Cesio

El cesio (ortografía IUPAC) (o cesio en inglés americano) es un elemento químico con el símbolo Cs y el número atómico 55. Es un metal alcalino plateado-dorado blando con un punto de fusión de 28,5 °C (83,3 °F), que lo convierte en uno de los cinco metales elementales que son líquidos a temperatura ambiente o cerca de ella.El cesio tiene propiedades físicas y químicas similares a las del rubidio y el potasio. El más reactivo de todos los metales, es pirofórico y reacciona con el agua incluso a -116 °C (-177 °F). Es el elemento menos electronegativo, con un valor de 0,79 en la escala de Pauling. Tiene un solo isótopo estable, el cesio-133. El cesio se extrae principalmente de polucita. El elemento tiene 40 isótopos conocidos, lo que lo convierte, junto con el bario y el mercurio, en uno de los elementos con más isótopos. El cesio-137, un producto de fisión, se extrae de los desechos producidos por los reactores nucleares.

El químico alemán Robert Bunsen y el físico Gustav Kirchhoff descubrieron el cesio en 1860 mediante el método recientemente desarrollado de espectroscopia de llama. Las primeras aplicaciones a pequeña escala del cesio fueron como "captador" en tubos de vacío y en células fotoeléctricas. En 1967, actuando sobre la prueba de Einstein de que la velocidad de la luz es la dimensión más constante del universo, el Sistema Internacional de Unidades utilizó dos recuentos de ondas específicos de un espectro de emisión de cesio-133 para codefinir el segundo y el metro. Desde entonces, el cesio se ha utilizado ampliamente en relojes atómicos de alta precisión.

Desde la década de 1990, la mayor aplicación del elemento ha sido como formiato de cesio para fluidos de perforación, pero tiene una variedad de aplicaciones en la producción de electricidad, electrónica y química. El isótopo radiactivo cesio-137 tiene una vida media de unos 30 años y se utiliza en aplicaciones médicas, medidores industriales e hidrología. Los compuestos de cesio no radiactivos son solo levemente tóxicos, pero la tendencia del metal puro a reaccionar explosivamente con el agua significa que el cesio se considera un material peligroso, y los radioisótopos presentan un peligro significativo para la salud y el medio ambiente.

Características

Propiedades físicas

De todos los elementos que son sólidos a temperatura ambiente, el cesio es el más blando: tiene una dureza de 0,2 Mohs. Es un metal pálido, muy dúctil, que se oscurece en presencia de trazas de oxígeno. En presencia de aceite mineral (donde se conserva mejor durante el transporte), pierde su brillo metálico y adquiere un aspecto gris más opaco. Tiene un punto de fusión de 28,5 °C (83,3 °F), lo que lo convierte en uno de los pocos metales elementales que son líquidos cerca de la temperatura ambiente. El mercurio es el único metal elemental estable con un punto de fusión conocido más bajo que el cesio. Además, el metal tiene un punto de ebullición bastante bajo, 641 °C (1186 °F), el más bajo de todos los metales además del mercurio. Sus compuestos arden con un color azul o violeta.

El cesio forma aleaciones con otros metales alcalinos, oro y mercurio (amalgamas). A temperaturas inferiores a 650 °C (1202 °F), no se alea con cobalto, hierro, molibdeno, níquel, platino, tantalio o tungsteno. Forma compuestos intermetálicos bien definidos con antimonio, galio, indio y torio, que son fotosensibles. Se mezcla con todos los demás metales alcalinos (excepto el litio); la aleación con una distribución molar de 41 % de cesio, 47 % de potasio y 12 % de sodio tiene el punto de fusión más bajo de todas las aleaciones metálicas conocidas, a -78 °C (-108 °F). Se han estudiado algunas amalgamas: CsHg₂es de color negro con un brillo metálico púrpura, mientras que CsHg es de color dorado, también con un brillo metálico.

El color dorado del cesio proviene de la frecuencia decreciente de la luz necesaria para excitar los electrones de los metales alcalinos a medida que desciende el grupo. Para el litio y el rubidio, esta frecuencia está en el ultravioleta, pero para el cesio entra en el extremo azul-violeta del espectro; en otras palabras, la frecuencia plasmónica de los metales alcalinos se vuelve más baja desde el litio hasta el cesio. Así, el cesio transmite y absorbe parcialmente la luz violeta preferentemente mientras que otros colores (que tienen una frecuencia más baja) se reflejan; por lo tanto, parece amarillento.

Propiedades químicas

El cesio metálico es altamente reactivo y muy pirofórico. Se enciende espontáneamente en el aire y reacciona explosivamente con el agua incluso a bajas temperaturas, más que los demás metales alcalinos (primer grupo de la tabla periódica). Reacciona con el hielo a temperaturas tan bajas como -116 °C (-177 °F). Debido a esta alta reactividad, el cesio metálico se clasifica como material peligroso. Se almacena y se transporta en hidrocarburos secos y saturados, como el aceite mineral. Solo se puede manejar bajo un gas inerte, como el argón. Sin embargo, una explosión de agua de cesio suele ser menos poderosa que una explosión de agua de sodio con una cantidad similar de sodio. Esto se debe a que el cesio explota instantáneamente al entrar en contacto con el agua, dejando poco tiempo para que se acumule el hidrógeno.El cesio se puede almacenar en ampollas de vidrio de borosilicato selladas al vacío. En cantidades de más de 100 gramos (3,5 oz), el cesio se envía en contenedores de acero inoxidable herméticamente sellados.

La química del cesio es similar a la de otros metales alcalinos, en particular el rubidio, el elemento por encima del cesio en la tabla periódica. Como era de esperar para un metal alcalino, el único estado de oxidación común es +1. Algunas ligeras diferencias surgen del hecho de que tiene una masa atómica más alta y es más electropositivo que otros metales alcalinos (no radiactivos). El cesio es el elemento químico más electropositivo. El ion de cesio también es más grande y menos "duro" que los de los metales alcalinos más ligeros.

Compuestos

La mayoría de los compuestos de cesio contienen el elemento como catión Cs, que se une iónicamente a una amplia variedad de aniones. Una excepción notable es el anión césido (Cs), y otros son los diversos subóxidos (consulte la sección sobre óxidos a continuación). Más recientemente, se prevé que el cesio se comporte como un elemento de bloque p y sea capaz de formar fluoruros más altos con estados de oxidación más altos (es decir, CsF _n con n > 1) a alta presión. Esta predicción necesita ser validada por más experimentos.

Las sales de Cs suelen ser incoloras a menos que el anión mismo esté coloreado. Muchas de las sales simples son higroscópicas, pero menos que las correspondientes sales de metales alcalinos más ligeros. Las sales de fosfato, acetato, carbonato, haluros, óxido, nitrato y sulfato son solubles en agua. Las sales dobles suelen ser menos solubles, y la baja solubilidad del sulfato de aluminio y cesio se aprovecha para refinar Cs a partir de minerales. La sal doble con antimonio (como CsSbCl₄), bismuto, cadmio, cobre, hierro y plomo también son poco solubles.

El hidróxido de cesio (CsOH) es higroscópico y fuertemente básico. Graba rápidamente la superficie de semiconductores como el silicio. El CsOH ha sido considerado previamente por los químicos como la "base más fuerte", lo que refleja la atracción relativamente débil entre el ion Cs grande y el OH; de hecho, es la base más fuerte de Arrhenius; sin embargo, una serie de compuestos como el n -butillitio, la amida de sodio, el hidruro de sodio, el hidruro de cesio, etc., que no pueden disolverse en agua porque reaccionan violentamente con ella, sino que solo se usan en algunos solventes apróticos polares anhidros, son mucho más básicos. sobre la base de la teoría ácido-base de Brønsted-Lowry.

Una mezcla estequiométrica de cesio y oro reaccionará para formar áurido de cesio amarillo (Cs Au) al calentarse. El anión áurido aquí se comporta como un pseudohalógeno. El compuesto reacciona violentamente con el agua, produciendo hidróxido de cesio, oro metálico e hidrógeno gaseoso; en amoníaco líquido se puede hacer reaccionar con una resina de intercambio iónico específica de cesio para producir auriro de tetrametilamonio. El compuesto de platino análogo, platino de cesio rojo (Cs ₂ Pt), contiene el ion de platino que se comporta como un pseudocalcógeno.

Complejos

Como todos los cationes metálicos, el Cs forma complejos con las bases de Lewis en solución. Debido a su gran tamaño, el Cs suele adoptar números de coordinación superiores a 6, el número típico de los cationes de metales alcalinos más pequeños. Esta diferencia es evidente en la coordinación 8 de CsCl. Este alto número de coordinación y blandura (tendencia a formar enlaces covalentes) son propiedades que se aprovechan para separar el Cs de otros cationes en la remediación de desechos nucleares, donde el Cs debe separarse de grandes cantidades de K no radiactivo.

Haluros

El fluoruro de cesio (CsF) es un sólido blanco higroscópico que se usa ampliamente en la química de los organofluorados como fuente de aniones de fluoruro. El fluoruro de cesio tiene la estructura de halita, lo que significa que el Cs y el F se empaquetan en una matriz cúbica compactada más cercana al igual que el Na y el Cl en el cloruro de sodio. En particular, el cesio y el flúor tienen las electronegatividades más bajas y más altas, respectivamente, entre todos los elementos conocidos.

El cloruro de cesio (CsCl) cristaliza en el sistema cristalino cúbico simple. También llamada "estructura de cloruro de cesio", este motivo estructural está compuesto por una red cúbica primitiva con una base de dos átomos, cada uno con una coordinación óctuple; los átomos de cloruro se encuentran sobre los puntos de la red en los bordes del cubo, mientras que los átomos de cesio se encuentran en los agujeros en el centro de los cubos. Esta estructura se comparte con CsBr y CsI, y muchos otros compuestos que no contienen Cs. En contraste, la mayoría de los otros haluros alcalinos tienen la estructura de cloruro de sodio (NaCl). Se prefiere la estructura CsCl porque Cs tiene un radio iónico de 174 pm y Cl181 hs.

Óxidos

Más que los otros metales alcalinos, el cesio forma numerosos compuestos binarios con el oxígeno. Cuando el cesio se quema en el aire, el superóxido CsO₂es el producto principal. El óxido de cesio "normal" (Cs₂O) forma cristales hexagonales de color amarillo anaranjado, y es el único óxido del anti - CdCl₂escribe. Se vaporiza a 250 ° C (482 ° F) y se descompone en cesio metálico y el peróxido Cs₂O₂a temperaturas superiores a 400 °C (752 °F). Además del superóxido y el ozónido CsO₃, también se han estudiado varios subóxidos de colores brillantes. Estos incluyen C₇O, Cs₄O, Cs₁₁O₃, cs₃O (verde oscuro), CsO, Cs₃O₂, así como Cs₇O₂. Este último puede calentarse en el vacío para generar Cs₂O. También existen compuestos binarios con azufre, selenio y telurio.

Isótopos

El cesio tiene 40 isótopos conocidos, que varían en número de masa (es decir, número de nucleones en el núcleo) de 112 a 151. Varios de estos se sintetizan a partir de elementos más livianos mediante el proceso de captura de neutrones lentos (proceso S) dentro de estrellas viejas y por el R -proceso en explosiones de supernova. El único isótopo de cesio estable es el Cs, con 78 neutrones. Aunque tiene un espín nuclear grande (7/2+), los estudios de resonancia magnética nuclear pueden utilizar este isótopo a una frecuencia de resonancia de 11,7 MHz.

El Cs radiactivo tiene una vida media muy larga de unos 2,3 millones de años, la más larga de todos los isótopos radiactivos de cesio. Cs y Cs tienen vidas medias de 30 y dos años, respectivamente. El Cs se descompone en un Ba de vida corta por desintegración beta y luego en bario no radiactivo, mientras que el Cs se transforma directamente en Ba. Los isótopos con números de masa de 129, 131, 132 y 136 tienen vidas medias entre un día y dos semanas, mientras que la mayoría de los otros isótopos tienen vidas medias de unos pocos segundos a fracciones de segundo. Existen al menos 21 isómeros nucleares metaestables. Aparte de Cs (con una vida media de poco menos de 3 horas), todos son muy inestables y se descomponen con vidas medias de unos pocos minutos o menos.

El isótopo Cs es uno de los productos de fisión de larga duración del uranio producido en los reactores nucleares. Sin embargo, este rendimiento de producto de fisión se reduce en la mayoría de los reactores porque el predecesor, Xe, es un potente veneno de neutrones y con frecuencia se transmuta en Xe estable antes de que pueda decaer en Cs.

La desintegración beta de Cs a Ba es una fuerte emisión de radiación gamma. Cs y Sr son los principales productos de vida media de la fisión nuclear y las principales fuentes de radiactividad del combustible nuclear gastado después de varios años de enfriamiento, que dura varios cientos de años. Esos dos isótopos son la mayor fuente de radiactividad residual en el área del desastre de Chernobyl. Debido a la baja tasa de captura, la eliminación de Cs a través de la captura de neutrones no es factible y la única solución actual es permitir que se desintegre con el tiempo.

Casi todo el cesio producido por la fisión nuclear proviene de la desintegración beta de productos de fisión originalmente más ricos en neutrones, que pasan a través de varios isótopos de yodo y xenón. Debido a que el yodo y el xenón son volátiles y pueden difundirse a través del combustible nuclear o el aire, el cesio radiactivo a menudo se crea lejos del sitio original de fisión. Con las pruebas de armas nucleares en la década de 1950 hasta la década de 1980, el Cs se liberó a la atmósfera y regresó a la superficie de la tierra como componente de la lluvia radiactiva. Es un marcador listo del movimiento de suelo y sedimento de aquellos tiempos.

Ocurrencia

El cesio es un elemento relativamente raro, estimado en un promedio de 3 partes por millón en la corteza terrestre. Es el 45º elemento más abundante y el 36º entre los metales. Sin embargo, es más abundante que elementos tales como el antimonio, el cadmio, el estaño y el tungsteno, y dos órdenes de magnitud más abundante que el mercurio y la plata; es un 3,3% tan abundante como el rubidio, con el que está estrechamente asociado químicamente.

Debido a su gran radio iónico, el cesio es uno de los "elementos incompatibles". Durante la cristalización del magma, el cesio se concentra en la fase líquida y cristaliza al final. Por lo tanto, los depósitos más grandes de cesio son cuerpos de mineral de pegmatita zonal formados por este proceso de enriquecimiento. Debido a que el cesio no sustituye al potasio tan fácilmente como lo hace el rubidio, los minerales alcalinos evaporíticos silvita (KCl) y carnalita (KMgCl₃·6H₂O) puede contener solo 0,002% de cesio. En consecuencia, el cesio se encuentra en pocos minerales. Se pueden encontrar cantidades porcentuales de cesio en el berilo (Be₃Alabama₂(SiO₃)₆) y avogadrita ((K,Cs)BF₄), hasta un 15 % en peso de Cs ₂ O en el mineral estrechamente relacionado pezzottaita (Cs(Be₂Li)Al₂Si₆O₁₈), hasta un 8,4% en peso de Cs ₂ O en el raro mineral londonita ((Cs,K)Al₄Ser₄(B, ser)₁₂O₂₈), y menos en la rodizita más extendida. El único mineral económicamente importante para el cesio es el Cs contaminado (AlSi₂O₆), que se encuentra en algunos lugares del mundo en pegmatitas zonadas, asociadas con los minerales de litio de mayor importancia comercial, lepidolita y petalita. Dentro de las pegmatitas, el tamaño de grano grande y la fuerte separación de los minerales dan como resultado un mineral de alta ley para la minería.

La fuente conocida de cesio más importante y rica del mundo es la mina Tanco en Bernic Lake en Manitoba, Canadá, que se estima contiene 350 000 toneladas métricas de mineral de polucita, lo que representa más de dos tercios de la base de reservas mundial. Aunque el contenido estequiométrico de cesio en polucita es del 42,6 %, las muestras de polucita pura de este depósito contienen solo alrededor del 34 % de cesio, mientras que el contenido medio es del 24 % en peso. El contaminante comercial contiene más del 19% de cesio. El depósito de pegmatita de Bikita en Zimbabue se extrae de su petalita, pero también contiene una cantidad significativa de polucita. Otra fuente notable de contaminación se encuentra en el desierto de Karibib, Namibia. Al ritmo actual de producción minera mundial de 5 a 10 toneladas métricas por año, las reservas durarán miles de años.

Producción

La extracción y refinación del mineral de polucita es un proceso selectivo y se lleva a cabo en una escala más pequeña que para la mayoría de los demás metales. El mineral se tritura, se clasifica a mano, pero generalmente no se concentra, y luego se muele. Luego, el cesio se extrae de la contaminación principalmente por tres métodos: digestión ácida, descomposición alcalina y reducción directa.

En la digestión ácida, la roca polucita de silicato se disuelve con ácidos fuertes, como el clorhídrico (HCl), el sulfúrico (H₂ASI QUE₄), bromhídrico (HBr) o fluorhídrico (HF). Con ácido clorhídrico, se produce una mezcla de cloruros solubles, y las sales dobles de cloruro insolubles de cesio se precipitan como cloruro de antimonio de cesio (Cs₄SbCl₇), cloruro de yodo de cesio (Cs₂ICl), o hexaclorocerato de cesio (Cs₂(CeCl₆)). Después de la separación, la sal doble precipitada pura se descompone y el CsCl puro se precipita al evaporar el agua.

El método del ácido sulfúrico produce la sal doble insoluble directamente como alumbre de cesio (CsAl(SO₄)₂·12H₂O). El componente de sulfato de aluminio se convierte en óxido de aluminio insoluble al tostar el alumbre con carbón y el producto resultante se lixivia con agua para producir un Cs₂ASI QUE₄solución.

Tostar polucite con carbonato de calcio y cloruro de calcio produce silicatos de calcio insolubles y cloruro de cesio soluble. Lixiviación con agua o amoníaco diluido (NH₄OH) produce una solución diluida de cloruro (CsCl). Esta solución puede evaporarse para producir cloruro de cesio o transformarse en alumbre de cesio o carbonato de cesio. Aunque no es comercialmente factible, el mineral se puede reducir directamente con potasio, sodio o calcio al vacío para producir cesio metálico directamente.

La mayor parte del cesio extraído (como sales) se convierte directamente en formiato de cesio (HCOO Cs) para aplicaciones como la extracción de petróleo. Para abastecer el mercado en desarrollo, Cabot Corporation construyó una planta de producción en 1997 en la mina Tanco cerca de Bernic Lake en Manitoba, con una capacidad de 12.000 barriles (1.900 m) por año de solución de formiato de cesio. Los principales compuestos comerciales de menor escala de cesio son el cloruro y el nitrato de cesio.

Alternativamente, el cesio metálico se puede obtener a partir de los compuestos purificados derivados del mineral. El cloruro de cesio y los otros haluros de cesio se pueden reducir a 700 a 800 ° C (1292 a 1472 ° F) con calcio o bario, y el cesio metálico se destila del resultado. Del mismo modo, el aluminato, el carbonato o el hidróxido pueden reducirse con magnesio.

El metal también se puede aislar por electrólisis de cianuro de cesio fundido (CsCN). Se puede producir cesio excepcionalmente puro y sin gas mediante la descomposición térmica de azida de cesio CsN a 390 °C (734 °F)₃, que se puede producir a partir de sulfato de cesio acuoso y azida de bario. En aplicaciones de vacío, el dicromato de cesio se puede hacer reaccionar con circonio para producir cesio metálico puro sin otros productos gaseosos.cs₂cr₂O₇+ 2 Zr → 2 Cs + 2 ZrO₂+ Cr₂O₃

El precio del cesio puro al 99,8 % (base metálica) en 2009 era de aproximadamente $10 por gramo ($280/oz), pero los compuestos son significativamente más baratos.

Historia

En 1860, Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff descubrieron cesio en el agua mineral de Dürkheim, Alemania. Debido a las líneas azules brillantes en el espectro de emisión, derivaron el nombre de la palabra latina caesius, que significa azul cielo. El cesio fue el primer elemento que se descubrió con un espectroscopio, que había sido inventado por Bunsen y Kirchhoff solo un año antes.

Para obtener una muestra pura de cesio, se tuvieron que evaporar 44.000 litros (9.700 gal imp; 12.000 gal EE.UU.) de agua mineral para producir 240 kilogramos (530 lb) de solución salina concentrada. Los metales alcalinotérreos se precipitaron como sulfatos u oxalatos, dejando el metal alcalino en la solución. Después de la conversión a nitratos y extracción con etanol, se obtuvo una mezcla libre de sodio. De esta mezcla, el litio se precipitó con carbonato de amonio. El potasio, el rubidio y el cesio forman sales insolubles con ácido cloroplatínico, pero estas sales muestran una ligera diferencia en la solubilidad en agua caliente, y el hexacloroplatinato de cesio y rubidio menos soluble ((Cs,Rb) ₂ PtCl ₆) se obtuvieron por cristalización fraccionada. Después de la reducción del hexacloroplatinato con hidrógeno, se separaron el cesio y el rubidio por la diferencia de solubilidad de sus carbonatos en alcohol. El proceso produjo 9,2 gramos (0,32 oz) de cloruro de rubidio y 7,3 gramos (0,26 oz) de cloruro de cesio de los 44.000 litros iniciales de agua mineral.

A partir del cloruro de cesio, los dos científicos estimaron el peso atómico del nuevo elemento en 123,35 (frente al actualmente aceptado de 132,9). Intentaron generar cesio elemental por electrólisis del cloruro de cesio fundido, pero en lugar de un metal, obtuvieron una sustancia azul homogénea que "ni a simple vista ni al microscopio mostró el menor rastro de sustancia metálica"; como resultado, lo asignaron como un subcloruro (Cs₂Cl). En realidad, el producto probablemente era una mezcla coloidal del metal y cloruro de cesio. La electrólisis de la solución acuosa de cloruro con un cátodo de mercurio produjo una amalgama de cesio que se descompuso fácilmente en condiciones acuosas. El metal puro finalmente fue aislado por el químico alemán Carl Setterberg mientras trabajaba en su doctorado con Kekulé y Bunsen. En 1882, produjo cesio metálico electrolizando cianuro de cesio, evitando los problemas del cloruro.

Históricamente, el uso más importante del cesio ha sido en investigación y desarrollo, principalmente en los campos químico y eléctrico. Existieron muy pocas aplicaciones para el cesio hasta la década de 1920, cuando comenzó a usarse en tubos de vacío de radio, donde tenía dos funciones; como captador, eliminaba el exceso de oxígeno después de la fabricación y, como recubrimiento del cátodo calentado, aumentaba la conductividad eléctrica. El cesio no fue reconocido como un metal industrial de alto rendimiento hasta la década de 1950. Las aplicaciones del cesio no radiactivo incluían células fotoeléctricas, tubos fotomultiplicadores, componentes ópticos de espectrofotómetros infrarrojos, catalizadores para varias reacciones orgánicas, cristales para contadores de centelleo y generadores de energía magnetohidrodinámica.El cesio también se utiliza como fuente de iones positivos en la espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS).

Desde 1967, el Sistema Internacional de Medidas ha basado la primera unidad de tiempo, la segunda, en las propiedades del cesio. El Sistema Internacional de Unidades (SI) define el segundo como la duración de 9.192.631.770 ciclos en la frecuencia de microondas de la línea espectral correspondiente a la transición entre dos niveles de energía hiperfina del estado fundamental del cesio-133. La 13ª Conferencia General sobre Pesos y Medidas de 1967 definió un segundo como: "la duración de 9.192.631.770 ciclos de luz de microondas absorbidos o emitidos por la transición hiperfina de los átomos de cesio-133 en su estado fundamental sin ser perturbados por campos externos".

Aplicaciones

Exploración de petróleo

El mayor uso actual de cesio no radiactivo es en los fluidos de perforación de formiato de cesio para la industria petrolera extractiva. Las soluciones acuosas de formiato de cesio (HCOO Cs), elaboradas mediante la reacción de hidróxido de cesio con ácido fórmico, se desarrollaron a mediados de la década de 1990 para su uso como fluidos de perforación y terminación de pozos de petróleo. La función de un fluido de perforación es lubricar las barrenas de perforación, llevar los recortes de roca a la superficie y mantener la presión sobre la formación durante la perforación del pozo. Los fluidos de terminación ayudan a colocar el hardware de control después de la perforación pero antes de la producción al mantener la presión.

La alta densidad de la salmuera de formiato de cesio (hasta 2,3 g/cm3 o 19,2 libras por galón), junto con la naturaleza relativamente benigna de la mayoría de los compuestos de cesio, reduce la necesidad de sólidos suspendidos tóxicos de alta densidad en el fluido de perforación, un significativa ventaja tecnológica, de ingeniería y ambiental. A diferencia de los componentes de muchos otros líquidos pesados, el formiato de cesio es relativamente inocuo para el medio ambiente. La salmuera de formiato de cesio se puede mezclar con formiatos de potasio y sodio para disminuir la densidad de los fluidos a la del agua (1,0 g/cm2 o 8,3 libras por galón). Además, es biodegradable y puede reciclarse, lo cual es importante en vista de su alto costo (alrededor de $4.000 por barril en 2001).Los formiatos alcalinos son seguros de manipular y no dañan la formación productora ni los metales de fondo de pozo como alternativa corrosiva, salmueras de alta densidad (como el bromuro de zinc ZnBr₂soluciones) a veces lo hacen; también requieren menos limpieza y reducen los costos de eliminación.

Relojes atómicos

Los relojes atómicos basados ​​en cesio utilizan las transiciones electromagnéticas en la estructura hiperfina de los átomos de cesio-133 como punto de referencia. El primer reloj de cesio preciso fue construido por Louis Essen en 1955 en el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido. Los relojes de cesio han mejorado durante el último medio siglo y se consideran "la realización más precisa de una unidad que la humanidad haya logrado hasta ahora". Estos relojes miden la frecuencia con un error de 2 a 3 partes en 10, lo que corresponde a una precisión de 2 nanosegundos por día, o un segundo en 1,4 millones de años. Las últimas versiones son más precisas que 1 parte en 10, aproximadamente 1 segundo en 20 millones de años. El estándar de cesio es el estándar principal para las mediciones de tiempo y frecuencia que cumplen con los estándares.Los relojes de cesio regulan el tiempo de las redes de telefonía celular e Internet.

Definición del segundo

El segundo, símbolo s, es la unidad de tiempo SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la frecuencia de cesio Δ ν _Cs, la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental no perturbado del átomo de cesio-133, como9 192 631 770 cuando se expresa en la unidad Hz, que es igual a s.

Energía eléctrica y electrónica

Los generadores termoiónicos de vapor de cesio son dispositivos de baja potencia que convierten la energía térmica en energía eléctrica. En el convertidor de tubo de vacío de dos electrodos, el cesio neutraliza la carga espacial cerca del cátodo y mejora el flujo de corriente.

El cesio también es importante por sus propiedades fotoemisivas, convirtiendo la luz en flujo de electrones. Se utiliza en células fotoeléctricas porque los cátodos a base de cesio, como el compuesto intermetálico K₂CsSb, tienen un voltaje de umbral bajo para la emisión de electrones. La gama de dispositivos fotoemisivos que utilizan cesio incluye dispositivos de reconocimiento óptico de caracteres, tubos fotomultiplicadores y tubos de cámaras de video. Sin embargo, el cesio se puede sustituir por germanio, rubidio, selenio, silicio, telurio y varios otros elementos en materiales fotosensibles.

Los cristales de yoduro de cesio (CsI), bromuro (CsBr) y fluoruro de cesio (CsF) se emplean para centelleadores en contadores de centelleo ampliamente utilizados en la exploración de minerales y la investigación de física de partículas para detectar radiación gamma y de rayos X. Al ser un elemento pesado, el cesio proporciona un buen poder de frenado con una mejor detección. Los compuestos de cesio pueden proporcionar una respuesta más rápida (CsF) y ser menos higroscópicos (CsI).

El vapor de cesio se usa en muchos magnetómetros comunes.

El elemento se utiliza como patrón interno en espectrofotometría. Al igual que otros metales alcalinos, el cesio tiene una gran afinidad por el oxígeno y se utiliza como "captador" en tubos de vacío. Otros usos del metal incluyen láseres de alta energía, lámparas incandescentes de vapor y rectificadores de vapor.

Fluidos de centrifugación

La alta densidad del ion de cesio produce soluciones de cloruro de cesio, sulfato de cesio y trifluoroacetato de cesio (Cs(O₂CCF₃)) útil en biología molecular para la ultracentrifugación en gradiente de densidad. Esta tecnología se utiliza principalmente en el aislamiento de partículas virales, orgánulos y fracciones subcelulares y ácidos nucleicos de muestras biológicas.

Uso químico y médico.

Relativamente pocas aplicaciones químicas usan cesio. El dopaje con compuestos de cesio mejora la eficacia de varios catalizadores de iones metálicos para la síntesis química, como el ácido acrílico, la antraquinona, el óxido de etileno, el metanol, el anhídrido ftálico, el estireno, los monómeros de metacrilato de metilo y varias olefinas. También se utiliza en la conversión catalítica de dióxido de azufre en trióxido de azufre en la producción de ácido sulfúrico.

El fluoruro de cesio disfruta de un nicho de uso en la química orgánica como base y como fuente anhidra de iones de fluoruro. Las sales de cesio a veces reemplazan las sales de potasio o sodio en la síntesis orgánica, como la ciclación, la esterificación y la polimerización. El cesio también se ha utilizado en dosimetría de radiación termoluminiscente (TLD): cuando se expone a la radiación, adquiere defectos de cristal que, al calentarse, revierten con emisión de luz proporcional a la dosis recibida. Así, medir el pulso de luz con un tubo fotomultiplicador puede permitir cuantificar la dosis de radiación acumulada.

Aplicaciones nucleares e isotópicas

El cesio-137 es un radioisótopo comúnmente utilizado como emisor gamma en aplicaciones industriales. Sus ventajas incluyen una vida media de aproximadamente 30 años, su disponibilidad en el ciclo del combustible nuclear y tener Ba como un producto final estable. La alta solubilidad en agua es una desventaja que lo hace incompatible con irradiadores de piscinas grandes para alimentos y suministros médicos. Se ha utilizado en la agricultura, el tratamiento del cáncer y la esterilización de alimentos, lodos de aguas residuales y equipos quirúrgicos. Los isótopos radiactivos de cesio en los dispositivos de radiación se usaron en el campo médico para tratar ciertos tipos de cáncer, pero la aparición de mejores alternativas y el uso de cloruro de cesio soluble en agua en las fuentes, que podría crear una amplia contaminación, gradualmente puso algunos de estas fuentes de cesio fuera de uso.El cesio-137 se ha empleado en una variedad de medidores de medición industriales, incluidos medidores de humedad, densidad, nivelación y espesor. También se ha utilizado en dispositivos de registro de pozos para medir la densidad electrónica de las formaciones rocosas, que es análoga a la densidad aparente de las formaciones.

El cesio-137 se ha utilizado en estudios hidrológicos análogos a los del tritio. Como producto secundario de las pruebas de bombas de fisión desde la década de 1950 hasta mediados de la década de 1980, el cesio-137 se liberó a la atmósfera, donde se absorbió fácilmente en solución. La variación anual conocida dentro de ese período permite la correlación con las capas de suelo y sedimento. El cesio-134 y, en menor medida, el cesio-135, también se han utilizado en hidrología para medir la producción de cesio de la industria de la energía nuclear. Si bien son menos frecuentes que el cesio-133 o el cesio-137, estos isótopos líderes se producen únicamente a partir de fuentes antropogénicas.

Otros usos

El cesio y el mercurio se utilizaron como propulsores en los primeros motores de iones diseñados para la propulsión de naves espaciales en misiones interplanetarias o extraplanetarias muy largas. El combustible se ionizó por contacto con un electrodo de tungsteno cargado. Pero la corrosión por cesio en los componentes de la nave espacial ha impulsado el desarrollo en la dirección de los propulsores de gas inerte, como el xenón, que son más fáciles de manejar en las pruebas en tierra y causan menos daño potencial a la nave espacial. El xenón se utilizó en la nave espacial experimental Deep Space 1 lanzada en 1998. Sin embargo, se han construido propulsores de propulsión eléctrica de emisión de campo que aceleran iones de metales líquidos como el cesio.

El nitrato de cesio se usa como oxidante y colorante pirotécnico para quemar silicio en bengalas infrarrojas, como la bengala LUU-19, porque emite gran parte de su luz en el espectro infrarrojo cercano. Es posible que los compuestos de cesio se hayan utilizado como aditivos de combustible para reducir la firma de radar de las columnas de escape en el avión de reconocimiento Lockheed A-12 de la CIA. El cesio y el rubidio se han agregado como carbonato al vidrio porque reducen la conductividad eléctrica y mejoran la estabilidad y durabilidad de la fibra óptica y los dispositivos de visión nocturna. El fluoruro de cesio o el fluoruro de aluminio y cesio se utilizan en fundentes formulados para soldar aleaciones de aluminio que contienen magnesio.

Se investigaron los sistemas de generación de energía magnetohidrodinámicos (MHD), pero no lograron una aceptación generalizada. El cesio metálico también se ha considerado como fluido de trabajo en generadores turboeléctricos de ciclo Rankine de alta temperatura.

Las sales de cesio se han evaluado como reactivos antichoque tras la administración de fármacos arsenicales. Sin embargo, debido a su efecto sobre los ritmos cardíacos, es menos probable que se usen que las sales de potasio o rubidio. También se han utilizado para tratar la epilepsia.

El cesio-133 puede enfriarse con láser y usarse para investigar problemas tecnológicos y fundamentales en la física cuántica. Tiene un espectro de Feshbach particularmente conveniente para permitir estudios de átomos ultrafríos que requieren interacciones sintonizables.

Peligros para la salud y la seguridad

Riesgos
Etiquetado SGA:
Pictogramas
Palabra clave	Peligro
Declaraciones de peligro	H260, H314
Consejos de prudencia	P223, P231+P232, P280, P305+P351+P338, P370+P378, P422
NFPA 704 (diamante de fuego)	343W

Los compuestos de cesio no radiactivo son solo levemente tóxicos y el cesio no radiactivo no es un peligro ambiental significativo. Debido a que los procesos bioquímicos pueden confundir y sustituir el cesio por potasio, el exceso de cesio puede provocar hipopotasemia, arritmia y paro cardíaco agudo, pero tales cantidades normalmente no se encontrarían en fuentes naturales.

La dosis letal mediana (LD ₅₀) para el cloruro de cesio en ratones es de 2,3 g por kilogramo, que es comparable a los valores de LD ₅₀ del cloruro de potasio y el cloruro de sodio. El uso principal del cesio no radiactivo es como formiato de cesio en fluidos de perforación de petróleo porque es mucho menos tóxico que las alternativas, aunque es más costoso.

El cesio metálico es uno de los elementos más reactivos y es altamente explosivo en presencia de agua. El hidrógeno gaseoso producido por la reacción es calentado por la energía térmica liberada al mismo tiempo, provocando una ignición y una violenta explosión. Esto puede ocurrir con otros metales alcalinos, pero el cesio es tan potente que esta reacción explosiva puede desencadenarse incluso con agua fría.

Es altamente pirofórico: la temperatura de autoignición del cesio es -116 ° C (-177 ° F) y se enciende explosivamente en el aire para formar hidróxido de cesio y varios óxidos. El hidróxido de cesio es una base muy fuerte y corroerá rápidamente el vidrio.

Los isótopos 134 y 137 están presentes en la biosfera en pequeñas cantidades debido a las actividades humanas, que difieren según la ubicación. El cesio radiactivo no se acumula en el organismo con tanta facilidad como otros productos de fisión (como el yodo radiactivo y el estroncio radiactivo). Alrededor del 10% del radiocesio absorbido se elimina del cuerpo con relativa rapidez en el sudor y la orina. El 90% restante tiene una vida media biológica entre 50 y 150 días. El radiocesio sigue al potasio y tiende a acumularse en los tejidos de las plantas, incluidas las frutas y verduras. Las plantas varían ampliamente en la absorción de cesio, mostrando a veces una gran resistencia al mismo. También está bien documentado que los hongos de bosques contaminados acumulan radiocesio (cesio-137) en los esporocarpos fúngicos.La acumulación de cesio-137 en los lagos ha sido una gran preocupación después del desastre de Chernobyl. Los experimentos con perros mostraron que una dosis única de 3,8 milicuries (140 MBq, 4,1 μg de cesio-137) por kilogramo es letal en tres semanas; cantidades más pequeñas pueden causar infertilidad y cáncer. La Agencia Internacional de Energía Atómica y otras fuentes han advertido que los materiales radiactivos, como el cesio-137, podrían usarse en dispositivos de dispersión radiológica o "bombas sucias".