Свойства металлов: химические, физические, технологические

Плотность материи за пределами планеты Земля

Осмий, бесспорно, является лидером самых тяжёлых элементов нашей планеты. Но если мы обратим свой взор в космос, то нашему вниманию откроется множество веществ более тяжёлых, чем наш «король» тяжёлых элементов.

Дело в том, что во Вселенной существуют условия несколько другие, чем на Земле. Гравитация ряда космических объектов настолько велика, что вещество неимоверно уплотняется.

Если рассмотреть структуру атома, то обнаружится, что расстояния в межатомном мире чем-то напоминают видимый нами космос. Где планеты, звезды и прочие космические тела находятся на достаточно большой дистанции. Остальное же занимает пустота. Именно такую структуру имеют атомы, и при сильной гравитации эта дистанция достаточно сильно уменьшается. Вплоть до «вдавливания» одних элементарных частиц в другие.

Физико-химические характеристики

Металл наделен неординарными физическими и химическими свойствами.

Это самое активное из известных веществ:

• Взаимодействует со всеми веществами, включая лед.
• На холоде чистый цезий окисляется.
• Это легкоплавкий металл: плавится при +29°C, летом может растекаться даже при комнатной температуре.
• Сплавы со щелочными металлами плавятся при отрицательных температурах (например, с калием и натрием – при минус 78°С).
• Произвольно загорается на воздухе, взрывается в воде, льду при температуре выше минус 115°C.
• Требует специальных условий хранения: обычное стекло контакта с металлом не выдерживает.

Данные характеристики позволяют отличить цезий от других металлов.

Свойства атома
Название, символ, номер	цезий / caesium (Cs), 55
Атомная масса (молярная масса)	132,9054519(2) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	6s1
Радиус атома	267 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	235 пм
Радиус иона	(+1e) 167 пм
Электроотрицательность	0,79 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	-2,923
Степени окисления	0; +1
Энергия ионизации (первый электрон)	375,5 (3,89) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	1,873 г/см³
Температура плавления	28,7 °C; 28,5 °C; 28,44 °C
Температура кипения	667,6 °C; 688 °C; 669,2 °C
Уд. теплота плавления	2,09 кДж/моль
Уд. теплота испарения	68,3 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	32,21 Дж/(K·моль)
Молярный объём	70,0 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированная
Параметры решётки	6,140 Å
Температура Дебая	39,2 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 35,9 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-46-2

Цезий сопоставим с францием. Но франций еще неустойчивее, поэтому пока существует умозрительно.

Ртуть испаряется в воздухе

Когда люди впервые открыли ртуть, ей было дано название «живое серебро». Это очень точное определение того, как выглядит ртуть.

Редкий металл является жидкостью, но при этом очень тяжелой. Самый распространенный предмет, где можно увидеть ртуть – старый градусник. Все родители запрещают своим детям его трогать. А все из-за свойств ртути, которая может испаряться в воздухе.

Пары, образовывающиеся при испарении, очень токсичны и могут навредить организму человека. Они проникают внутрь, нарушают состав и структуру белков, из-за чего некоторые процессы начинают течь в обратном направлении, что влечет за собой отравление и смерть.

Но летальный исход вызывают только большие количества этого металла, больше чем в обычном градуснике. Однако меры по устранению проблемы в любом случае надо принять незамедлительно.

Нахождение в природе и получение[править | править код]

Руды и минералыправить | править код

Основной рудой цезия является поллуцит, а вспомогательными рудами имеющими меньшее значение но используемые промышленностью высокоразвитых стран для добычи цезия а так же рубидия являются: Авогадрит, Лепидолит, Биотит, Амазонит, Петалит, Берилл, Циннвальдит, Лейцит и другие. Все они являются алюмосиликатами (кроме авогадрита — это борофторид калия).

Мировые ресурсыправить | править код

Цезий входит в группу элементов с ограниченными запасами вместе с гафнием, танталом, бериллием, рением, платиноидами, кадмием, теллуром. Общие выявленные мировые ресурсы руд составляют около 180 тыс. тонн (в пересчёте на окись цезия), но они крайне распылены, и, к сожалению, сверхвысокие цены — это неотъемлемая черта, сопровождающая цезий и рубидий в прошлом, настоящем и будущем. Мировой объём добычи цезия составляет около 9 тонн в год, а потребности свыше 85 тонн в год и она постоянно растёт. По добыче цезиевой руды (поллуцита) лидирует Канада. В месторождении Берник-Лейк (юго-восточная Манитоба) сосредоточено около 70% мировых запасов цезия. Поллуцит также добывается в Намибии и Зимбабве. В России его мощные месторождения находятся на Кольском полуострове, в Восточном Саяне и Забайкалье

Месторождения поллуцита также имеются в Казахстане, Монголии и Италии (о.Эльба), но обладают малыми запасами и не имеют важного экономического значения. У цезия есть и недостатки, которые обусловливают постоянный поиск его минералов, это то обстоятельство что во первых его извлечение из руд неполное, в процессе эксплуатации материала он рассеивается и потому безвозвратно теряется, запасы его руд очень ограничены и не могут обеспечить постоянно растущий спрос на металлический цезий (потребности в металле более чем в 8,5 раз превышают его добычу и положение в металлургии цезия ещё более тревожное чем например в металлургии тантала или рения)

Сюда же можно указать что промышленность нуждается именно в очень чистом материале (на уровне 99,9—99,999 %) и это является одной из труднейших задач в металлургии редких элементов. Для получения цезия достаточной степени чистоты требуется многократная ректификация в вакууме, очистка от механических примесей на металлокерамических фильтрах, нагревание с геттерами для удаления следов водорода, азота, кислорода, с помощью очень чистого циркония (геттер), и многократная ступенчатая кристаллизация. Цезий весьма активен и агрессивен по отношению к контейнерным материалам и требует хранения например в сосудах из специального стекла в атмосфере аргона или водорода (обычные марки лабораторного стекла цезий разрушает).

Производство чистого элементаправить | править код

Так как промышленности требуется только цезий особой чистоты то основным способом получения такого материала является длительное разложение небольших количеств азида цезия в вакууме (способ опасен ввиду возможности взрывов азида цезия).

Обычно выделяют два основных способа извлечения цезия в виде соединений из поллуцита.

1) Хлоридное вскрытие — минерал обрабатывается подогретой соляной кислотой, а потом при добавлении SbCl3 осаждают Cs3, который затем обрабатывают горячей водой или раствором аммиака.

2) Сульфатное вскрытие — минерал обрабатывается подогретой серной кислотой, в результате чего получают алюмо-цезиевые квасцы CsAl(SO4)2 * 12H2O.

3) Прямое восстановление поллуцита — метод прямого восстановления поллуцита находится на стадии экспериментальных исследований и маломасштабного производства цезия. Сущность метода заключается в нагревании смеси порошкообразного поллуцита, окиси кальция и небольшого избытка восстановителя (алюминий, кремний, или их сплавы) при температуре 1050-1150 С и низком давлении 102-1,02 Па. По другой схеме, поллуцит вначале нагревают до 900 С для удаления влаги, а затем нагревают до 900-950 С в смеси с металлическим кальцием. При это практически достигается извлечение до 85 % цезия содержащегося в поллуците, а расход кальция доходит до 3-х весовых частей на одну весовую часть поллуцита содержащего до 35% Cs2O. При использовании в качестве восстановителя металлического натрия при 700-800 С в инертной атмосфере (азот, аргон) выход цезия в среднем достигает 75-95 %, но полученный металлический цезий содержит до 10 % натрия, и нуждается в дополнительных методах очистки.

Положение в таблице Менделеева

Металлические свойства элементов ослабевают слева направо в периодической таблице Менделеева. Поэтому наиболее активными считаются элементы I и II групп.

Рис. 1. Активные металлы в таблице Менделеева.

Все металлы являются восстановителями и легко расстаются с электронами на внешнем энергетическом уровне. У активных металлов всего один-два валентных электрона. При этом металлические свойства усиливаются сверху вниз с возрастанием количества энергетических уровней, т.к. чем дальше электрон находится от ядра атома, тем легче ему отделиться.

Наиболее активными считаются щелочные металлы:

• литий;
• натрий;
• калий;
• рубидий;
• цезий;
• франций.

К щелочноземельным металлам относятся:

• бериллий;
• магний;
• кальций;
• стронций;
• барий;
• радий.

Узнать степень активности металла можно по электрохимическому ряду напряжений металлов. Чем левее от водорода расположен элемент, тем более он активен. Металлы, стоящие справа от водорода, малоактивны и могут взаимодействовать только с концентрированными кислотами.

Рис. 2. Электрохимический ряд напряжений металлов.

К списку активных металлов в химии также относят алюминий, расположенный в III группе и стоящий левее водорода. Однако алюминий находится на границе активных и среднеактивных металлов и не реагирует с некоторыми веществами при обычных условиях.

СТРУКТУРА

Кубическая гранецентрированная структура. 4 оранжевых атома

Кристаллическая решетка алюминия — гранецентрированный куб, которая устойчива при температуре от 4°К до точки плавления. В алюминии нет аллотропических превращений, т.е. его строение постоянно. Элементарная ячейка состоит из четырех атомов размером 4,049596×10-10 м; при 25 °С атомный диаметр (кратчайшее расстояние между атомами в решетке) составляет 2,86×10-10 м, а атомный объем 9,999×10-6 м3/г-атом.
Примеси в алюминии незначительно влияют на величину параметра решетки. Алюминий обладает большой химической активностью, энергия образования его соединений с кислородом, серой и углеродом весьма велика. В ряду напряжений он находится среди наиболее электроотрицательных элементов, и его нормальный электродный потенциал равен -1,67 В. В обычных условиях, взаимодействуя с кислородом воздуха, алюминий покрыт тонкой (2-10-5 см), но прочной пленкой оксида алюминия А1₂0₃, которая защищает от дальнейшего окисления, что обусловливает его высокую коррозионную стойкость. Однако при наличии в алюминии или окружающей среде Hg, Na, Mg, Ca, Si, Си и некоторых других элементов прочность оксидной пленки и ее защитные свойства резко снижаются.

Физические свойства[править | править код]

Металлический цезий сохраняемый в аргоне (чистота 99,999%).

Цезий — моноизотопный элемент состоящий из одного единственного полностью стабильного к радиоактивному распаду изотопа цезия-133. Самым долгоживущим радиоактивным изотопом цезия является цезий-135 (период полураспада около 3 млн лет). Металлический цезий представляет собой вещество золотисто-белого цвета, и по внешнему виду очень схож с золотом, но немного светлее, легкоплавок и превращается в весьма подвижную бледно-жёлтую жидкость с серебристым оттенком. Жидкий цезий очень хорошо отражает видимый свет, но в ультрафиолетовой области спектра при длине волны 440 нм он полностью прозрачен, и коэффициент преломления в прозрачной области у цезия меньше еденицы. Для цезия характерна также самая низкая среди всех химических элементов, работа выхода электрона, что предопределило применение цезия и ряда его сплавов и соединений в производстве фотоэлектрических приборов. Цезий способен испускать электроны даже под действием невидимых инфракрасных лучей (тепловое излучение). Исключительная легкоплавкость цезия и целого ряда его сплавов, в сочетании с высокой теплопроводностью, используется в самых разнообразных устройствах для преобразования энергии, и передачи тепла.

Свойства цезия

Цезий – это элемент, который, подобно металлу галлию, легко расплавить в руках. Сделать это, правда, можно лишь при одном условии: если цезий находится в стеклянной ампуле. В противном случае металл может быстро вступить в реакцию с окружающим воздухом – воспламенится. А взаимодействие цезия с водой сопровождается взрывом – таков в своем проявлении самый активный металл. Это ответ на вопрос о том, почему так сложно помещать в контейнеры цезий.

Для того чтобы его поместить внутрь пробирки, необходимо, чтобы она была изготовлена из специального стекла и наполнена аргоном или водородом. Температура плавления цезия составляет 28,7 оС. При комнатной температуре металл находится в полужидком состоянии. Цезий представляет собой вещество золотисто-белого цвета. В жидком состоянии металл хорошо отражает свет. Пары цезия имеют зеленовато-синий оттенок.

Производство чугуна и стали

Стали и чугуны – сплавы железа с углеродом, причем содержание углерода в стали до 2%, а в чугуне 2-4%. Стали и чугуны содержат легирующие добавки: стали– Cr, V, Ni, а чугун – Si.

Выделяют различные типы сталей, так, по назначению выделяют конструкционные, нержавеющие, инструментальные, жаропрочные и криогенные стали. По химическому составу выделяют углеродистые (низко-, средне- и высокоуглеродистые) и легированные (низко-, средне- и высоколегированные). В зависимости от структуры выделяют аустенитные, ферритные, мартенситные, перлитные и бейнитные стали.

Стали нашли применение во многих отраслях народного хозяйства, таких как строительная, химическая, нефтехимическая, охрана окружающей среды, транспортная энергетическая и другие отрасли промышленности.

В зависимости от формы содержания углерода в чугуне — цементит или графит, а также их количества различают несколько типов чугуна: белый (светлый цвет излома из-за присутствия углерода в форме цементита), серый (серый цвет излома из-за присутствия углерода в форме графита), ковкий и жаропрочный. Чугуны очень хрупкие сплавы.

Области применения чугунов обширны – из чугуна изготавливают художественные украшения (ограды, ворота), корпусные детали, сантехническое оборудование, предметы быта (сковороды), его используют в автомобильной промышленности.

Сравнение самых активных металлов

Унуненний – это пока еще не открытый металл. Он будет занимать первое место в восьмой строке периодической системы. Разработка и исследования этого элемента проводятся в России в Объединенном институте ядерных исследований. Этот металл должен будет обладать также очень высокой активностью. Если же сравнивать уже известные франций и цезий, то самым высоким потенциалом ионизации – 380 кДж/моль – будет обладать франций.

У цезия этот показатель составляет 375 кДж/моль. Но реагирует франций все же не так быстро, как цезий. Таким образом, цезий – самый активный металл. Это – ответ (химия чаще всего является тем предметом, в программе которого можно встретить подобный вопрос), который может быть полезным как на уроке в школе, так и в профессионально-техническом училище.

Цены[править | править код]

Цены на цезий ввиду стратегического значения элемента, не публикуются. Формирование цен происходит в период формирования заказа (условия и требования). Определяющую роль в формировании цен на чистый металлический цезий играют: чистота (химическая или ядерная), конструкция и состав упаковки (ампулы, контейнеры), состояние и содержание металла (сплав, химическое соединение). Известно что поставщики металла стремятся к поставкам готовой продукции — сплавы, соединения, так как в этом случае удаётся обеспечить наиболее высокую безопасность транспортировки, а заказчики в свою очередь стремятся покупать чистый металл. Особо высокое качество металлического цезия обеспечивается традиционно такими странами как Канада и Россия. Основными покупателями являются США, Евросоюз, Япония. Важным обстоятельством в нарушении работы рынка металлического цезия является неконтролируемый «вброс» больших количеств недостаточно очищенного металла, и одним из таких «лидеров-нарушителей» является Китай. Китайский цезий отличается низким качеством по чистоте и содержанию механических примесей, и обычно называется «грязный цезий», и предлагаемый на мировой рынок по низким ценам, вызывает так называемое «затаваривание». Как показывает опыт применения цезия китайского производства, этот материал требует полного цикла химической переработки и закупки такого материала оказываются крайне невыгодными для потребителя и могут приводить к опасным авариям на ядерных объектах или срыву дорогостоящих космических программ.

Общие химические свойства металлов

Взаимодействие с неметаллами

Щелочные металлы сравнительно легко реагируют с кислородом, но каждый металл проявляет свою индивидуальность:

• оксид образует только литий

  4Li + O₂ = 2Li₂O

• натрий образует пероксид

  2Na + O₂ = Na₂O₂

• калий, рубидий и цезий — надпероксид

  K + O₂ = KO₂

Остальные металлы с кислородом образуют оксиды:

2Mg + O₂ = 2MgO

2Al + O₂ = Al₂O₃

2Zn + O₂ = 2ZnO (при нагревании)

4Cr + 3O₂ = 2Cr₂O₃

Металлы, которые в ряду активности расположены левее водорода, при контакте с кислородом воздуха образуют ржавчину. Например, так делает железо:

4Fe + 3O_{2 (воздух)} + 6H₂O_(влага) = 4Fe(OH)₃

С галогенами металлы образуют галогениды:

2Na + Cl₂ = 2NaCl

Mg + Cl₂ = MgCl₂

2Al + 3Br₂ = 2AlBr₃

Zn + Cl₂ =ZnCl₂

2Cr + 3Cl₂ = 2CrCl₃

Медный порошок реагирует с хлором и бромом (в эфире):

Cu + Cl₂ = CuCl₂

Cu + Br₂ = CuBr₂

При взаимодействии с водородом образуются гидриды:

2Na + H₂ = 2NaH

Ca + H₂ +СaH₂

Zn + H₂ =ZnH₂

Взаимодействие с серой приводит к образованию сульфидов (реакции протекают при нагревании):

2K + S = K₂S

Сa + S = CaS

2Al + 3S = Al₂S₃

2Cr + 3S = Cr₂S₃

Cu +S = CuS

Реакции с фосфором протекают до образования фосфидов (при нагревании):

3K + P = K₃P

3Mg + 2P = Mg₃P₂

3Zn + 2P = Zn₃P₂

Основной продукт взаимодействия металла с углеродом — карбид (реакции протекают при нагревании).

Из щелочноземельных металлов с углеродом карбиды образуют литий и натрий:

2Li + 2C = Li₂C₂

Калий, рубидий и цезий карбиды не образуют, могут образовывать соединения включения с графитом:

Ca + 2C = CaC₂

С азотом из металлов IA группы легко реагирует только литий. Реакция протекает при комнатной температуре с образованием нитрида лития:

6Li + N₂ = 2Li₃N

3Mg + N₂ = Mg₃N₂

2Al + N₂ = 2AlN

2Cr + N₂ = 2CrN

Взаимодействие с водой

Все металлы I A и IIA группы реагируют с водой, в результате образуются растворимые основания и выделяется H2. Литий реагирует спокойно, держась на поверхности воды, натрий часто воспламеняется, а калий, рубидий и цезий реагируют со взрывом:

2Li + 2H₂O = 2LiOH + H₂

Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂

Металлы средней активности реагируют с водой только при условии, что металл нагрет до высоких температур. Результат данной реакции — образование оксида.

Cr + H₂O = Cr₂O₃ + H₂

Zn + H₂O = ZnO + H₂

Неактивные металлы с водой не взаимодействуют.

Взаимодействие с кислотами

Если металл расположен в ряду активности левее водорода, то происходит вытеснение водорода из разбавленных кислот. Данное правило работает в том случае, если в реакции с кислотой образуется растворимая соль.

2Na + 2HCl = 2NaCl + H₂

При взаимодействии с кислотами-окислителями, например, азотной, образуется продукт восстановления кислоты, хотя протекание реакции также неоднозначно.

Металлы IА группы:

2K + H₂SO_{4 (раствор)} = K₂SO₄ + H₂

8K + 5H₂SO_{4 (конц)} = 4K₂SO₄ + H₂S + 4H₂O

8Na + 10HNO_{3 (раствор)} = 8NaNO₃ + NH₄NO₃ + 3H₂O

3Na + 4HNO_{3 (конц)} = 3NaNO₃ + NO + 2H₂О

Металлы IIА группы

Mg + H₂SO_{4 (раствор)} = MgSO₄ + H₂

4Mg + 5H₂SO_{4 (конц)} = 4MgSO₄ + H₂S + 4H₂O

Mg+ 4HNO_{3 (конц)} = Mg(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

4Mg + 10HNO_{3 (раствор)} = 4Mg(NO₃)₂ + 2N₂O + 5H₂O

Такие металлы, как железо, хром, никель, кобальт на холоде не взаимодействуют с серной кислотой, но при нагревании реакция возможна.

Взаимодействие с солями

Металлы способны вытеснять из растворов солей другие металлы, стоящие в ряду напряжений правее, и могут быть вытеснены металлами, расположенными левее:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

На металлы IА и IIА группы это правило не распространяется, так как они реагируют с водой.

Реакция между металлом и солью менее активного металла возможна в том случае, если соли — как вступающие в реакцию, так и образующиеся в результате — растворимы в воде.

Щелочные металлы реагируют с аммиаком с образованием амида натрия:

2Li + 2NH₃ = 2LiNH₂ + H₂

Взаимодействие с органическими веществами

Металлы IА группы реагируют со спиртами и фенолами, которые проявляют в данном случае кислотные свойства:

2Na + 2C₂H₅OH = 2C₂H₅ONa + H₂

2K + 2C₆H₅OH = 2C₆H₅OK + H₂

Также они могут вступать в реакции с галогеналканами, галогенпроизводными аренов и другими органическими веществами.

Взаимодействие металлов с оксидами

Для металлов при высокой температуре характерно восстановление неметаллов или менее активных металлов из их оксидов.

8Al + 3Fe₃O₄ = 4Al₂O₃ + 9Fe (алюмотермия)

3Са + Cr₂O₃ = 3СаО + 2Cr (кальциетермия)

Описание металлов

Многие известные современной науке химические элементы – это металлы. Сегодня их насчитывается больше 80. Металлы вошли в большинство неорганических соединений.

Самая большая химическая активность проявляется щелочными и щелочноземельными металлическими соединениями. Именно они и образуют самые типичные для металла химические соединения.

В природе металлы можно встретить как в свободном виде, так и в форме соединений. В свободном виде выделяются химически менее активные, трудно окисляющиеся кислородом металлы. К ним относятся: золото, ртуть, платина, серебро, медь. Все виды металлов, кроме ртути, при нормальных условиях являются твердыми веществами с характерным для них блеском.

Russische Forscher von Siemens Corporate Technology (CT) verwenden besondere Nanopartikel aus Kohlenstoff, um Materialien zu optimieren: Sie versetzen Aluminium mit Fullerenen, das sind Moleküle aus 60 Kohlenstoffatomen in der Form eines Fußballs. Der neue Werkstoff ist etwa dreimal so hart wie herkömmliche Verbundstoffe, wiegt jedoch viel weniger. Mit dem leichten, aber festen Aluminium ließe sich die Leistung von Kompressoren, Turboladern und Motoren steigern. RUS, Russland, Troitsk bei Moskau, 11.09.2008: SIEMENS Corporate Technology in Russland; Technological Institute of Superhard and Novel Carbon Materials. Steel balls from planetary mill covered by nano-structured bismuth telluride.

Где применяется цезий?

Этот элемент используются в качестве катализатора в химических реакциях. Поскольку он легко ионизируется светом, металлический цезий используется в фотоэлементах и инфракрасных детекторах.

Соединения цезия также используются в специализированных щелочных батареях, предназначенных для работы в условиях минусовой температуры. Карбонат цезия используется в производстве специального стекла и стеклоизделий.

Самые точные часы в мире – «атомные часы», они измеряют время, основываясь на очень точной вибрации электронов во внешней оболочке атома цезия. Эти часы отстают лишь на 5 секунд каждые 300 лет!

Цезий-137 радиоактивен, и может быть использован для лучевой терапии для лечения некоторых видов рака и стерилизации медицинских препаратов.

Инженеры по космическим путешествиям обнаружили, что сжигание цезия в космосе становится очень эффективным видом топлива. Установлено, что он в 140 раз эффективнее любого другого топлива.

Ежегодно используется всего несколько тысяч килограммов цезия. Ряд минералов содержит значительное количество цезия, включая слюду, берилл, полевой шпат, петалит и поллуцит, из которого он обычно добывается.

Положение в таблице Менделеева

Металлические свойства элементов ослабевают слева направо в периодической таблице Менделеева. Поэтому наиболее активными считаются элементы I и II групп.

Рис. 1. Активные металлы в таблице Менделеева.

Все металлы являются восстановителями и легко расстаются с электронами на внешнем энергетическом уровне. У активных металлов всего один-два валентных электрона. При этом металлические свойства усиливаются сверху вниз с возрастанием количества энергетических уровней, т.к. чем дальше электрон находится от ядра атома, тем легче ему отделиться.

Наиболее активными считаются щелочные металлы:

• литий;
• натрий;
• калий;
• рубидий;
• цезий;
• франций.

К щелочноземельным металлам относятся:

• бериллий;
• магний;
• кальций;
• стронций;
• барий;
• радий.

Узнать степень активности металла можно по электрохимическому ряду напряжений металлов. Чем левее от водорода расположен элемент, тем более он активен. Металлы, стоящие справа от водорода, малоактивны и могут взаимодействовать только с концентрированными кислотами.

Рис. 2. Электрохимический ряд напряжений металлов.

К списку активных металлов в химии также относят алюминий, расположенный в III группе и стоящий левее водорода. Однако алюминий находится на границе активных и среднеактивных металлов и не реагирует с некоторыми веществами при обычных условиях.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Кусочки алюминия

По распространённости в земной коре Земли занимает 1-е место среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Массовая концентрация алюминия в земной коре, по данным различных исследователей, оценивается от 7,45 до 8,14%.
Современный метод получения, процесс Холла—Эру был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al₂O₃ в расплаве криолита Na₃AlF₆ с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых анодных электродов. Такой метод получения требует очень больших затрат электроэнергии, и поэтому получил промышленное применение только в XX веке.

Использование цезия

Этот металл используется для изготовления различных фотоэлементов. А также соединения цезия применяются в специальных отраслях оптики — в изготовлении инфракрасных приборов, Цезий используют в изготовлении прицелов, которые позволяют заметить технику и живую силу врага. Также его применяют для изготовления особых металлогалогенных ламп.

Но этим не исчерпывается круг его применения. На основе цезия был создан также ряд медицинских препаратов. Это лекарства для лечения дифтерии, язвенных болезней, шоков и шизофрении. Как и соли лития, соли цезия обладают нормотимическими свойствами — или, попросту, способны стабилизировать эмоциональный фон.

Свойства

Активные металлы отличаются мягкостью (можно разрезать ножом), лёгкостью, невысокой температурой плавления.

Основные химические свойства металлов представлены в таблице.

Реакция	Уравнение	Исключение
Щелочные металлы самовозгораются на воздухе, взаимодействуя с кислородом	K + O2 → KO2	Литий реагирует с кислородом только при высокой температуре
Щелочноземельные металлы и алюминий на воздухе образуют оксидные плёнки, а при нагревании самовозгораются	2Ca + O2 → 2CaO
Реагируют с простыми веществами, образуя соли	– Ca + Br2 → CaBr2; – 2Al + 3S → Al2S3	Алюминий не вступает в реакцию с водородом
Бурно реагируют с водой, образуя щёлочи и водород	– 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2; – Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2	Реакция с литием протекает медленно. Алюминий реагирует с водой только после удаления оксидной плёнки
Реагируют с кислотами, образуя соли	– Ca + 2HCl → CaCl2 + H2; – 2K + 2HMnO4 → 2KMnO4 + H2
Взаимодействуют с растворами солей, сначала реагируя с водой, а затем с солью	2Na + CuCl2 + 2H2O: – 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2; – 2NaOH + CuCl2 → Cu(OH)2↓ + 2NaCl

Активные металлы легко вступают в реакции, поэтому в природе находятся только в составе смесей – минералов, горных пород.

Рис. 3. Минералы и чистые металлы.

Как добываются?

Россыпи драгоценных металлов уже практически не встречаются на поверхности Земли. Например, золотые прииски представляют собой своеобразные подземные резервуары, в которых руду сначала превращают в раствор, а затем процеживают и направляют на дальнейшую обработку.

Добыча серебра и других драгоценных металлов происходит параллельно с извлечением руды основной добывающей отрасли, например меди или свинца. Объясняется это незначительным содержанием в земной коре драгметаллов платиновой группы и нерентабельностью их добычи. Серебро также достаточно редко встречается в чистом виде и составляет всего около 20 % от общей доли руды.

Как происходит обработка и очистка благородных металлов?

Полученная старателями руда непригодна для использования без предварительной очистки и обработки. Рассмотреть их будет удобно на примере золота, добыча которого ведется в больших количествах.

Шлих проходит ряд физико-химических исследований, проверку на радиационный фон и только после этого отправляется на доочистку – аффинаж. В двух словах, аффинаж — это разжижение, процеживание и восстановление исходного материала, с той лишь разницей, что восстановленное золото не имеет примесей. Полученные после аффинажа золотые сплавы можно отправлять на отливку в слитки.

Получение в России

Как было указано, главным минералом, из которого получают цезий, является поллуцит. А также этот наиболее активный металл можно получить из редкого авогадрита. В промышленности используется именно поллуцит. Добыча его после распада Советского Союза в России не велась, несмотря на то что еще в те времена были обнаружены гигантские запасы цезия в Вороньей тундре под Мурманском.

К тому моменту, когда отечественная промышленность смогла позволить себе добычу цезия, лицензия на разработку этого месторождения была приобретена компанией из Канады. Сейчас извлечение цезия производит новосибирская .

Химические свойства

Цезий в свободном состоянии (металлический) является наиболее химически активным металлом. С воздухом взаимодействует со взрывом (в немалой степени это обусловлено присутствием паров воды, которая резко ускоряет реакцию), с водой, льдом (даже при —120 °C) и простыми спиртами, галогеноорганическими соединениями, галогенидами тяжелых металлов, кислотами, сухим льдом (взаимодействие протекает с сильным взрывом). Активность цезия обусловлена не только высоким отрицательным электрохимическим потенциалом, но и невысокой температурой плавления и кипения (быстро развивается очень большая контактная поверхность, что увеличивает скорость реакции).
Все виды солей, образуемых цезием — нитрат, хлорид, бромид, фторид, йодид, хромат, манганат, перхлорат, хлорат, азид, цианид, карбонат и т

д — чрезвычайно легко растворимы в воде и ряде органических растворителей, наименее растворим перхлорат (что важно для технологии получения и очистки цезия). Следует отметить то обстоятельство что хотя цезий и весьма активный металл, тем не менее он при обычных условиях не вступает в реакцию с азотом в отличии от лития, и даже при сильнейшем нагревании не способен образовать с азотом соединений в отличие от бария, кальция, магния и ряда других металлов

Нитрид и азид цезия могут быть получены только косвенными методами.

Гидроксид цезия — сильнейшее основание с высочайшей электропроводностью в водном растворе; так, например, при работе с ним необходимо учитывать, что концентрированный раствор CsOH разрушает стекло даже при обычной температуре, а расплав разрушает железо, кобальт, никель, а также платину, корунд и диоксид циркония, и даже постепенно разрушает серебро и золото (а в присутствии кислорода — очень быстро). Единственным устойчивым в расплаве гидроксида цезия металлом является родий (и его некоторые сплавы).

Серебро имеет бактерицидные свойства

Серебро было известно людям еще до нашей эры. Какое-то время оно даже ценилось выше золота. Однако о его разных свойствах люди узнают до сих пор.

Например, о непосредственном влиянии ионного серебра на бактерии все еще ведутся споры. Доказано, что при соприкосновении бактерий и ионов, первые погибают в результате воздействия.

Было выдвинуто уже множество теорий, однако точно все еще неизвестны причины гибели микроорганизмов под воздействием серебра.

Ионы этого металла хорошо справляются с возбудителями тифа, протеи, дифтерии и других. Там, где серебро не уничтожает бактерии, оно может замедлить процесс прорастания новых спор и распространения микроорганизмов.

Получение

При промышленном получении цезий в виде соединений извлекается из минерала поллуцита. Это делается хлоридным или сульфатным вскрытием. Первое включает обработку исходного минерала подогретой соляной кислотой, добавление хлорида сурьмы SbCl₃ для осаждения соединения Cs₃[Sb₂Cl₉] и промывку горячей водой или раствором аммиака с образованием хлорида цезия CsCl. При втором — минерал обрабатывается подогретой серной кислотой с образованием алюмоцезиевых квасцов CsAl(SO₄)₂·12H₂O.

Для получения цезия достаточной степени чистоты требуется многократная ректификация в вакууме, очистка от механических примесей на металлокерамических фильтрах, нагревание с геттерами для удаления следов водорода, азота, кислорода и многократная ступенчатая кристаллизация.

Сложности получения цезия обусловливают постоянный поиск его минералов: извлечение этого металла из руд неполное, в процессе эксплуатации материала он рассеивается и потому безвозвратно теряется, Промышленность нуждается именно в очень чистом материале (на уровне 99,9—99,999 %), и это является одной из труднейших задач в металлургии редких элементов.

В России переработка и извлечение солей цезия из поллуцита ведется в Новосибирске на ЗАО «Завод редких металлов».

Существует несколько лабораторных методов получения цезия. Он может быть получен:

• нагревом в вакууме смеси хромата или дихромата цезия с цирконием;
• разложением азида цезия в вакууме;
• нагревом смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция.

Все методы являются трудоёмкими. Второй позволяет получить высокочистый металл, однако является взрывоопасным и требует на реализацию несколько суток.

Цезий в живых организмах[править | править код]

Цезий в живых организмах — постоянный химический микроэлемент организма растений и животных. Морские водоросли например содержат от 0,01-0,1 мкг цезия в 1 г сухого вещества, наземные растения — 0,05—0,2. Животные получают Ц. с водой и пищей. В организме членистоногих около 0,067—0,503 мкг/г Ц., пресмыкающихся — 0,04, млекопитающих — 0,05. Главное депо цезия в организме млекопитающих — мышцы, сердце, печень; в крови — до 2,8 мкг/л цезий относительно малотоксичен; его биологическая роль в организме растений и животных окончательно не раскрыта. Цезий-137 — бета-гамма-излучающий радиоизотоп цезия, и один из главных компонентов радиоактивного загрязнения биосферы. Содержится в радиоактивных выпадениях, радиоактивных отходах, сбросах заводов, перерабатывающих отходы атомных электростанций. Интенсивно сорбируется почвой и донными отложениями; в воде находится преимущественно в виде ионов. Содержится в растениях и организме животных и человека. Коэффициент накопления Cs-137 наиболее высок у пресноводных водорослей и арктических наземных растений, особенно лишайников. В организме животных Cs-137 накапливается главным образом в мышцах и печени. Наибольший коэффициент накопления его отмечен у северных оленей и северных американских водоплавающих птиц. В организме человека Cs-137 распределён относительно равномерно и не оказывает значительного вредного действия.