铯       (cesium)

元素周期表第1A族碱金属元素，被划归为稀有轻金属。化学符号Cs，原子序数55，相对原子质量132．9054。一种银白色金属。

简史     1860年德国化学家本森(R．Bunsen)和基尔霍夫(G．R．Kirchoff)在研究矿泉水的光谱时发现铯，这是第一个用光谱法发现的元素，根据其光谱线的颜色按拉丁文Caesius(天蓝色)取名为Cesium(铯)。塞特伯格(C．Setterberg)于1881年电解氰化铯一氰化钡混合熔盐时，首次制得金属铯。铯在制得以后60余年中未获工业应用。1926年开始用铯制造光电管，但用量极小。第一次世界大战前只有德国生产少量铯，产量仅几千克。20世纪30年代美国开始生产铯。第二次世界大战期间，铯作为光敏材料，用量增加，但由于铯价格昂贵而稀少，应用受到限制。1957年美国研究成功从锂云母提锂后的母液——混合碳酸碱液(含Cs₂O 2％和Rb₂O 23％)中回收铯、铷的方法，导致铯产量骤增。铯作为锂生产的副产品，成本低，价格也随之显著下降，从而大大推动了铯的应用和对铯性质的研究。20世纪60年代以来，铯在原子钟、光学仪器、激光、有机合成等方面获得应用，同时还开发了多种提铯方法，使铯的提取冶金技术达到相当水平，产品质量不断提高，价格进一步下降。中国于1956年开始铯的冶炼研究，60年代初开始生产铯，相继开发了新疆、江西、四川等省的铯资源，现已能生产20余种铯、铷产品，满足国内经济发展和科学研究对铯的需要。

性质       铯是碱金属中最重的元素(钫除外，它是碱金属中的放射性元素)，也是所有元素中性质最活泼、正电性最强的元素。

物理性质         金属铯为体心立方晶体结构，质软，有延性，可用刀切割。铯原子的外电子层构型为[Xe]6s¹ 。在碱金属中铯的熔点和沸点最低，蒸气压最高，密度最大，导热性和导电性最好，电离电位最小。铯有22种同位素，其质量数在123～144之间。自然界中的¹³³ Cs为稳定同位素。放射性同位素¹³⁷ Cs是原子反应堆的聚变产物，半衰期为30．23a。铯的主要物理性质如表1。

铯的独特物理性质是具有最小的电离势和最小的电子逸出功，光电效应的光电阈值(引起电子辐射最长的波长)最大。铯的电离能如表2。

化学性质        铯具有所有碱金属的化学特性，是碱金属化学反应活性最强的元素。常见的铯化合价为正一价，由Cs⁺ -- Cs⁰的还原电位为 - 2．923V。铯和铷性质相近，较难分离。金属铯在空气中燃烧时会喷溅出浓密的碱性烟雾，这种碱性烟雾能伤害眼睛、呼吸系统和皮肤。铯在潮湿的空气中氧化放出的热量足以使铯点燃并熔化。铯和氧剧烈反应生成多种氧化物的混合物。铯有Cs ^-1 (s2)和Cs⁺两种氧化态。铯与水作用会发生强烈爆炸，甚至与15’7K温度的冰接触也剧烈反应，生成氢氧化物，放出氢气。和锂不同，铯不与氮反应。铯在高温下与氢反应生成相当稳定的氢化物。铯和乙炔反应生成乙炔化物。铯和卤素剧烈反应不同于其他碱金属与卤素的反应，铯能生成稳定的多卤化物，如CsI₃ 。铯和氨反应生成氨基化铯(CsNH₂ )。在低温下铯和CO反应生成一种组成不定的晶体化合物。碳酸铯可被金属镁还原成金属铯，氯化铯可被钙还原。铯和其他碱金属可形成低熔点的液体合金，如Cs - 12Na - 47K合金，其熔点195K；Cs - 13Rb合金，其熔点234K；Cs - 55Na合金，其熔点244K。铯盐可生成极难溶的矾，如CsCl．SbCl₃ 。冶炼上利用铯矾的难溶特性来分离铯，分析上用以定量测定铯的含量。铯的主要化合物如表3。

应用        铯及其化合物主要用于高技术的研究和开发，如用于磁流体发电、热离子发电、涡轮发电及离子推进技术的研究和开发，这些技术都处在开发阶段。美国高技术用铯量占铯总用量的50％～70％。铯的工业应用主要是电子工业、玻璃陶瓷和药物。铯及其化合物的性质和铷类似，在许多应用场合二者可以互代，但铯的某些性质优于铷，如铯的光电转换灵敏度比铷高。磁流体发电是使各种燃料产生的高温导电流通过强磁场，在电感应作用下由热能直接转换成电能，铯作为诱导材料加入到燃料中，可降低燃料离子化所需温度，改善离子焰传导性，增加所产生的能量。一座60万kw磁流一蒸气联合电厂每年约需用3000t 碳酸铯。热电换能器是利用热电子发射现象产生大电流输出的二极管，将热能直接转换为电能，用铯制作的二极管可以提高热离子发电机的发电效率。气化的金属铯被离子化后，在电场作用下可加速到接近光速，再被电子束中和并从引擎中喷出，能产生强大的推动力。以铯为推进剂的火箭发动机比冲可达2000s(大多数化学燃料比冲仅300～400s)。一艘带有500g铯的离子推进宇宙飞船的航程大约是常用燃料飞船的150倍。普通光线的能量就足以使铯游离出价电子，铯的这一特性被用于制造光电管、摄谱仪、无线电电子管、军用红外信号灯及各种光学仪器和检测仪器中，使用铯光电池电源的寻靶导弹头，可跟踪、拦截敌方的飞行物。电视技术中采用铯阴极制造的低压电子束摄像管。铯的卤化物具有发光性能，用于制造闪烁计数器。钠激活的碘化铯对X射线的阻挡能力比其他卤化物大得多，用其制造的图像增强管具有很高的分辨力、强度和稳固性，使医用X光机不用暗室就可供多人观察而不受X射线的辐射。许多国家用铯原子钟作频率和时间标准，其精度达到1×10 ^-13 s，广泛用于通讯、运输、军事和宇航工业。硝酸铯是多成分特种玻璃的光折射调整剂，广泛用于光学纤维和纤维质透镜生产。铯的化学活性大，电离电位低，能改变主催化剂的表面性质，含铯的催化剂具有更好的催化活性、选择性和稳定性，可延长催化剂使用寿命，防止催化剂中毒。含铯的催化剂广泛用于氨合成，硫酸生产以及有机物的氧化、氢化、聚合、腈的形成等有机合成。铯盐具有镇静作用，可用于制造安眠药、镇静剂、癫痫治疗剂¹³⁷Cs作为放射性同位素标记用作诊断肿瘤，并正在取代⁶⁰ Co治疗癌症。氯化铯用于超速离心分离病毒、脱素核糖酸和其他大分子的密度一梯度介质。铯在冶金工业上被用作脱气剂和精炼剂。

资源和矿物原料       铯的地壳丰度是锂、钠、钾、铷、铯五种碱金属元素中最小的，为2．6×10 ^-4 ％，海水含铯5×10 ^-8 ％。铯常和锂、铷、钾共生。虽然铯比铷的地壳丰度小得多，但铯有工业用独立矿物。主要铯矿物如表4。

锂云母是提取铯的主要资源之一。一些锂云母矿含铯较高，如美国加利福尼亚的锂云母矿含Cs₂O 0．30％，前苏联科拉半岛的锂云母含Cs₂O 0．24％。津巴布韦比基塔地区的锂云母储量大，但仅含Cs₂O 0．08％。铯榴石是铯的重要工业资源，主要产于美国的缅因州、加拿大的伯尼克湖、津巴布韦的比基塔地区和纳米比亚的卡里比布；此外，亦有少量产于瑞典、莫桑比克及东哈萨克斯坦。一般铯榴石含铯甚高，含锂、铷较低，有的甚至含铷很少。如美国缅因州的铯榴石含Cs₂O 36％、Li₂O 0．04％，前苏联科拉半岛的铯榴石含Cs₂O 27．1％，意大利厄尔巴岛的铯榴石含Cs₂O 34％(Li₂ O痕量)。中国新疆的铯榴石Cs₂O 29％～30％。以上矿物几乎都不含铷。此外，加拿大伯尔尼克湖的铯榴石含Cs₂O 28．6％、Rb₂O 1．36％、Li₂ O 0．31％；津巴布韦比基塔的铯榴石含Cs₂O 22．4％、Rb₂O 0．84％、Li₂O  0．30％。光卤石也是铯的重要来源，主要产于德国。前苏联科拉半岛拥有世界最大的光卤石产地。盐湖、地下卤水、气田水、油井水、温泉水及地热水都蕴藏有大量的铯，有的含铯量比较高。如美国索尔顿的湖水含Cs₂O (16～21)×10 ^-4 ％，伍德湖油田水含Cs₂O 25×10 ^-4 ％。世界已查明的铯总储量为120000t，其中加拿大80000t，津巴布韦25000t，纳米比亚10000t。中国铯资源丰富，主要分布在江西的宜春、新疆的可可托海、四川的康定、湖南的香花岭和青海。江西的锂云母含Cs₂O  0．3％、Rb₂O 1．72％，是中国最大的铯资源基地。中国盐湖卤水多，铯资源丰富，青藏高原卤水平均含Cs₂O  0．03g／L，四川的自贡卤水中的铯也已得到开发利用。

提取冶金      主要包括铯提取(制取化合物)和金属铯制取两大步骤。有时为了获得高纯金属铯产品，需进行高纯金属铯制取。铯提取是从锂云母、铯榴石和光卤石等铯原料中提取铯化合物的过程。铯榴石提铯、铷有铯榴石盐酸法分解、铯榴石硫酸法分解、碱性熔盐焙烧、氯化焙烧和矿石直接还原等方法。工业上主要采用前两种方法。从铯原料中提取的铯化物常含有一定数量的杂质，需采用诸如溶剂草取法提铯等方法制取纯的铯化合物，从铯榴石生产金属铯的工艺过程如图。

从锂云母提铯工艺和铷相同，金属铯制取主要采用钙还原和熔盐电解法。

展望       目前，世界对铯的需求量不多，冶炼生产处于半工业规模。铯主要用在高技术部门，应用范围较窄。如铯在磁流体发电、热电换能器、离子推进技术等高技术领域的应用取得突破性进展后，用量会大大增加。目前，由于铯产品的价格偏高，而影响它的应用。为此，要大力完善从锂云母精矿提取锂铷铯的工艺，同时开发铯榴石精矿的冶炼新工艺，采用溶剂萃取法分离铯和铷，以降低铯的生产成本。