Цезій - Дві блакитні незнайомки

С.І. Венецкій

Історія - "розбірливий наречена": домогтися її прихильності - потрапити на найпочесніші сторінки - вдається далеко не кожному. У світі хімічних елементів (як, мабуть, і в житті) такої честі удостоюються лише ті щасливці, які зуміли в чому-небудь перевершити або випередити конкурентів. Що ж, в цьому є своя логіка. Хіба не має права розраховувати на особливе місце в історії, наприклад, технецій - перші штучно створений елемент, або гелій - єдиний мешканець періодичної таблиці, спочатку виявлений на Сонці, а вже потім знайдений на Землі?

До числа пестунів долі з повною підставою можна віднести цезій, який блакитними літерами вписав своє ім'я в історію спектрального аналізу. Втім, істина вимагає точності: вписала не цезій, а зробили це німецькі вчені Роберт Бунзен і Густав Кирхгоф. Що ж до кольору букв, то вони не просто так названі блакитними - в цьому ви незабаром переконаєтеся.

На початку 50-х років минулого століття професор хімії Гейдельберзького університету Р. Бунзен звернув увагу на малозначне, здавалося б, для науки явище: якщо у полум'я газового пальника вводили солі металів, воно забарвлювалася в різні кольори. Можливо, ця обставина була підмічено ким-небудь і раніше, але тільки Бунзен зацікавився їм серйозно. Вчений підносив до пальника крупиці різних речовин і всякий раз язичок полум'я, ніби хамелеон, змінював своє забарвлення, стаючи то жовтим, то фіолетовим, то рожевим. У цих експериментах чітко виявлялися два закономірності: по-перше, кожен з "піддослідних" металів надавав полум'я певний колір, а по-друге, цей колір не залежав від того, в якому вигляді метал "засуджувався до спалення". Так, всі з'єднання барію робили полум'я зеленуватим, а кальцій, потрапляючи у вогонь, змушував його червоніти як би в помсту за свої муки.

Напрошується думка: чи не можна скористатися поміченими закономірностями, щоб просто і швидко встановлювати, які елементи присутні в досліджуваній речовині? Таке відкриття означало б воістину революційний переворот в хімічному аналізі. На жаль, привабливу на перший погляд ідею важко було втілити в життя. Справа в тому, що будь-яке речовина містить, як правило, декілька компонентів, не кажучи вже про домішок, які зазвичай не бажають залишатися непоміченими. І ось, коли вся ця "компанія" виявляється у вогні, спробуй розрізнити в "хорі" квітів окремі голоси: яскраво-жовтий "бас" натрію, наприклад, без праці заб'є досить слабенький рожево-ліловий "тенорок" калію. Один колір змішується з іншим, відтінки і півтони губляться на тлі більш соковитих фарб - у таких умовах не доводиться розраховувати на успішний аналіз.

Так що ж: ідея, ледве встигнувши з'явитися на світ, повинна була безславно кануть у Лету? У казках при безвихідних ситуаціях зазвичай з'являється добрий принц - події беруть потрібний оборот і неминуче настає щасливий кінець. Щось подібне відбулося і в стінах Гейдельберзького університету: в ролі принца виступив друг і колега Р. Бунзена професор фізики Г. Кирхгоф, який вже був відомий своїми роботами, зокрема в області оптики. У той період Кірхгофа найбільше цікавило вивчення спектрів розпечених твердих і рідких тіл.

Він-то і зумів пожвавити ідею Бунзена, запропонувавши розглядати не саме полум'я пальника, а його спектр, оскільки в ньому всі кольори і відтінки видно набагато чіткіше. З двох підзорні труби, скляних призм і ящика з-під сигар Кирхгоф спорудив спектроскоп - прилад, що дозволяв як би розкладати полум'я на складові частини. Якщо раніше інформація про полум'я сприймалася неозброєним оком вченого, то тепер промінь світла від пальника проходив через декілька лінз і призму, перетворюючись в барвисту смужку з численними вертикальними лініями.

Коли Бунзен помістив у полум'я кристалик повареної солі, Кирхгоф, який дивився в прилад, побачив на тлі чорної смуги дві яскраві жовті лінії. Були "віддані вогню" інші сполуки натрію - сода, селітра, сульфат натрію, але завжди в одному і тому ж місці спектра виникала нерозлучна яскраво-жовта пара. Сумнівів не було: така "візитна картка "натрію. Інший метал" малював "лінії іншого кольору, в іншому місці спектра.

Дні складалися в тижні, тижні - в місяці. Поступово вогонь, призму та підзорні труби пройшли сотні різних речовин, і вчені вже були переконані в тому, що кожному елементу притаманні свої спектральні лінії, за якими його завжди можна знайти, як злочинця за відбитками пальців. Від погляду вченого, збройного спектроскопії, не могли вислизнути самі крихітні домішки будь-якого елемента. Чарівне око приладу здатне було помітити в речовині той чи інший компонент, навіть якщо його кількість вимірювалося мільйонними частками міліграма.

Бунзен і Кирхгоф ретельно вивчили спектри всіх тоді відомих науці хімічних елементів і кожному з них дали точну спектральну характеристику. Це ознаменувало народження нового методу аналізу -- спектрального. За допомогою його можна не тільки виявити елемент, але і визначити за інтенсивністю ліній його кількість. Проте можливості спектрального аналізу цим не вичерпувалися.

Одного разу, а точніше в 1860 році, в лабораторію Бунзена прийшла посилка з мінеральною водою із знаменитих шварцвальдскіх джерел. Лікарі, які надіслали воду, просили з'ясувати її складу: їм хотілося дізнатися, чому вона зобов'язана своїми цілющими властивостями. Чому не задовольнити їх цікавість? Бунзен впоратися воду, отримав згущений розчин і вніс краплю його в полум'я газового пальника. Дивлячись в окуляр спектроскопа, він досвідчене око помітив лінії натрію, калію, кальцію, стронцію, літію ...

Але що це за дві блакитні незнайомки? Стронцій? Ні, він сигналізує про себе однією лінією. Знову і знову вчений розглядає спектр і порівнює його з відомими еталонами, але серед них немає нічого схожого. У цьому ж переконується і Кирхгоф. Значить, відкрито новий хімічний елемент, а називатися він буде цезієм: адже в перекладі з латинської це -- "небесно-блакитний".

Отже, цезій став першим елементом, відкритим не хімічним шляхом, як десятки його старших "братів" і "сестер", а методом спектрального аналізу. Пройдуть роки, райдужні картини спектроскопа познайомлять науку з рубідій, талієм, індіем, галієм, Самарі, але пальма першості серед "народжених спектром" завжди буде належати цезію.

Через кілька років цезій зумів пролити світло на досить темну історію. Мова йде про пропажу, яка довгі роки не давала спокою хімікам, хоча навряд чи зацікавила б Шерлока Холмса або комісара Мегре.

Ще в 1846 році німецький вчений К. Платтнер зайнявся дослідженням полуціта-мінералу, знайденого на острові Ельба. Виконати повний хімічний аналіз мінералу було справою не хитрим, але от заковика: як не складав Платтнер отримані ним результати, сума всіх складових виявлялася рівній 93%. Куди ж могли подітися решта 7%?

Майже два десятки років ніхто не міг відповісти на це питання. І лише в 1864 році італієць Пізані представив незаперечні докази того, що винуватцем "недовазі" був цезій, помилково прийнятий Платтнером за калій - ці елементи складаються у доволі близькому хімічному спорідненість, однак цезій у два з гаком рази важче.

Цезій - одна з рідкісних елементів, але все ж сліди його можна знайти в багатьох гірських породах, в морській воді, а його "зв'язки" з мінеральною водою вам вже відомі (правда, щоб отримати кілька грамів цезієвого солей, Бунзену довелося випарувати "всього-на-всього" 40 тонн цілющого напою). Цікаво, що "крихти" цезію виявлені в цукровому буряку, зернах кави, чайних листках. Знайомий з ним і кожен курець: про це свідчать дві блакитні лінії в спектрі тютюнового попелу.

Якби метали, подібно спортсменам, могли розраховувати на приз "За активність", то суддівська колегія із самих авторитетних хіміків без вагань присудила б його цезію. І справа не тільки в те, що цей елемент займає саме "металеве" місце в періодичній системі (якщо не вважати Франція, якого практично немає в природі), а й у тому, що він повністю виправдовує свою "особливу положення ".

Дійсно, чистий цезій надзвичайно активний метал. Опинившись на повітрі, він негайно загорається і згоряє. Потрапляючи в компанію, сірого чи фосфором (не кажучи вже про "ідейних супротивників "всіх металів-галогенні), він тут же починає бурхливо "обурюватися", і це завжди призводить до вибуху. Спілкування цезію з водою також може призвести до конфліктної ситуації, що супроводжується вибухом і пожежею - горить виділяється в ході реакції водень.

Навіть скромний і сумирний (в хімічному відношенні) лід, який вельми індиферентний до навколишньої дійсності, не витримує нападок цезію і вступає з ним у гучну "перепалку", причому розняти їх не може і лютий холод (до -116 ° С) - відомий "приборкувач" хімічних реакцій.

Не дивно, що при такому буйному вдачу цезію отримати його в чистому вигляді дуже складно. Вперше це завдання зумів вирішити електролітичним шляхом шведський хімік К. Сеттерберг в 1882 році. Зараз для цієї мети використовують зазвичай спосіб, запропонований ще в 1911 році французьким хіміком А. Акспілем: цезій витісняється з його хлориду металевим кальцієм в вакуумі при температурі близько 700 ° С (як видно, кальцій - не з числа десятка).

Але ось чистий цезій отримано. А як його зберігати? Питання цей, як ви розумієте, далеко не пусте, а відповідь на нього - просто парадоксальний: чистий цезій потрібно ... забруднити, тобто сплавити з іншими металами. Сплави цезію не настільки "задерикуваті", як він сам, і зберігаються тихо і спокійно, скільки потрібно. Виділити ж з них цезій допомагає отгонкой в вакуумі.

"Свіжоприготований" цезій - блискучий світлий метал з блідо-золотистим відтінком; він м'який, як віск, і легкий, як магній або берилій. Всім відомо, що самий легкоплавкий метал - ртуть; в цьому відношенні у неї немає суперників. Але з усіх інших металів найбільш "покладливий" цезій: він легко переходить у рідкий стан, тому що температура плавлення його всього 28,5 ° С.

Щоб він розтанув, досить теплоти людських долонь (сподіваємося, що пам'ятаючи про небезпечний характер цього металу, ви не будете проводити такий експеримент, оскільки він може мати сумні наслідки).

Само собою зрозуміло, виготовляти з цезію деталі або вироби, які повинні зазнавати механічних навантажень, працювати в жарких умовах або знаходитися в контакті з хімічними "агресорами", заняття, м'яко кажучи, невдячна. То, може, цей недоторка "блакитних кровей" взагалі ні на що не придатний і становить інтерес лише суто з наукової точки зору? Залізо, титану, алюмінію він і справді не конкурент, зате в нього є такі властивості, якими, крім нього, не володіє ні один метал. А щоб стало зрозуміло, про що йде мова, знову зробимо невеликий екскурс в минуле століття.

У 1887 році відомий німецький фізик Генріх Герц відкрив явище зовнішнього фотоефекту, тобто "випаровування" електронів з поверхні металів під дією світла. Незабаром професор Московського університету А. Г. Столетов, які зацікавилися цим явищем, провів ряд дослідів і на їх основі сформулював теоретичні закони фотоефекту. У чому ж його суть? Виявляється, невагомий промінь несе з собою енергію, цілком достатню для того, щоб вибити з атомів деяких металів найбільш віддалений від ядра електрон. Якщо в розрив електричного кола направити низку вирвалися на волю "язнів", то їх потік здатний замкнути ланцюг і в ній з'явиться струм.

Кажуть, скільки людей - стільки думок. Так і в кожного металу є своє "мнение" щодо фотоефекту. Одні не вважають за потрібне йти на поводу у світла: їх хоч прожектором "обстрілюють", але електронів з них не виб'єш.

Інші, навпаки, без жалю розлучаються з ними, як тільки на них потрапляє ледь помітний промінь. Самий щедрий на електрони метал -- цезій, і ця щедрість аж ніяк не випадкова. У всіх лужних металів, а цезій -- їх типовий представник, на зовнішній орбіті "гуляє" всього один електрон. Але один у полі не воїн, і світло розправляється з ним без особливих зусиль. У цезію до того ж цей самотній скиталец знаходиться далі від ядра, ніж у його родичів по "лужної лінії". Тому робота виходу електрона (так називається той "працю", який повинен затратити світловий промінь, щоб відняти у атома електрон) у цезію мінімальна, а це значить, що він -- відповідний матеріал для фотоелементів - приладів, що перетворюють промені світла в електричний струм. Службу в фотоелементах цезій несе не поодинці, а, наприклад, в сплаві з сурмою, причому товщина шару світлочутливого настільки мала, що одним грамом сплаву можна покрити поверхню приблизно в 10 квадратних метрів.

Усі, хто користується послугами метрополітену, кожен день проходять повз фотоелементів. Вони вмонтовані в контрольні турнікети, влаштовані дуже просто: з одного боку - фотоелемент, з іншого - джерело світла, що направляє промінь на свого "візаві". Варто вам, не опустивши попередньо п'ятака, перетнути промінь, фотоелемент включить механізм важелів і вони з грізним брязкотом перегородять вам шлях. Якщо ж ви дасте турнікету пятікопеечную "хабар", він зробить вигляд, що вас не помітив: механізм автоматично відключається, і важелі не спрацьовують.

Фотоелемент - прилад нескладний, але дуже здібний: його можна навчити будь-якій роботі. Як тільки в місті стемніє, фотоелемент включає ліхтарі. Якщо рука робочого опиниться в небезпечній зоні, цей контролер тут ж зупинить верстат.

Фотоелемент вміє сортувати сигарети, підраховувати число деталей, що пропливають повз нього на конвеєрі, перевіряти, чи достатньо добре відшліфована поверхню кульок для підшипників, читати запис на звуковій доріжці кінострічки. Надійніше будь-якого сторожа ці чутливі прилади охороняють вночі магазини, банки, склади.

Без фотоелементів немислима була б сама ідея передачі зображення на сотні й тисячі кілометрів. Якщо ви вчора з цікавістю дивилися по телевізору хокейний матч, концерт або чергову "порцію" захоплюючого багатосерійного фільму, то не гріх подякувати за це цезій: без нього ваш телевізор мав би не більше шансів на передачу зображення, ніж ящик з-під макаронів.

За допомогою фотоелементів вдалося "зняти копію "зворотного боку Місяця. А хіба можна було б передати по дротах креслення, схеми, портрети, листи, якби фототелеграфная зв'язок не користувалася послугами не байдужих до світла електронів? Звичайно, ні.

Фотоелектричні властивості цезію дозволили створити інтроскоп - прилад, що дозволяє заглянути всередину непрозорих тіл і помітити в них можливі дефекти. Чутливість цезію до інфрачервоних променів лежить в основі конструкції "ночезрітельних труб" - так М. В. Ломоносов називав прилади, про які він міг тільки мріяти. А сьогодні оптичний "око", здатний бачити в темряві, допомагає людині вночі вести автомобіль, прицільно стріляти, виявляти різні об'єкти.

До цих пір мова йшла про фотоелектричного ефекту, але цезій готовий поділитися своїми електронами "на прохання" не тільки світла, але й тепла. Завдяки цій властивості він охочіше багатьох інших хімічних елементів переходить в стан іонізованого газу - плазми. Цезієвого плазма представляє величезний науковий і практичний інтерес. У космічному просторі, наприклад, де ступінь розрідження дуже висока, потік електронів, виділяються атомами цезію, здатний створювати потужну реактивну тягу і надавати ракетам колосальну швидкість - за розрахунками деяких зарубіжних вчених, до 44 кілометрів на секунду! Можливо, недалекий вже той час, коли міжпланетні кораблі на цезієвого "паливі" будуть заходити у найбільш віддалені порти і гавані Всесвіту.

Але цезієвого плазма не втрачає часу дарма і вже на повну силу трудиться на Землі. З її допомогою магнітогідродинамічні генератори (МГД-генератори) перетворюють теплову енергію в електричну. Одне з багатьох достоїнств цих генераторів - їх простота: єдина рухома "частина" в них - потік іонізованого газу, як би виконуючого обов'язки обертового ротора. Без цезію не обходяться і термоеміссіонние перетворювачі (ТЕП), в яких теплова енергія ядерного реактора без затримки перетворюється в електричний струм. Перша потужна установка такого типу - "Топаз" діє в нашій країні.

Цезій аж ніяк не обділений увагою науки: вчені різних країн проводять безліч досліджень, головний об'єкт яких -- цезій. Кілька років тому фі?? ики Білефельдського університету (ФРН) виконали цікавий експеримент. Тривав він всього десяту частку секунди, а на його підготовку знадобилося ... два роки. У чому ж він полягав? На спеціальній установці атом цезію був підданий бомбардуванні сфокусованим імпульсом потужного лазера. У результаті такого обстрілу атом цезію прийшов у стан "крайнього збудження": орбіти електронів розтягнулися і розміри атома збільшилися в десятки тисяч разів.

Група американських фізиків з Ок-Ріджа (одного з найважливіших центрів атомної промисловості США) розробила методику, що дозволяє перерахувати поштучно атоми деяких елементів. В основі цієї методики також лежить збудження атомів за допомогою потужних лазерних імпульсів. При першій демонстрації нового способу підраховувалися атоми цезію.

Вчені з індійського Інституту геофізичних досліджень, що вивчили воду 60 гарячих джерел в Гімалаях, прийшли до висновку, що висока концентрація цезію у воді може бути ознакою магматичної активності надр. Підвищена концентрація радіоактивного ізотопу цезію-137 виявлена в деревах, що збереглися в районі знаменитого Тунгуського вибуху, причому хімічна аномалія характерна саме для тих верств стовбура, які відносяться до 1908 року, коли відбулася ця подія.

Не можна не згадати ще про одне дуже важливе "амплуа" цього елементу. У 1967 році Міжнародна генеральна конференція з мір та ваг встановила: "Секунда - час, рівне 9192631770 періодам випромінювання, відповідного переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133 ".

Коротко і ясно! Хочете відрахувати секунду, так це простіше пареної ріпи: потрібно тільки почекати, поки електрон цезію перестрибне з однієї своєї орбіти на іншу вказану кількість разів.

Звісно, людині такий підрахунок виконати, м'яко висловлюючись, важкувато, а от атомні годинники на цьому принципі вже працюють і, треба сказати, непогано: за три тисячоліття точність їх ходу може змінитися всього на одну секунду. Це можливо завдяки незвичайної стабільності основних властивостей атомів цезію.

Про цезіі можна розповідати тисячу і одну ніч: про його каталітичних здібностях та вмінні створювати вакуум в радіолампах, про його ізотопу, що застосовуються в медицині, дефектоскопії, вимірювальної техніки, про отриманні за допомогою цього елемента сцинтиляційних монокристалів, здатних світитися холодним блакитним або зеленуватим світлом під впливом будь-якої випромінювання - Рентгенівського, ультрафіолетового, радіоактивного. Словом, областях застосування цезію, як то кажуть, не злічити. А перспективи його справді безмежні!

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.alhimik.ru/