Аркадий Курамшин - Элементы: замечательный сон профессора Менделеева

Цезий применяется используется в атомных часах — наиболее точных устройствах для определения времени, да и сама секунда с 1967 года определяется через свойства цезия: «Секунда — время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133» ( Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации. Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений. Росстандарт. ). Точность атомных цезиевых часов — одна секунда за 300 000 лет. Атомные часы используются в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в базовых станциях мобильной связи, международных и национальных бюро стандартов и службах точного времени.

Как и все щелочные металлы цезий легко окисляется — на его внешнем электронном уровне находится всего один электрон, который легко отрывается действием любого окислителя — кислорода, кислоты или воды. Внешний электрон щелочного металла удерживается у ядра за счет электростатических взаимодействий (ядро атома заряжено положительно, электрон — отрицательно), чем больше радиус атома, тем менее прочная сила связывает электрон с ядром. Электрон цезия держится у ядра слабее всего, и, таким образом, цезий является самым активным щелочным металлом. Конечно в школах и даже институтах говорят, что у франция — щелочного металла, располагающегося в Периодической системе под цезием, расстояние между ядром и внешним электроном ещё больше, и самым активным щелочным металлом (да и металлом вообще) должен быть он. Но это не так, пальма первенства принадлежит всё же цезию.

Дело не в том, что, говоря об активности металлов, мы оцениваем свойства только тех элементов, которые встречаются в земной коре. Цезий действительно активнее франция. Чтобы понять этот феномен, нужно вспомнить о «Гнусной теории Эйнштейна» — франций относится к тем химическим элементам, на свойства которых оказывают значительное влияние так называемые релятивистские эффекты — эффекты, являющиеся следствием специальной теории относительности. Причина появления этих эффектов в том, что обладающее большим положительным зарядом ядро тяжёлых атомов разгоняет электроны до скоростей, составляющих 1–5 % скорости света. В результате этого релятивистская масса электронов увеличивается, и, если моделировать параметры атома франция с учетом эффектов теории относительности, получается, что атомный радиус франция меньше радиуса цезия, следовательно — отобрать электрон у цезия проще, чем у франция. Активность франция и цезия сравнивали не только с помощью теоретических расчетов, но и экспериментально. Потенциал ионизации (энергия, необходимая для отрыва электрона от внешнего уровня) у цезия, франция и рубидия составляют 3.89, 4.07 и 4.18 эВ соответственно. Может это и к лучшему, что самым активным металлом является цезий, а не тот элемент, общее содержание которого в земной коре оценивается в 350 граммов.

56. Барий

Возможно, у кого-то барий может вызывать не самые приятные ассоциации — «бариевая кашка» или «бариевая клизма» представляют собой в равной степени неприятные процедуры для диагностики состояния желудочно-кишечного тракта. Компонентом обоих «коктейлей» является твердый нерастворимый сульфат бария (строго говоря, «кашка» отличается от «клизмы» только способом введения в организм).

Барий непрозрачен для рентгеновского излучения, поэтому его можно будет легко наблюдать при диагностике с помощью рентгеновского аппарата. Непрозрачность сульфата бария в рентгеновских лучах объясняет помимо прочего и то, что, что эту соль бария добавляют в АБС-пластик, из которого делают кирпичики для конструкторов LEGO — бывает, что у родителей появляется подозрение, что чадо заглотило какую-то детальку в процессе игры, и для опровержения или (увы) подтверждения этого подозрения необходимо, чтобы какие-то компоненты кирпичика отражали излучение рентгеновского аппарата. Сам АБС-пластик в рентгеновских лучах прозрачен.

К счастью для пациентов и производителей LEGO сульфат бария не растворяется ни в воде, ни в кислотах умеренной концентрации (к последним можно отнести содержимое нашего желудочного сока). К счастью, потому что ион бария чрезвычайно токсичен — он нарушает согласованную работу нервной системы, в результате чего у человека развивается аритмия, лихорадка и слабость, которая потенциально может при вести даже к смерти от паралича органов дыхания или остановки сердца. Для смертельного отравления барием среднестатистическому человеку потребуется около грамма бария. Какое-то время назад карбонат бария был компонентом крысиной отравы — не растворяясь в воде, как и сульфат, карбонат мог длительное время лежать с приманками, однако в желудке крысы бариевая соль слабой угольной кислоты взаимодействовала с соляной кислотой желудочного сока, и довитый ион бария попадал в организм грызуна.

Оксид бария впервые получили в 1774 году Карл Шееле и Юхан Ган, а металлический барий в 1808 с помощью электролиза выделил уже неоднократно упоминавшийся в этой книге английский химик Хемфри Дэви. Барий — мягкий и тяжёлый металл, относящийся к щёлочноземельным металлам. Среди них он является наиболее активным, и поэтому с помощью металлического бария часто очищают от следов кислорода аргоновые или вакуумные линии.

Отличительная черта соединений бария — высокая плотность. Так, самый известный и распространённый минерал бария — барит (он же сульфат бария BaSO 4), иначе называют «тяжёлым шпатом» (его плотность 4.5 г/см 3). Название бария происходит от греческого barys — тяжёлый. Благодаря высокой плотности барит применяют в бурении нефти.

Карбонат бария годится не только на то, чтобы травить грызунов — его используют в производстве стекла, барий может усилить его блеск. Сульфат бария добавляют не только в буровые растворы, кашки, клизмы и LEGO — из него делают пигменты, керамические изделия и стройматериалы, немалое количество сульфата бария идёт на производство резины. Нитрат и перхлорат бария являются основой пиротехнических составов, дающих зелёный цвет огням фейерверка или сигнальным ракетам; титанат бария с 2007 года применяется в источниках энергии для электромобилей. Несмотря на то, что барий является четырнадцатым по распространённости в земной коре элементом, многочисленные области применения обеспечивают высокий спрос на этот металл и относительно высокую цену.

Удивительно, но этот токсичный металл, точнее его соединения, может многое рассказать об истории жизни на Земле. Осадочные отложения барита на дне океана образуются пропорционально активности океанического фитопланктона, представляющего собой подножие пищевых пирамид в море и океане. Характер осаждения сульфата бария в осадочных породах позволяет говорить производительности океанической экосистемы в любой момент геологической истории Земли, а то, что сульфат бария в отличие от других осадочных пород, нерастворим, позволяет добывать из него информацию о миллионах лет жизни океана.