Césium

Césium
55 Cs
Rb ↑ Cs ↓ Fr Tableau périodique xénon ← → césium baryum
Apparence
or argenté
Propriétés générales
Nom, symbole, nombre	césium, Cs, 55
Prononciation	/ s Je z Je ə m / VOIR -zee-əm
Catégorie Metallic	métal alcalin
Groupe, période, bloc	(1) des métaux alcalins , 6, s
Poids atomique standard	132.9054519 (2)
Configuration électronique	[ Xe ] 6s 1 2, 8, 18, 18, 8, 1
Histoire
Découverte	Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff (1860)
Premier isolement	Carl Setterberg (1882)
Propriétés physiques
Phase	solide
Densité (à proximité rt)	1,93 g · cm -3
Liquid densité au mp	1,843 g · cm -3
Point de fusion	301,59 K , 28,44 ° C, 83,19 ° F
Point d'ébullition	944 K, 671 ° C, 1240 ° F
Point critique	1938 K, 9,4 MPa
La chaleur de fusion	2,09 kJ · mol -1
Chaleur de vaporisation	63,9 kJ · mol -1
Capacité thermique molaire	32,210 J · mol -1 · K -1
La pression de vapeur
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k à T (K) 418 469 534 623 750 940
Propriétés atomiques
États d'oxydation	1 (Fortement oxyde de base)
Électronégativité	0,79 (échelle de Pauling)
énergies d'ionisation	1er: 375,7 kJ · mol -1
	2ème: 2234,3 kJ · mol -1
	3ème: 3400 kJ · mol -1
Rayon atomique	265 h
Rayon covalente	244 ± 23 heures
Rayon de Van der Waals	343 h
Miscellanées
Crystal structure	cubique centré
Ordre magnétique	paramagnétique
Résistivité électrique	(20 ° C) 205 nΩ · m
Conductivité thermique	35,9 W · m -1 · K -1
Dilatation thermique	(25 ° C) 97 um · m -1 · K -1
Le module d'Young	1,7 GPa
Module Bulk	1,6 GPa
Dureté Mohs	0,2
Dureté Brinell	0,14 MPa
Numéro de registre CAS	7440-46-2
La plupart des isotopes stables
Article détaillé: Isotopes de césium
iso N / A demi-vie DM DE ( MeV) DP 133 Cs 100% 133 Cs est stable avec 78 neutrons 134 Cs syn 2,0648 y ε 1,229 134 Xe β - 2,059 134 Ba 135 Cs trace 2,3 × 10 6 y β - 0,269 135 Ba 137 Cs trace 30,17 y β - 1,174 137 Ba

Césium ou de césium est un élément chimique avec le symbole Cs et de numéro atomique 55. Ce est un argenté, or métal mou alcalin avec un point de 28 ° C (82 ° F), ce qui en fait l'un des cinq métaux élémentaires qui sont liquides à fusion (ou à proximité) la température ambiante. Le césium est un métal alcalin et possède des propriétés physiques et chimiques similaires à celles de rubidium et de potassium . Le métal est extrêmement réactif et pyrophore, réagissant avec l'eau, même à -116 ° C (-177 ° F). Ce est le moins élément électronégatif ayant un isotope stable, le césium-133. Le césium est extrait principalement de pollucite, tandis que le des radio-isotopes, en particulier le césium-137, une produits de fission, sont extraites de déchets produits par les réacteurs nucléaires.

Deux chimistes allemands, Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff, découvert césium en 1860 par la méthode de nouvellement développé spectroscopie flamme. Les premières applications à petite échelle pour le césium étaient comme une " getter "dans des tubes à vide et en cellules photoélectriques. En 1967, une fréquence spécifique de la spectre d'émission du césium-133 a été choisi pour être utilisé dans la définition de la la seconde par Système international d'unités. Depuis lors, le césium a été largement utilisé dans horloges atomiques.

Depuis les années 1990, la plus grande application de l'élément a été aussi formiate de césium pour les fluides de forage. Il dispose d'une gamme d'applications dans la production d'électricité, de l'électronique, et en chimie. L'isotope radioactif césium 137 a une demi-vie d'environ 30 ans et est utilisé dans des applications médicales, jauges industrielles, et l'hydrologie. Bien que l'élément ne est que légèrement toxique, il est une matière dangereuse comme un métal et ses radio-isotopes présentent un risque de santé de haute se il est libéré dans l'environnement.

Caractéristiques

Propriétés physiques

De haute pureté de césium-133 conservée sous argon

Le césium est un très doux (il a la dureté plus faible de tous les éléments, 0,2 Mohs), très ductile, métal doré pâle, qui fonce dans la présence de traces d' oxygène . Il a un point de fusion de 28,4 ° C (83,1 ° F), ce qui en fait l'un des rares métaux élémentaires qui sont liquides à proximité la température ambiante. Le mercure est le seul métal élémentaire avec un point de fusion inférieur à celui connu césium. En outre, le métal a une assez faible point d'ébullition , 641 ° C (1186 ° F), la le plus bas de tous les métaux autres que le mercure. Ses composés brûlent avec une couleur bleue ou violette.

Sécurisé échantillon de césium pour l'enseignement

formes de césium alliages avec d'autres métaux alcalins, ainsi qu'avec de l'or , et amalgames au mercure. Aux températures inférieures à 650 ° C (1202 ° F), il alliages avec cobalt , le fer , le molybdène , le nickel , le platine , le tantale ou le tungstène . Elle forme bien définie des composés intermétalliques avec de l'antimoine , le gallium , l'indium et le thorium , qui sont photosensible. Il se mélange avec les autres métaux alcalins (à l'exception de lithium), et l'alliage ayant une la répartition molaire de 41% de césium, de 47% de potassium , et 12% de sodium a le point de fusion le plus bas de tout alliage métallique connu, à -78 ° C (-108 ° F). A quelques amalgames ont été étudiés: CsHg ₂ est noir avec un violet métallique éclat, tandis que CsHg est bien dorée, aussi avec un éclat métallique.

Propriétés chimiques

L'addition d'une petite quantité de césium à l'eau froide est explosif.

Césium métallique est très réactif et très pyrophore. En plus de l'allumage spontanément à l'air, elle réagit de façon explosive à l'eau, même à basses températures, plus que les autres membres du premier groupe de la classification périodique des éléments . La réaction se produit solide avec de l'eau à des températures aussi basses que -116 ° C (-177 ° F). En raison de sa forte réactivité, le métal est classé comme un matières dangereuses. Il est stocké et envoyé en hydrocarbures saturés secs tels que l'huile minérale. De même, il doit être manipulé sous gaz inerte tel que l'argon . Cependant, une explosion de césium-eau est souvent moins puissant que l'explosion d'une -eau de sodium avec une quantité similaire de sodium. Ce est parce que le césium explose instantanément au contact de l'eau, laissant peu de temps pour que l'hydrogène se accumule. Le césium peut être stocké sous vide scellé verre de borosilicate ampoules. En quantités de plus d'environ 100 grammes (3,5 oz), le césium est livré dans des récipients hermétiques, en acier inoxydable.

La chimie de césium est similaire à celle des autres métaux alcalins, mais est plus étroitement similaire à celle de rubidium , le césium élément ci-dessus dans le tableau périodique. Certaines petites différences sont dues au fait qu'il a une ultérieure masse atomique et est plus électropositif que d'autres (non radioactifs) des métaux alcalins. Le césium est l'élément le plus électropositif chimique stable. L'ion de césium est également plus grande et moins "dur" que ceux du briquet métaux alcalins .

Composés

Modèle de boule-et-bâton de la coordination cube de Cs et Cl dans CsCl

La grande majorité des composés du césium contient l'élément en tant que cations Cs ^+, qui se lie ioniquement à une grande variété d' anions . Une exception notable est fourni par le caeside anion (Cs ^-). Autres exceptions incluent les plusieurs sous-oxydes (voir la section sur les oxydes ci-dessous).

Revenant à des composés plus normaux, les sels de Cs ⁺ sont presque toujours incolore à moins que l'anion se est coloré. Beaucoup de sels simples sont hygroscopique, mais moins que les sels correspondants des métaux alcalins légers. Le phosphate, l'acétate, le carbonate , halogénures, oxyde, nitrate et sulfate sont les sels solubles dans l'eau. Les sels doubles sont souvent moins soluble, et la faible solubilité du sulfate d'aluminium césium est exploitée dans la purification de Cs à partir de ses minerais. Le double sel avec de l'antimoine (comme CsSbCl _4), bismuth , cadmium , cuivre , fer et plomb sont également mal soluble.

Césium hydroxyde (CsOH) est hygroscopique et une très forte base. Il rapide décape la surface des semi-conducteurs tels que le silicium . CsOH a déjà été considéré par les chimistes comme la "base la plus forte", reflétant la relativement faible attraction entre la grande ion Cs ⁺ et OH ^-.; il est en effet le plus fort de base Arrhenius , mais un certain nombre de composés qui ne peuvent pas exister en solution aqueuse, tel que n-butyl-lithium et l'amidure de sodium, sont plus basique.

Un mélange stoechiométrique de césium et l'or va réagir pour former Auride césium.

Complexes

Comme tous les cations métalliques, CS ⁺ forme des complexes avec Lewis fonde en solution. En raison de sa grande taille, Cs ⁺ adopte habituellement des nombres supérieurs à six coordination, ce qui est typique pour les cations de métaux alcalins légers coordination. Cette tendance est déjà apparente par la 8-coordination dans CsCl, vs le motif de halite adoptée par les autres chlorures de métaux alcalins. Son nombre élevé de coordination et douceur (tendance à former des liaisons covalentes) sont la base de la séparation des Cs ⁺ à partir d'autres cations, comme cela se pratique dans l'assainissement des déchets nucléaires, où ¹³⁷ Cs ⁺ est séparée de grandes quantités de K ⁺ non radioactif.

Halogénures

chlorure de césium (CsCl) cristallise dans la simple système cristallin cubique. Également appelé la «structure de chlorure de césium", ce motif structural est composé d'un réseau cubique primitive avec une base de deux atome, chacun avec un octuple coordination; les atomes de chlore se trouvent sur les points de réseau au niveau des arêtes du cube, tandis que les atomes de césium se trouvent dans les trous au centre des cubes. Cette structure est partagée avec CsBr et CsI, et de nombreux autres composés qui ne contiennent pas Cs. En revanche, la plupart des autres halogénures alcalins adoptent le chlorure de sodium structure (NaCl). La structure CsCl est préféré parce Cs ⁺ a une rayon ionique de 174 h et Cl ^- 181 h.

Oxydes

Cs ₁₁ O ₃ clusters

Plus que les autres métaux alcalins, le césium forme de nombreux composés binaires avec l'oxygène . Lorsque le césium brûle dans l'air, le superoxyde CsO ₂ est le principal produit. Le "normale" l'oxyde de césium (Cs ₂ O) forme jaune-orange cristaux hexagonaux, et est le seul anti-oxyde de la _CdCl2 Type. Il se vaporise à 250 ° C (482 ° F), et se décompose de césium et le métal du peroxyde d'Cs ₂ O ₂ à des températures supérieures à 400 ° C (752 ° F). Mis à part le superoxyde et le ozonide CsO _3, plusieurs couleurs vives sous-oxydes ont également été étudiés. Il se agit notamment Cs ₇ O, ₄ O Cs, Cs _{11 3} O, Cs ₃ O (vert foncé), CSO, Cs ₂ O _3, ainsi que ₇ Cs ₂ O. Ce dernier peut être chauffé sous vide pour générer Cs ₂ O. Composés binaires avec le soufre , le sélénium et le tellure existent également.

Isotopes

Le césium a un total de 39 connus isotopes qui vont dans leur nombre de masse (ce est à dire de nombre de nucléons dans son noyau) de 112 à 151. Plusieurs de ceux-ci sont synthétisés à partir d'éléments plus légers par le processus de capture de neutrons lents ( S-processus) à l'intérieur de vieilles étoiles, ainsi que l'intérieur de supernovae explosions ( R-processus). Cependant, la seule stable isotope est ¹³³ Cs, qui a 78 neutrons . Même se il dispose d'un grand spin nucléaire (7/2 de +), Les études de résonance magnétique nucléaire peut être fait avec cet isotope de résonance à une fréquence de 11,7 MHz.

Decay du césium-137

Le radioactifs ¹³⁵ Cs a une demi-vie très longue d'environ 2,3 millions d'années, alors que ¹³⁷ Cs et ¹³⁴ Cs ont des demi-vies de 30 et deux ans, respectivement. ¹³⁷ Cs se décompose à une courte durée ^137m Ba par désintégration bêta, puis de baryum non radioactif, tandis que ¹³⁴ Cs transforme en ¹³⁴ Ba directement. Les isotopes avec des nombres de masse de 129, 131, 132 et 136, ont des demi-vies entre un jour et deux semaines, alors que la plupart des autres isotopes ont des demi-vies de quelques secondes à quelques fractions de seconde. Il ya au moins 21 métastable isomères nucléaires. Autre que Cs ^134m (avec une demi-vie de un peu moins de 3 heures), tous sont très instables et se désintègrent avec des demi-vies de quelques minutes ou moins.

L'isotope Cs ¹³⁵ est l'un des produits de fission à vie longue de l'uranium qui se forment dans les réacteurs nucléaires. Cependant, son le rendement des produits de fission est réduite dans la plupart des réacteurs parce que son prédécesseur, ¹³⁵ Xe, est un très puissant poison neutronique et transmue souvent à stable ¹³⁶ Xe avant qu'il peut se décomposer à ¹³⁵ Cs.

En raison de sa désintégration bêta (à ^137m Ba), ¹³⁷ Cs est un fort émetteur rayonnement gamma. Sa demi-vie, il est le principal produits de fission à moyen vécu avec ⁹⁰ Sr-deux sont responsables de de radioactivité combustible nucléaire usé après plusieurs années de refroidissement jusqu'à plusieurs centaines d'années après l'utilisation. Par exemple ¹³⁷ Cs avec ⁹⁰ Sr générer actuellement la plus grande source de radioactivité générée dans la zone autour de la catastrophe de Tchernobyl . Il ne est pas possible de disposer de ¹³⁷ Cs par capture des neutrons (en raison du faible taux de capture) et par conséquent, il doit être autorisé à se désintégrer.

Presque tous césium produite à partir de la fission nucléaire vient de désintégration bêta de l'origine plus de produits de fission riches en neutrons, en passant par diverses isotopes de l'iode et de xénon. Parce que l'iode et de xénon sont volatils et peuvent diffuser à travers le combustible nucléaire ou de l'air, du césium radioactif est souvent créé loin de l'emplacement original de la fission. Avec le début de essais d'armes nucléaires vers 1945, ¹³⁷ Cs a été libéré dans l' atmosphère et est ensuite retourné à la surface de la terre comme une composante de retombées radioactives.

Occurrence

Pollucite, un minéral de césium

Le césium est un élément relativement rare, car on estime en moyenne à environ 3 parties par million dans la La croûte terrestre. Cela en fait le 45e plus abondant de tous les éléments et la 36e de tous les métaux. Néanmoins, il est plus abondant que des éléments tels que l'antimoine, le cadmium, l'étain et le tungstène, et deux ordres de grandeur plus abondant que le mercure ou d'argent , mais de 3,3% aussi abondant que le rubidium -avec laquelle il est si étroitement associé chimiquement.

En raison de sa grande rayon ionique, le césium est l'un des " éléments incompatibles ". Au cours de magma cristallisation, le césium se concentre dans la phase liquide et cristallise dernier. Par conséquent, les plus grands gisements de césium sont zone corps minéralisés pegmatite formés par ce processus d'enrichissement. Parce que le césium ne remplace pas potassium aussi facilement que ne le rubidium, les minéraux alcalins évaporites sylvinite (KCl) et carnallite (KMgCl ₃ · 6H ₂ O) ne peuvent contenir que 0,002% de césium. Par conséquent, Cs est trouvé dans quelques minéraux. les pourcentages de césium peuvent être trouvés dans béryl (Be ₃ Al ₂ (SiO _{3) 6)} et avogadrite ((K, Cs) BF _4), jusqu'à 15% en poids de Cs ₂ O dans le minéral étroitement lié pezzottaite (Cs (Be ₂ Li) Al ₂ Si ₆ O _18), jusqu'à 8,4% en poids de Cs ₂ O dans le minéral rare londonite ((Cs, K) Al _quatre Soyez ₄ (B, Be) ₁₂ O _28), et moins dans la plus répandue rhodizite. Le minéral seule source économique importante pour le césium est pollucite Cs (AlSi ₂ O _6), qui se trouve dans quelques endroits dans le monde dans les pegmatites zonées, et est associé avec les plus importantes commercialement lithium minéraux lépidolite et pétalite. Dans les pegmatites, le gros grain et la forte séparation des minéraux créent minerai à haute teneur pour l'exploitation minière.

L'une des sources du métal les plus importantes et les plus riches du monde est le À la mine Tanco au Bernic Lake, dans le Manitoba, Canada. Les dépôts on estime à 350 000 contenir tonnes métriques de minerai de pollucite, qui représentent plus des deux tiers de la base de réserve du monde. Bien que la teneur stoechiométrique de césium dans pollucite est de 42,6%, les échantillons de pollucite pures de ce dépôt contiennent seulement environ 34% du césium, tandis que la teneur moyenne est de 24% en poids. Pollucite commercial contient plus de 19% du césium. Le Dépôt de pegmatite Bikita au Zimbabwe est exploité pour son pétalite, mais il contient également une quantité importante de pollucite. Quantités notables de pollucite sont également exploités dans le Karibib Desert, Namibie . Au rythme actuel de la production minière mondiale de 5 à 10 tonnes par an, les réserves dureront pendant des milliers d'années.

Production

L'extraction de minerai pollucite est un processus sélectif et se déroule sur une petite échelle en comparaison avec la plupart des opérations des mines de métaux. Le minerai est concassé, la main-triée, mais généralement pas concentrée, puis broyé. Le césium est ensuite extrait de pollucite principalement par trois méthodes: digestion acide, décomposition alcaline, et de réduction directe.

Dans la digestion acide, le silicate pollucite roche est dissous avec des acides forts tels que chlorhydrique (HCl), sulfurique (H ₂ SO _4), bromhydrique (HBr), ou (HF) d'acide fluorhydrique. Avec de l'acide chlorhydrique, un mélange de chlorures solubles est produit, et le chlorure insoluble doubles sels de césium sont précipités sous forme de chlorure de césium de l'antimoine (Cs ₄ SbCl _7), le césium chlorure d'iode (Cs ₂ ICl), ou le césium hexachlorocerate (Cs ₂ (CeCl _6)). Après la séparation, le précipité de sel double pur est décomposé, et CsCl pur est obtenu après évaporation de l'eau. La méthode utilisant l'acide sulfurique donne le sel double insoluble directement comme le césium alun (csal (SO _{4) 2} · 12H ₂ O). Le sulfate d'aluminium, il est converti en au insoluble oxyde d'aluminium par calcination de l'alun avec le carbone , et le produit résultant est lixivié avec de l'eau pour donner une solution de Cs ₂ SO _4.

Le grillage de pollucite avec du carbonate de calcium et chlorure de calcium rendements silicates de calcium insoluble et soluble dans le chlorure de césium. Lessivage avec de l'eau ou diluer l'ammoniac (NH ₄ OH), on obtient alors un chlorure de diluée (CsCl) solution. Cette solution peut être évaporée pour produire du chlorure de césium ou transformé en alun de césium ou le carbonate de césium. Mais pas commercialement faisable, la réduction directe du minerai de potassium, de sodium ou de calcium dans le vide peut produire le césium métallique directement.

La plupart du césium extrait (sous forme de sels) est directement converti en formiate de césium (HCOO ^- Cs ⁺⁾ pour des applications telles que forage pétrolier. Pour approvisionner le marché en développement, Cabot Corporation a construit une usine de production en 1997 à la mine Tanco près Bernic Lake, au Manitoba, d'une capacité de 12 000 barils (1 900 m ³ par an) de la solution de césium formate. Les composés commerciaux de plus petite envergure primaire de césium sont chlorure de césium et son nitrate.

En variante, le césium métal peut être obtenu à partir des composés purifiés obtenus à partir du minerai. le chlorure de césium, et les autres halogénures de césium, ainsi, peuvent être réduits à 700 à 800 ° C (1292 à 1472 ° F) avec du calcium ou du baryum , suivie d'une distillation du métal de césium. De la même manière, l'aluminate, carbonate, hydroxyde ou peuvent être réduits par du magnésium . Le métal peut aussi être isolé par électrolyse de césium condensé cyanure (CSCN). Exceptionnellement césium pur et exempt de gaz peut être effectué par la décomposition thermique à 390 ° C (734 ° F) de césium azide CSN _3, qui est produite à partir de solution aqueuse de sulfate de césium et de baryum azide. Dans les applications sous vide, le césium dichromate peut être mis à réagir avec le zirconium formant césium métal pur sans d'autres produits gazeux.

Cs ₂ Cr ₂ O ₇ + 2 → 2 Zr 2 Cs + ZrO ₂ + Cr ₂ O ₃

Le prix de 99,8% du césium pur (du métal) en 2009 était d'environ 10 $ US par gramme (280 $ l'once), mais ses composés sont nettement moins cher.

Histoire

Gustav Kirchhoff (à gauche) et Robert Bunsen (au centre) a découvert le césium par spectroscopie.

En 1860, Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff découvert césium dans le eau minérale Dürkheim, Allemagne. En raison des lignes bleues lumineuses dans son spectre d'émission, ils ont choisi un nom dérivé du mot caesius latin, signifiant bleu ciel. Césium était le premier élément à être découvert par spectroscopie , un an seulement après l'invention de la spectroscope par Bunsen et Kirchhoff.

Pour obtenir un échantillon pur du césium, 44 000 litres (9700 gallons imp; 12 000 US gal) d'eau minérale a dû être évaporée pour donner 240 kg (530 lb) de solution saline concentrée. Les métaux alcalino-terreux ont été précipités sous forme de sulfates ou soit oxalates, laissant le métal alcalin dans la solution. Après la conversion des nitrates et extraction avec de l'éthanol , on a obtenu un mélange exempt de sodium. A partir de ce mélange, le lithium a été précipité par le carbonate d'ammonium. Le potassium, le rubidium et le césium forment des sels insolubles avec chloroplatinique l'acide, mais ces sels montrent une légère différence de solubilité dans l'eau chaude. Par conséquent, le césium et le rubidium moins soluble dans l'hexachloroplatinate ((Cs, Rb) ₂ PtCl ₆₎ peut être obtenu par cristallisation fractionnée. Après réduction de l'hexachloroplatinate avec l'hydrogène , le césium et le rubidium pourraient être séparés par la différence de solubilité de leurs carbonates dans l'alcool. Le processus a donné 9,2 g (0,32 oz) de chlorure de rubidium et 7,3 grammes (0,26 onces) de chlorure de césium par les initiales 44 000 litres d'eau minérale.

Les deux scientifiques ont utilisé le chlorure de césium ainsi obtenu pour estimer la poids atomique du nouvel élément à 123,35 (par rapport à l'heure actuelle l'un des accepté 132,9). Ils ont essayé de générer césium élémentaire par électrolyse de fusion du chlorure de césium, mais au lieu d'un métal, ils ont obtenu une substance homogène bleue qui "ni sous l'œil nu, ni sous le microscope" a montré la moindre trace de substance métallique "; en conséquence, ils ont attribué comme un protochlorure (Cs ₂ Cl). En réalité, le produit était probablement un mélange colloïdal du métal et du chlorure de césium. L'électrolyse de la solution aqueuse de chlorure avec une anode de mercure produit un amalgame de césium qui facilement décomposé dans les conditions aqueuses. Le métal pur a finalement été isolé par le chimiste allemand Carl Setterberg tout en travaillant sur son doctorat avec Kekulé et Bunsen. En 1882, il a produit le césium métallique par électrolyse césium cyanure, et évitant ainsi les problèmes avec le chlorure.

Historiquement, l'utilisation la plus importante pour le césium a été dans la recherche et le développement, principalement dans les domaines chimiques et électriques. Très peu de demandes pour le césium existaient avant les années 1920, quand il est venu à être utilisé dans la radio les tubes à vide. Il y avait deux fonctions; comme un getter, il élimine l'excès d'oxygène après la fabrication, et en tant que revêtement sur la chauffée cathode, il a augmenté sa conductivité électrique. Césium ne est pas devenu reconnu comme un métal industriel performant jusqu'à ce que les années 1950. Applications de césium non radioactif inclus cellules photoélectriques, des tubes photomultiplicateurs, des composants optiques de spectrophotomètres infrarouges, plusieurs catalyseurs pour des réactions organiques, cristaux pour compteurs à scintillation, et groupes électrogènes magnétohydrodynamiques.

Depuis 1967, le Système international des mesures a fondé son unité de temps, la seconde, sur les propriétés de césium. Le Système international d'unités (SI) définit la seconde comme 9192631770 cycles du rayonnement, qui correspond à la transition entre deux hyperfine les niveaux de l'énergie état fondamental du césium-133 atome . La 13e Conférence générale des poids et mesures de 1967 a défini une seconde que: "la durée de 9192631770 cycles de lumière à micro-ondes émise ou absorbée par la transition hyperfine du césium-133 atomes dans leur état fondamental perturbé par des champs extérieurs".

Applications

L'exploration pétrolière

La plus grande utilisation finale actuelle de césium non radioactif est en à base de formiate de césium les fluides de forage pour le industrie pétrolière extractive. Les solutions aqueuses de formiate de césium (HCOO ^- Cs ⁺⁾ -en faisant réagir l'hydroxyde de césium avec de l'acide formique -étaient développé dans le milieu des années 1990 pour l'utilisation de l'huile de forage de puits et fluides de complétion. La fonction de formiate de césium en tant que fluide de forage est de lubrifier les forets, pour amener les débris de roche à la surface, et de maintenir une pression sur la formation en cours de forage du puits. Comme fluide de complétion, qui assiste la mise en place de matériel de commande après le forage, mais avant la production, la fonction de formiate de césium est de maintenir la pression.

La forte densité de la saumure césium de formiate (jusqu'à 2,3 g · cm ^-3, soit 19,2 livres par gallon), associée à la nature relativement bénigne de la plupart des composés du césium, réduit le besoin pour les matières solides toxiques de haute densité en suspension dans le fluide de forage -a significative technologique, l'ingénierie et avantage environnemental. Contrairement aux composants de nombreux autres liquides lourds, formate de césium est relativement respectueux de l'environnement. La saumure de formiate de césium peut être mélangé avec des formiates potassium et de sodium de diminuer la densité des fluides vers le bas pour que de l'eau (1,0 g · cm ^-3, soit 8,3 livres par gallon). En outre, il est biodégradable et récupérable et peut être recyclé, ce qui est important en raison de son coût élevé (environ 4000 $ par habitant le baril en 2001). Formiates alcalins sont sûrs à manipuler et ne endommagent pas la formation productrice ou des métaux de fond que leurs alternatives corrosive, saumures à haute densité (comme bromure de zinc ZnBr ₂ solutions), faire parfois; ils exigent également diminuée des coûts de nettoyage et d'élimination.

Les horloges atomiques

Atomique ensemble d'horloge à la US Naval Observatory

FOCS-1, une horloge atomique fontaine de césium froid continue en Suisse, a commencé à fonctionner en 2004 à une incertitude d'une seconde en 30.000.000 années

Base de césium- horloges atomiques observent transitions électromagnétiques dans le structure hyperfine du césium-133 atomes et l'utiliser comme un point de référence. La première horloge au césium précis a été construit par Louis Essen en 1955 à la National Physical Laboratory au Royaume-Uni. Depuis, ils ont été améliorées de façon répétée au cours du demi-siècle, et forment la base de normes conformes mesures de temps et de fréquence. Ces horloges fréquence de mesure avec une erreur de 2 à 3 parties en 10 ^14, ce qui correspondrait à une précision de mesure de temps de 2 nanosecondes par jour, ou une seconde en 1,4 millions années. Les dernières versions sont exacts à mieux que 1 partie en 10 ^15, ce qui signifie qu'ils seraient hors d'environ 2 secondes depuis la extinction des dinosaures il ya 65 millions d'années, et a été considéré comme «la réalisation la plus précise d'une unité que l'humanité a encore atteint."

horloges de césium sont également utilisés dans les réseaux qui supervisent le moment de transmission de téléphone cellulaire et le flux de l'information sur l'Internet.

Énergie électrique et de l'électronique

la vapeur de césium générateurs thermo sont des appareils de faible puissance qui convertissent l'énergie thermique en énergie électrique. Dans les deux électrodes Convertisseur de tube à vide, on neutralise la charge d'espace qui se accumule à proximité de la cathode, et, ce faisant, il améliore la circulation du courant.

Le césium est également important pour son propriétés photoémissives par lequel l'énergie lumineuse est convertie en flux d'électrons. Il est utilisé dans cellules photoélectriques parce que cathodes à base de césium, tels que le composé intermétallique K ₂ RRFP ont une faible tension de seuil pour l'émission d' électrons . La gamme de dispositifs de photoémissives utilisant le césium comprend dispositifs optiques de reconnaissance de caractères, tubes photomultiplicateurs, et tubes de caméra vidéo. Néanmoins, le germanium , le rubidium, le sélénium, le silicium, le tellure, et plusieurs autres éléments peuvent remplacer le césium dans des matériaux photosensibles.

L'iodure de césium (Csl), bromure (CsBr) et le fluorure de césium (CSF) cristaux sont utilisés pour dans scintillateurs compteurs à scintillation largement utilisés dans l'exploration minérale et de la recherche en physique des particules, car ils sont bien adaptés pour la détection de gamma et Rayonnement de rayons X. Césium, étant un élément lourd, offre une bonne puissance de freinage, contribuant à une meilleure détectivité. composés de césium peuvent aussi fournir une réponse plus rapide (LCR) et être moins hygroscopique (CSI).

la vapeur de césium est utilisé dans de nombreux commune magnétomètres. L'élément est également utilisé en tant que étalon interne dans spectrophotométrie. Comme d'autres métaux alcalins , le césium a une grande affinité pour l'oxygène et il est utilisé en tant que " getter "dans les tubes à vide. D'autres utilisations du métal à haute énergie comprennent des lasers , lampes de préchauffage vapeur, et de la vapeur redresseurs.

les fluides de centrifugation

En raison de leur forte densité, des solutions de chlorure de césium, le sulfate de césium, le césium et trifluoroacétate (Cs (O ₂ CCF ₃₎₎ sont couramment utilisés en biologie moléculaire à gradient de densité ultracentrifugation. Cette technologie est essentiellement appliqué à l'isolement de particules virales , subcellulaire organites et fractions, et des acides nucléiques à partir d'échantillons biologiques.

Chimique et l'utilisation médicale

Un échantillon de chlorure de césium

Relativement peu d'applications chimiques existent pour le césium. Le dopage avec des composés de césium est utilisé pour améliorer l'efficacité de plusieurs catalyseurs d'ions métalliques utilisés dans la production de produits chimiques, tels que acide acrylique, anthraquinone, l'oxyde d'éthylène, du méthanol , l'anhydride phtalique, le styrène, les monomères de méthacrylate de méthyle, et diverses oléfines . Il est également utilisé dans la conversion catalytique de le dioxyde de soufre en le trioxyde de soufre dans la production d' acide sulfurique .

fluorure de césium bénéficie utilisation de niche dans la chimie organique comme un base, ou en tant que la source anhydre de ion fluorure. sels de césium remplacent parfois des sels de potassium ou de sodium dans la synthèse organique, telle que cyclisation, estérification, et polymérisation.

applications nucléaires et isotopiques

Le césium-137 est un très commun radio-isotope utilisé en tant que gamma-émetteur dans les applications industrielles. Ses avantages sont une demi-vie d'environ 30 ans sa disponibilité à partir de la cycle du combustible nucléaire, et comportant ¹³⁷ Ba comme produit final stable. La solubilité dans l'eau est un inconvénient qui la rend incompatible avec de grandes irradiateurs de piscine pour la nourriture et de fournitures médicales. Il a été utilisé dans l'agriculture, le traitement du cancer, et la stérilisation des aliments, les boues d'épuration et du matériel chirurgical. Radioactif isotopes de césium dans appareils à rayonnement ont été utilisés dans le domaine médical pour traiter certains types de cancer, mais émergence de meilleures alternatives et l'utilisation de chlorure de césium soluble dans l'eau dans les sources, ce qui pourrait créer une large contamination, mis progressivement certaines de ces sources de césium sur utiliser. Le césium-137 a été utilisé dans une variété de jauges de mesure industriels, y compris l'humidité, la densité, le nivellement, et des jauges d'épaisseur. Il a également été utilisé dans dispositifs de diagraphie pour mesurer la densité électronique des formations rocheuses, qui est analogue à la densité apparente des formations.

Isotope 137 a également été utilisé dans hydrologiques des études analogues à celles utilisant tritium. Ce est un produit de filiation de réactions de fission nucléaire. Avec le début des essais nucléaires vers 1945, et jusqu'au milieu des années 1980, le césium 137 a été libéré dans l'atmosphère, où il est facilement absorbé dans la solution. Connu variation d'année en année dans ce délai permet corrélation avec le sol et les sédiments couches. Le césium-134, et dans une moindre mesure le césium-135, ont également été utilisés en hydrologie comme une mesure de la production de césium par l'industrie de l'énergie nucléaire. Alors qu'ils sont moins fréquents que soit le césium-133 ou le césium-137, ces isotopes ont l'avantage d'être produite uniquement à partir de sources anthropiques.

D'autres utilisations

Schémas d'un propulseur ionique électrostatique qui a été initialement développé pour une utilisation avec le césium ou le mercure

Césium et le mercure ont été utilisés comme propulseur au début moteurs ioniques conçus pour la propulsion spatiaux sur de très longues missions interplanétaires ou extraplanetary. Le procédé d'ionisation est de dépouiller l'électron externe du propulseur lors du contact avec un tungstène électrode qui avait tension appliquée. Les préoccupations concernant l'action corrosive du césium sur des composants de l'engin spatial développement ont poussé dans le sens de l'utilisation de gaz propulseurs de gaz inertes tels que le xénon ; Cela est plus facile à manipuler dans des essais au sol et a moins de potentiel pour interférer avec le vaisseau spatial. Finalement, le xénon a été utilisé dans le vaisseau spatial expérimental Deep Space 1 lancée en 1998. Néanmoins, à émission de champ des propulseurs électriques qui utilisent un système simple d'accélérer des ions métalliques liquides tels que du césium pour créer la poussée ont été construits.

nitrate de césium est utilisé comme oxydant et un colorant pyrotechnique à brûler silicium dans l'infrarouge , tels que des fusées éclairantes LUU la fusée-19, car il émet une grande partie de sa lumière dans le spectre proche infrarouge. Le césium a été utilisé pour réduire la signature radar de panaches d'échappement dans le Blackbird SR-71 des avions militaires. Césium, avec le rubidium, a été ajouté comme le carbonate de verre, car il réduit la conductivité électrique et améliore la stabilité et la durabilité de la fibre optique et des dispositifs de vision de nuit. fluorure de césium ou de fluorure de césium d'aluminium sont utilisés dans les flux formulées pour le brasage d' aluminium alliages qui contiennent du magnésium .

Prognostications

(MHD) des systèmes de production d'énergie MHD ont été étudiés, mais n'a pas réussi à gagner l'acceptation répandue. Césium métal a également été considéré comme le fluide de travail dans à haute température des générateurs de turboelectric de cycle de Rankine. sels de césium ont été évalués comme réactifs antichoc à être utilisés après l'administration de médicaments arsenic. En raison de leur effet sur ​​le rythme cardiaque, cependant, ils sont moins susceptibles d'être utilisées de sels de potassium ou de rubidium. Ils ont également été utilisés pour traiter l'épilepsie .

Risques pour la santé et la sécurité

La partie de la dose de rayonnement total (dans l'air) apportée par chaque isotope en fonction du temps après lacatastrophe de Tchernobylreprésentant césium 137 de devenir la plus grande source de rayonnement d'environ 200 jours après l'accident.

composés de césium sont rarement rencontrés par la plupart des gens, mais la plupart sont légèrement toxique à cause de la similarité chimique de césium potassium . L'exposition à de grandes quantités de composés de césium peut provoquer hyperirritabilité et spasmes, mais que ces montants ne seraient pas normalement être rencontrés dans les sources naturelles, le césium est pas un grand polluant de l'environnement chimique. Le dose létale (DL médian ₅₀ ) valeur pour le chlorure de césium chez la souris est de 2,3 g par kg, ce qui est comparable aux LD ₅₀ valeurs de chlorure de potassium et chlorure de sodium .

NFPA 704
3 4 3 W
Le diamant feu signe de danger pour le césium métallique

Césium métal est l'un des éléments les plus réactifs et est hautement explosive quand il entre en contact avec l'eau. Le gaz hydrogène produit par la réaction est chauffée par l'énergie thermique libérée en même temps, et allumage provoquant une violente explosion. Cela peut se produire avec d'autres métaux alcalins, mais le césium est si puissant que cette réaction explosive peut même être déclenché par l'eau froide. Le température d'auto-inflammation du césium est également -116 ^o C, il est donc très pyrophore, et enflamme explosive dans l'air pour former l'hydroxyde de césium et divers oxydes. Césium hydroxyde est une très forte base et va rapidement se corroder verre.

Les isotopes 134 et 137 sont présents dans la biosphère en petites quantités par les activités humaines et représentent un fardeau de la radioactivité qui varie selon l'endroit. Radiocaesium ne accumule pas dans le corps de manière aussi efficace que de nombreux autres produits de fission (tels que l'iode radioactif et radiostrontium). Environ 10% des lavages de césium radioactif absorbées hors du corps relativement rapidement dans la sueur et l'urine. Les 90% restants a une demi-vie comprise entre 50 et 150 jours. Radiocaesium suit potassium et tend à s'accumuler dans les tissus végétaux, y compris les fruits et légumes. Il est également bien documenté que les champignons de forêts contaminées par le césium radioactif accumulent (césium 137) dans leurs fongiques sporocarpes. L'accumulation de césium 137 dans les lacs a été une grande préoccupation après la catastrophe de Tchernobyl . Des expériences avec des chiens ont montré qu'une dose unique de 3,8 millicuries (140 MBq, 4.1 ug du césium-137) par kilogramme est mortelle dans les trois semaines; de plus petites quantités peuvent causer l'infertilité et le cancer. Le Agence internationale de l'énergie atomique et d'autres sources ont averti que des matières radioactives, tels que le césium-137, pourraient être utilisés dans des dispositifs de dispersion radiologique ou « bombes sales ».