Цезиум

Цезиум — хемиски елемент со симбол Cs и атомски број 55. Тоа е мек, сребрено-златен алкален метал со точка на топење од 28,5 °C, што го прави еден од само петте елементарни метали кои се течни на или блиску до собна температура. Цезиумот има физички и хемиски својства слични на оние на рубидиумот и калиумот . Тој е најреактивен од сите метали, и е пирофорен и реагира со вода дури и на -116 °C. Станува збор за најмалку електронегативни елементи, со вредност од 0,79 на Паулиновата скала . Има само еден стабилен изотоп, цезиум-133. Цезиумот во главно се добиваод полуцит, додека радиоизотопите, особено цезиум-137, се производ на јадреното цепење и се екстрахираат од отпадот создаден од јадрените реактори .
Германскиот хемичар Роберт Бунсен и физичарот Густав Кирхоф го откриле цезиумот во 1860 година користејќи го новоразвиениот метод на пламена спектроскопија. Почетно цезиумот имал мала примена како „гетер“ во вакуум цевките и во фотоелектричните ќелии. Во 1967 година, надоврзувајќи се на Ајнштајновиот доказ за тоа дека брзината на светлината е најстарата константна димензија во универзумот, Меѓународниот систем на единици користел два специфични бранови од емисиониот спектар на цезиум-133 за до дефинирање на секундата и метарот. Од тогаш, цезиумот на широко е употребуван во атомските часовници со висока прецизност.
Од 1990-тите, најголемата примена е како цезиум формат за подмачкување при бушење , но има голем број примени во производството на електрична енергија, електрониката и хемијата. Радиоактивниот изотоп цезиум-137 има полуживот од околу 30 години и се користи во медицината, индустриските мерачи и хидрологијата. Нерадиоактивните соединенија на цезиум се слаботоксични, но знаејќи дека цезиумот експлозивно реагира при контакт со вода значи дека цезиумот се смета за опасен материјал, а радиоизотопите претставуваат значајна здравствена и еколошка опасност во животната средина.
1 Особености
1.1 Физички својства
Цезиумот е најмекиот елемент (има цврстина од 0,2 Mohs). Тој е многу пластичен , блед метал, кој се затемнува во присуство на кислород . Кога е во присуство на минерални масла (каде што најдобро се чува за време на транспортот), го губи својот метален сјај и добива послаб, сив изглед. Неговата точка на топење изнесува 28,5 °C, што го прави еден од ретките елементарни метали кои се течни на собна температура. Живата е единствениот елементарен метал со позната точка на топење пониска од онаа на цезиумот. Покрај тоа, металот има и прилично ниска точка на вриење, 641 °C, што е најниската температура од сите метали освен онаа на живата. Неговите соединенија горат со сина или виолетова боја .
Цезимот формира легури со други алкални метали, злато и жива ( амалгами ). На температури под , не легира со кобалт, железо, молибден, никел, платина, тантал или волфрам . Тој формира добро дефинирани интерметални соединенија со антимон, галиум, индиум и ториум, кои се фоточувствителни . Се меша со сите други алкални метали (освен литиум); легирање со моларна дистрибуција на 41% цезиум, 47% калиум и 12% натриум има најниска точка на топење на која било позната метална легура, на . Се изучуваат неколку амалгами: е црна со пурпурен метален сјај, додека CsHg е со златна боја, исто така, со метален сјај.
Златната боја на цезиум доаѓа од намалената честота на светлина потребна за да ги возбуди електроните на алкалните метали, како што се движиме надолу по групата. Од литиумот до рубидиумот оваа честота е во ултравиолетовиот спектар, но за цезиумот навлегува во сино-виолетовиот крај на спектарот; со други зборови, плазмоничната честота на алкалните метали се намалува од литиумот до цезиумот. Така цезиумот ја пренесува и делумно ја впива виолетовата светлина, додека други бои (со помала честота) се одбиваат; па оттука е и неговата жолтеникава боја.
1.2 Хемиски својства
Цезиум е високо реактивен и многу пирофорен . Се запалува спонтано во воздух и реагира експлозивно со вода дури и при ниска температура, повеќето од другите алкални метали ( првата група на периодниот систем ). Реагира со замрзната вода на температура од . Поради оваа висока реактивност, цезиум металот е класифициран како опасен материјал . Се складира и се испраќа во суви, заситени јаглеводороди соединенија како што се минералните масла . Со него се ракува само под инертен гас, како што е аргонот . Сепак, експлозијата со цезиумот во вода често е помалку моќна од експлозија на натриумот во вода со слична количина на натриум. Ова е затоа што цезиумот веднаш експлодира при контакт со водата, оставајќи му малку време да се акумулира водородот. Цезиумот може да се чува во вакуумско-запечатени боросиликатни стаклени ампули . Во количини поголеми од околу 100 грами (3.5oz ) цезиум се испорачува во херметички затворени контејнери од не'рѓосувачки челик.
Хемијата на цезиумот е слична на онаа на другите алкални метали, особено на рубидиумот, елемент над цезиумот во периодниот систем. Како што се очекува за секој алкален метал, единствената честа оксидациона состојба е +1. Некои мали разлики произлегуваат од фактот дека има повисока атомска маса и е поелектропозитивен од другите (нерадиоактивни) алкални метали. Цезиум е најелектропозитивниот хемиски елемент. Цезиумовиот јон е исто така поголем и помалку „тежок“ од оние на полесните алкални метали.
1.3 Соединенија
Повеќето цезиумски соединенија го содржат елементот како катјон , кој јонично се врзува за широк спектар на анјони .Забележлив исклучок е алкалидот на анјонот ), и други неколку субоксиди (види дел за оксиди подолу).
Солите на Cs <sup>+</sup> се обично безбојни освен ако самите анјони се обоени. Многу од едноставните соли се хигроскопски, но помалку одговараат на полесни алкални метали. Фосфат, ацетат, карбонат, халиди, оксид, нитрати и сулфатни соли кои се растворливи во вода. Двојните соли често се помалку растворливи, а ниската растворливост на цезиум алуминиум сулфат се експлоатира во рафинирањето на Cs од рудите. Двојната сол со антимон (како што е ), бизмут, кадмиум, бакар, железо и олово исто така се слабо растворливи .
Цезиум хидроксидот (CsOH) е хигроскопски и силно базичен . Тоа брзо оксидира на површината на полупроводници како што е силициумот . CsOH претходно се смета од страна на хемичарите како "најсилна база", што ја рефлектира релативно слабата атракција помеѓу големиот Cs <sup>+</sup> јон и OH <sup>-</sup> ; таа е навистина најсилната база на арениус, но голем број на соединенија кои не се раствораат во вода, како што е ''n-'' бутиллитиум и натриум амид, се поосновни.
Стехиометриска мешавина на цезиум и злато ќе реагира за да се формира жолт цезиум аурид (Cs <sup>+</sup> Au <sup>-</sup> ) при загревање. Ауридниот анјон овде се однесува како псевдохалоген . Соединението реагира експлозивно со вода, давајќи цезиум хидроксид, метално злато и водороден гас; во течен амонијак може да реагира преку цезиум-специфична јонска размена на смола за да се добие тетраметиламониум аурид. Аналогното платинско соединение, црвениот цезиум платинид (Cs <sub>2</sub> Pt), го содржи платинскиот јон кој се однесува како псевдохалкоген .
Како и сите метални катјони, Cs <sup>+</sup> формира комплекси со Луисови бази во растворот. Поради својата големина, Cs <sup>+</sup> обично прифаќа координатни броеви поголеми од 6, број типичен за помалите алкални метали. Оваа разлика е очигледна во 8-координатниот CsCl. Овој висок координатен број и мекост (тенденција да се формираат ковалентни врски) се особини искористени при одвојување на Cs <sup>+</sup> од други катјони за отстранување на јадренот отпад, каде што <sup>137</sup> Cs <sup>+</sup> мора да се оддели од поголеми количини на нерадиоактивни K <sup>+</sup> .
1.3.1 Халиди
Цезиум флуорид (CsF) е хигроскопска бела цврста материја која е широко употребувана во органофлуорната хемија како извор на флуоридни анјони. Цезиум флуоридот има халитна структура, што значи дека Cs <sup>+</sup> и F <sup>-</sup> образуваат коцкест кристален систем сличен на оној на Na <sup>+</sup> и Cl <sup>-</sup> во натриум хлоридот . Имено, цезиумот и флуорот имаат најниски и највисоки електронегативности, меѓу сите познати елементи.
Цезиум хлоридот (CsCl) кристализира во едноставниот коцкест кристален систем . Исто така, наречена "структура на цезиум хлорид", овој структурен мотив е составен од примитивна коцкеста решетка со двоатомска основа, секоја со осумкратна координација ; атомите на хлоридите се сместени во јазлите на решетката во рабовите на коцката, додека атомите на цезиум лежат во дупките во центарот на коцките. Оваа структура се дели со CsBr и CSI, и многу други состојки кои не содржат Cs. Спротивно на тоа, повеќето други алкални халогени имаат структура на натриум хлорид (NaCl). Структурата на CsCl е најпосакувана бидејќи Cs <sup>+</sup> има јонски полупречник од 174 pm и 181 pm.
1.3.2 Оксиди
За разлика од другите алкални метали, цезимот создава бројни бинарни соединенија со кислородот . Кога цезиумот гори во воздух се добива, супероксидот . "Нормалниот" цезиум оксид ( ) создава жолто-портокалови шестаголни кристали, и е единствениот оксид од анти- тип. Испарува на и се разградува на цезиум и на пероксидот на температура над . Дополнително се забележани супероксидот и озонидот , и неколку светло обоени субоксиди. Тие вклучуваат , , (темно-зелена ), CsO, , како и . Вториот може да се загрее во вакуум за да се создаде . Постојат и бинарните соединенија со сулфур, селен и телур.
1.4 Изотопи
Цезиумот има 39 познати изотопи, кои се движат со масен број (т.е. број на нуклеони во јадрото) од 112 до 151. Неколку од нив се синтетизираат од полесни елементи со бавниот процес на зафаќање на неутрони ( S-процес ) во старите ѕвезди и со R-процесот во експлозиите на суперновите . Единствениот стабилен цезиумов изотоп е <sup>133</sup> Cs, со 78 неутрони . И покрај тоа што има голем јадрен спин +), изучувањата со јадрената магнетна резонанса го користат овој изотоп на резонантна честота на 11,7 MHz .
Радиоактивниот <sup>135</sup> Cs има многу долг полуживот од околу 2,3 милиони години, најдолго од сите радиоактивни изотопи на цезиум. <sup>137</sup> Cs и <sup>134</sup> Cs имаат полуживот од 30 и две години, соодветно. <sup>137</sup> Cs се распаѓа на краткотрајниот <sup>137m</sup> Ba со бета распаѓање, а потоа и во нерадиоактивен бариум, додека <sup>134</sup> Cs се трансформира директно во <sup>134</sup> Ba . Изотопите со маса од 129, 131, 132 и 136, имаат полуживот помеѓу еден ден и две недели, додека повеќето други изотопи имаат полуживот од неколку секунди до делови од секундата. Постојат најмалку 21 метастабилен јадрен изомер . Освен <sup>134m</sup> Cs (со полуживот помал од 3 часа), сите се многу нестабилни и се распаѓаат со полуживоти од неколку минути или помалку.
Изотопот <sup>135</sup> Cs е еден од долготрајните производи на цепење на ураниумот добиен во јадрените реактори . Сепак, овој принос на цепното производство е намален кај повеќето реактори, бидејќи претходникот, <sup>135</sup> Xe, е потентен неутронски отров и често се трансмутира во стабилен <sup>136</sup> Xe пред да може да се распадне на <sup>135</sup> Cs.
Бета распаѓањето од <sup>137</sup> Cs до <sup>137 m</sup> Ba е преку силна емисија на гама-зрачење .<sup>137</sup> Cs и <sup>90</sup> Sr се главните среднотрајни производи на јадреното цепење и главни извори на радиоактивност од потрошено јадрено гориво неколку години по ладење, и може да трае неколку стотини години. Овие два изотопи се најголем извор на резидуална радиоактивност во областа на Чернобилската катастрофа. Поради ниската стапка на зафаќање, отстранувањето на <sup>137</sup> Cs преку зафаќање на неутроните не е изводливо и единственото тековно решение е да му дозволи да се распаѓа со текот на времето.
Речиси целиот цезиум произведен од јадрено цепење произлегува од бета распаѓањето на првично побогатите неутронски цепни производи, минувајќи низ разни изотопи на јод и ксенон . Бидејќи јодот и ксенонот се испарливи и можат да дифузираат преку јадрено гориво или воздухот, радиоактивниот цезиум честопати се создава далеку од првобитното место на цепењето. Со тестирањето на јадреното оружје во 1950-тите до 1980-тите, <sup>137</sup> Cs беше пуштен во атмосферата и се врати на површината на земјата како компонента на . Тој претставува ознака за движењето на почвата и седиментот од тој период.