Cesio

propiedades
[ Xe ] 6 s 1 55 C Tabla periódica
Generalmente
Nombre , símbolo , número atómico	Cesio, Cs, 55
Categoría de elemento	Metales alcalinos
Grupo , período , bloque	1 , 6 , p
Mirar	amarillo dorado brillante
número CAS	7440-46-2
Número CE	231-155-4
Tarjeta de información ECHA	100.028.323
Fracción de masa de la envoltura terrestre	6,5 ppm
Atómico
Masa atomica	132.90545196 (6) y col.
Radio atómico (calculado)	265 (298) pm
Radio covalente	244 p. M.
Radio de Van der Waals	343 pm
Configuración electronica	[ Xe ] 6 s 1
1. Energía de ionización	3.893 905 695 (24) eV ≈ 375.7 kJ / mol
2. Energía de ionización	23.15745 (6) eV ≈ 2 234.35 kJ / mol
3. Energía de ionización	33.195 (4) eV ≈ 3 202.8 kJ / mol
4. Energía de ionización	43.0 (1,7 eV) ≈ 4 150 kJ / mol
5. Energía de ionización	56.0 (1,9) eV ≈ 5 400kJ / mol
Físicamente
Estado fisico	firmemente
Estructura cristalina	cúbico centrado en el cuerpo
densidad	1,90 g / cm 3 (20 ° C )
Dureza de Mohs	0,2
magnetismo	paramagnético ( Χ m = 5,2 10 −6 )
Punto de fusion	301,59 K (28,44 ° C)
punto de ebullición	963,2 K (690 ° C)
Volumen molar	70,94 10 −6 m 3 mol −1
Calor de vaporización	66,1 kJ / mol
Calor de fusión	2,09 kJ mol −1
Función del trabajo	2,14 eV
Conductividad eléctrica	4,76 · 10 6 A · V −1 · m −1
Conductividad térmica	36 W · m −1 K −1
Químicamente
Estados de oxidación	+1
Potencial normal	−2,923 V (Cs + + e - → Cs)
Electronegatividad	0,79 ( escala de Pauling )
Isótopos
isótopo NUEVA HAMPSHIRE t 1/2 ZA ZE (M eV ) ZP 131 C {syn.} 9,689 d ε 0.352 131 Xe 132 C {syn.} 6.479 d ε 2.120 132 Xe β - 1.280 132 Ba 133 C 100  % Estable 134 C {syn.} 2.0648 a β - 2.059 134 Ba 135 C {syn.} 2,3 · 10 6 a β - 0,2 135 Ba 136 C {syn.} 13.16 d β - 2.548 136 Ba 137 Cs {syn.} 30,17 a β - 0,512 (94,6%) 137m Ba β - 1.176 (5,4%) 137 Ba
Para otros isótopos, consulte la lista de isótopos.
las instrucciones de seguridad
Etiquetado de peligro GHS peligro Frases H y P H: 260-314 EUH: 014 PAG: 231 + 232-260-280-305 + 351 + 338-370 + 378-422
En la medida de lo posible y habitual, se utilizan unidades SI . A menos que se indique lo contrario, los datos proporcionados se aplican a condiciones estándar .

Escuche el cesio (según IUPAC ) [ ˈʦɛːzi̯ʊm ] ^{? / i} , en el lenguaje estándar cesio o cesio (en inglés americano cesio ), es un elemento químico con el símbolo del elemento Cs y el número ordinal 55. En la tabla periódica está en el primer grupo principal o el primer  grupo IUPAC y pertenece a los metales alcalinos . El cesio es el metal alcalino estable más pesado.

El cesio fue descubierto en 1861 por Robert Wilhelm Bunsen y Gustav Robert Kirchhoff en el agua mineral Dürkheim de Maxquelle . Debido a las dos líneas espectrales azules con las que se detectó el elemento, lo nombraron después del latín caesius para azul cielo. El elemento puro fue presentado por primera vez en 1881 por Carl Theodor Setterberg .

El cesio es un metal dorado extremadamente reactivo, muy suave. Dado que reacciona de forma inmediata y muy violenta con el aire, se almacena en ampollas de vidrio selladas bajo gas inerte .

Se desconoce el significado biológico del elemento no tóxico. Sin embargo, debido a su similitud con el potasio, se absorbe en el tracto gastrointestinal y, al igual que el potasio, se almacena principalmente en el tejido muscular. Es por eso que el isótopo radiactivo cesio-137 ( ¹³⁷ Cs), producto de la fisión nuclear , recibió especial atención cuando fue liberado en grandes cantidades al medio ambiente como resultado del desastre de Chernobyl el 26 de abril de 1986.

historia

El cesio fue descrito por primera vez en 1861 por Gustav Robert Kirchhoff y Robert Wilhelm Bunsen . Examinaron agua mineral de Dürkheim y descubrieron dos líneas previamente desconocidas en el rango espectral azul después de la separación de calcio , estroncio , magnesio y litio . A partir de sus observaciones, concluyeron que debe haber otro elemento, previamente desconocido, en el agua mineral investigada, al que llamaron cesio , después del latín caesius para “azul cielo”, debido a las líneas espectrales azules .

Bunsen también intentó separar el cesio de los otros metales alcalinos para investigar más propiedades del elemento. Para hacer esto, añadió una solución de cloruro de platino a la solución para precipitar el potasio y los metales alcalinos más pesados ​​recientemente descubiertos rubidio y cesio como hexacloridoplatinato insoluble . El potasio se puede eliminar hirviéndolo varias veces en un poco de agua. Para obtener los cloruros puros, el platino se redujo a un elemento con hidrógeno , de modo que los cloruros de rubidio y cesio, ahora solubles en agua , pudieran ser lixiviados. La separación de cesio y rubidio tuvo lugar utilizando la diferente solubilidad de los carbonatos en etanol absoluto , en el que el carbonato de cesio es soluble en contraste con el correspondiente compuesto de rubidio. Bunsen y Kirchhoff también utilizaron cloruro de cesio para una determinación inicial de la masa molar del nuevo elemento, para lo cual encontraron el valor de 123,35 g / mol.

Los dos investigadores no pudieron obtener cesio elemental, porque la electrólisis del cloruro de cesio fundido produjo un compuesto azul en lugar del metal, al que llamaron subcloruro , pero que probablemente era una mezcla coloidal de cesio y cloruro de cesio. Durante la electrólisis de una solución acuosa con un ánodo de mercurio , se formó la amalgama de cesio fácilmente descomponible .

La presentación del cesio elemental finalmente logró en 1881 Carl Theodor Setterberg , quien evitó los problemas con el cloruro mediante la electrólisis de sales fundidas que utilizó el cianuro de cesio . La temperatura relativamente alta requerida para fundir el cianuro de cesio inicialmente interfirió, pero pudo reducirla con el eutéctico con cianuro de bario .

Ocurrencia

Con un contenido de 3  ppm en la corteza continental , el cesio es un elemento raro en la tierra. Es el metal alcalino más raro después del inestable francio . Debido a su alta reactividad, no se presenta de forma elemental, sino siempre solo en forma de compuestos. Por lo general, el cesio es un elemento acompañante poco común en el potasio u otras sales de metales alcalinos como la lepidolita , pero también se conocen algunos minerales de cesio . El Caesiummineral más común es la polucita (Cs, Na) ₂ Al ₂ Si ₄ O ₁₂  · H ₂ O, que, en mayor número, especialmente en el lago Bernic cerca de Lac du Bonnet en la provincia canadiense de Manitoba en la mina Tanco, se encuentra en la mina Tanco . Otros depósitos más grandes se encuentran en Bikita , Zimbabwe y Namibia . Los depósitos de la mina Tanco cerca de Lac du Bonnet son los únicos donde se extrae cesio. Caesiumminerale más raros son, por ejemplo, Cesstibtantit (Cs, Na) SBTA ₄ O ₁₂ y Pautovit CSFE ₂ S ₃ .

Debido a la solubilidad en agua de la mayoría de los compuestos de cesio, el elemento se disuelve en agua de mar ; un litro contiene un promedio de 0,3 a 4 microgramos de cesio. También hay elementos más comunes pero menos solubles como el níquel , el cromo o el cobre en cantidades comparables .

Extracción y presentación

El cesio solo se produce a pequeña escala. En 1978, la cantidad de cesio y compuestos de cesio producidos en todo el mundo era de unas 20 toneladas. El material de partida para la extracción de cesio elemental y todos los compuestos de cesio es polucita , que se puede digerir con ácidos o bases. Como ácidos se pueden utilizar ácido clorhídrico , sulfúrico o bromhídrico . Esto crea una solución que contiene cesio y aluminio, a partir de la cual se obtienen las sales de cesio puras mediante precipitación , intercambio iónico o extracción . Otra posibilidad es calentar la polucita con carbonato cálcico o sódico y los correspondientes cloruros y luego lixiviarla con agua . Esto crea una solución de cloruro de cesio impuro.

El cesio metálico se puede obtener químicamente reduciendo los haluros de cesio con calcio o bario . En esta destilación , los volátiles in vacuo Caesiummetall de.

${\ Displaystyle \ mathrm {2 \ CsCl + Ca \ longrightarrow 2 \ Cs \ uparrow + CaCl_ {2}}}$

Reducción de cloruro de cesio con calcio

Otras posibilidades de producción de cesio metálico son la reducción de hidróxido de cesio con magnesio y la reducción de dicromato de cesio con circonio .

${\ Displaystyle \ mathrm {Cs_ {2} Cr_ {2} O_ {7} +2 \ Zr \ longrightarrow 2 \ Cs + 2 \ ZrO_ {2} + Cr_ {2} O_ {3}}}$

Reacción de dicromato de cesio y circonio para formar óxido de cesio, circonio (IV) y óxido de cromo (III)

El cesio de alta pureza se puede producir mediante la descomposición de la azida de cesio , que se puede obtener a partir del carbonato de cesio , y su posterior destilación. La reacción tiene lugar a 380 ° C sobre un catalizador de hierro o cobre .

propiedades

Propiedades físicas

El cesio es un metal ligero con una densidad de 1.873 g / cm ³ , que, a diferencia de los metales alcalinos más ligeros, es de color dorado. La razón es la brecha de banda más pequeña y, por lo tanto, la frecuencia de excitación más baja , que se extiende hacia la parte azul violeta del espectro de luz visible. La parte azul se absorbe, por lo que el cesio es complementario a ella de color amarillo o dorado. En muchas propiedades se sitúa entre las del rubidio y, hasta donde se sabe, las del francio inestable . A 28,7 ° C, con la excepción del francio, tiene el punto de fusión más bajo de todos los metales alcalinos y, al mismo tiempo, tiene uno de los puntos de fusión más bajos para los metales después del mercurio y comparable al galio . El cesio es muy blando (dureza de Mohs: 0,2) y muy flexible.

Al igual que los otros metales alcalinos, el cesio cristaliza en condiciones estándar en el sistema de cristal cúbico con una celda unitaria cúbica centrada en el cuerpo en el grupo espacial Im 3 m (grupo espacial n. ° 229) con el parámetro de red a  = 614  pm y dos unidades de fórmula por celda unitaria . Una transformación de fase en una estructura cristalina cúbica centrada en las caras con el parámetro de red a  = 598 pm tiene lugar bajo una presión de 41 kbar . Plantilla: grupo de habitación / 229

Con la excepción del litio , el cesio se puede mezclar con cualquier otro metal alcalino. Con una proporción de 41% de cesio, 12% de sodio y 47% de potasio, se crea una aleación con el punto de fusión más bajo conocido de -78 ° C.

El átomo de cesio y también el ión Cs ⁺ tienen un radio grande , son, nuevamente con la excepción del francio , los átomos o iones individuales más grandes. Esto está relacionado con la carga nuclear efectiva particularmente baja , lo que significa que el electrón s más externo solo está unido al núcleo en una pequeña medida. Además del gran radio atómico, esto también causa la baja energía de ionización del átomo de cesio y, por lo tanto, la alta reactividad del elemento.

El cesio gaseoso tiene un índice de refracción inusual menor de uno. Esto significa que la velocidad de fase de la onda electromagnética , en este caso la luz  , es mayor que en el vacío , lo que no contradice la teoría de la relatividad.

Propiedades químicas

El cesio es el elemento con menor energía de ionización . Tiene la electronegatividad más baja para dividir el electrón más externo . El cesio lo libera muy fácilmente cuando entra en contacto con otros elementos y forma sales de cesio monovalentes. Dado que la configuración de gas noble se logra mediante la escisión de este electrón , no forma iones divalentes o de mayor valor.

Las reacciones con el cesio suelen ser muy violentas, por lo que se enciende inmediatamente al entrar en contacto con el oxígeno y, como el potasio y el rubidio, forma el correspondiente hiperóxido .

${\ Displaystyle \ mathrm {Cs + O_ {2} \ longrightarrow CsO_ {2}}}$

También reacciona violentamente con el agua para formar hidróxido de cesio ; esta reacción tiene lugar incluso con hielo a temperaturas de -116 ° C.

${\ Displaystyle \ mathrm {2 \ Cs + 2 \ H_ {2} O \ longrightarrow 2 \ CsOH + H_ {2} \ uparrow}}$

Cuando se calienta con oro , se forma aururo de cesio (CsAu), un compuesto que, a pesar de estar formado por dos metales, no es una aleación, sino un semiconductor; en el líquido CsAu hay iones Cs ⁺ y Au ^- .

Isótopos

Se conocen un total de 41 isótopos y otros 29 isómeros centrales de cesio. Solo el isótopo ¹³³ Cs se encuentra en la naturaleza . Por tanto, el cesio es un elemento puro . De los isótopos artificiales, ¹³⁴ Cs con 2.0652 años, ¹³⁵ Cs con 2.33 millones de años y ¹³⁷ Cs con 30.08 años tienen semividas medias a muy largas, mientras que los de los otros isótopos entre 1 µs a ¹¹¹ Cs y 13.16 Días son ¹³⁶ Cs .

Un isótopo artificial importante es ¹³⁷ Cs, un emisor beta con una vida media de 30,08 años. ¹³⁷ Cs primero se desintegra en el producto intermedio metaestable ^137m Ba con una probabilidad del 94,6% , que se convierte en el isótopo de bario estable ¹³⁷ Ba con una vida media de 2,552 minutos a través de la desintegración gamma (cf. generador de bario-cesio ). En el 5,4% restante hay una transición directa al isótopo de bario estable ¹³⁷ Ba. Junto con otros isótopos de cesio, se crea directamente durante la fisión nuclear en reactores nucleares o mediante la desintegración de otros productos de fisión de vida corta como ¹³⁷ I o ¹³⁷ Xe.

${\ displaystyle \ mathrm {^ {235} _ {\ 92} U + \ _ {0} ^ {1} n \ longrightarrow \ _ {\ 92} ^ {236} U \ longrightarrow \ _ {\ 55} ^ { 137} Cs + \ _ {37} ^ {96} Rb + 3 \ _ {0} ^ {1} n}}$

Formación de ¹³⁷ Cs en la fisión nuclear de ²³⁵ U

Además del isótopo de cobalto ⁶⁰ Co, ¹³⁷ Cs es una fuente importante de rayos gamma y se utiliza en radioterapia para el tratamiento del cáncer , para medir el caudal en tubos y para comprobar el grosor de papel, películas o metal, para ejemplo. Además, se utiliza en el control de calidad en medicina nuclear como nucleido de larga duración en fuentes de prueba .

Grandes cantidades del isótopo ¹³⁷ C se liberaron al medio ambiente a través de pruebas de armas nucleares en la superficie y los accidentes de los reactores de Chernobyl y Fukushima . La actividad de ¹³⁷ Cs liberados en todas las pruebas de armas nucleares sobre el suelo fue de 9,48 · 10 ¹⁷  Bq . La cantidad total de ¹³⁷ C liberados por el desastre de Chernobyl tuvo una actividad de alrededor de 8.5 · 10 ¹⁶  Bq. Además, hubo una actividad de aproximadamente 4,7 · 10 ¹⁶  Bq de ¹³⁴ Cs y 3,6 · 10 ¹⁶  Bq de ¹³⁶ Cs. Como resultado de las consecuencias , muchas áreas de Europa, incluida Alemania, se contaminaron con cesio radiactivo. ^{El 137} Cs está particularmente concentrado en hongos , que pueden descomponer la lignina y, por lo tanto, tienen un acceso más fácil al potasio y, por lo tanto, también al cesio químicamente muy similar que las plantas. En particular, el boletus de castaño ( Boletus badius ) y el boletus de bruja de tallo escamoso ( Boletus erythropus ) enriquecen el cesio, mientras que el boletus relacionado ( Boletus edulis ) , por ejemplo, solo muestra una ligera acumulación de cesio. La razón de la alta concentración de cesio en los dos primeros hongos se debe a sus tintes badion A y norbadion A , que pueden formar complejos con el cesio. Estos dos derivados del ácido pulvico no están presentes en el boletus . Los animales salvajes que comen hongos también se ven afectados. La carga exacta de cesio depende de la cantidad de lluvia que haya caído y de la naturaleza del suelo, ya que los suelos pueden ligar el cesio en diferentes grados y así ponerlo a disposición de las plantas.

Un incidente en el que murieron personas por exposición a la radiación de ¹³⁷ C fue el accidente de Goiânia en Brasil en 1987, en el que dos recolectores de basura robaron un contenedor de metal de una clínica de radiación abandonada. Las ¹³⁷ C que contiene se distribuyeron a amigos y conocidos por su llamativo color fluorescente. En el accidente nuclear de Kramatorsk , se construyó una fuente de ¹³⁷ Cs en un muro de hormigón.

usar

Debido a la complicada producción y la alta reactividad, el cesio elemental se usa solo en pequeña medida. Se utiliza principalmente en investigación. Dado que el cesio tiene una pequeña función de trabajo , puede ser como cátodo caliente los que se utilizan para obtener electrones libres. También se estudian generadores magneto hidrodinámicos con cesio como posible material plasmático . En los viajes espaciales, el cesio se utiliza como medio de propulsión en la propulsión iónica además del mercurio y el xenón debido a su alta masa molar, que provoca un mayor retroceso que los elementos más ligeros .

La segunda como unidad de medida de tiempo se define desde 1967 a través de la frecuencia de una determinada transición atómica en el isótopo de cesio ¹³³ Cs. Además, el cesio es el elemento que determina la frecuencia en los relojes atómicos , que forman la base del tiempo universal coordinado . La elección recayó en el cesio porque se trata de un elemento puro y en la década de 1960 la transición entre los dos estados básicos con aproximadamente 9 GHz ya era detectable con los medios electrónicos de esa época. El ancho de esta transición y, por lo tanto, la incertidumbre de la medición no está determinada por las propiedades del átomo. Debido a la baja temperatura de evaporación, se puede generar un haz atómico con baja incertidumbre de velocidad con poco esfuerzo .

Una nube de átomos de cesio puede mantenerse en suspensión en trampas magnetoópticas y enfriarse hasta el cero absoluto con la ayuda de láseres hasta unas pocas microkelvinas . Con esta tecnología fue posible mejorar significativamente la estabilidad de frecuencia y, por lo tanto, la precisión del reloj atómico de cesio.

Además, el cesio se utiliza en los tubos de vacío porque reacciona con pequeñas trazas residuales de gases y, por lo tanto, asegura un mejor vacío ( getter ). El cesio se genera in situ mediante la reacción del dicromato de cesio con circonio . El cesio, aleado con antimonio y otros metales alcalinos, es un material para los fotocátodos , que se utilizan en fotomultiplicadores, por ejemplo.

prueba

Las líneas espectrales a 455 y 459 nm en azul se pueden usar para detectar cesio . Esto se puede utilizar cuantitativamente en fotometría de llama para determinar trazas de cesio.

En polarografía , el cesio muestra un paso catódico reversible a -2,09 V (contra un electrodo de calomelanos ). Los compuestos de amonio cuaternario (por ejemplo, hidróxido de tetrametilamonio ) deben utilizarse como electrolito base , ya que otros iones de metales alcalinos o alcalinotérreos tienen potenciales de media onda muy similares.

Tanto el cesio como el potasio pueden detectarse gravimétricamente a través de varias sales poco solubles. Algunos ejemplos son el perclorato CsClO ₄ y el hexacloridoplatinato Cs ₂ [PtCl ₆ ].

Importancia biológica

El cesio ingerido con los alimentos se absorbe en el tracto gastrointestinal debido a su similitud con el potasio y, al igual que el potasio, se almacena principalmente en el tejido muscular . La vida media biológica con la que el cuerpo humano excreta el cesio depende de la edad y el sexo y es, en promedio, de 110 días.

El cesio solo es químicamente tóxico en un grado muy bajo . Típica LD ₅₀ valores para sales de cesio son 1,000 mg / kg (rata, oral). Sin embargo, de interés es el efecto de la radiación ionizante grabado Caesiumisotope radiactivo, dependiendo de la dosis , la enfermedad por radiación puede causar. Debido a la buena solubilidad en agua de la mayoría de las sales de cesio, se absorben completamente en el tracto gastrointestinal y se distribuyen principalmente en el tejido muscular. La absorción de ¹³⁷ C radiactivos después del desastre de Chernobyl en 1986 dio como resultado una dosis efectiva media de 0,6  μSv para un adulto en la República Federal de Alemania durante los primeros tres meses .

las instrucciones de seguridad

El cesio se inflama espontáneamente en el aire , por lo que debe almacenarse en ampollas bajo argón puro o al vacío . Debido a su alta reactividad, reacciona explosivamente con el agua. La explosividad se puede aumentar encendiendo el hidrógeno producido en el proceso. El cesio ardiente debe extinguirse con extintores metálicos . Para pequeñas cantidades (unos pocos gramos), se puede utilizar arena seca. Al igual que con otros metales alcalinos, se eliminan añadiendo cuidadosamente, gota a gota, alcoholes como 2-pentanol , terc- butanol u octanol y luego neutralizándolos .

Enlaces

Como metal alcalino típico, el cesio se encuentra exclusivamente en compuestos iónicos en el estado de oxidación +1. La mayoría de los compuestos de cesio son fácilmente solubles en agua.

Haluros

Con todos los halógenos, el cesio forma haluros fácilmente solubles en agua de la forma CsX (X = haluro). El cloruro de cesio tiene una estructura cristalina característica que forma un tipo de estructura importante (estructura de cloruro de cesio). Con la excepción del fluoruro de cesio , los otros haluros de cesio también cristalizan . El cloruro de cesio es el material de partida para la extracción de cesio elemental. Dado que un gradiente de densidad se forma automáticamente si la centrifugación es lo suficientemente larga , se utiliza para separar y purificar el ADN en la ultracentrífuga . El yoduro de cesio y el bromuro de cesio de alta pureza se utilizan como material de centelleo transparente en los contadores de centelleo .

Compuestos de oxigeno

El cesio forma una cantidad inusualmente grande de compuestos de oxígeno . Esto se debe principalmente a la baja reactividad del ion cesio, por lo que es posible la formación de enlaces oxígeno-oxígeno. Se conocen varios subóxidos , como Cs ₁₁ O ₃ y Cs ₃ O, en los que hay un exceso de cesio y que, por tanto, presentan conductividad eléctrica . Además, _se conocen el óxido Cs ₂ O, el peróxido Cs ₂ O ₂ , el hiperóxido CsO ₂ y el ozonido CsO ₃ con contenidos de oxígeno crecientes . A diferencia de la mayoría de los otros compuestos de cesio, todos estos compuestos son de color, los subóxidos de color púrpura o azul verdoso, los demás de color amarillo, naranja o rojo.

El hidróxido de cesio es un sólido blanco fuertemente higroscópico que se disuelve bien en agua. El hidróxido de cesio es una base fuerte en solución acuosa .

Otros compuestos de cesio

El carbonato de cesio es un sólido blanco y se disuelve en muchos disolventes orgánicos. Se utiliza en diversas síntesis orgánicas como base, por ejemplo, para esterificaciones o para escindir grupos protectores especiales .

El nitrato de cesio es ampliamente utilizado en pirotecnia militar , en NIR - bengalas e Infrarottarnnebeln , mientras que el uso en bengalas NIR para las líneas de emisión intensa del elemento a 852, 1359 y 1469 nm se basa, el uso se basa en Tarnnebeln en la ionizabilidad de la luz del elemento. Los iones Cs que se forman en la llama cuando se queman los compuestos activos pirotécnicos actúan como núcleos de condensación y, por tanto, aumentan el rendimiento del aerosol, que es importante para la absorción de la radiación.

El cromato de cesio se puede utilizar junto con el circonio como una fuente simple para la extracción de cesio elemental para eliminar las trazas de agua y oxígeno en los tubos de vacío.

La categoría: compuestos de cesio ofrece una descripción general de los compuestos de cesio .

literatura

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