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元素符号Cs,银白色稀有碱金属,在元素周期表中属IA族,原子序数55,原子量132.9054,体心立方晶体,常见化合价为+1。

1860年德国化学家本生(R.W.Bunsen)和基尔霍夫(G.R.Kirchhoff) 在研究矿泉水的光谱时发现新的元素谱线,根据光谱线的颜色按拉丁文caesius(天蓝色)命名为cesium。1881年塞特贝格(C.Setterberg)在电解氰化铯-氰化钡混合熔盐时,首次制得金属铯。

铯在地壳中含量比较稀少, 主要的铯矿叫做铯榴石(2Cs2O·2Al2O3·9SiO2·H2O),含Cs2O34.6%,产于加拿大、美国和中国。还有硼铯铷矿,含Cs2O3.5%;铯绿柱石,含Cs2O1.72~3.6%,但较稀少。四川盐井卤水和气田水也含有较高的铯。

性质和用途

在碱金属中,铯的熔点和沸点最低,蒸气压最高,密度最大,正电性最强,电离势和电子逸出功最小。

图

铯在空气中猛烈燃烧,遇纯氧则爆炸,生成橙色的超氧化铯(CsO2);与水作用,生成氢氧化铯,放出氢气。自然界中的铯为稳定同位素133Cs。放射性同位素137Cs是原子反应堆的裂变产物。

铯和其他碱金属可形成低熔点合金。如含钠12%、钾47%、铯41%的合金,熔点为-78℃;含铷13%、铯87%的合金,熔点为-39℃;含钠5.5%、铯94.5%的合金,熔点为-29℃。

铯的主要工业用途是制造光电池、光电倍增管和电视摄象管以及用作真空管的吸气剂。由钠和铊激活的碘化铯可制作工业和医疗用的 X射线图象放大板或荧光屏。用铯形成的人工铯离子云,可以进行电磁波的传播和反射。铯在多种有机、无机合成中用作助催化剂或催化剂。铯盐还用于生产激光用的玻璃、低熔点玻璃和纤维透镜玻璃。铯可用于制作铯原子钟,1976年国际度量衡局规定一原子秒相当于133铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间。70年代铯原子钟的准确度已经达到 500万年误差仅一秒的水平。在铯离子热电转换器、铯离子发动机、磁流体发电系统以及超临界蒸气发电系统等新能源研究中均用及铯。多种铯盐用于微量分析和用作药物。

金属铯的活性很强,在空气中燃烧会喷溅,产生浓密的碱性烟雾,伤害眼睛、呼吸系统和皮肤。因此在生产、贮存及运输时必须严格防止金属铯同空气或水接触。金属铯转移时,一般在熔融状态(65℃)进行。常用的方法有针筒抽吸,虹吸,惰性气体中倾注、压送,或真空抽吸等。

美国1979~1980年每年消耗铯及其化合物(以铯计)约为12~13吨。1980年金属铯的价格为606~716美元/公斤,铯化合物为64~83美元/公斤。

铯化合物的提取

从铯榴石中提取铯化合物的传统方法有盐酸法,工艺流程见下页图。

图

经过拣选或浮选的铯榴石的精矿(含Cs2O20~30%)磨细后,以浓盐酸搅拌浸出(见浸取),精矿中的铯转化成氯化铯,以水稀释,并加入三氯化锑盐酸溶液,析出氯化锑铯复盐(3CsCl·2SbCl3)。由于锑铯复盐在盐酸溶液中的溶解度比铷、钾复盐小,铷、钾大部分留在母液中而与铯分离。锑铯复盐加入10倍重量的水,煮沸,水解生成白色的碱式氯化锑沉淀,反应式为:3CsCl·2SbCl3+2H2O─→

3CsCl+2SbOCl↓+4HCl

氯化铯重新进入溶液。溶液中通入H2S气体,除去残余的锑及其他重金属。将精制液煮沸,蒸发浓缩,冷却结晶,经干燥得到氯化铯。

还有氯化焙烧法、盐熔法和硫酸法。氯化焙烧法是将铯榴石同碳酸钙和氯化钙混合,在800~900℃焙烧后以水浸出。盐熔法是将铯榴石与氯化纳和碳酸钠混合,于800~850℃熔融,再以水浸出。两种方法的浸出液经过净化,均可以用4-仲丁基-2(α-甲苄基)苯酚(简称BAMBP)-脂肪烃煤油萃取,以盐酸或二氧化碳加水反萃,得氯化铯或碳酸铯产品。

金属铯的制取

常用金属热还原法以钙还原氯化铯。此法在小于10-3托真空下,温度700~900℃进行还原反应,产生的铯蒸气,经冷凝后成液态收集。熔盐电解法制取金属铯是以液态铅作阴极,石墨作阳极,于700℃电解氯化铯,由阴极得到含铯8.5%的铅铯合金。合金于600~700℃真空蒸馏,除去铅等杂质,制得纯铯。真空管用的铯一般在真空中于850℃以锆还原铬酸铯制得:4CsCrO4+5Zr─→2Cr2O3+5ZrO2+8Cs↑

铯成气态直接进入真空管中。

参考书目
    W. A. Hart & O. F. Beumel Jr., The Chemistryof Lithium, Sodium, Potassium, Rubidium, Cesium and Francium,Pergamon, Oxford, 1973.