(лат. Caesium)
Cs, химический элемент I группы периодической системы Менделеева; атомный номер 55, атомная масса 132, 9054; серебристо-белый металл, относится к щелочным металлам (См.
Щелочные металлы)
. В природе встречается в виде стабильного изотопа
133Cs. Из искусственно полученных радиоактивных изотопов с массовыми числами (См.
Массовое число) от 123 до 142 наиболее устойчив
137Cs с периодом полураспада
T1/2 = 33 г.
Историческая справка. Ц. открыт в 1860 Р. В.
Бунзеном и Г. Р.
Кирхгофом в водах Дюркхеймского минерального источника (Германия) методом спектрального анализа. Назван Ц. (от лат. caesius - небесно-голубой) по двум ярким линиям в синей части спектра. Металлический Ц. впервые выделил шведский химик К. Сеттерберг в 1882 при электролизе расплавленной смеси CsCN и Ba.
Распространение в природе. Ц. - типичный редкий и рассеянный элемент (см.
Рассеянные элементы, Редкие металлы)
. Среднее содержание Ц. в земной коре (кларк) 3,7․10
-4\% по массе. В ультраосновных горных породах содержится 1․10
-5\% Ц., в основных - 1․10
-4\%. Ц. геохимически тесно связан с гранитной магмой, образуя концентрации в пегматитах вместе с Li, Be, Ta, Nb; в особенности в пегматитах, богатых Na (альбитом) и Li (лепидолитом). Известно 2 крайне редких минерала Ц. -
Поллуцит и авогадрит (К,
Cs) (BF)
4; наибольшая концентрация Ц. в поллуците (26-32\%
Cs2O). Большая часть атомов Ц. изоморфно замещает К и Rb в полевых шпатах и слюдах. Примесь Ц. встречается в
Берилле
, Карналлите
, вулканическом стекле. Слабое обогащение Ц. установлено в некоторых термальных водах. В целом Ц. - слабый водный мигрант. Основное значение в истории Ц. имеют процессы
Изоморфизма и сорбции крупных катионов Ц. В геохимическом отношении Ц. близок к Rb и К, отчасти к Ba.
Физические и химические свойства. Ц. - очень мягкий металл; плотность 1,90 г/см3 (20 °С); tпл 28,5 °С; tкип 686 °С. При обычной температуре кристаллизуется в кубической объёмноцентрированной решётке (а = 6,045 Å). Атомный радиус 2,60 Å, ионный радиус Cs+ 1,86 Å. Удельная теплоёмкость 0,218 кдж/(кг․К) [0,052 кал/(г․оС)]; удельная теплота плавления 15,742 кдж/кг (3,766 кал/г); удельная теплота испарения 610,28 кдж/кг (146,0 кал/г); температурный коэффициент линейного расширения (0-26 °С) 9,7․10-5; коэффициент теплопроводности (28,5°С) 18,42 вт/(м․К) [0,44 кал/(см․сек․°С)]; удельное электросопротивление (20 °С) 0,2 мком․м; температурный коэффициент электросопротивления (0-30 °С) 0,005. Ц. диамагнитен, удельная магнитная восприимчивость (18 °С) - 0,1․10-6. Динамическая вязкость 0,6299 Мн․сек/м2 (43,4°С), 0,4065 Мн․сек/м2 (140,5 °С). Поверхностное натяжение (62 °С) 6,75․10-2 н/м (67,5 дин/см); сжимаемость (20 °С) 7,05 Мн/м2 (70,5 кгс/см2). Энергия ионизации 3,893 эв; стандартный электродный потенциал - 2,923 в, работа выхода электронов 1,81 эв. Твёрдость по Бринеллю 0,15 Мн/м2 (0,015 кгс/см2). Конфигурация внешних электронов атома Ц. 6s1; в соединениях имеет степень окисления + 1.
Ц. обладает очень высокой реакционной способностью. На воздухе мгновенно воспламеняется с образованием пероксида Cs2O2 и надпероксида CsO2; при недостатке воздуха получается оксид Cs2O; известен также озонид CsO3. С водой, галогенами, углекислым газом, серой, четырёххлористым углеродом Ц. реагирует со взрывом, давая соответственно гидроксид CsOH, галогениды, оксиды, сульфиды, CsCI. С водородом взаимодействует при 200-350 °С и давлении 5-10 Мн/м2 (50-100 кгс/см2), образуя гидрид. Выше 300 °С Ц. разрушает стекло, кварц и др. материалы, а также вызывает коррозию металлов. Ц. при нагревании соединяется с фосфором (Cs2P5), кремнием (CsSi), графитом (C8Cs и C24Cs). При взаимодействии Ц. со щелочными и щёлочноземельными металлами, а также с Hg, Au, Bi и Sb образуются сплавы; с ацетиленом - ацетиленид Cs2C2. Большинство простых солей Ц., особенно CsF, CsCI, Cs2CO3, Cs2SO4, CsH2PO4, хорошо растворимы в воде; малорастворимы CsMnO4, CsClO4 и Cs2Cr2O7. Ц. не принадлежит к числу комплексообразующих элементов, но он входит в состав многих комплексных соединений в качестве катиона внешней среды.
Получение. Ц. получают непосредственно из поллуцита методом вакуумтермического восстановления. В качестве восстановителей используют Ca, Mg, Al и др. металлы.
Различные соединения Ц. также получают путём переработки поллуцита. Сначала руду обогащают (флотацией, ручной рудоразработкой и т.п.), а затем выделенный концентрат разлагают либо кислотами H
2SO
4, HNO
3 и др.), либо спеканием с оксидно-солевыми смесями (например, CaO с CaCI
2). Из продуктов разложения поллуцита Ц. осаждают в виде CsAI (SO
4)
2․12H
2O,
Cs3[Sb
2Cl
9] и др. малорастворимых соединений. Далее осадки переводят в растворимые соли (сульфат, хлорид, иодид и др.). Завершающим этапом технологического цикла является получение особо чистых соединений Ц., для чего применяют методы кристаллизации из растворов
Cs [l (l)
2],
Cs3[Bi
2l
9],
Cs2(TeI
6] и сорбцию примесей на окисленных активированных углях. Глубокую очистку металлического Ц. производят методом ректификации. Перспективно получение Ц. из отходов от переработки
Нефелина
, некоторых слюд, а также подземных вод при добыче нефти; Ц. извлекают экстракционными и сорбционными методами.
Хранят Ц. либо в ампулах из стекла "пирекс" в атмосфере аргона, либо в стальных герметичных сосудах под слоем обезвоженного вазелинового или парафинового масла.
Применение. Ц. идёт для изготовления
Фотокатодов (сурьмяно-цезиевых, висмуто-цезиевых, кислородно-серебряно-цезиевых), Электровакуумных фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей, электронно-оптических преобразователей (см.
Электронные приборы, Фотоэлектронная эмиссия)
. Перспективно применение "цезиевой плазмы" в ионных ракетных двигателях, Ц. - в магнитогидродинамических генераторах (См.
Магнитогидродинамический генератор) и в термоэмиссионных преобразователях энергии (См.
Термоэмиссионный преобразователь энергии)
. Изотопы Ц. применяют:
133Cs в квантовых стандартах частоты,
137Cs в радиологии. Резонансная частота энергетического перехода между подуровнями основного состояния
133Cs положена в основу современного определения секунды (См.
Секунда)
.
Б. Д. Стёпин.
Цезий в организме. Ц. - постоянный химический микрокомпонент организма растений и животных. Морские водоросли содержат 0,01-0,1 мкг Ц. в 1 г сухого вещества, наземные растения - 0,05-0,2. Животные получают Ц. с водой и пищей. В организме членистоногих около 0,067-0,503 мкг/г Ц., пресмыкающихся - 0,04, млекопитающих - 0,05. Главное депо Ц. в организме млекопитающих - мышцы, сердце, печень; в крови - до 2,8 мкг/л. Ц. относительно малотоксичен; его биологическая роль в организме растений и животных окончательно не раскрыта.
Ц
езий-137 (
137Cs) - бета-гамма-излучающий радиоизотоп Ц.; один из главных компонентов радиоактивного загрязнения (См.
Радиоактивное загрязнение) биосферы. Содержится в радиоактивных выпадениях, радиоактивных отходах, сбросах заводов, перерабатывающих отходы атомных электростанций. Интенсивно сорбируется почвой и донными отложениями; в воде находится преимущественно в виде ионов. Содержится в растениях и организме животных и человека. Коэффициент накопления
137Cs наиболее высок у пресноводных водорослей и арктических наземных растений, особенно лишайников. В организме животных
137Cs накапливается главным образом в мышцах и печени. Наибольший коэффициент накопления его отмечен у северных оленей и северных американских водоплавающих птиц. В организме человека
137Cs распределён относительно равномерно и не оказывает значительного вредного действия.
Г. Г. Поликарпов.
Лит.: Плющев В. Е., Степин Б. Д., Химия и технология соединений лития, рубидия и цезия, М., 1970; их же, Аналитическая химия рубидия и цезия, М., 1975; Коган Б. И., Названова В. А., Солодов Н. А., Рубидий и цезий, М., 1971; Моисеев А. А., Рамзаев П. В., Цезий-137 в биосфере, М., 1975; Mattsson S., Radionuclides in lichen, reindeer and man, Lund, 1972.