Технология производства Цезия

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ТЕМЕ:

«Технология производства Цезия»

 

 

 

 

                                                                            Выполнила:ст. гр.МКМ-10

                                                                                                

 

                                                                                   Проверил:доцент,к.т.н.

 

 

 

 

 

Донецк-2013

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цезий - химический элемент I группы периодической  системы, атомный номер 55, атомная масса 132,9054; относится к щелочным металлам.

История открытия

 Открыт цезий сравнительно  недавно, в 1860 г., в минеральных  водах известных целебных источников  Шварцвальда (Баден-Баден и др.). За короткий исторический срок  прошел блистательный путь – от редкого, никому не ведомого химического элемента до стратегического металла. Принадлежит к семье редких щелочных легких металлов. Легко взаимодействует с другими элементами, образуя прочные связи. В настоящее время применяется одновременно в нескольких отраслях: в электронике и автоматике, в радиолокации и кино, в атомных реакторах и на космических кораблях.

 Впервые он был обнаружен  по двум ярким линиям в синей  области спектра, и латинское  слово «caesius», от которого произошло  его название, означает небесно-голубой. Неоспоримо утверждение о том, что цезий практически последний в ряду щелочных металлов. Правда, еще Менделеев предусмотрительно оставил в своей таблице пустую клетку для «экацезия», который должен был следовать в I группе за цезием. И этот элемент (франций) в 1939 г. был открыт. Однако франций существует лишь в виде быстро распадающихся радиоактивных изотопов с периодами полураспада в несколько минут, секунд или даже тысячных долей секунды.

 Цезий был первым элементом,  открытым с помощью спектрального анализа. Ранее соли цезия ошибочно считали солями калия. 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 полуцита-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.

 Металлический цезий впервые  был получен Сеттербергом в  1882 г. электролизом расплавленного цианида цезия. Производство соединений цезия возникло в конце прошлого столетия, а производство металлов цезия было организовано в двадцатых годах прошлого столетия. Однако и в настоящее время их получают в ограниченном количестве.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Описание 

 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. Атомный радиус цезия равен 2,62 Ǻ.

 Природный  цезий состоит из стабильного  нуклида 133Cs. Поперечное сечение  захвата тепловых нейтронов 2,9*10-27м2.

 Конфигурация  внешней электронной оболочки  атома 6s1, степень окисления +1; энергия ионизации при переходе Cs →Cs+→Cs2+ соответствует 3,89397, 25,1 эВ; сродство к электрону 0,47 эВ; электроотрицательность по Полингу 0,7; работа

 выхода  электрона 1,81 эВ; металлический радиус 0,266 нм, ковалентный радиус 0.235 нм, ионный  радиус Cs+ 0,181 нм (координационное число  6), 0,188 нм (8), 0,192 нм (9), 0,195 нм (10), 0,202 нм (12).

 Содержание  цезия в земной коре 3,7·10-4% по  массе. Минералы цезия – поллуцит (Сs, Nа) [АlSi2O6] ·Н2О (содержание Cs2О  29,8–36,7% по массе) и редкий авогадрит  (К, Сs) [ВF4]. Цезий присутствует  в виде примеси в богатых калием алюмосиликатах: лепидолите (0,1–0,5% СsО), флогопите (0,2–1,5%) и др., также в карналлите (0,0003–0,002% CsС1), трифилине, в термальных (до 5 мг/л Cs) и озерных (до 0,3 мг/л Cs) водах. Промышленный источники цезия – поллуцит и лепидолит.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Свойства  цезия 

 Цезий – мягкий металл, который  при комнатной температуре находится  в полужидком состоянии. Пары  окрашены в зеленовато-синий цвет. Кристаллизуется в кубической  объемноцентрированной решетке:  а = 0,6141 нм, z = 2, пространств, группа IтЗт\ т. пл. 28,44 °С, точка кипения 669,2 °С; плотность 1,904 г./см3 (20 °С); С0р32,21 Дж/(моль·К); Н0пл 2,096 кДж/моль, ∆Н0исп65,62 кДж/моль, ∆Н0возг76,54 кДж/моль (298,15 К); S0298 85,23 Дж/(моль·К); уравнения температурной зависимости давления пара: lg p (мм рт. ст.) = -4122/T + 5,228 – 1,514 lg T + 3977Т (100–301,59К), lg p (мм. рт. cт.)= -3822/Т + 4,940 – 0,746 lg T (301,59–897 К); теплопроводность, Вт/(м·К): 19,0 (298 К), 19,3 (373 К), 20,2 (473 К); ρ, мкОм·м: 0,1830 (273,15 К), 0,2142 (301,59 К, твердый), 0,3568 (301,59 К, жидкость), температурный коэффициент ρ 6,0–10-3 К-1 (273–291 К); парамагнетик, удельная магнитная восприимчивость +0,22·10-9(293 К); η, мПа·с: 6,76 (301,59 К), 5,27 (350 К), 3,18 (500 К); γ 60,6 мН/м (301,59 К); температурный коэффициент линейного расширения 97·10-6 К-1 (273 К); твердость по Моосу 0,2; модуль упругости 1,7 ГПа (293 К); коэффициент. сжимаемости 71·10-11Па-1 (323 К).

 На воздухе цезий мгновенно  окисляется с воспламенением  и образованием перекиси и  надперекиси. С водой цезий и рубидий бурно реагируют с образованием гидроокисей и выделением водорода. Эта реакция протекает даже при температуре –100° С.

 Цезий растворяется в жидком  аммиаке, со спиртом образуют  алкоголяты, способные присоединить  одну молекулу спирта. Из-за высокой реакционной способности цезий хранят в герметических стальных сосудах под слоем парафина.

 Цезий, как натрий и калий,  обладает единственным 5-электроном  сверх конфигурации инертных  газов. Структура электронных  оболочек цезия определяет многие его физико-химические свойства. Конфигурация электронных оболочек следующая: КЬ – [Кг] криптон. 5s и Сз – [Хе] ксенон 6s. Вследствие небольшой разницы в энергиях атомных орбит – 5d и 6s для цезия атомы их легко возбуждаются. По этой причине металлы обладают низкими значениями ионизационных потенциалов, хорошей электропроводностью и явлением фотоэффекта. Способность световых лучей заряжать тела положительным электричеством или отнимать от них отрицательный заряд была названа фотоэффектом (от греческого слова «фотос» – свет и латинского – «эффект» – действие). Световые лучи «выбивают» из цезия электроны, которые образуют электрический ток. У цезия очень легко «выбить» электрон, так как на внешнем электронном слое он один. Чем дальше от ядра атома удален электрон, тем легче его оторвать. Так, у цезия шесть электронных слоев, а у натрия только три; между ядром и внешним электроном у цезия 54 электрона, а у натрия только 10. Следовательно, цезий легче всего отдает свой электрон, потому что он обладает наибольшим атомным радиусом и наименьшим ионизационным потенциалом. Цезий встречается в природе только в виде стабильного изотопа 135Сз

 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 эмиссия, 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.

 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.

 Все щелочные металлы сильно  изменяются под действием высокого  давления. Но именно цезий реагирует  на него наиболее своеобразно  и резко. При давлении в 100 тыс. атм. его объем уменьшается  почти втрое – сильнее, чем  у других щелочных металлов. Кроме того, именно в условиях высокого давления были обнаружены две новые модификации элементарного цезия. Электрическое сопротивление всех щелочных металлов с ростом давления увеличивается; у цезия это свойство выражено особенно сильно.

 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 затрат, чем при использовании любого другого химического элемента.

 Ядро атома цезия и его  валентный электрон обладают  собственными магнитными моментами. Эти моменты могут быть ориентированы двояко – параллельно или антипараллельно. Разница между энергиями обоих состояний постоянна, и, естественно, переход из одного состояния в другое сопровождается колебаниями со строго постоянными характеристиками (длина волны 3,26 см). Используя это свойство, ученые создали цезиевые «атомные часы» – едва ли не самые точные в мире.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Свойства  и способы получения соединений цезия 

 Цезий химически очень активен,  стандартный электродный потенциал составляет 2,923 В. на воздухе мгновенно окисляется с воспламенением, образуя надпероксид Сs02с примесью пероксида Сs202. При ограниченном доступе O2 Окисляется до оксида цезия Cs20; Сs02 переходит в озонид Cs03 в токе озонированного O2 при 40 °С. С водой цезий реагирует со взрывом с образованием гидроксида CsОН и выделением Н2. Взаимодействует с сухим Н2 при 200–350 °С под давлением 5–10 МПа или в присутствии катализатора с образованием гидрида СsН.

 Все многочисленные соединения  цезия можно подразделить на две группы: простые и комплексные.

 Простые соединения.

 Оксид цезия Сs2О, кристаллы,  расплывающиеся на воздухе; в  вакууме (10-3 Па) возгоняется при  350–450 °С, при 500 °С разлагается: 2Cs20 →Сs202 + 2Cs; энергично реагирует с  водой, давая CsОН, с влажным СО2, при 150–200 °С – с Н2, Р2, С12, а также с расплавленной серой; разлагается на свету; получают медленным окислением Cs кислородом (2/3 стехиометрического колличества), остаток Cs отгоняют в вакууме при 180–200 °С. При окислении Cs кислородом получают также его пероксид и надперокид.

 

 Таблица 1

Свойства оксида, пероксида и  надпероксида
Показатель	Cs2O	Cs2O2	CsO2
Цвет	Коричнево-красный	Бледно-желтый	Золотисто-коричневый
Сингония	Гексагональная	Ромбическая	Тетрагональная	Кубическая
Параметры кристалической решетки, нм:
α	0,674	0,4477	0,4322	0,662
b	-	0,7517	-	-
с	1,882	0,6340	0,7350	-
Пространственная группа	R3m	/mmm	14/mmm	Fm3m
Температура плавления,˚С	595˚	594˚	130˚	450˚
Плотность, г/см3	4,36	4,47 (15˚С)	3,76 (19˚С)	-
С˚р, Дж/(моль· К)	76,0˚	95,0˚	79,1˚	-
∆Н˚обр, кДж/моль	-346,4˚	-440˚	-286˚	-
∆Н˚пл, кДж/моль	20˚	22˚	-	18˚
S˚298, Дж/(моль· К)	146,9˚	180˚	142˚	-