Цезий

Алф. указатель: 1-9 A-Z А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Щ Э Я

Внешний вид:

желтоват. кубические металл

Кристаллические модификации, цвет растворов и паров:

Брутто-формула (система Хилла): Cs

Формула в виде текста: Cs

Молекулярная масса (в а.е.м.): 132,91

Температура плавления (в °C): 28,5

Температура кипения (в °C): 672

Растворимость (в г/100 г или характеристика):

вода: реагирует
ртуть: 4,54 (18°C)
этанол: реагирует

Метод получения 1.

(лабораторный синтез)
Источник информации: "Руководство по неорганическому синтезу" т.3 под ред. Брауэра Г. М.:Мир 1985 стр. 1009

Для получения чистого цезия смешивают хромат цезия с порошком металлического циркония (в массовом отношении 1:4). Смесь спрессовывают в виде палочек и нагревают в условиях высокого вакуума в кварцевой трубке (или другом подходящем приборе).

Реакция начинается спокойно при 725°С (700—800°С); далее температура повышается до 1000 С. Получающийся щелочной металл осаждается на холодных частях трубочки, образуя красивый зеркальный налет. Выход цезия 90-96%.

Метод получения 2.

Синтез под вакуумом. Если располагают установкой, не позволяющей работать при таких высоких температурах, которые требуются при восстановлении хроматов щелочных металлов, тогда в качестве исходных соединений используют дихроматы.

Готовят смесь дихромата цезия и металлического циркония в отношении 1 : 20. Восстановление начинается уже при ~380°С (370—380°С) и протекает спокойно. Получают цезий, не содержащие оксидов.

Метод получения 3.

(лабораторный синтез)
Источник информации: "Руководство по неорганическому синтезу" т.3 под ред. Брауэра Г. М.:Мир 1985 стр. 1010-1012

Очень чистые щелочные металлы без примеси газов можно получить путем тщательно проведенного в высоком вакууме разложения азидов. Установка, в которой проводят разложение азидов, должна быть изготовленной из аппаратного (G20) или дюранового стекла, чтобы не происходило разъедания частей установки под действием образующихся щелочных металлов.

Для получения «физически чистого» щелочного металла все части установки спаивают; краны высоковакуумной части установки не следует смазывать. В других случаях, когда требования к чистоте получаемого металла не столь высоки, можно использовать в установке шлифовые соединения и краны; однако надо исключить контакт жидкого или газообразного щелочного металла со шлифами и с кранами.

Исходный азид прежде всего надо растереть в агатовой ступке в тонкий порошок, который затем помещают в реторту (примерно 6—7 г азида цезия). Азид цезия не помещают непосредственно в реторту, а насыпают в запаянную с одного конца кварцевую трубку, которую и вдвигают в реторту. Затем реторту припаивают к другим частям установки; для обезгаживания установку откачивают с помощью форвакуумного насоса (например, стеклянного ртутного пароструйного насоса) при одновременном нагревании. Охлаждаемые ловушки до конца работы должны быть опущены в жидкий воздух. Реторту задвигают в электрическую печь и, непрерывно поддерживая в установке вакуум, выдерживают в течение 12 ч при 200°С. Присоединенная к установке разрядная трубка должна регистрировать хороший вакуум (отсутствие свечения). Затем печь нагревают до более высокой температуры, ртутный клапан закрывают, чтобы выделяющийся при разложении азида азот не захватил азид и не загрязнил им конденсирующийся в приемнике щелочной металл.

Азид плавится и разлагается соответственно при 326?С и 390?С. После начала разложения температуру регулируют таким образом, чтобы давление в установке не превышало 0,1 мм рт. ст. В случае внезапного повышения давления следует открыть кран на буферную емкость (~8-литровая колба), которая еще до начала разложения должна быть хорошо откачана (форвакуумный насос). По этой же причине следует обращать особое внимание на то, чтобы все трубки имели внутренний диаметр 12—16 мм. По достижении температуры разложения, само разложение может не начаться тотчас, а только через 3—4 ч. Поэтому нельзя допускать перегревания азида, так как это может повлечь за собой взрывоподобное разложение и вследствие этого — разрушение всей установки.

Конец разложения детектируется с помощью разрядной трубки (свободный газовый разряд отсутствует). При продолжающемся откачивании установки давление азота в ней уменьшается и щелочной металл перегоняется из реторты в приемник. Затем реторту и трубку, соединяющую приемник с форвакуумным насосом, отпаивают. Приводят в действие высоковакуумный насос (например, стеклянный ртутный диффузионный насос) и открывают ртутный клапан. Благодаря тому что высоковакуумный насос подключают к установке, предварительно откачанной форвакуумным насосом, а также используют хорошо вакуумированную буферную емкость, удается достичь остаточного давления менее 0,000 000 1 мм.рт.ст. При этом щелочной металл уже при слабом подогревании электрической печью перегоняется из приемника в приемник. Металл в приемнике расплавляют так, чтобы он стекал в ампулу, которую запаивают.

В наиболее благоприятных случаях получение щелочного металла по описанной методике продолжается 3—4 сут, в неблагоприятных (если давление в установке во время разложения азида не поднимается выше 0,1 мм.рт. ст.) — 6—8 сут. В последнем случае, однако, полученный щелочной металл совершенно не содержит газов и при нагревании такого металла в высоком вакууме не наблюдается повышения давления.

Остаток имеет желтовато-серый цвет и состоит в основном из нитрида с примесью силиката и неразложившегося азида.

Выход цезия 90%.

Метод получения 4.

(лабораторный синтез)
Источник информации: "Руководство по неорганическому синтезу" т.3 под ред. Брауэра Г. М.:Мир 1985 стр. 1012-1013

Кальций (опилки или гранулы в тигле, в котором далее будет происходить восстановление щелочного металла) предварительно нагревают в вакууме (пароструйный насос) при <720°С. При температуре ~400°С происходит бурное выделение газов, при более высокой температуре — отгонка примесей, прежде всего натрия и калия, очень мешающих на заключительной стадии синтеза.

Подготовленный таким образом кальций смешивают с тщательно высушенным при 200 °С хлоридом щелочного металла. При соблюдении указанных размеров надо брать на примерно 10 г Са 35 г CsCl.

Тигель накрывают сверху комочком из спутанной очень тонкой стальной проволоки (стальной ваты), помещают в реакционный сосуд из термостойкого стекла, который опускают в электрическую (трубчатую) печь так, чтобы уровень погружения совпадал с краями тигля. Затем в установке создают высокий вакуум и нагревают в течение примерно 2 ч, доводя температуру в конце концов до 720 ?С. Стекло вокруг тигля размягчается и плотно прилегает к стенкам тигля. При этом стенки сосуда не будут трескаться, если между тиглем и ними оставлен небольшой зазор (самое большее 1 мм). Щелочной металл перегоняется в приемник с почти количественным выходом.

По окончании реакции (весь синтез длится примерно 4 ч) установку наполняют аргоном и отделяют приемник путем отпаивания в месте сужения. Для заключительной перегонки очищаемого щелочного металла при отпаивании ампулы стеклянный конец загибают в виде крючка. Лишь после всех этих операций печь отключают и охлаждают. (Внимание! Реакционный сосуд при охлаждении обычно трескается!).

Способы получения:

1. Термическим разложением смеси азидов цезия и бария с последующей отгонкой образовавшегося цезия.

Плотность:

1,9 (20°C, г/см³)

Давление паров (в мм.рт.ст.):

1 (278°C)
10 (387°C)
100 (515°C)

Динамическая вязкость жидкостей и газов (в мПа·с):

0,63 (43,4°C)
0,475 (99,6°C)
0,375 (168°C)

Стандартная энтальпия образования ΔH (298 К, кДж/моль):

0 (т)

Стандартная энергия Гиббса образования ΔG (298 К, кДж/моль):

0 (т)

Стандартная энтропия образования S (298 К, Дж/моль·K):

84,35 (т)

Стандартная мольная теплоемкость C_p (298 К, Дж/моль·K):

32 (т)

Энтальпия плавления ΔH_пл (кДж/моль):

2,09

Энтальпия кипения ΔH_кип (кДж/моль):

68,28

Критическая температура (в °C):

1427

Применение:

Используется для изготовления фотоэлементов.

Может использоватся в ионном двигателе. При этом ионизацией в плазме разделяются ионы цезия и электроны, после чего ускоряются и соединяются в сопле ракеты. При этом создается небольшая реактивная тяга, но с очень большой скоростью, вследствие чего можно достичь высокой скорости. Расчеты показывают, что расходующий 500 г цезия в час ионный двигатель способен обеспечить кораблю массой 1000 тонн ускорение 1 м/с² и конечную скорость до 150000 км/с.

Дополнительная информация:

Из-за воспламенения на воздухе цезий хранят в ампулах в инертной атмосфере (на фото). На воздухе воспламеняется с образованием надперекиси и перекиси. Черезвычайно бурно реагирует с водой с образованием гидроксида и выделением водорода; эта реакция идет даже при температуре ниже -100 С. С галогенами, серой, углекислым газом и тетрахлорметаном реагирует со взрывом. При нагревании реагирует с графитом, красным фосфором и кремнием. Выше 300 С разрушает стекло с образованием кремния и силикатов цезия. Сильно корродирует многие металлы и материалы. При нагревании с водородом образует гидрид.

Реагирует с бензолом при комнатной температуре, энергично - при плавлении, с образованием аморфного черного осадка фенилцезия. С толуолом реагирует при плавлении с образованием бензилцезия, который с углекислым газом дает цезиевую соль фенилуксусной кислоты. Вытесняет цинк из диэтилцинка с образованием CsZn(C2H5)3. Реагирует с ацетиленом с образованием монозамещенного. В тонком слое в вакууме реагирует с углекислым газом с образованием синего CsCOOCs. Присоединяет этилен с образованием твердого коричневого продукта состава C2H4Cs2.

Источники информации:

"Методы элементоорганической химии: Литий, натрий, калий, рубидий, цезий" кн.2, М.: Наука, 1971 стр. 1141-1143
"Неорганические синтезы" сб.1 М.: ИИЛ, 1951 стр. 10
"Энциклопедия для детей" т.17: Химия, М.:Аванта+, 2004 стр. 184
Гурвич Я.А. "Справочник молодого аппаратчика-химика" М.:Химия, 1991 стр. 52
Некрасов Б.В. "Основы общей химии" т.2 М.:Химия, 1973 стр. 220-226
Плющев В.Е., Степин Б.Д. "Аналитическая химия рубидия и цезия" М.:Наука, 1975 стр. 12-13
Рабинович В.А., Хавин З.Я. "Краткий химический справочник" Л.: Химия, 1977 стр. 111