезий . Температура плавления этого металла равна 24,5 градусам Цельсия. Вещество, буквально утекающее сквозь пальцы, открыто в 1860-ом году. Цезий стал первым элементом, обнаруженным с помощью спектрального анализа.

Провели его Роберт Бунзен и Густав Киргоф. Химики изучали воды минеральных источников в Дюркхейме. Обнаружили магний, литий, кальций, . Напоследок, поместили каплю воды в спектроскоп и увидели две линии синего цвета – свидетельство присутствия неизвестного вещества.

Для начала выделили его хлороплатинат. Ради 50 граммов переработали 300 тонн минеральной воды. С названием нового металла мудрить не стали. С латинского «цезий» переводится как «голубой».

Химические и физические свойства цезия

В спектроскопе металл лучится ярко-синий. В реальности же элемент схож с , немного светлее его. В жидком состоянии желтизна цезия уходит, расплав становится серебристым. Добыть сырье для опытов непросто.

Из металлов элемент самый редкий и рассеянный в земной коре. В природе встречается лишь один изотоп – цезий 133 . Он полностью устойчив, то есть не подвержен радиоактивному распаду.

Радиоактивные изотопы металла получены искусственно. 135-ый цезий – долгожитель. Период его полураспада приближается к 3 000 000 лет. Цезий 137 наполовину распадается за 33,5 года. Изотоп признан одним из основных источников загрязнения биосферы.

В нее нуклид попадает из сбросов заводов, атомных станций. Период полураспада цезия позволяет ему проникать в воды, почву, растения, накапливаться в них. Особенно много 137-го изотопа в пресноводных водорослях и лишайниках.

Будучи самым редким из металлов, цезий является еще и самым активным. Элемент щелочной, расположен в главной подгруппе 1-ой группы периодической системы, что уже обязывает вещество легко вступать в химические реакции. Их течение усиливает присутствие воды. Так, на воздухе атом цезия взрывается из-за нахождения ее паров в атмосфере.

Взаимодействие с водой сопровождается взрывом, даже если она замерзшая. Реакция со льдом возможна при -120-ти градусах Цельсия. Сухой лед – не исключение. Взрыв неизбежен и при контакте цезия с кислотами, простыми спиртами, галогенидами тяжелых металлов галогенами органического типа.

Взаимодействия легко запускаются по 2-м причинам. Первая – сильный отрицательный электрохимический потенциал. То есть, атом заряжен отрицательно, стремится притянуть к себе иные частицы.

Вторая причина – площадь поверхности цезия при реакциях с другими веществами. Тая в комнатных условиях, элемент растекается. Получается, что для взаимодействия открыто большее число атомов.

Активность элемента привела к отсутствии его чистой формы в природе. Встречаются лишь соединения, к примеру, . В их числе: хлорид цезия , фторид, йодит, азит, цианит, бромид и карбонат цезия . Все соли 55-го элемента легко растворяются в воде.

Если же работа ведется с гидроксидом цезия , бояться нужно не его растворения, а того, что он сам способен разрушить, к примеру, стекло. Его структура нарушается реагентом уже при комнатной температуре. Стоит повысить градус, гидроксид не пощадит и кобальт, , корунд, и железо.

Реакции проходят особенно быстро в кислородной среде. Противостоять гидроксиду цезия способен только . Во взаимодействие с 55-ым элементом не вступает и азот. Азит цезия получают только косвенным путем.

Применение цезия

Цезий, формула которого обеспечивает низкую работу выхода электрона, пригождается при изготовлении фотоэлементов. В приборах на основе 55-го вещества затраты на получение тока минимальны. Чувствительность же к излучению, напротив, максимальна.

Чтобы фотоэлектрическое оборудование не стоило запредельно из-за редкости цезия, его сплавляют с , , , . Как источник тока цезий применяется в топливных элементах. Твердый электролит на основе 55-го металла – часть автомобилей и высокоэнергоемких аккумуляторов.

Применяют 55-ый металл и в счетчиках заряженных частиц. Для них закупают йодит цезия. Активированный таллием, он регистрирует почти любые излучения. Цезиевые детекторы приобретают для атомных предприятий, геологической разведки, медицинских клиник.

Пользуются приборами и космической отрасли. В частности, «Марс-5» изучил элементарный состав поверхности красной планеты именно благодаря гамма-спектрометру на основе цезия.

Способность улавливать инфракрасные лучи – причина для применения в оптике. В нее добавляют бромид цезия и оксид цезия . Он есть в биноклях и очках ночного видения, оружейных прицелах. Последние, срабатывают даже из космоса.

137-ой изотоп элемента тоже нашел достойное применение. Радиоактивный нуклид не только загрязняет атмосферу, но и стерилизует продукты, точнее, тару для них. Полураспад цезия долог. Можно обработать миллионы консервов. Порой, стерилизуют и мясо – туши птиц и .

Обрабатывать 137-ым изотопом можно и медицинские инструменты, лекарства. Нуклид нужен и в самом лечении, если дело касается опухолей. Метод называется радиотерапией. Препараты с цезием дают и при шизофрении, дифтерии, язвенных заболеваниях, некоторых видах шока.

Металлурги нуждаются в чистом элементе. Его примешивают к сплавам и . Добавка повышает их жаропрочность. У , к примеру, она увеличивается втрое при цезия всего в 0,3%.

Растет и прочность на разрыв, стойкость к коррозии. Правда, промышленники ищут альтернативу 55-му элементу. Слишком уж он дефицитен, не выгоден в цене.

Добыча цезия

Металл выделяют из поллуцита. Это водный алюмосиликат и цезия. Минералов, содержащих 55-ый элемент единицы. В поллуците процентовка цезия делает добычу экономически обоснованной. Немало металла и в авогардите. Однако, этот камень сам столь же редок, как и цезий.

Промышленники вскрывают поллуцит хлоридами или сульфатами . Цезий из камня выделяют, погружая его в подогретую соляную кислоту. Туда же засыпают хлорид сурьмы. Образуется осадок.

Его промывают горячей водой. Итог операций – хлорид цезия. При работе с сульфатом, поллуцит погружают в серную кислоту. На выходе образуются алюмоцезиевые квасцы.

В лабораториях применяют другие методы получения 55-го элемента. Их 3, все трудоемки. Можно нагреть дихромат и хромат цезия с цирконием. Но, для этого требуется вакуум. Он нужен и для разложения азида цезия. Без вакуума обходятся лишь при нагреве специально подготовленного кальция и хлорида 55-го металла.

Цена цезия

В России добычей и переработкой поллуцита занимается Завод редких металлов в Новосибирске. Продукцию предлагает и Горно-обогатительный комбинат Ловозерска. Последний предлагает цезий в ампулах по 10 и 15 миллиграммов.

Они идут в пачках по 1000 штук. Минимальная цена – 6000 рублей. Севредмет тоже торгует ампулами, но готов осуществлять поставки меньших объемов, — от 250-ти граммов.

Если чистота металла 99,9%, за один грамм, как правило, просят в районе 15-20-ти долларов США. Речь идет об устойчивом 133-ем изотопе 55-го элемента периодической системы .

(Caesium; от лат. caesius - голубой), Cs - хим. элемент I группы периодической системы элементов; ат, н. 55, ат. м. 132,9054. Серебристо-белый металл. В соединениях про являет степень окисления +1 Природный Ц. состоит из стабильного изотопа 133Cs. Получены 22 радиоактивных изотопа, из к-рых наибольшее практическое применение находи изотоп 137Cs с периодом полураспада 27 лет. Цезий открыли (1860) немецкий химик Р. В. Бунзен и немецкий физик Г. P. Кирхгоф при изучении спектра солей щелочных металлов, полученных из воды Дюркгеймского минерального источника.

Металлический цезий впервые получил (1882) К. Сеттерберг электролизом расплава смеси цианидов цезия и бария. Цезий относится к редким элементам. Содержание его в земной коре 3,7 10-4% в природе из-за большой активности в свободном состоянии не встречается. Ц. обнаружен в составе 78 минералов; наибольшее количество его содержится в цезиевых минералах: поллуците (до 36% Cs20), воробьевите и авогадрите (до 7,5% Cs20). В небольших количествах (от 0,004 до 0,001% и меньше) содержится во мн. горных породах: базальтах, гранитах, диабазах, сиенитах, нефелинах, слюдах, полевых шпатах, известняках, глинистых сланцах и др. Основные источники получения Ц. поллуцит, карналлит, рапа соленых озер, рассолы и грязи морского типа. Кристаллическая решетка Ц. объемноцентрированная кубическая спериодом а = 6,05 А (т-ра - 175° С).

Атомный радиус 2,65 А, ионный радиус Cs+ равен 165 А. Плотность1,9039 (т-ра 0°С) и 1,880 г/см3 (т-ра 26,85° С); tпл 28,60° С; tкип 685,85°С; ср. коэфф. линейного расширения (в интервале т-р 0-26° С) 9,7-10-5 град-1; коэфф. теплопроводности (т-ра 28,5° С) 0,04 - 0,065 кал/см -сек-град; теплоемкость ср 7,24 (т-ра 0° С) и 7,69 кал/г-атом град (т-ра 25° С); удельное электрическое сопротивление 18,30 (т-ра 0° С) и 21,25 мком см (т-ра 26,85° С). Металлический Ц. пар амагнитен. Цезий - мягкий пластичный металл. Твердость по шкале Мооса 0,2; НВ - = 0,015; модуль норм- упругости 175 кгс/мм2; сжимаемость при комнатной т-ре 7,0-Ю-5 кгс/см2. Металлический цезий отличается самой высокой реакционной способностью среди щелочных элементов. На воздухе мгновенно окисляется с воспламенением, образуя перекись и надперекись.

С водородом при т-ре 200-350° С и давлении 50-100 ат. образует гидрид CsH — белое кристаллическое вещество, воспламеняющееся во влажной среде, в среде хлора и фтора. С кислородом, в зависимости от условий, даёт:окись Cs2O — красно-коричневые кристаллы, расплывающиеся на воздухе;перекись Cs2O2 — гигроскопичные кристаллы желтого цвета;надперекись CsO2 — желтые кристаллы, при температуре выше 180 ° С изменяют цвет на оранжевый;озонид CsО3 — мелкокристаллический оранжевый — красный порошок; гидроокись CsOH -белое кристаллическое вещество, быстро расплывающееся на воздухе. Ц. непосредственно соединяется с галогенами (с воспламенением), образуя галогениди CsF, CsCl, СsВг в Csl - бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде и мн. органических растворителях.

В жидком азоте при электрическом разряде между электродами из цезием получают нитрид Cs3N - гигроскопический малоустойчивый порошок серовато-зеленого или синего цвета. Азид CsN3 - желто-белые кристаллы. Известны соединения Ц. с серой, селеном и теллуром - халькогениды. С серой цезий образует сульфид Cs2S - растворимый в воде темно-красный кристаллический порошок. Кроме того, получены ди-, три-и пентасульфиды. Ц. с селеном и теллуром образует кристаллические соединения: белый порошок селенида Cs2Se и светло-желтый порошок теллурида Cs2Te, разлагающиеся на воздухе. С кремнием образует силицид CsSi — кристаллическое вещество желтого цвета, воспламеняющееся на воздухе; при взаимодействии с водой воспламеняется со взрывом. Известны соединения Ц. с фосфором — . При замене водорода в неорганической к-те на Ц. получают соответствующие соли: сульфат, нитрат, карбонат и др.

Со многими металлами, включая щелочные, Цезий образует и интерметаллические соединения, из которых наиболее важны соединения с висмутом, сурьмой, золотом и ртутью. В реакциях с неорганическими соединениями цезий ведёт себя как сильный восстановитель. С двуокисью углерода и четырёххлористым углеродом взаимодействует ствует со взрывом. Металлический Ц, получают в основном, действуя на соли Ц., напр. на , магнием или кальцием при высоких

т-рах в вакууме. Для получения Ц. применяют также электрохимический способ, по к-рому при электролизе, напр., CsCl на жидком свинцовом катоде получают свинцовоцезиевый сплав, из к-рого Ц. удаляют вакуумной дистилляцией. Небольшие количества Ц. получают восстановлением его хромата (Cs2Cr04) порошкообразным цирконием при т-ре 650° С или разложением CsN3 при т-ре 390- 395° С в вакууме.

Области применения Цезия

Его используют в фотоэлементах; в фотоэлектронных умножителях, предназначенных для сцинтилляционных счетчиков, астронавигационных приборов, спектроскопов, для детекторов излучения в лазерных системах; в электронно-оптических преобразователях, используемых в приборах ночного видения; в -передающих электроннолучевых трубках. Цезий применяют в качестве геттера для поглощения остаточных следов воздуха при произ-ве вакуумных радиоламп. Он находит применение в тиратронах тлеющего разряда, в атомных стандартах - наиболее точных эталонах промежутков времени. Погрешность атомных часов с цезиевым источником составляет 1 сек за 4000 лет. Пары цезий используют в оптических квантовых генераторах - газовых лазерах. Добавки Ц. к инертному газу в магнитогидродинамических генераторах позволяют ионизировать газ при температурах примерно в два раза меньших, чем без этих добавок. Ц. используют в термоэмиссионных преобразователях, предназначенных для непосредственного превращения тепла в электр. энергию; в ионных ракетных двигателях для космических летательных аппаратов. Ц. нашел применение в новой отрасли электроники - плазменной электронике СВЧ, а также в цезиевых лампах, превосходящих по своей интенсивности др. источники света.

Характеристика элемента

Открытие цезия, как и рубидия, связано со спектральным анализом. В 1860 г. Р. Бунзен обнаружил две яркие голубые линии в спектре, не принадлежащие ни одному известному к тому времени элементу. Отсюда произошло и название «цезиус (caesius), что значит небесно-голубой. Это последний элемент подгруппы щелочных металлов, который еще встречается в измеримых количествах. Наибольший атомный радиус и наименьшие первые потенциалы ионизации определяют характер и поведение этого элемента. Он обладает ярко выраженной электроположительностью и ярко выраженными металлическими качествами. Стремление отдать внешний 6s-электрон приводит к тому, что все его реакции протекают исключительно бурно. Небольшая разница в энергиях атомных 5 d — и 6 s -орбиталей обусловливает легкую возбудимость атомов. Электронная эмиссия у цезия наблюдается под действием невидимых инфракрасных лучей (тепловых). Указанная особенность структуры атома определяет хорошую электрическую проводимость тока. Все это делает цезий незаменимым в электронных приборах. В последнее время все больше внимания уделяется цезиевой плазме как топливу будущего и в связи с решением проблемы термоядерного синтеза.

Свойства простого вещества и соединений

Цезий при обычных комнатных условиях - полужидкий металл (t пл = 28,5°С, t кип = 688°С) . Его блестящая поверхность отливает бледно-золотистым цветом. Цезий - металл легкий с пл. 1,9 г/см ³ , например примерно с той же атомной массой весит в 6 с лишним раз больше.

Причина того, что цезий во много раз легче соседей по периодической системе - в большом размере атомов. Атомный н ионный радиусы металла очень велики: R ат = 2,62 А, R ион =1,б5 А. Цезий - необычайно химически активен. Он настолько жадно реагирует с кислородом, что способен очистить газовую смесь от малейших следов кислорода даже в условиях глубокого вакуума. С водой реагирует при замораживании до -116° С. Большинство реакций с другими веществами происходит со взрывами: с галогенами, серой, фосфором, графитом, кремнием (в последних трех случаях требуется небольшое нагревание). Сложные также реагируют с ним бурно: СО 2 , четыреххлористый , кремнезем (при 300°С). В атмосфере водорода образуется гидрид СsН, воспламеняющийся в недостаточно осушенном воздухе. Из всех неорганических и органических кислот он вытесняет , образуя соли.

Более спокойно протекают реакции цезия с азотом в поле тихого электрического заряда, а с углем при нагревании. С водородом реагирует при 300-350°С или под давлением в 5 -10 ⋅ 10 ⁶ Па. Поэтому его спокойно можно хранить в сосуде, заполненном водородом.

2Сs + 2SiO 2 = Сs 2 O 4 + 2Si

2Rb + 2SiO 2 = Rb 2 O 4 + 2Si

Из соединений цезия наиболее важные - с серебром и сурьмой. Кристаллы бромида и иодида цезия прозрачны для инфракрасных лучей, поэтому используются в оптике и электротехнике.

Сульфат СsSO 4 - тугоплавкое и термически устойчивое соединение, которое начинает заметно улетучиваться лишь при температуре свыше 1400°С. В тоже время всех солей цезия высока.

Получение и использование цезия

Цезий, как и , самостоятельных минералов не образует и обычно сопутствует более распространённым элементам I группы. Цезий в природе встречается в виде примеси к минералам Na и K . Наиболее богат цезием поллуцит CsNa ⋅ nH 2 O . Находится в природе в очень распылённом состоянии в форме соединений, сопутствующих другим рудам. Например, поллуцит вместе с натрием содержит и и цезий. Самое трудоёмкое при их получении — обогащение и отделение фракций с рубидием и цезием от калия, натрия, лития. Чистые (Rb и Cs) получают из галогенов восстановлением металлическим кальцием при 700-800°С. Получают их по обменной реакции расплавленных хлоридов с металлическим кальцием:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Цезий - пятьдесят пятый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Cs от латинского «caesium». Расположен в шестом периоде, IA группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 55.

Цезий встречается в природе в составе многочисленных минералов, наибольшее значение из которых имеют поллуцит (Cs,Na) 2 Al 2 Si 4 O 12 ×H 2 O и авогадрит (K,Cs)BF 4 . Известно, что он также входит в состав некоторых алюмосиликатов в виде примеси.

В виде простого вещества цезий представляет собой металл золотисто-желтого цвета (рис. 1) с объемно-центрированной кристаллической решеткой. Плотность - 1,9 г/см 3 . Температура плавления 28,4 o С, кипения - 685 o С. Мягкий, легко режется ножом. На воздухе самовоспламеняется.

Рис. 1. Цезий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса цезия

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии цезий существует в виде одноатомных молекул Cs, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 132,9054.

Изотопы цезия

Известно, что в природе цезий может находиться в виде единственного стабильного изотопа 133 Cs. Массовое число равно 133, ядро атома содержит пятьдесят пять протонов и семьдесят восемь нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные изотопы цезия с массовыми числами от 112-ти до 151-го, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 135 Cs с периодом полураспада равным 2,3 млн. лет.

Ионы цезия

На внешнем энергетическом уровне атома цезия имеется один электрон, который является валентным:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5р 6 6s 1 .

В результате химического взаимодействия цезий отдает свой валентный электрон, т.е. является его донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Cs 0 -1e → Cs + .

Молекула и атом цезия

В свободном состоянии цезий существует в виде одноатомных молекул Cs. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу цезия:

Сплавы цезия

Цезий используют в виде сплавов с сурьмой, кальцием, барием, алюминием и серебром в качестве фотоэлементов.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Задание	Рассчитайте массовые доли элементов, входящих в состав оксида цезия, если его молекулярная формула имеет вид Cs 2 O.
Решение	Массовая доля элемента в составе какой-либо молекулы определяется по формуле: ω (Х) = n × Ar (X) / Mr (HX) × 100%.

Химический элемент I группы периодической системы, атомный номер 55, атомная масса 132,9054; относится к щелочным металлам.

История открытия

Открыт цезий сравнительно недавно, в 1860 г., в минеральных водах известных целебных источников Шварцвальда (Баден-Баден и др.). За короткий исторический срок прошел блистательный путь – от редкого, никому не ведомого химического элемента до стратегического металла. Принадлежит к семье редких щелочных легких металлов. Легко взаимодействует с другими элементами, образуя прочные связи. В настоящее время применяется одновременно в нескольких отраслях: в электронике и автоматике, в радиолокации и кино, в атомных реакторах и на космических кораблях.

Впервые он был обнаружен по двум ярким линиям в синей области спектра, и латинское слово «caesius», от которого произошло его название, означает небесно-голубой. Неоспоримо утверждение о том, что цезий практически последний в ряду щелочных металлов. Правда, еще Менделеев предусмотрительно оставил в своей таблице пустую клетку для «экацезия», который должен был следовать в I группе за цезием. И этот элемент (франций) в 1939 г. был открыт. Однако франций существует лишь в виде быстро распадающихся радиоактивных изотопов с периодами полураспада в несколько минут, секунд или даже тысячных долей секунды.

Цезий был первым элементом, открытым с помощью спектрального анализа. Ранее соли цезия ошибочно считали солями калия. Ученые, однако, имели возможность познакомиться с этим элементом еще до того, как Бунзен и Кирхгоф создали новый исследовательский метод. Речь идет о пропаже, которая долгие годы не давала покоя химикам. Еще в 1846 году немецкий ученый К. Платтнер занялся исследованием полуцита-минерала, найденного на острове Эльба. Выполнить полный химический анализ минерала было делом не хитрым, но вот загвоздка: как ни складывал Платтнер полученные им результаты, сумма всех составляющих оказывалась равной 93%. Куда же могли подеваться остальные 7%? Почти два десятка лет никто не мог ответить на этот вопрос. И лишь в 1864 году итальянец Пизани представил неопровержимые доказательства того, что виновником «недовеса» был цезий, ошибочно принятый Платтнером за калий – эти элементы состоят в довольно близком химическом родстве, однако цезий в два с лишним раза тяжелее.

Металлический цезий впервые был получен Сеттербергом в 1882 г. электролизом расплавленного цианида цезия. Производство соединений цезия возникло в конце прошлого столетия, а производство металлов цезия было организовано в двадцатых годах прошлого столетия. Однако и в настоящее время их получают в ограниченном количестве.

Описание

Блестящая поверхность металлического цезия имеет бледно-золотистый цвет. Это – 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. По-видимому, причина этого кроется в своеобразной электронной структуре атомов цезия. Каждый его атом содержит 55 протонов, 78 нейтронов и 55 электронов, но все эти многочисленные электроны расположены относительно рыхло – ионный радиус цезия очень велик – 1,65 Ǻ*. Ионный радиус лантана, например, равен всего 1,22 Ǻ, хотя в состав его атома входят 57 протонов, 82 нейтрона и 57 электронов. Атомный радиус цезия равен 2,62 Ǻ.

Природный цезий состоит из стабильного нуклида 133 Cs. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 2,9*10 -27 м 2 .
Конфигурация внешней электронной оболочки атома 6s 1 , степень окисления +1; энергия ионизации при переходе Cs →Cs + →Cs 2+ соответствует 3,89397, 25,1 эВ; сродство к электрону 0,47 эВ; электроотрицательность по Полингу 0,7; работа
выхода электрона 1,81 эВ; металлический радиус 0,266 нм, ковалентный радиус 0.235 нм, ионный радиус Cs + 0,181 нм (координационное число 6), 0,188 нм (8), 0,192 нм (9), 0,195 нм (10), 0,202 нм (12).

Содержание цезия в земной коре 3,7·10 -4 % по массе. Минералы цезия – поллуцит (Сs, Nа) [АlSi 2 O 6 ] ·Н 2 О (содержание Cs 2 О 29,8–36,7% по массе) и редкий авогадрит (К, Сs) [ВF 4 ]. Цезий присутствует в виде примеси в богатых калием алюмосиликатах: лепидолите (0,1–0,5% СsО), флогопите (0,2–1,5%) и др., также в карналлите (0,0003–0,002% CsС1), трифилине, в термальных (до 5 мг/л Cs) и озерных (до 0,3 мг/л Cs) водах. Промышленный источники цезия – поллуцит и лепидолит.

Свойства цезия

Цезий – мягкий металл, который при комнатной температуре находится в полужидком состоянии. Пары окрашены в зеленовато-синий цвет. Кристаллизуется в кубической объемноцентрированной решетке: а = 0,6141 нм, z = 2, пространств, группа IтЗт\ т. пл. 28,44 °С, точка кипения 669,2 °С; плотность 1,904 г./см 3 (20 °С); С 0 р 32,21 Дж/(моль·К); Н 0 пл 2,096 кДж/моль, ∆Н 0 исп 65,62 кДж/моль, ∆Н 0 возг 76,54 кДж/моль (298,15 К); S 0 298 85,23 Дж/(моль·К); уравнения температурной зависимости давления пара: lg p (мм рт. ст.) = -4122/T + 5,228 – 1,514 lg T + 3977Т (100–301,59К), lg p (мм. рт. cт.)= -3822/Т + 4,940 – 0,746 lg T (301,59–897 К); теплопроводность, Вт/(м·К): 19,0 (298 К), 19,3 (373 К), 20,2 (473 К); ρ, мкОм·м: 0,1830 (273,15 К), 0,2142 (301,59 К, твердый), 0,3568 (301,59 К, жидкость), температурный коэффициент ρ 6,0–10 -3 К -1 (273–291 К); парамагнетик, удельная магнитная восприимчивость +0,22·10 -9 (293 К); η, мПа·с: 6,76 (301,59 К), 5,27 (350 К), 3,18 (500 К); γ 60,6 мН/м (301,59 К); температурный коэффициент линейного расширения 97·10 -6 К -1 (273 К); твердость по Моосу 0,2; модуль упругости 1,7 ГПа (293 К); коэффициент. сжимаемости 71·10 -11 Па -1 (323 К).

На воздухе цезий мгновенно окисляется с воспламенением и образованием перекиси и надперекиси. С водой цезий и рубидий бурно реагируют с образованием гидроокисей и выделением водорода. Эта реакция протекает даже при температуре –100° С.

Цезий растворяется в жидком аммиаке, со спиртом образуют алкоголяты, способные присоединить одну молекулу спирта. Из-за высокой реакционной способности цезий хранят в герметических стальных сосудах под слоем парафина.

Цезий, как натрий и калий, обладает единственным 5-электроном сверх конфигурации инертных газов. Структура электронных оболочек цезия определяет многие его физико-химические свойства. Конфигурация электронных оболочек следующая: КЬ – [Кг] криптон. 5s и Сз – [Хе] ксенон 6s. Вследствие небольшой разницы в энергиях атомных орбит – 5d и 6s для цезия атомы их легко возбуждаются. По этой причине металлы обладают низкими значениями ионизационных потенциалов, хорошей электропроводностью и явлением фотоэффекта. Способность световых лучей заряжать тела положительным электричеством или отнимать от них отрицательный заряд была названа фотоэффектом (от греческого слова «фотос» – свет и латинского – «эффект» – действие). Световые лучи «выбивают» из цезия электроны, которые образуют электрический ток. У цезия очень легко «выбить» электрон, так как на внешнем электронном слое он один. Чем дальше от ядра атома удален электрон, тем легче его оторвать. Так, у цезия шесть электронных слоев, а у натрия только три; между ядром и внешним электроном у цезия 54 электрона, а у натрия только 10. Следовательно, цезий легче всего отдает свой электрон, потому что он обладает наибольшим атомным радиусом и наименьшим ионизационным потенциалом. Цезий встречается в природе только в виде стабильного изотопа 135 Сз

Самое замечательное свойство цезия – его исключительно высокая активность. По чувствительности к свету он превосходит все другие металлы. Цезиевый катод испускает поток электронов даже под действием инфракрасных лучей с длиной волны 0,80 мкм. Кроме того, максимальная электронная эмиссия, превосходящая нормальный фотоэлектрический эффект в сотни раз, наступает у цезия при освещении зеленым светом, тогда как у других светочувствительных металлов этот максимум проявляется лишь при воздействии фиолетовых или ультрафиолетовых лучей.

Долгое время ученые надеялись найти радиоактивные изотопы цезия в природе, поскольку они есть у рубидия и калия. Но в природном цезии не удалось обнаружить каких-либо иных изотопов, кроме вполне стабильного 133 Cs. Правда, искусственным путем получено 22 радиоактивных изотопа цезия с атомными массами от 123 до 144. В большинстве случаев они недолговечны: периоды полураспада измеряются секундами и минутами, реже – несколькими часами или днями. Однако три из них распадаются не столь быстро – это 134 Cs, 137 Cs и 135 Cs, живущие 2,07; 26,6 и 3·10 6 лет. Все три изотопа образуются в атомных реакторах при распаде урана, тория и плутония; их удаление из реакторов довольно затруднительно.

Химическая активность цезия необычайна. 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. Цезий взаимодействует даже со льдом при –116 °C. 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 C 8 Cs 5 . 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, а с серой и фосфором – взрывом. При нагревании цезий соединяется с водородом, азотом и другими элементами, а при 300 °C разрушает стекло и фарфор. Гидриды 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.