Металлургия цезия

Содержание:

1. Введение………………………………………………………………….
2. История открытия………………………………………………………..
3. Свойства цезия……………………………………………………………
1. Химические свойства……………………………………………..
2. Физические свойства………………………………………………
4. Сырьевые источники………………………………………………………..
5. Извлечение и производство цезия………………………………………..
6. Применение………………………………………………………………..
7. Заключение…………………………………………………………...........

1. Введение:

     Актуальность  данной темы на сегодняшний день высока, так как цезий является востребованным элементом и его применяют  в различных сферах человеческой деятельности. Также решаются вопросы, как повысить производительность по цезию и получать ценного металла больше снизив затраты. Интерес к этому редкому металлу только повышается.

     Цель  данной работы раскрыть в основном материал о способах извлечения цезия и переработки до нужного продукта. Задачами данного реферата являются изложение материала доступным языком и раскрытие материала более точно. В работе раскрыты подтемы: открытие цезия, нахождение его в природе, свойства этого металла, извлечение, производство цезия и его применение. В пункте история открытия, излагается краткий экскурс в то время когда был открыт цезий и каким путем что немаловажно. В пункте свойства металла, материал разделен на две части, это химические свойства и физические свойства. Написаны взаимодействия цезия, как он ведет себя с другими веществами, его особое строение и какой он в металлическом состоянии. Пункт -  нахождение в природе, дает описание сырьевых источников цезия, в каких видах он находится на земном шаре, его распространенность. Самым главным из всех пунктов или подтем является извлечение и производство цезия. Здесь описаны способы получения цезия и доведение его до конечного продукта, как можно извлекать этот химический элемент очищая его от примесей. В пункте применение раскрывается многообразие, в каких сферах применяется цезий, его перспективность в этом отношении как редкого металла по его особенным свойствам.

       В реферат не были внесены  пункты, и изложены подтемы, которые мало касаются или вообще не касаются главной темы работы.  
 
 
 
 
 

2. История открытия:

     Цезий был открыт в 1860 году немецкими учёными Р. В. Бунзеном и Г. Р. Кирхгофом в водах Дюрхгеймского минерального источника в Германии методом оптической спектроскопии, тем самым, став первым элементом, открытым при помощи спектрального анализа. В чистом виде цезий впервые был выделен в 1882 году шведским химиком К. Сеттербергом при электролизе расплава смеси цианида цезия (CsCN) и бария.

     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. Возможно, это обстоятельство было подмечено кем-нибудь и раньше, но только Бунзен заинтересовался им всерьез. Ученый 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». Так, 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? 

     В тот период Кирхгофа более всего  интересовало изучение спектров раскаленных  твердых и жидких тел. 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, сернокислый натрий, 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. Дни складывались в недели, недели – в месяцы.

     Постепенно  огонь, призму и подзорные трубы  прошли сотни различных веществ, и ученые уже были убеждены в том, что каждому элементу присущи  свои спектральные линии, по которым  его всегда можно найти, как преступника  по отпечаткам пальцев. От взора ученого, вооруженного спектроскопом, не могли  ускользнуть самые крохотные  примеси любого элемента. Волшебное  око прибора способно было заметить в веществе тот или иной компонент, даже если его количество измерялось миллионными долями миллиграмма. 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 исчерпывается. 

     Однажды, а точнее 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. Почему не удовлетворить  их любопытство? 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 десятки его старших «братьев» и «сестер», а методом спектрального анализа.

     Ученые, однако, имели возможность познакомиться  с этим элементом еще до того, как Бунзен и Кирхгоф создали  новый исследовательский метод. Речь идет о пропаже, которая долгие годы не давала покоя химикам. Еще в 1846 году немецкий ученый К. Платтнер занялся исследованием оллуцита-минерала, найденного на острове Эльба. Выполнить полный химический анализ минерала было делом не хитрым, но вот загвоздка: как ни складывал Платтнер полученные им результаты, сумма всех составляющих оказывалась равной 93%. Куда же могли подеваться остальные 7%? Почти два десятка лет никто не мог ответить на этот вопрос. И лишь в 1864 году итальянец Пизани представил неопровержимые доказательства того, что виновником «недовеса» был цезий, ошибочно принятый Платтнером за калий – эти элементы состоят в довольно близком химическом родстве, однако цезий в два с лишним раза тяжелее.

3. Свойства цезия:
1. Химические свойства:

     Цезий — элемент главной подгруппы первой группы, шестого периода периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева, с атомным номером 55. Обозначается символом Cs. Простое вещество цезий — мягкий щелочной металл серебристо - жёлтого цвета. Своё название цезий получил за наличие двух ярких синих линий в эмиссионном спектре (от лат. caesius — небесно-голубой).   
 

Рисунок 1. Кристаллическая решетка цезия 

     Химическая  активность цезия необычайна. Он очень  быстро реагирует с кислородом и  не только моментально воспламеняется на воздухе, но способен поглощать малейшие следы кислорода в условиях глубокого  вакуума. Воду он бурно разлагает  уже при обычной температуре; при этом выделяется много тепла, и вытесняемый из воды водород тут же воспламеняется. Цезий взаимодействует даже со льдом при –116°C. Его хранение требует большой предосторожности.

     Цезий взаимодействует и с углеродом. Только самая совершенная модификация  углерода – алмаз – в состоянии  противостоять его «натиску». Жидкий расплавленный цезий и его  пары разрыхляют сажу, древесный уголь  и даже графит, внедряясь между  атомами углерода и образуя своеобразные, довольно прочные соединения золотисто-желтого  цвета, которые в пределе, по-видимому, отвечают составу C₈Cs₅. Они воспламеняются на воздухе, вытесняют водород из воды, а при нагревании разлагаются и отдают весь поглощенный цезий.

     Даже  при обычной температуре реакции  цезия с фтором, хлором и другими  галогенами сопровождаются воспламенением, а с серой и фосфором – взрывом. При нагревании цезий соединяется с водородом, азотом и другими элементами, а при 300°C разрушает стекло и фарфор. Гидриды и дейтериды цезия легко воспламеняются на воздухе, а также в атмосфере фтора и хлора. Неустойчивы, а иногда огнеопасны и взрывчаты соединения цезия с азотом, бором, кремнием и германием, а также с окисью углерода. Галоидные соединения цезия и цезиевые соли большинства кислот, напротив, очень прочны и устойчивы. Активность исходного цезия проявляется у них разве только в хорошей растворимости подавляющего большинства солей. Кроме того, они легко превращаются в более сложные комплексные соединения.Сплавы и интерметаллические соединения цезия всегда сравнительно легкоплавки.

     У цезия имеется еще одно весьма важное свойство, тесно связанное  с его электронной структурой. Дело в том, что он теряет свой единственный валентный электрон легче, чем любой  другой металл; для этого необходима очень незначительная энергия –  всего 3,89 эВ. Поэтому получение плазмы из цезия требует гораздо меньших энергетических издержек, чем при использовании любого другого химического элемента.

2. Физические свойства:

     Блестящая поверхность металлического цезия  имеет бледно-золотистый цвет. Это  – один из самых легкоплавких металлов: он плавится при 28,5°C, кипит при 705°C в обычных условиях и при 330°C в вакууме. Легкоплавкость цезия сочетается с большой легкостью. Несмотря на довольно большую атомную массу (132,905) элемента, его плотность при 20°C всего 1,87. Цезий во много раз легче своих соседей по менделеевской таблице. Лантан, например, имеющий почти такую же атомную массу, по плотности превосходит цезий в три с лишним раза. Цезий всего вдвое тяжелее натрия, а их атомные массы относятся, как 6:1. По-видимому, причина этого кроется в своеобразной электронной структуре атомов цезия. Каждый его атом содержит 55 протонов, 78 нейтронов и 55 электронов, но все эти многочисленные электроны расположены относительно рыхло – ионный радиус цезия очень велик – 1,65 Ǻ. Ионный радиус лантана, например, равен всего 1,22 Ǻ, хотя в состав его атома входят 57 протонов, 82 нейтрона и 57 электронов.

     Самое замечательное свойство цезия –  его исключительно высокая активность. По чувствительности к свету он превосходит  все другие металлы. Цезиевый катод  испускает поток электронов даже под действием инфракрасных лучей  с длиной волны 0,80 мкм. Кроме того, максимальная электронная волна, превосходящая нормальный фотоэлектрический эффект в сотни раз, наступает у цезия при освещении зеленым светом, тогда как у других светочувствительных металлов этот максимум проявляется лишь при воздействии фиолетовых или ультрафиолетовых лучей.

     Долгое  время ученые надеялись найти  радиоактивные изотопы цезия  в природе, поскольку они есть у рубидия и калия. Но в природном  цезии не удалось обнаружить каких-либо иных изотопов, кроме вполне стабильного 133Cs. Правда, искусственным путем получено 22 радиоактивных изотопа цезия с атомными массами от 123 до 144. В большинстве случаев они недолговечны: периоды полураспада измеряются секундами и минутами, реже – несколькими часами или днями. Однако три из них распадаются не столь быстро – это 134Cs, 137Cs и 135Cs, живущие 2,07; 26,6 и 3·106 лет. Все три изотопа образуются в атомных реакторах при распаде урана, тория и плутония; их удаление из реакторов довольно затруднительно.