Щелочной металл Цезий

Цезий

Цезий же приобрел печальную популярность (после трагического "чернобыльского" 1986 года) благодаря своему радиоизотопу ¹³⁷Cs. Образующийся во всех атомных реакторах, он является одним из главных компонентов радиоактивного загрязнения биосферы.

Нуклиды, цезий, фон, Чернобыль…

Кружилась, никла голова.
И так нам нужно было, чтобы
Сном стали все эти слова.

В. Глущенко, 1989

Небесно-голубым называется этот металл, который мог бы плавится (28,5⁰ С)от тепла ладони, После ртути – это самый легкоплавкий металл природы. Открыт цезий сравнительно недавно, в 1860 г., в минеральных водах известных целебных источников Шварцвальда (Баден-Баден и др.). Свое название цезий получил от двух светло-голубый линий, которые хорошо видны в его спектре.В начале 50-х годов прошлого века профессор химии Гейдельбергского университета Р. Бунзен обратил внимание на малозначительное, казалось бы, для науки явление: если в пламя газовой горелки вводили соли металлов, оно окрашивалось в разные цвета. Бунзен заинтересовался ‘этим всерьез. Он подносил к горелке крупицы различных веществ и всякий раз язычок пламени, словно хамелеон, менял свою окраску, становясь то желтым, то фиолетовым, то розовым. В этих экспериментах отчетливо выявлялись две закономерности: во-первых, каждый из "подопытных" металлов придавал пламени определенный цвет, а во-вторых, этот цвет не зависел от того, в каком виде металл "приговаривался к сожжению". Например, все соединения бария делали пламя зеленоватым, а кальций, попадая в огонь, заставлял его краснеть как бы в отместку за свои муки.
Напрашивалась мысль: нельзя ли воспользоваться подмеченными закономерностями, чтобы просто и быстро устанавливать, какие элементы присутствуют в исследуемом веществе? Такое открытие означало бы поистине революционный переворот в химическом анализе. К сожалению, заманчивую на первый взгляд идею трудно было претворить в жизнь. Дело в том, что любое вещество содержит, как правило, несколько компонентов, не говоря уже о примесях, которые обычно не желают оставаться незамеченными
Но на помощь Бунзену пришел его друг физик Кирхгоф. Он-то и сумел оживить идею Бунзена, предложив рассматривать не само пламя горелки, а его спектр, поскольку в нем все цвета и оттенки видны гораздо отчетливее. Из двух подзорных труб, стеклянных призм и ящика из-под сигар Кирхгоф соорудил спектроскоп - прибор, позволявший как бы разлагать пламя на составные части. Если раньше информация о пламени воспринималась невооруженным глазом ученого, то теперь луч света от горелки проходил через несколько линз и призму, превращаясь в красочную полоску с многочисленными вертикальными линиями.Когда Бунзен поместил в пламя кристаллик поваренной соли, Кирхгоф, смотревший в прибор, увидел на фоне черной полосы две яркие желтые линии. Были "преданы огню" другие соединения натрия - сода, селитра, сульфат натрия, но всегда в одном и том же месте спектра возникала неразлучная ярко-желтая пара. Сомнений не было: такова "визитная карточка" натрия. Другой металл "рисовал" линии другого цвета, в другом месте спектра.Ученые провели исследования с сотнями различных веществ и убедились, что каждому элементу присущи свои спектральные линии Бунзен и Кирхгоф тщательно изучили спектры всех известных тогда науке химических элементов и каждому из них дали точную спектральную характеристику. Это ознаменовало рождение нового метода анализа - спектрального. С помощью его можно не только обнаружить элемент, но и определить по интенсивности линий его количество. Однако возможности спектрального анализа этим не исчерпывались.В 1860 году, в лабораторию Бунзена пришла посылка с минеральной водой из знаменитых шварцвальдских источников. Врачи, приславшие воду, просили выяснить ее состав: им хотелось узнать, чему она обязана своими целебными свойствами. Бунзен выпарил воду, получил сгущенный раствор и внес каплю его в пламя газовой горелки. Глядя в окуляр спектроскопа, он наметанным глазом заметил линии натрия, калия, кальция, стронция, лития...Но что это за две голубые незнакомки? Стронций? Нет, он сигнализирует о себе одной линией. Снова и снова ученый рассматривает спектр и сравнивает его с известными эталонами, но среди них нет ничего похожего. В этом же убеждается и Кирхгоф. Значит, открыт новый химический элемент, а называться он будет цезием: ведь в переводе с латинского это - "небесно-голубой".Итак, цезий стал первым элементом, открытым не химическим путем, как другие химические элементы, а методом спектрального анализа..
.Еще в 1846 году немецкий ученый К. Платтнер занялся исследованием полуцита-минерала, найденного на острове Эльба. При изучении этого минерала, произведенном до открытия спектрального анализа, неизвестный в то время цезий был принят за калий, с которым цезий имеет много общего. Но так как калий легче цезия, то нехватка при подсчете составила 7%
Цезий - один из редчайших элементов, но все же следы его можно найти во многих горных породах, в морской воде, а его "связи" с минеральной водой вам уже известны (правда, чтобы получить несколько граммов цезиевых солей, Бунзену пришлось выпарить "всего-навсего" 40 тонн целебного напитка). Небольшие количества цезия обнаружены в сахарной свекле, зернах кофе, чайных листьях. Он знаком и каждому курильщику: две голубые линии в спектре табачного пепла показывают его наличие.Если бы металлы, подобно спортсменам, могли рассчитывать на приз "За активность", то судейская коллегия из самых авторитетных химиков без колебаний присудила бы его цезию. И дело не только в том, что этот элемент занимает самое "металлическое" место в периодической системе (если не считать франция, которого практически нет в природе), но и в том, что он полностью оправдывает свое "особое положение".В чистом виде цезий чрезвычайно активный металл. На воздухе, он немедленно воспламеняется и сгорает. Попадая в компанию с серой или фосфором , с галогенами, он тут же начинает бурно "возмущаться", и это всегда приводит к взрыву. Общение цезия с водой также чревато конфликтной ситуацией, сопровождающейся взрывом и пожаром - горит выделяющийся в ходе реакции водород.
Даже лед не выдерживает нападок цезия и вступает с ним в шумную "перепалку", причем разнять их не может и лютый холод (до -116 °С) Поэтому получить его в чистом виде очень сложно.
Само собой разумеется, изготовлять из цезия детали или изделия, которые должны подвергаться механическим нагрузкам, работать в жарких условиях или находиться в контакте с химическими "агрессорами", занятие, мягко выражаясь, неблагодарное. Так, может быть, этот недотрога "голубых кровей" вообще ни на что не пригоден и представляет интерес лишь сугубо с научной точки зрения? Железу, титану, алюминию он и впрямь не конкурент, зато у него есть такие свойства, какими, кроме него, не обладает ни один металл. Большая активность цезия по отношению к воздуху ( кислороду, азоту) используется для создания вакуума при изготовлении радиоламп. Достаточно поместить кусочек цезия в колбу лампы, как остатки воздуха, которые нельзя откачать насосом, будут мгновенно поглощены цезием. Все, кто пользуется услугами метрополитена, каждый день проходят мимо фотоэлементов. Они вмонтированы в контрольные турникеты, устроенные очень просто: с одной стороны - фотоэлемент, с другой - источник света, направляющий луч на своего "визави". Как только в городе стемнеет, фотоэлемент включает фонари. Фотоэлемент умеет сортировать сигареты, подсчитывать число деталей, проплывающих мимо него на конвейере, проверять, достаточно ли хорошо отшлифована поверхность шариков для подшипников, читать запись на звуковой дорожке киноленты. Надежнее любого сторожа эти чуткие приборы охраняют ночью магазины, банки, склады.Без фотоэлементов немыслима была бы сама идея передачи изображения на сотни и тысячи километров. Если вы вчера с интересом смотрели по телевизору хоккейный матч, концерт или очередную "порцию" захватывающего многосерийного фильма, то не грех поблагодарить за это цезий: без него ваш телевизор имел бы не больше шансов на передачу изображения, чем ящик из-под макарон. С помощью фотоэлементов удалось "снять копию" обратной стороны Луны. А разве можно было бы передать по проводам чертежи, схемы, портреты, письма, если бы фототелеграфная связь не пользовалась услугами не равнодушных к свету электронов? Конечно, нет. Фотоэлектрические свойства цезия позволили создать интроскоп - прибор, позволяющий заглянуть внутрь непрозрачных тел и заметить в них возможные дефекты. Чувствительность цезия к инфракрасным лучам лежит в основе конструкции "ночезрительных труб" - так М. В. Ломоносов называл приборы, о которых он мог только мечтать. А сегодня оптический "глаз", способный видеть в темноте, помогает человеку ночью вести автомобиль, прицельно стрелять, обнаруживать различные объекты. Фотоэлектрические свойства цезия намного больше, чем у рубидия. Но цезий готов поделиться своими электронами "по просьбе" не только света, но и тепла. Благодаря этому свойству он охотнее многих других химических элементов переходит в состояние ионизированного газа - плазмы. Цезиевая плазма представляет огромный научный и практический интерес. В космическом пространстве, например, где степень разрежения очень высока, поток электронов, выделяемых атомами цезия, способен создавать мощную реактивную тягу и придавать ракетам колоссальную скорость - по расчетам некоторых зарубежных ученых, до 44 километров в секунду! Возможно, недалек уже тот час, когда межпланетные корабли на цезиевом "топливе" будут заходить в самые далекие порты и гавани Вселенной.Цезиевая плазма широко используется и на Земле. С ее помощью магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы) преобразуют тепловую энергию в электрическую. Одно из многих достоинств этих генераторов - их простота. Без цезия не обходятся и термоэмиссионные преобразователи (ТЭП), в которых тепловая энергия ядерного реактора без задержки превращается в электрический ток. Ученые различных стран проводят множество исследований, главный объект которых - цезий. Ученые из индийского Института геофизических исследований, изучившие воду 60 горячих источников в Гималаях, пришли к выводу, что высокая концентрация цезия в воде может быть признаком магматической активности недр. Повышенная концентрация радиоактивного изотопа цезия-137 обнаружена в деревьях, сохранившихся в районе знаменитого Тунгусского взрыва, причем химическая аномалия характерна как раз для тех слоев ствола, которые относятся к 1908 году, когда произошло это событие.
. В 1967 году Международная генеральная конференция по мерам и весам установила: "Секунда - время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133".
Коротко и ясно! Хотите отсчитать секунду, так это проще пареной репы: нужно только подождать, пока электрон цезия перепрыгнет с одной своей орбиты на другую указанное число раз.
Атомные часы на этом принципе уже работают и, надо сказать, неплохо: за три тысячелетия точность их хода может измениться всего на одну секунду. О цезии можно рассказывать много. О его каталитических способностях и умении создавать вакуум в радиолампах, о его изотопах, применяемых в медицине, дефектоскопии, измерительной технике, о получении с помощью этого элемента сцинтилляционных монокристаллов, способных светиться холодным голубоватым или зеленоватым светом под действием любого излучения - рентгеновского, ультрафиолетового, радиоактивного. Можно смело сказать, что областям применения цезия и перспективы его поистине безграничны!