Пришло время обсудить ещё один металл, включенный в перечень технологически важных элементов. Цезий: применение, добыча, запасы, цены.
А также какой размер у самых точных часов и какое топливо будут использовать межпланетные космические корабли.
Свойства
У цезия 40 изотопов, но всего четыре из них встречаются в природе: цезий-133, цезий-134, цезий-135 и цезий-137. Только один цезий-133 отличается стабильностью.
Металл характеризуется достаточно низкой температурой плавления (28,5°C), ниже только у ртути.
Также он имеет серебристо-жёлтый цвет, что встречается очень редко.
Цезий является одним из самых реакционноспособных металлов, то есть немедленно вступает в реакцию со многими элементами и веществами. Образно говоря, «кидается на всё, что шевелится» (например, с водой он бурно реагирует даже при температуре минус 116°C).
Это связано с большим размером атома цезия (больше только у франция, свойства которого не изучены) и низким эффективным зарядом ядра. Электроны слабо связаны с ядром и быстро отпадают от него в химических реакциях.
Металл был открыт через год после изобретения спектроскопа создателями этого прибора, и долгое время оставался невостребованным.
Наука, увы, не самодостаточна и не может сама себе ставить задачи. Потому многим случайным открытиям приходится по несколько десятилетий ждать своего практического применения.
Применение
Основная масса добытого металла уходит на производство формиата цезия, который, в свою очередь, используется для буровых растворов высокой плотности. Задачи буровой жидкости: поднимать каменную крошку (породный шлам) со дна скважины, смазывать долота и поддерживать давление на пласт во время бурения.
Во всех остальных областях цезий используется в относительно небольших количествах (до нескольких граммов).
Одно из важнейших направлений – мировой эталон времени (официальное мировое время) – атомные часы с цезиевым фонтаном. По этим часам синхронизируются Интернет, сети сотовой связи, GPS и другие системы.
Погрешность последней модели сверхточных цезиевых часов NIST-F2 (построены в 2014 году) составляет 1 секунду в 300 миллионов лет. Размер таких часов приблизительно соответствует железнодорожной платформе, но есть и коммерческие версии (примерно с чемодан).
Цезий также используется для лечения онкологических заболеваний, облучения пищевых продуктов (с целью их стерилизации) производства геофизических приборов и другого оборудования.
Металл обладает высокой фотоэлектричностью (теряет электроны на свету). Соответственно, он имеет достаточно серьёзные перспективы для использования его в устройствах, преобразующих световые фотоны и тепло в электроэнергию.
Соединения цезия также находят самое разнообразное применение:
бромид цезия (инфракрасные детекторы, фотоэлементы, оптика);
карбонат цезия (топливные элементы, магнитогидродинамические генераторы и полимерные солнечные элементы);
хлорид цезия (реагенты, припои, радиоизотоп в ядерной медицине, инсектицид);
гидроксид цезия (электролит в аккумуляторах);
йодид цезия (рентгеноскопическое оборудование);
нитрат цезия (пиротехника, сцинтилляционные счетчики, рентгеновские люминофоры);
сульфат цезия (очистка воды).
Добыча и запасы
По распространённости он занимает 45-е место среди всех элементов (сопоставимо с сурьмой, оловом и вольфрамом).
Крупнейшими запасами цезия (как правило, залегает вместе с литием и рубидием) обладают Канада, Намибия, США, Австралия и Зимбабве, а также (в меньшей степени) Чили, Германия и Индия.
В течение последних 20 лет добыча цезия прекратилась практически во всех странах, кроме Китая.
Самое богатое месторождение, канадское Танко (2/3 мировых запасов) было закрыто и продано после обрушения шахты в 2015 году. Добыча в Зимбабве в связи с истощением рентабельных месторождений прекратилась в 2018 году, в Австралии – в 2019 году. США также не добывают цезий (100% импорт).
В настоящее время готовится к разработке крупное месторождение лития в Намибии, которое будет давать калий, рубидий и цезий в качестве побочных продуктов.
Добыча – достаточно дорогостоящий и трудоёмкий процесс (измельчённые образцы сортируются вручную). Поэтому не все рудники годятся для коммерческого извлечения.
Неизвестно, сколько цезия добывается в Китае (но речь в любом случае идёт о нескольких тоннах в год).
Точных данных по мировым запасам также нет. По крайне приблизительным подсчётам, совокупные резервы Канады, Китая, Намибии и Австралии составляют менее 200 тыс. тонн.
Цезий-137 может быть выделен из отходов ядерных реакторов. Во время аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году в воздух попало порядка 27 кг цезия-137.
Запасы и добыча в России
Англоязычные источники не указывают Россию ни в качестве основной добывающей страны, ни в качестве территории, обладающей значительными запасами.
Тем не менее добыча и переработка цезия, по некоторым сведениям, ведётся. Основные месторождения сосредоточены в Мурманской области.
Цена
В связи с запредельной реакционной способностью хранить металлический цезий в домашних условиях очень неудобно. На воздухе он самовоспламеняется, а при малейшем контакте с водой следует взрыв.
Он упаковывается в стеклянные ампулы в вакууме, минеральном масле или инертном газе. Цена ампулы с цезием составляет примерно $70 за 1 грамм (чистота 99,8%) и $89 за 1 грамм (чистота 99,98%). Для сравнения, цена золота - менее $60 за 1 грамм.
Топливо для ионных двигателей
Жидкий цезий, как предполагается, будет выступать в качестве топлива (рабочего тела) в ионных двигателях космических кораблей, предназначенных для исследования дальних уголков космоса.
Идея ионного двигателя (работает только в условиях космического вакуума) была представлена в 1911 году Циолковским. В 1959 году была создана рабочая модель, а в 1970 году двигатель был испытан на земной орбите. Сейчас такими двигателями оборудованы спутники и космические зонды. В качестве рабочего тела, помимо цезия, используются (или планируются к использованию): ксенон, криптон, аргон, йод, висмут и другие элементы.
К несомненным преимуществам цезия относятся: низкая температура плавления и большой размер атомов (а соответственно, ионов), которые могут быть разогнаны до очень высоких скоростей.
Возможно, Вам также будет интересно:
Если узнали что-то новое, просьба оставить лайк. Подпишитесь на канал, и мы обещаем ещё много интересного.