cez - Caesium
Cez | ||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Wymowa |
/ E ı z Jestem ə m / ( SEE -zee-əm ) |
|||||||||||||||||||||||||||
alternatywne imie | cez (USA) | |||||||||||||||||||||||||||
Wygląd zewnętrzny | bladozłoty | |||||||||||||||||||||||||||
Średnia masa atomowa R STD (Cs) | 132,905 451 96 (6) | |||||||||||||||||||||||||||
Cez w układzie okresowym | ||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||
Liczba atomowa ( Z ) | 55 | |||||||||||||||||||||||||||
Grupa | grupa 1: wodór i metale alkaliczne | |||||||||||||||||||||||||||
Okres | okres 6 | |||||||||||||||||||||||||||
Blok | s-blok | |||||||||||||||||||||||||||
Konfiguracja elektronów | [ Xe ] 6s 1 | |||||||||||||||||||||||||||
Elektrony na powłokę | 2, 8, 18, 18, 8, 1 | |||||||||||||||||||||||||||
Właściwości fizyczne | ||||||||||||||||||||||||||||
Faza w STP | solidny | |||||||||||||||||||||||||||
Temperatura topnienia | 301,7 K (28,5 ° C, 83,3 ° F) | |||||||||||||||||||||||||||
Temperatura wrzenia | 944 K (671 °C, 1240 °F) | |||||||||||||||||||||||||||
Gęstość (w pobliżu rt ) | 1,93 g / cm 3 | |||||||||||||||||||||||||||
w stanie ciekłym (przy mp ) | 1,843 g / cm 3 | |||||||||||||||||||||||||||
Punkt krytyczny | 1938 K, 9,4 MPa | |||||||||||||||||||||||||||
Ciepło stapiania | 2,09 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||
Ciepło parowania | 63,9 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||
Molowa pojemność cieplna | 32,210 J/(mol·K) | |||||||||||||||||||||||||||
Ciśnienie pary
| ||||||||||||||||||||||||||||
Właściwości atomowe | ||||||||||||||||||||||||||||
Stany utleniania | -1, +1 (silnie zasadowy tlenek) | |||||||||||||||||||||||||||
Elektroujemność | Skala Paulinga: 0,79 | |||||||||||||||||||||||||||
Energie jonizacji | ||||||||||||||||||||||||||||
Promień atomowy | empiryczny: 265 pm | |||||||||||||||||||||||||||
Promień kowalencyjny | 244±11 po południu | |||||||||||||||||||||||||||
Promień Van der Waalsa | 343 po południu | |||||||||||||||||||||||||||
Linie widmowe cezu | ||||||||||||||||||||||||||||
Inne właściwości | ||||||||||||||||||||||||||||
Naturalne występowanie | pierwotny | |||||||||||||||||||||||||||
Struktura krystaliczna | Ciało skoncentrowane sześcienny (BCC) | |||||||||||||||||||||||||||
Rozszerzalność termiczna | 97 µm/(m⋅K) (przy 25 °C) | |||||||||||||||||||||||||||
Przewodność cieplna | 35,9 W/(m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||||
Rezystancja | 205 nΩ⋅m (przy 20 °C) | |||||||||||||||||||||||||||
Zamawianie magnetyczne | paramagnetyczny | |||||||||||||||||||||||||||
Moduł Younga | 1,7 GPa | |||||||||||||||||||||||||||
Moduł objętościowy | 1,6 GPa | |||||||||||||||||||||||||||
Twardość Mohsa | 0,2 | |||||||||||||||||||||||||||
Twardość Brinella | 0,14 MPa | |||||||||||||||||||||||||||
Numer CAS | 7440-46-2 | |||||||||||||||||||||||||||
Historia | ||||||||||||||||||||||||||||
Nazewnictwo | od łacińskiego cezjusza , błękit nieba, ze względu na jego barwy spektralne | |||||||||||||||||||||||||||
Odkrycie | Robert Bunsen i Gustav Kirchhoff (1860) | |||||||||||||||||||||||||||
Pierwsza izolacja | Carl Setterberg (1882) | |||||||||||||||||||||||||||
Główne izotopy cezu | ||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||
Cez ( pisownia IUPAC ) ( w amerykańskim angielskim także cez ) jest pierwiastkiem chemicznym o symbolu Cs i liczbie atomowej 55. Jest to miękki, srebrzysto-złoty metal alkaliczny o temperaturze topnienia 28,5 ° C (83,3 ° F), co czyni go jednym z pięciu pierwiastków , które są płynne w temperaturze pokojowej lub zbliżonej do niej . Cez ma właściwości fizyczne i chemiczne zbliżone do rubidu i potasu . Najbardziej reaktywny ze wszystkich metali, jest piroforyczny i reaguje z wodą nawet w temperaturze -116 °C (-177°F). Jest to pierwiastek najmniej elektroujemny , o wartości 0,79 w skali Paulinga . Posiada tylko jeden stabilny izotop , cez-133 . Cez wydobywany jest głównie z pollucytu , natomiast radioizotopy , zwłaszcza cez-137 , produkt rozszczepienia , pozyskiwane są z odpadów wytwarzanych w reaktorach jądrowych .
Niemiecki chemik Robert Bunsen i fizyk Gustav Kirchhoff odkryli cez w 1860 roku nowo opracowaną metodą spektroskopii płomieniowej . Pierwsze zastosowania cezu na małą skalę miały zastosowanie jako „ getter ” w lampach próżniowych i ogniwach fotoelektrycznych . W 1967 roku, działając na podstawie dowodu Einsteina, że prędkość światła jest najbardziej stałym wymiarem we wszechświecie, Międzynarodowy Układ Jednostek użył dwóch konkretnych zliczeń fal z widma emisyjnego cezu-133 do współdefiniowania drugiego i metra . Od tego czasu cez był szeroko stosowany w bardzo dokładnych zegarach atomowych .
Od lat 90-tych największym zastosowaniem pierwiastka jest mrówczan cezu do płuczek wiertniczych , ale ma on szerokie zastosowanie w produkcji energii elektrycznej, elektronice oraz chemii. Radioaktywny izotop cezu-137 ma okres półtrwania około 30 lat i jest używany w zastosowaniach medycznych, miernikach przemysłowych i hydrologii. Nieradioaktywne związki cezu są tylko umiarkowanie toksyczne , ale skłonność czystego metalu do wybuchowej reakcji z wodą oznacza, że cez jest uważany za materiał niebezpieczny, a radioizotopy stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia i środowiska w środowisku.
Charakterystyka
Właściwości fizyczne
Ze wszystkich pierwiastków, które są stałe w temperaturze pokojowej, cez jest najdelikatniejszy: ma twardość 0,2 Mohsa. Jest to bardzo plastyczny , blady metal, który ciemnieje w obecności śladowych ilości tlenu . W obecności oleju mineralnego (gdzie najlepiej go przechowywać podczas transportu) traci swój metaliczny połysk i przybiera bardziej matowy, szary wygląd. Ma temperaturę topnienia 28,5°C (83,3°F), co czyni go jednym z niewielu metali pierwiastkowych, które są płynne w temperaturze bliskiej temperaturze pokojowej . Rtęć jest jedynym stabilnym metalem pierwiastkowym o znanej temperaturze topnienia niższej niż cez. Ponadto metal ma dość niską temperaturę wrzenia , 641 ° C (1186 ° F), najniższą ze wszystkich metali innych niż rtęć. Jego związki palą się na kolor niebieski lub fioletowy.
Cez tworzy stopy z innymi metalami alkalicznymi, złotem i rtęcią ( amalgamaty ). W temperaturach poniżej 650 °C (1202 °F) nie topi się z kobaltem , żelazem , molibdenem , niklem , platyną , tantalem lub wolframem . Tworzy dobrze zdefiniowane związki międzymetaliczne z antymonem , galem , indem i torem , które są światłoczułe . Miesza się ze wszystkimi innymi metalami alkalicznymi (z wyjątkiem litu); stop o rozkładzie molowym 41% cezu, 47% potasu i 12% sodu ma najniższą temperaturę topnienia ze wszystkich znanych stopów metali, w temperaturze -78°C (-108°F). Przebadano kilka amalgamatów: CsHg
2jest czarny z fioletowym metalicznym połyskiem , podczas gdy CsHg ma złoty kolor, również z metalicznym połyskiem.
Złoty kolor cezu pochodzi ze zmniejszającej się częstotliwości światła wymaganego do wzbudzenia elektronów metali alkalicznych w miarę opadania grupy. Dla litu do rubidu częstotliwość ta jest w ultrafiolecie, ale dla cezu wchodzi na niebiesko-fioletowy koniec widma; innymi słowy, częstotliwość plazmoniczna metali alkalicznych spada od litu do cezu. W ten sposób cez preferencyjnie przepuszcza i częściowo pochłania światło fioletowe, podczas gdy inne kolory (mające niższą częstotliwość) są odbijane; stąd wydaje się żółtawy.
Właściwości chemiczne
Metal cez jest bardzo reaktywny i bardzo piroforyczny . Zapala się samorzutnie w powietrzu i reaguje wybuchowo z wodą nawet w niskich temperaturach, bardziej niż inne metale alkaliczne ( pierwsza grupa układu okresowego pierwiastków ). Reaguje z lodem w temperaturach tak niskich jak -116 ° C (-177 ° F). Ze względu na wysoką reaktywność metal cez jest klasyfikowany jako materiał niebezpieczny . Jest przechowywany i transportowany w suchych, nasyconych węglowodorach, takich jak olej mineralny . Może być obsługiwany tylko w gazie obojętnym , takim jak argon . Jednak eksplozja cezu-woda jest często słabsza niż eksplozja sodowo -wodna z podobną ilością sodu. Dzieje się tak, ponieważ cez wybucha natychmiast w kontakcie z wodą, pozostawiając niewiele czasu na akumulację wodoru. Cez można przechowywać w zamkniętych próżniowo ampułkach ze szkła borokrzemianowego . W ilościach ponad 100 gramów (3,5 uncji) cez jest wysyłany w hermetycznie zamkniętych pojemnikach ze stali nierdzewnej.
Chemia cezu jest podobna do chemii innych metali alkalicznych, w szczególności rubidu , pierwiastka powyżej cezu w układzie okresowym. Jak oczekiwano dla metalu alkalicznego, jedynym powszechnym stopniem utlenienia jest +1. Pewne niewielkie różnice wynikają z faktu, że ma większą masę atomową i jest bardziej elektrododatni niż inne (nieradioaktywne) metale alkaliczne. Cez jest najbardziej elektrododatnim pierwiastkiem chemicznym. Jon cezu jest również większy i mniej „twardy” niż jon lżejszych metali alkalicznych .
Związki
Większość związków cezu zawiera ten pierwiastek jako kation Cs+
, który wiąże się jonowo z szeroką gamą anionów . Jednym godnym uwagi wyjątkiem jest anion cezydowy ( Cs−
), a inne to kilka podtlenków (patrz rozdział dotyczący tlenków poniżej).
Sole Cs + są zwykle bezbarwne, chyba że sam anion jest zabarwiony. Wiele prostych soli jest higroskopijnych , ale mniej niż odpowiadające im sole lżejszych metali alkalicznych. Fosforan , octan , węglan , halogenki , tlenek , azotany i siarczany sole są rozpuszczalne w wodzie. Sole podwójne są często mniej rozpuszczalne, a niska rozpuszczalność siarczanu glinu cezu jest wykorzystywana w rafinacji Cs z rud. Podwójna sól z antymonem (taka jak CsSbCl
4), bizmut , kadm , miedź , żelazo i ołów są również słabo rozpuszczalne .
Wodorotlenek cezu (CsOH) jest higroskopijny i silnie zasadowy . Szybko trawi powierzchnię półprzewodników, takich jak krzem . CsOH był wcześniej uważany przez chemików za „najsilniejszą zasadę”, odzwierciedlając stosunkowo słabe przyciąganie między dużym jonem Cs + a OH − ; jest to rzeczywiście najsilniejsza baza Arrheniusa ; Jednakże, szereg związków, takich jak n -butylolit , amidek sodu , wodorek sodu , cezu, wodorek , etc., która nie rozpuszcza się w wodzie, poddaje się reakcji z tym gwałtowne, lecz tylko niektórych bezwodnych polarnych aprotycznych rozpuszczalników są znacznie bardziej podstawowe na podstawie teorii kwasowo-zasadowej Brønsteda-Lowry'ego .
Stechiometryczna mieszanina cezu i złota będzie reagować tworząc żółty złotek cezu (Cs + Au - ) przy ogrzewaniu. Anion aurydowy zachowuje się tutaj jak pseudohalogen . Związek reaguje gwałtownie z wodą, dając wodorotlenek cezu , metaliczne złoto i gazowy wodór; w ciekłym amoniaku można go poddać reakcji z żywicą jonowymienną o właściwościach cezu, w celu wytworzenia aurydku tetrametyloamoniowego. Analogiczny platyny związek czerwony platinide cezu (Cs 2 Pt) zawiera jon platinide że zachowuje się jak pseudo tlenowce .
Kompleksy
Jak wszystkie kationy metali, Cs + tworzy kompleksy z zasadami Lewisa w roztworze. Ze względu na swój duży rozmiar, Cs + zwykle przyjmuje liczby koordynacyjne większe niż 6, liczbę typową dla mniejszych kationów metali alkalicznych. Ta różnica jest widoczna w 8-koordynacji CsCl. Tak wysoka liczba koordynacyjna i miękkość (tendencja do wiązań kowalencyjnych) eksploatowane są właściwości oddzielania Cs + od innych kationów w oczyszczania odpadów nuklearnych, gdzie 137 Cs + musi być oddzielona od dużej ilości nieradioaktywnej K + .
Halogenki
Fluorek cezu (CsF) to higroskopijne białe ciało stałe, które jest szeroko stosowane w chemii fluoroorganicznej jako źródło anionów fluorkowych . Fluorek cezu ma strukturę halitu, co oznacza, że Cs + i F − upakowane są w sześciennie najbliżej upakowanych szeregach, podobnie jak Na + i Cl − w chlorku sodu . Warto zauważyć, że cez i fluor mają odpowiednio najniższe i najwyższe elektroujemności spośród wszystkich znanych pierwiastków.
Chlorek cezu (CsCl) krystalizuje w prostym sześciennym układzie kryształów . Nazywany również „strukturą chlorku cezu”, ten motyw strukturalny składa się z prymitywnej sieci sześciennej o podstawie dwuatomowej, każdy z ośmiokrotną koordynacją ; atomy chlorku leżą w punktach sieci na krawędziach sześcianu, podczas gdy atomy cezu leżą w otworach w środku sześcianu. Ta struktura jest wspólna z CsBr i CsI oraz wieloma innymi związkami, które nie zawierają Cs. W przeciwieństwie do tego większość innych halogenków alkalicznych ma strukturę chlorku sodu (NaCl). Struktura CsCl jest korzystna, ponieważ Cs + ma promień jonowy 174 µm i Cl−
181 po południu.
Tlenki
Bardziej niż inne metale alkaliczne, cez tworzy z tlenem wiele związków binarnych . Gdy cez spala się w powietrzu, nadtlenek CsO
2jest głównym produktem. „Normalny” tlenek cezu ( Cs
2O ) tworzy żółto-pomarańczowe sześciokątne kryształy i jest jedynym tlenkiem anty- CdCl
2rodzaj. Odparowuje w temperaturze 250 ° C (482 ° F) i rozkłada się na cez i nadtlenek Cs
2O
2w temperaturach powyżej 400 °C (752 °F). Oprócz nadtlenku i ozonku CsO
3, zbadano również kilka jasno zabarwionych podtlenków . Należą do nich Cs
7O , Cs
4O , Cs
11O
3, CS
3O (ciemnozielony), CsO, Cs
3O
2, a także Cs
7O
2. Ten ostatni może być podgrzewany w próżni w celu wytworzenia Cs
2O . Istnieją również związki binarne z siarką , selenem i tellurem .
Izotopy
Cez ma 39 znanych izotopów , których liczba masowa (tj. liczba nukleonów w jądrze) wynosi od 112 do 151. Kilka z nich jest syntetyzowanych z lżejszych pierwiastków w procesie powolnego wychwytywania neutronów (proces S ) wewnątrz starych gwiazd i przez R -proces w wybuchach supernowych . Jedynym stabilnym izotopem cezu jest 133 Cs z 78 neutronami . Chociaż ma duży spin jądrowy (7/2+), badania jądrowego rezonansu magnetycznego mogą wykorzystywać ten izotop przy częstotliwości rezonansowej 11,7 MHz .
Radioaktywny 135 Cs ma bardzo długi okres półtrwania wynoszący około 2,3 miliona lat, najdłuższy ze wszystkich radioaktywnych izotopów cezu. 137 Cs i 134 Cs mają okresy półtrwania odpowiednio 30 i dwa lata. 137 Cs rozkłada się do krótkotrwałego 137 m Ba przez rozpad beta , a następnie do nieradioaktywnego baru, podczas gdy 134 Cs przekształca się bezpośrednio w 134 Ba. Izotopy o liczbach masowych 129, 131, 132 i 136 mają okres półtrwania od dnia do dwóch tygodni, podczas gdy większość pozostałych izotopów ma okres półtrwania od kilku sekund do ułamków sekundy. Istnieje co najmniej 21 metastabilnych izomerów jądrowych . Inne niż 134m Cs (z okresem półtrwania poniżej 3 godzin), wszystkie są bardzo niestabilne i ulegają rozpadowi z okresem półtrwania wynoszącym kilka minut lub mniej.
Izotop 135 Cs jednym z długożyciowych produktów rozszczepienia z uranu wytwarzanych w reaktorach nuklearnych . Jednak ta wydajność produktu rozszczepienia jest zmniejszona w większości reaktorów, ponieważ poprzednik, 135 Xe , jest silną trucizną neutronową i często transmutuje do stabilnego 136 Xe, zanim może się rozpaść do 135 Cs.
Rozpad beta od 137 Cs 137m Ba silna emisja promieniowania gamma . 137 Cs i 90 Sr są głównymi średnich żył produkty rozszczepienia jądrowego , a głównymi źródłami radioaktywności z wypalonym paliwem jądrowym po kilku latach chłodzenia, trwające kilkaset lat. Te dwa izotopy są największym źródłem radioaktywności szczątkowej w rejonie katastrofy w Czarnobylu . Ze względu na niską szybkość wychwytywania usuwanie 137 Cs poprzez wychwytywanie neutronów jest niewykonalne i jedynym obecnym rozwiązaniem jest umożliwienie jego rozpadowi w czasie.
Prawie cały cez wytwarzany w wyniku rozszczepienia jądrowego pochodzi z rozpadu beta pierwotnie bardziej bogatych w neutrony produktów rozszczepienia, przechodząc przez różne izotopy jodu i ksenonu . Ponieważ jod i ksenon są lotne i mogą dyfundować przez paliwo jądrowe lub powietrze, radioaktywny cez często powstaje daleko od pierwotnego miejsca rozszczepienia. Podczas testów broni jądrowej w latach pięćdziesiątych i osiemdziesiątych 137 Cs został uwolniony do atmosfery i powrócił na powierzchnię ziemi jako składnik opadu radioaktywnego . Jest gotowym znacznikiem ruchu gleby i osadów z tamtych czasów.
Występowanie
Cez jest stosunkowo rzadkim pierwiastkiem, szacowanym na średnio 3 części na milion w skorupie ziemskiej . Jest 45. najliczniejszym pierwiastkiem i 36. wśród metali. Niemniej jednak jest on bardziej obfity niż takie pierwiastki, jak antymon , kadm , cyna i wolfram , oraz o dwa rzędy wielkości bardziej obfity niż rtęć i srebro ; jest to 3,3% tak obfite jak rubid , z którym jest ściśle związany chemicznie.
Ze względu na duży promień jonowy cez jest jednym z „ niezgodnych pierwiastków ”. Podczas krystalizacji magmy cez jest zagęszczany w fazie ciekłej i krystalizuje jako ostatni. Dlatego największymi złożami cezu są złoża strefowe rudy pegmatytowej powstałe w wyniku tego procesu wzbogacania. Ponieważ cez nie zastępuje potasu tak łatwo jak rubid, alkaliczne minerały ewaporacyjne sylwit (KCl) i karnalit ( KMgCl
3·6H
2O ) może zawierać tylko 0,002% cezu. W konsekwencji cez znajduje się w niewielu minerałach. Procentowe ilości cezu można znaleźć w berylu ( Be
3Glin
2(SiO
3)
6) i awogadryt ( (K,Cs)BF
4), do 15% wag. Cs 2 O w blisko spokrewnionym mineralnym pezzottaicie ( Cs(Be
2Li)Al
2Si
6O
18), do 8,4% wag. Cs 2 O w londonicie rzadkiego minerału ( (Cs,K)Al
4Być
4(B,Bądź)
12O
28), a mniej w bardziej rozpowszechnionym rodyzycie . Jedyną ekonomicznie ważną rudą dla cezu jest pollucyt Cs(AlSi
2O
6) , który występuje w kilku miejscach na świecie w pegmatytach strefowych, związanych z ważniejszymi z handlowego punktu widzenia minerałami litu , lepidolitem i petalitem . W pegmatytach duży rozmiar ziarna i silna separacja minerałów dają w wyniku wysokogatunkową rudę do wydobycia.
Najważniejszym i najbogatszym znanym źródłem cezu na świecie jest kopalnia Tanco w jeziorze Bernic w Manitobie w Kanadzie, która według szacunków zawiera 350 000 ton rudy pollucytu, co stanowi ponad dwie trzecie światowej bazy rezerwowej. Chociaż zawartość stechiometryczna cezu w pollucytu wynosi 42,6%, to czyste próbki pollucytu z tego złoża zawierają tylko około 34% cezu, podczas gdy średnia zawartość wynosi 24% wag. Komercyjny pollucyt zawiera ponad 19% cezu. Bikita depozyt pegmatyt w Zimbabwe jest wydobywany za petalitu, ale zawiera również znaczne ilości pollucytu. Innym godnym uwagi źródłem pollucytu jest w Karibib Desert , Namibia . Przy obecnym tempie światowej produkcji górniczej od 5 do 10 ton rocznie, rezerwy wystarczą na tysiące lat.
Produkcja
Wydobycie i rafinacja rudy pollucytu jest procesem selektywnym i odbywa się na mniejszą skalę niż w przypadku większości innych metali. Ruda jest kruszona, ręcznie sortowana, ale zwykle nie zagęszczana, a następnie mielona. Cez jest następnie ekstrahowany z pollucytu głównie trzema metodami: trawieniem kwasem, rozkładem alkalicznym i bezpośrednią redukcją.
Podczas fermentacji kwasowej krzemianowa skała pollucytowa jest rozpuszczana mocnymi kwasami, takimi jak chlorowodorowy (HCl), siarkowy ( H
2WIĘC
4), kwasy bromowodorowe (HBr) lub fluorowodorowe (HF). Za pomocą kwasu solnego powstaje mieszanina rozpuszczalnych chlorków, a nierozpuszczalne chlorkowe podwójne sole cezu wytrącają się jako chlorek antymonu cezu ( Cs
4SbCl
7), chlorek jodu cezu ( Cs
2ICl ) lub heksachloroceran cezu ( Cs
2(CeCl
6) ). Po oddzieleniu czysta wytrącona sól podwójna jest rozkładana, a czysty CsCl wytrąca się przez odparowanie wody.
Metoda kwasu siarkowego daje nierozpuszczalną sól podwójną bezpośrednio jako ałun cezu ( CsAl(SO
4)
2·12H
2O ). Składnik siarczanu glinu jest przekształcany w nierozpuszczalny tlenek glinu przez prażenie ałunu węglem , a powstały produkt jest ługowany wodą w celu uzyskania Cs
2WIĘC
4 rozwiązanie.
Prażenie pollucytu z węglanem wapnia i chlorkiem wapnia daje nierozpuszczalne krzemiany wapnia i rozpuszczalny chlorek cezu. Ługowanie wodą lub rozcieńczonym amoniakiem ( NH
4OH ) daje rozcieńczony roztwór chlorku (CsCl). Ten roztwór można odparować w celu wytworzenia chlorku cezu lub przekształcić w ałun cezu lub węglan cezu. Chociaż nie jest to komercyjnie wykonalne, ruda może być bezpośrednio redukowana potasem, sodem lub wapniem w próżni, co pozwala bezpośrednio wytwarzać metaliczny cez.
Większość wydobywanego cezu (w postaci soli) jest bezpośrednio przekształcana w mrówczan cezu (HCOO - Cs + ) do zastosowań takich jak wiercenie ropy naftowej . Aby zaopatrywać rozwijający się rynek, firma Cabot Corporation zbudowała w 1997 roku zakład produkcyjny w kopalni Tanco w pobliżu jeziora Bernic w Manitobie, o wydajności 12 000 baryłek (1900 m 3 ) rocznie roztworu mrówczanu cezu. Głównymi komercyjnymi związkami cezu na mniejszą skalę są chlorek i azotan cezu .
Alternatywnie, metaliczny cez można otrzymać z oczyszczonych związków pochodzących z rudy. Chlorek cezu i inne halogenki cezu można redukować w 700 do 800 ° C (1292 do 1472 ° F) za pomocą wapnia lub baru , a cez metaliczny destylowany z wyniku. W ten sam sposób glinian, węglan lub wodorotlenek można zredukować magnezem .
Metal można również wyizolować przez elektrolizę stopionego cyjanku cezu (CsCN). Wyjątkowo czysty i wolny od gazów cez może być wytwarzany przez rozkład termiczny azydku cezu CsN w temperaturze 390 °C (734 °F).
3, który można wytwarzać z wodnego siarczanu cezu i azydku baru. W zastosowaniach próżniowych dwuchromian cezu można poddać reakcji z cyrkonem w celu wytworzenia czystego cezu bez innych produktów gazowych.
-
Cs
2Cr
2O
7+ 2 Zr → 2 Cs + 2 ZrO
2+ Cr
2O
3
Cena 99,8% czystego cezu (na bazie metalu) w 2009 roku wynosiła około 10 USD za gram (280 USD/oz), ale związki są znacznie tańsze.
Historia
W 1860 r. Robert Bunsen i Gustav Kirchhoff odkryli cez w wodzie mineralnej z Dürkheim w Niemczech. Ze względu na jasne, niebieskie linie w widmie emisyjnym , nazwę zaczerpnęli od łacińskiego słowa caesius , oznaczającego błękit nieba. Cez był pierwszym pierwiastkiem odkrytym za pomocą spektroskopu , który został wynaleziony przez Bunsena i Kirchhoffa zaledwie rok wcześniej.
Aby uzyskać czystą próbkę cezu, 44 000 litrów (9700 imp gal; 12 000 US gal) wody mineralnej musiało zostać odparowane, aby uzyskać 240 kilogramów (530 funtów) stężonego roztworu soli. Do metali ziem alkalicznych wytrącono albo siarczanów i szczawianów , pozostawiając metal alkaliczny w roztworze. Po konwersji do azotanów i ekstrakcji etanolem otrzymano mieszaninę wolną od sodu. Z tej mieszaniny lit wytrącono węglanem amonu . Potas, rubid i tworzą cezu nierozpuszczalne sole kwasu chloroplatynowego , jednak sole te wykazują niewielkie różnice w rozpuszczalności w ciepłej wodzie, a słabiej rozpuszczalny cezu i rubidu heksachloroplatynianu ((Cs, Rb) 2 PtCI 6 ) otrzymuje się przez krystalizację frakcyjną . Po redukcji heksachloroplatynianu wodorem cez i rubid rozdzielono różnicą rozpuszczalności ich węglanów w alkoholu. Proces dał 9,2 grama (0,32 uncji) chlorku rubidu i 7,3 grama (0,26 uncji) chlorku cezu z początkowych 44 000 litrów wody mineralnej.
Na podstawie chlorku cezu dwaj naukowcy oszacowali masę atomową nowego pierwiastka na 123,35 (w porównaniu do obecnie akceptowanego 132,9). Próbowali wytworzyć elementarny cez przez elektrolizę stopionego chlorku cezu, ale zamiast metalu otrzymali niebieską jednorodną substancję, która „ani gołym okiem, ani pod mikroskopem nie wykazywała najmniejszego śladu substancji metalicznej”; w rezultacie przypisali go jako podchlorek ( Cs
2Cl ). W rzeczywistości produkt był prawdopodobnie koloidalną mieszaniną metalu i chlorku cezu. Elektroliza wodnego roztworu chlorku z katodą rtęciową dała amalgamat cezu, który łatwo rozkładał się w warunkach wodnych. Czysty metal został ostatecznie wyizolowany przez niemieckiego chemika Carla Setterberga podczas pracy nad doktoratem z Kekulé i Bunsenem. W 1882 roku wyprodukował cez metaliczny poprzez elektrolizę cyjanku cezu , unikając problemów z chlorkiem.
Historycznie najważniejszym zastosowaniem cezu były badania i rozwój, głównie w dziedzinie chemicznej i elektrycznej. Bardzo niewiele zastosowań istniało dla cezu do lat dwudziestych, kiedy to wszedł on do użytku w radiowych lampach próżniowych , gdzie pełnił dwie funkcje; jako pochłaniacz usuwał nadmiar tlenu po wytworzeniu, a jako powłoka na rozgrzanej katodzie zwiększał przewodność elektryczną . Cez nie był uznawany za wysokowydajny metal przemysłowy aż do lat 50. XX wieku. Zastosowania nieradioaktywnego cezu obejmowały ogniwa fotoelektryczne , fotopowielacze , elementy optyczne spektrofotometrów w podczerwieni , katalizatory kilku reakcji organicznych, kryształy do liczników scyntylacyjnych oraz w magnetohydrodynamicznych generatorach mocy . Cez jest również używany jako źródło jonów dodatnich w spektrometrii masowej jonów wtórnych (SIMS).
Od 1967 r. Międzynarodowy System Miar opiera podstawową jednostkę czasu, drugą, na właściwościach cezu. Międzynarodowy System (SI) definiuje się jako drugi okres 9,192,631,770 cykli w mikrofalowym częstotliwości z prążka odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnego poziomów energii w stanie podstawowym od cezu-133 . 13 Ogólna Konferencja Miar i Wag w 1967 zdefiniowała sekundę jako: „czas trwania 9 192 631 770 cykli światła mikrofalowego pochłoniętego lub wyemitowanego przez nadsubtelne przejście atomów cezu-133 w ich stanie podstawowym niezakłóconym przez pola zewnętrzne”.
Aplikacje
Poszukiwania ropy naftowej
Obecnie największe zastosowanie nieradioaktywnego cezu dotyczy płuczek wiertniczych mrówczanu cezu dla przemysłu wydobywczego . Wodne roztwory mrówczanu cezu (HCOO - Cs + ) — otrzymane w reakcji wodorotlenku cezu z kwasem mrówkowym — zostały opracowane w połowie lat 90. do użytku jako płyny do wiercenia i wykańczania szybów naftowych . Zadaniem płuczki wiertniczej jest smarowanie wierteł, wyprowadzanie zwiercin skalnych na powierzchnię oraz utrzymywanie nacisku na formację podczas wiercenia odwiertu. Płyny uzupełniające wspomagają umieszczanie sprzętu sterującego po wierceniu, ale przed produkcją, utrzymując ciśnienie.
Wysoka gęstość solanki mrówczanu cezu (aż do 2,3 g / cm 3 , lub 19,2 funta na galon), w połączeniu ze stosunkowo łagodny charakter większości związków cezu, zmniejsza zapotrzebowanie na toksyczne wysokiej gęstości cząstek zawieszonych w fluid- wiercenia znacząca przewaga technologiczna, inżynierska i środowiskowa. W przeciwieństwie do składników wielu innych ciężkich cieczy, mrówczan cezu jest stosunkowo przyjazny dla środowiska. Mrówczan cezu solanki mogą być mieszane z mrówczany potasu i sodu, aby zmniejszyć gęstość cieczy do wody (1,0 g / cm 3 , lub 8,3 funta na galon). Co więcej, jest biodegradowalny i można go poddać recyklingowi, co jest ważne ze względu na jego wysoki koszt (około 4000 USD za baryłkę w 2001 r.). Alkaliczne mrówczany są bezpieczne w obsłudze i nie uszkadzają formacji produkcyjnych ani metali w odwiercie jako korozyjna alternatywa, solanki o dużej gęstości (takie jak bromek cynku ZnBr
2rozwiązania) czasami tak; wymagają również mniej czyszczenia i zmniejszają koszty utylizacji.
Zegary atomowe
Zegary atomowe na bazie cezu wykorzystują przejścia elektromagnetyczne w nadsubtelnej strukturze atomów cezu-133 jako punkt odniesienia. Pierwszy dokładny zegar cezowy został zbudowany przez Louisa Essena w 1955 roku w National Physical Laboratory w Wielkiej Brytanii. Zegary cezowe poprawiły się w ciągu ostatniego półwiecza i są uważane za „najdokładniejsze wykonanie jednostki, jaką ludzkość dotychczas osiągnęła”. Zegary te mierzą częstotliwość z błędem od 2 do 3 części na 10 14 , co odpowiada dokładności 2 nanosekund dziennie lub jednej sekundy na 1,4 miliona lat. Najnowsze wersje są dokładniejsze niż 1 część na 10 15 , czyli około 1 sekundy na 20 milionów lat. Średnia cezu jest pierwszym standardem zgodne ze standardami pomiarów czasu i częstotliwości. Zegary cezowe regulują taktowanie sieci telefonii komórkowej i Internetu.
Jednostki SI
Drugi, symbol s, to jednostka czasu w układzie SI. Jest ona definiowana poprzez przyjęcie stałej wartości liczbowej częstotliwości cezu Δ ν Cs , częstotliwości przejścia nadsubtelnego w stanie podstawowym w stanie podstawowym atomu cezu 133 jako9 192 631 770 wyrażony w jednostce Hz , co jest równe s -1 .
Energia elektryczna i elektronika
Generatory termoelektryczne na parę cezu to urządzenia małej mocy, które przekształcają energię cieplną w energię elektryczną. W dwuelektrodowym konwerterze lampowym cez neutralizuje ładunek kosmiczny w pobliżu katody i zwiększa przepływ prądu.
Cez jest również ważny ze względu na swoje właściwości fotoemisyjne , przekształcając światło w przepływ elektronów. Jest stosowany w ogniwach fotoelektrycznych, ponieważ katody na bazie cezu, takie jak związek międzymetaliczny K
2CsSb , mają niski próg napięcia dla emisji elektronów . Asortyment urządzeń fotoemisyjnych wykorzystujących cez obejmuje urządzenia do optycznego rozpoznawania znaków , tuby fotopowielacza i tubusy kamer wideo . Niemniej jednak german , rubid, selen, krzem, tellur i kilka innych pierwiastków można zastąpić cez w materiałach światłoczułych.
Kryształy jodku cezu (CsI), bromku (CsBr) i fluorku cezu (CsF) są wykorzystywane w scyntylatorach w licznikach scyntylacyjnych szeroko stosowanych w eksploracji minerałów i badaniach fizyki cząstek do wykrywania promieniowania gamma i rentgenowskiego . Będąc ciężkim pierwiastkiem, cez zapewnia dobrą siłę hamowania z lepszą wykrywalnością. Związki cezu mogą zapewniać szybszą odpowiedź (CsF) i być mniej higroskopijne (CsI).
Pary cezu są używane w wielu popularnych magnetometrach .
Element jest używany jako wewnętrzny wzorzec w spektrofotometrii . Podobnie jak inne metale alkaliczne , cez ma duże powinowactwo do tlenu i jest używany jako „ getter ” w lampach próżniowych . Inne zastosowania metalu obejmują lasery wysokoenergetyczne , lampy żarowe parowe i prostowniki parowe .
Płyny do wirowania
Wysoka gęstość jonów cezu sprawia, że roztwory chlorku cezu, siarczanu cezu i trifluorooctanu cezu ( Cs (O
2CCF
3) ) przydatne w biologii molekularnej do ultrawirowania w gradiencie gęstości . Technologia ta jest stosowana przede wszystkim w izolacji cząstek wirusowych , organelli i frakcji subkomórkowych oraz kwasów nukleinowych z próbek biologicznych.
Zastosowanie chemiczne i medyczne
Stosunkowo niewiele zastosowań chemicznych wykorzystuje cez. Domieszkowanie związkami cezu zwiększa skuteczność kilku katalizatorów z jonami metali do syntezy chemicznej, takich jak kwas akrylowy , antrachinon , tlenek etylenu , metanol , bezwodnik ftalowy , styren , monomery metakrylanu metylu i różne olefiny . Wykorzystywany jest również w katalitycznej konwersji dwutlenku siarki do trójtlenku siarki w produkcji kwasu siarkowego .
Fluorek cezu cieszy się niszowym zastosowaniem w chemii organicznej jako baza i jako bezwodne źródło jonów fluorkowych . Sole cezu czasami zastępują sole potasu lub sodu w syntezie organicznej , takiej jak cyklizacja , estryfikacja i polimeryzacja . Cez był również stosowany w dozymetrii promieniowania termoluminescencyjnego (TLD) : Pod wpływem promieniowania nabywa defekty krystaliczne, które po podgrzaniu zanikają z emisją światła proporcjonalną do otrzymanej dawki. Zatem pomiar impulsu światła za pomocą fotopowielacza może umożliwić ilościowe określenie skumulowanej dawki promieniowania.
Zastosowania jądrowe i izotopowe
Cez-137 jest radioizotopem powszechnie używanym jako emiter gamma w zastosowaniach przemysłowych. Jego zalety obejmują okres półtrwania wynoszący około 30 lat, jego dostępność z jądrowego cyklu paliwowego oraz posiadanie 137 Ba jako stabilnego produktu końcowego. Wysoka rozpuszczalność w wodzie jest wadą, która sprawia, że jest niekompatybilny z dużymi promiennikami basenowymi do żywności i artykułów medycznych. Stosowano go w rolnictwie, leczeniu raka, sterylizacji żywności, osadów ściekowych i sprzętu chirurgicznego. Radioaktywne izotopy cezu w urządzeniach do napromieniania były stosowane w medycynie do leczenia niektórych rodzajów raka, ale pojawienie się lepszych alternatyw i zastosowanie w źródłach rozpuszczalnego w wodzie chlorku cezu, który mógłby powodować skażenie o szerokim zakresie, stopniowo spowodowało, że niektóre te źródła cezu nie są używane. Caesium-137 jest stosowany w różnych przemysłowych miernikach pomiarowych, w tym miernikach wilgotności, gęstości, poziomowania i grubości. Jest także stosowany w geofizycznych urządzenia do pomiaru gęstości elektronowej z formacji skalnych, co jest analogiczne do gęstości usypowej formacji.
Cez-137 był używany w badaniach hydrologicznych analogicznie do badań z trytem . Jako produkt potomny testów bomb rozszczepieniowych od lat 50. do połowy lat 80. cez-137 został uwolniony do atmosfery, gdzie był łatwo wchłaniany do roztworu. Znana zmienność z roku na rok w tym okresie pozwala na korelację z warstwami gleby i osadów. Cez-134 i w mniejszym stopniu cez-135 były również wykorzystywane w hydrologii do pomiaru produkcji cezu w energetyce jądrowej. Chociaż są one mniej rozpowszechnione niż cez-133 lub cez-137, te izotopy perednicy są wytwarzane wyłącznie ze źródeł antropogenicznych.
Inne zastosowania
Cez i rtęć były używane jako paliwo we wczesnych silnikach jonowych zaprojektowanych do napędu statków kosmicznych podczas bardzo długich misji międzyplanetarnych lub pozaplanetarnych. Paliwo zostało zjonizowane przez kontakt z naładowaną elektrodą wolframową . Jednak korozja powodowana przez cez na elementach statku kosmicznego popchnęła rozwój w kierunku obojętnych gazów pędnych, takich jak ksenon , które są łatwiejsze w obsłudze w testach naziemnych i powodują mniejsze potencjalne uszkodzenia statku kosmicznego. Ksenon został użyty w eksperymentalnym statku kosmicznym Deep Space 1 wystrzelonym w 1998 roku. Niemniej jednak zbudowano elektryczne silniki odrzutowe, które przyspieszają jony ciekłych metali, takie jak cez.
Azotan cezu jest używany jako utleniacz i pirotechniczny barwnik do spalania krzemu w rozbłyskach podczerwieni , takich jak rozbłysk LUU-19, ponieważ emituje większość swojego światła w widmie bliskiej podczerwieni . Związki cezu mogły być stosowane jako dodatki do paliw w celu zmniejszenia sygnaturę radarową z wydechowych pióropusze w Lockheed A-12 CIA rozpoznawczych samolotów. Cez i rubid zostały dodane jako węglan do szkła, ponieważ zmniejszają przewodność elektryczną oraz poprawiają stabilność i trwałość światłowodów i noktowizorów . Fluorek cezu lub fluorek cezu glinu są stosowane w topnikach przeznaczonych do lutowania stopów aluminium zawierających magnez .
Przebadano magnetohydrodynamiczne (MHD) systemy wytwarzania energii , ale nie zyskały one powszechnej akceptacji. Metal cez był również uważany za płyn roboczy w wysokotemperaturowych generatorach turboelektrycznych z cyklem Rankine'a .
Sole cezu zostały ocenione jako odczynniki przeciwwstrząsowe po podaniu leków zawierających arsen . Jednak ze względu na ich wpływ na rytm serca, są rzadziej stosowane niż sole potasu lub rubidu. Były również stosowane w leczeniu padaczki .
Cez-133 może być chłodzony laserem i wykorzystywany do badania podstawowych i technologicznych problemów fizyki kwantowej . Ma szczególnie dogodne widmo Feshbacha, aby umożliwić badania ultrazimnych atomów wymagających przestrajalnych oddziaływań.
Zagrożenia dla zdrowia i bezpieczeństwa
Zagrożenia | |
---|---|
Piktogramy GHS | |
Hasło ostrzegawcze GHS | Zagrożenie |
H260 , H314 | |
P223 , P231 + 232 , P280 , P305 + 351 + 338 , P370 + 378 , P422 | |
NFPA 704 (ognisty diament) |
Nieradioaktywne związki cezu są tylko umiarkowanie toksyczne, a nieradioaktywny cez nie stanowi znaczącego zagrożenia dla środowiska. Ponieważ procesy biochemiczne mogą mylić i zastępować cez potasem , nadmiar cezu może prowadzić do hipokaliemii , arytmii i ostrego zatrzymania akcji serca , ale takie ilości zwykle nie występują w źródłach naturalnych.
Średnia dawka śmiertelna (LD 50 ) dla chlorku cezu u myszy wynosi 2,3 g na kg, co jest porównywalne do ld 50 wartości chlorek potasu i chlorek sodu . Głównym zastosowaniem nieradioaktywnego cezu jest mrówczan cezu w płuczkach wiertniczych naftowych, ponieważ jest on znacznie mniej toksyczny niż alternatywy, chociaż jest droższy.
Metal cez jest jednym z najbardziej reaktywnych pierwiastków i jest silnie wybuchowy w obecności wody. Powstający w wyniku reakcji gazowy wodór jest podgrzewany przez energię cieplną uwalnianą w tym samym czasie, powodując zapłon i gwałtowną eksplozję. Może to mieć miejsce w przypadku innych metali alkalicznych, ale cez jest tak silny, że tę wybuchową reakcję może wywołać nawet zimna woda.
Jest wysoce piroforyczny : temperatura samozapłonu cezu wynosi -116 ° C (-177 ° F) i zapala się wybuchowo w powietrzu, tworząc wodorotlenek cezu i różne tlenki. Wodorotlenek cezu jest bardzo silną zasadą i szybko koroduje szkło.
Do izotopów 134 i 137 znajdują się w biosferze w niewielkich ilościach z działalności człowieka, różnych od lokalizacji. Radiocez nie gromadzi się w organizmie tak łatwo, jak inne produkty rozszczepienia (takie jak jod promieniotwórczy i radiostront). Około 10% wchłoniętego promieniotwórczego cezu jest stosunkowo szybko wymywane z organizmu wraz z potem i moczem. Pozostałe 90% ma biologiczny okres półtrwania od 50 do 150 dni. Radiocez podąża za potasem i ma tendencję do gromadzenia się w tkankach roślin, w tym w owocach i warzywach. Rośliny bardzo różnią się pod względem wchłaniania cezu, czasami wykazując na niego dużą odporność. Dobrze udokumentowano również, że grzyby ze skażonych lasów gromadzą promieniotwórczy cez (cez-137) w owocnikach grzybów . Akumulacja cezu-137 w jeziorach była poważnym problemem po katastrofie w Czarnobylu . Eksperymenty na psach wykazały, że pojedyncza dawka 3,8 milicurii (140 MBq , 4,1 μg cezu-137) na kilogram jest śmiertelna w ciągu trzech tygodni; mniejsze ilości mogą powodować bezpłodność i raka. Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej i inne źródła ostrzegają, że materiały radioaktywne, takie jak cez-137, mogą być wykorzystane w urządzeniach radiologicznych dyspersyjnych, czy „ brudnych bomb ”.
Zobacz też
- Wypadek w Goiânia , poważny incydent skażenia radioaktywnego w 1987 r. z udziałem cezu-137.
- Wypadek radiologiczny w Kramatorsku , kolejny incydent z 137 Cs w latach 1980-1989.
- Wypadek Acerinox, wypadek skażenia cezem-137 w 1998 roku.
Uwagi
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- Cez lub cez w układzie okresowym filmów wideo (University of Nottingham)
- Zobacz reakcję cezu (najbardziej reaktywny metal w układzie okresowym) z fluorem (najbardziej reaktywny niemetal) dzięki uprzejmości The Royal Institution.
- Rogaczow, Andriej Ju.; Miao, Mao-Sheng; Merynos, Gabriel; Hoffmann, Roald (2015). „Molekularny CsF5 i CsF2+”. Angewandte Chemie . 127 (28): 8393-8396. Kod Bib : 2015AngCh.127.8393R . doi : 10.1002/ange.201500402 .