Cloruro de cesio

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Cloruro de cesio o cloruro de cesio es el compuesto inorgánico de fórmula CsCl. Esta sal incolora es una fuente importante de iones de cesio en una variedad de aplicaciones específicas. Su estructura cristalina forma un tipo estructural importante donde cada ion de cesio está coordinado por 8 iones de cloruro. El cloruro de cesio se disuelve en agua. El CsCl cambia a la estructura de NaCl al calentarse. El cloruro de cesio se produce naturalmente como impurezas en carnalita (hasta 0,002%), silvita y kainita. Anualmente se producen en todo el mundo menos de 20 toneladas de CsCl, principalmente a partir de una polucita mineral que contiene cesio.

El cloruro de cesio es una estructura medicinal ampliamente utilizada en la centrifugación isopícnica para separar varios tipos de ADN. Es un reactivo en química analítica, donde se utiliza para identificar iones por el color y la morfología del precipitado. Cuando está enriquecido en radioisótopos, como ¹³⁷CsCl o ¹³¹CsCl, el cloruro de cesio se utiliza en aplicaciones de medicina nuclear, como el tratamiento del cáncer y el diagnóstico del infarto de miocardio. Se estudió otra forma de tratamiento del cáncer utilizando CsCl convencional no radiactivo. Mientras que el cloruro de cesio convencional tiene una toxicidad bastante baja para los seres humanos y los animales, la forma radiactiva contamina fácilmente el medio ambiente debido a la alta solubilidad del CsCl en agua. La propagación del polvo de ¹³⁷CsCl desde un contenedor de 93 gramos en 1987 en Goiânia, Brasil, provocó uno de los peores accidentes por derrame de radiación de la historia, matando a cuatro personas y afectando directamente a 249 personas.

Estructura de cristal

La estructura del cloruro de cesio adopta una celosía cúbica primitiva con una base de dos átomos, donde ambos átomos tienen una coordinación ocho veces. Los átomos de cloruro se encuentran sobre los puntos de celo en las esquinas del cubo, mientras que los átomos de cesio se encuentran en los agujeros en el centro de los cubos; una alternativa y exactamente equivalente 'asentamiento' tiene los iones de cesio en las esquinas y el ión de cloruro en el centro. Esta estructura es compartida con CsBr y CsI y muchas aleaciones metálicas binarias. En cambio, los otros halides alcalinos tienen la estructura de cloruro de sodio (rocksalt). Cuando ambos iones son similares en tamaño (Cs)⁺ ionic radius 174 pm para este número de coordinación, Cl⁻ 181 pm) la estructura CsCl es adoptada, cuando son diferentes (Na⁺ radio iónico 102 pm, Cl⁻ 181 pm) se adopta la estructura de cloruro de sodio. Al calentar a más de 445 °C, la estructura de cloruro de cesio normal (α-CsCl) se convierte en la forma β-CsCl con la estructura de sal (grupo espacial) F m3m). La estructura rocksalt también se observa en condiciones ambientales en las películas CsCl de nanometros cultivadas en sustratos mica, LiF, KBr y NaCl.

Propiedades físicas

El cloruro de cesio es incoloro en forma de cristales grandes y blanco cuando se pulveriza. Se disuelve fácilmente en agua y su solubilidad máxima aumenta de 1865 g/l a 20 °C a 2705 g/l a 100 °C. Los cristales son muy higroscópicos y se desintegran gradualmente en condiciones ambientales. El cloruro de cesio no forma hidratos.

Solubilidad de CsCl en agua
(°C)	0	10	20	25	30	40	50	60	70	80	90	100
S (wt%)	61.83	63.48	64.96	65.64	66.29	67.50	68.60	69.61	70.54	71.40	72.21	72.96

A diferencia del cloruro de sodio y el cloruro de potasio, el cloruro de cesio se disuelve fácilmente en ácido clorhídrico concentrado. El cloruro de cesio también tiene una solubilidad relativamente alta en ácido fórmico (1077 g/l a 18 °C) e hidracina; solubilidad media en metanol (31,7 g/L a 25 °C) y baja solubilidad en etanol (7,6 g/L a 25 °C), dióxido de azufre (2,95 g/L a 25 °C), amoníaco (3,8 g/L a 25 °C) 0 °C), acetona (0,004 % a 18 °C), acetonitrilo (0,083 g/l a 18 °C), acetato de etilo y otros éteres complejos, butanona, acetofenona, piridina y clorobenceno.

A pesar de su amplia banda prohibida de aproximadamente 8,35 eV a 80 K, el cloruro de cesio conduce débilmente la electricidad y la conductividad no es electrónica sino iónica. La conductividad tiene un valor del orden de 10⁻⁷ S/cm a 300 °C. Ocurre a través de saltos de vacantes de red al vecino más cercano, y la movilidad es mucho mayor para las vacantes Cl⁻ que para las vacantes Cs⁺. La conductividad aumenta con la temperatura hasta aproximadamente 450 °C, con una energía de activación que cambia de 0,6 a 1,3 eV a aproximadamente 260 °C. Luego cae bruscamente en dos órdenes de magnitud debido a la transición de fase de α-CsCl a β-CsCl. La conductividad también se suprime mediante la aplicación de presión (una disminución de aproximadamente 10 veces a 0,4 GPa), lo que reduce la movilidad de las vacantes de la red.

Propiedades de soluciones acuosas de CsCl a 20 °C
Concentración, wt	Densidad, kg/L	Concentración, mol/L	índice refractivo (a 589 nm)	Depresión punto de congelación, °C relativa al agua	Viscosidad, 10⁻³ Pa·s
0.5	–	0,030	1.3334	0.10	1.000
1.0	1.0059	0,060	1.3337	0.20	0.997
2.0	1.0137	0.120	1.3345	0.40	0.992
3.0		0.182	1.3353	0.61	0.988
4.0	1.0296	0,245	1.3361	0.81	0.984
5.0		0,308	1.3369	1.02	0.980
6.0	1.0461	0.373	1.3377	1.22	0.977
7.0		0.438	1.3386	1.43	0.974
8.0	1.0629	0,505	1.3394	1.64	0.971
9.0		0.573	1.3403	1.85	0.969
10.0	1.0804	0.641	1.3412	2.06	0.966
12.0	1.0983	0,782	1.3430	2.51	0.961
14.0	1.1168	0.928	1.3448	2.97	0.955
16.0	1.1358	1.079	1.3468	3.46	0.950
18.0	1.1555	1.235	1.3487	3.96	0.945
20.0	1.1758	1.397	1.3507	4.49	0.939
22.0	1.1968	1.564	1.3528	–	0.934
24.0	1.2185	1.737	1.3550	–	0.930
26.0		1.917	1.3572	–	0.926
28.0		2.103	1.3594	–	0.924
30.0	1.2882	2.296	1.3617	–	0.922
32,0		2.497	1.3641	–	0.922
34.0		2.705	1.3666	–	0.924
36.0		2.921	1.3691	–	0.926
38.0		3.146	1.3717	–	0.930
40.0	1.4225	3.380	1.3744	–	0.934
42.0		3.624	1.3771	–	0.940
44.0		3.877	1.3800	–	0.947
46.0		4.142	1.3829	–	0.956
48.0		4.418	1.3860	–	0.967
50.0	1.5858	4.706	1.3892	–	0.981
60.0	1.7886	6.368	1.4076	–	1.120
64.0		7.163	1.4167	–	1.238

Reacciones

El cloruro de cesio se disocia completamente al disolverse en agua y los cationes Cs⁺ se solvatan en una solución diluida. El CsCl se convierte en sulfato de cesio al calentarse en ácido sulfúrico concentrado o al calentarse con hidrogenosulfato de cesio a 550–700 °C:

2 CsCl + H₂Así que...₄ → Cs₂Así que...₄ + 2 HCl

CsCl + CsHSO₄ → Cs₂Así que...₄ + HCl

El cloruro de cesio forma una variedad de sales dobles con otros cloruros. Los ejemplos incluyen 2CsCl·BaCl₂, 2CsCl·CuCl₂, CsCl·2CuCl y CsCl·LiCl, y con compuestos interhalógenos:

{\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\f}\\fnMicrosoft {\\\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\fnMicrosoft}\\\fnMicrosoft {\\\fnMicrosoft\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ {CsCl + ICl3 - título Cs[ICl4]}}

Ocurrencia y producción

Los alambres de halido de cesio monotómico crecieron dentro de nanotubos de carbono de doble pared.

El cloruro de cesio se produce naturalmente como una impureza en los minerales haluros carnalita (KMgCl₃·6H₂O con hasta 0,002 % de CsCl), silvita (KCl) y kainita. (MgSO₄·KCl·3H₂O), y en aguas minerales. Por ejemplo, el agua del balneario de Bad Dürkheim, que se utilizó aisladamente con cesio, contenía aproximadamente 0,17 mg/l de CsCl. Ninguno de estos minerales es comercialmente importante.

A escala industrial, el CsCl se produce a partir del mineral polucita, que se pulveriza y se trata con ácido clorhídrico a temperatura elevada. El extracto se trata con cloruro de antimonio, monocloruro de yodo o cloruro de cerio (IV) para obtener una sal doble poco soluble, por ejemplo:

CsCl + SbCl₃ → CsSbCl₄

El tratamiento de la sal doble con sulfuro de hidrógeno da CsCl:

2 CsSbCl₄ + 3 H₂S → 2 CsCl + Sb₂S₃ + 8 HCl

Alta pureza CsCl también se produce a partir de recrystallized ${\ce {}}}$ (y) ${\ce {}}}$ ) por descomposición térmica:

{\ce {Cs[ICl2] {CsCl}+ ICl}

En las décadas de 1970 y 2000 en todo el mundo sólo se producían anualmente unas 20 toneladas de compuestos de cesio, con una importante contribución de CsCl. El cloruro de cesio enriquecido con cesio-137 para aplicaciones de radioterapia se produce en una única instalación de Mayak en la región de los Urales de Rusia y se vende internacionalmente a través de un distribuidor del Reino Unido. La sal se sintetiza a 200 °C debido a su naturaleza higroscópica y se sella en un recipiente de acero con forma de dedal que luego se encierra en otra carcasa de acero. El sellado es necesario para proteger la sal de la humedad.

Métodos de laboratorio

En el laboratorio, CsCl se puede obtener mediante el tratamiento de hidroxido cesio, carbonato, cesio bicarbonato o cesio sulfuro con ácido clorhídrico:

CsOH + HCl → CsCl + H₂O

Cs₂CO₃ + 2 HCl → 2 CsCl + 2 H₂O + CO₂

Usos

Precursora del metal Cs

(feminine)

El cloruro de cesio es el principal precursor del cesio metálico mediante reducción a alta temperatura:

2 CsCl (l) + Mg (l) → MgCl₂ s) + 2 Cs g)

El químico francés M. L. Hackspill informó por primera vez en 1905 de una reacción similar (calentar CsCl con calcio al vacío en presencia de fósforo) y todavía se utiliza industrialmente.

El hidróxido de cesio se obtiene por electrólisis de una solución acuosa de cloruro de cesio:

2 CsCl + 2 H₂O → 2 CsOH + Cl₂ + H₂

Soluto para ultracentrifugación

El cloruro de cesio se utiliza ampliamente en la centrifugación en una técnica conocida como centrifugación isopícnica. Las fuerzas centrípetas y difusivas establecen un gradiente de densidad que permite la separación de mezclas en función de su densidad molecular. Esta técnica permite la separación de ADN de diferentes densidades (por ejemplo, fragmentos de ADN con diferente contenido de A-T o G-C). Esta aplicación requiere una solución con alta densidad pero con una viscosidad relativamente baja, y el CsCl es adecuado debido a su alta solubilidad en agua, su alta densidad debido a la gran masa de Cs, así como la baja viscosidad y la alta estabilidad de las soluciones de CsCl.

Química orgánica

El cloruro de cesio rara vez se utiliza en química orgánica. Puede actuar como reactivo catalizador de transferencia de fase en reacciones seleccionadas. Una de estas reacciones es la síntesis de derivados del ácido glutámico.

\overbrace {\ce {\cH2=CHCOOCH3} {\text{\text{Methyl acrylate}}}+{\ce {ArCH=N-CH(CH3)-COOC(CH3)3- Confía[{\ce {\fnKB,\ CsCl,\ K2CO3}}][{\\ce {\cMicrosoft Sans Serif}}}} {ArCH=N-C(C2H4COOCH3)-COOC(CH3)3}}}}}}}

donde TBAB es bromuro de tetrabutilamonio (catalizador de interfase) y CPME es un éter ciclopentilmetílico (disolvente).

Otra reacción es la sustitución de tetranitrometano.

\overbrace {\ce {\c}}} ^{\text{ tetranitrometano}+{\ce {CsCl}+CsNO2}

donde DMF es dimetilformamida (disolvente).

Química analítica

El cloruro de cesio es un reactivo en la química analítica tradicional que se utiliza para detectar iones inorgánicos a través del color y la morfología de los precipitados. Medición cuantitativa de la concentración de algunos de estos iones, p. El Mg²⁺, con espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente, se utiliza para evaluar la dureza del agua.

Ion	Acompañantes reactivos	Residue	Morfología	Límite de detección (μg)
AsO₃^{3 - 3}	KI	Cs₂[AsI₅O Cs₃[AsI₆]	Hexágonos rojos	0,01
Au³⁺	AgCl, HCl	Cs₂Ag[AuCl₆]	Cruz gris-negro, cuatro y seis estrellas	0,01
Au³⁺	NH₄SCN	Cs[Au(SCN)₄]	Agujas amarillas naranjas	0,4
Bi³⁺	KI, HCl	Cs₂[BiI₅O 2,5H₂O	Hexágonos rojos	0,13
Cu²⁺	(CH)₃COO)₂Pb, CH₃COOH, KNO₂	Cs₂Pb[Cu(NO₂)₆]	Cubos negros pequeños	0,01
In³⁺	—	Cs₃[InCl]₆]	Pequeña octahedra	0,02
[IrCl]₆]^{3 - 3}	—	Cs₂[IrCl]₆]	Pequeño octahedra rojo oscuro	–
Mg²⁺	Na₂HPO₄	CsMgPO₄ o 6H₂O	Tetrahedra pequeña	–
Pb²⁺	KI	Cs[PbI₃]	Agujas verde-amarillo	0,01
Pd²⁺	NaBr	Cs₂[PdBr₄]	Agujas y prismas de rojo oscuro	–
[ReCl]₄]⁻	—	Cs[ReCl₄]	Rombs rojo oscuro, bipirámides	0.2
[ReCl]₆]^{2 - 2}	—	Cs₂[ReCl]₆]	Pequeño octahedra verde amarillo	0.5
ReO₄⁻	—	CsReO₄	Bipirámides tetragonales	0,13
Rh³⁺	KNO₂	Cs₃[Rh(NO)₂)₆]	Cubos amarillos	0.1
Ru³⁺	—	Cs₃[RuCl]₆]	Agujas rosadas	–
[RuCl]₆]^{2 - 2}	—	Cs₂[RuCl]₆]	Pequeños cristales rojo oscuro	0,8
Sb³⁺	—	Cs₂[SbCl]₅]·nH₂O	Hexagons	0.16
Sb³⁺	NaI	${\fnMicrosoft Sans Serif}}$ o ${\ce {\cH00}}$	Hexágonos rojos	0.1
Sn⁴⁺	—	Cs₂[SnCl]₆]	Pequeña octahedra	0.2
TeO₃^{3 - 3}	HCl	Cs₂[TeCl]₆]	Amarillo claro octahedra	0.3
Tl³⁺	NaI	${\fnMicrosoft Sans Serif}}$	Hexágonos rojo-naranjado o rectángulos	0,06

También se utiliza para la detección de los siguientes iones:

Ion	Acompañantes reactivos	Detección	Límite de detección (μg/mL)
Al³⁺	K₂Así que...₄	Cristales sin color se forman en medios neutros después de la evaporación	0,01
Ga³⁺	KHSO₄	Cristales incoloros forman sobre la calefacción	0.5
Cr³⁺	KHSO₄	Los cristales de Pale-violeta precipitan en medios ligeramente ácidos	0,06

Medicina

La Sociedad Estadounidense del Cáncer afirma que "la evidencia científica disponible no respalda las afirmaciones de que los suplementos de cloruro de cesio no radiactivo tengan algún efecto sobre los tumores". La Administración de Alimentos y Medicamentos ha advertido sobre los riesgos de seguridad, incluida la toxicidad cardíaca significativa y la muerte, asociados con el uso de cloruro de cesio en la medicina naturopática.

Medicina nuclear y radiografía

El cloruro de cesio, compuesto de radioisótopos como ¹³⁷CsCl y ¹³¹CsCl, se utiliza en medicina nuclear, incluido el tratamiento del cáncer (braquiterapia) y el diagnóstico del infarto de miocardio. En la producción de fuentes radiactivas, es normal elegir una forma química del radioisótopo que no se dispersaría fácilmente en el medio ambiente en caso de accidente. Por ejemplo, los generadores radiotérmicos (RTG) suelen utilizar titanato de estroncio, que es insoluble en agua. Sin embargo, para las fuentes de teleterapia la densidad radiactiva (Ci en un volumen determinado) debe ser muy alta, lo que no es posible con los compuestos de cesio insolubles conocidos. Un recipiente en forma de dedal de cloruro de cesio radiactivo proporciona la fuente activa.

Aplicaciones diversas

El cloruro de cesio se utiliza en la preparación de vidrios conductores de electricidad y pantallas de tubos de rayos catódicos. Junto con gases raros, el CsCl se utiliza en lámparas excimer y láseres excimer. Otros usos incluyen la activación de electrodos en soldadura; fabricación de agua mineral, cerveza y lodos de perforación; y soldaduras de alta temperatura. Los monocristales de CsCl de alta calidad tienen un amplio rango de transparencia desde UV hasta infrarrojos y, por lo tanto, se han utilizado para cubetas, prismas y ventanas en espectrómetros ópticos; este uso se suspendió con el desarrollo de materiales menos higroscópicos.

El CsCl es un potente inhibidor de los canales de HCN, que transportan la corriente h en células excitables como las neuronas. Por tanto, puede resultar útil en experimentos de electrofisiología en neurociencia.

Toxicidad

El cloruro de cesio tiene una baja toxicidad para humanos y animales. Su dosis letal media (LD₅₀) en ratones es de 2300 mg por kilogramo de peso corporal para administración oral y 910 mg/kg para inyección intravenosa. La leve toxicidad del CsCl está relacionada con su capacidad para reducir la concentración de potasio en el organismo y sustituirlo parcialmente en procesos bioquímicos. Sin embargo, cuando se toma en grandes cantidades, puede provocar un desequilibrio significativo del potasio y provocar hipopotasemia, arritmia y paro cardíaco agudo. Sin embargo, el polvo de cloruro de cesio puede irritar las membranas mucosas y provocar asma.

Debido a su alta solubilidad en agua, el cloruro de cesio es muy móvil e incluso puede difundirse a través del hormigón. Este es un inconveniente para su forma radiactiva que insta a buscar materiales radioisótopos químicamente menos móviles. Las fuentes comerciales de cloruro de cesio radiactivo están bien selladas en un doble recinto de acero. Sin embargo, en el accidente de Goiânia, en Brasil, una fuente que contenía unos 93 gramos de ¹³⁷CsCl fue robada de un hospital abandonado y dos carroñeros la abrieron a la fuerza. El brillo azul que emite en la oscuridad el cloruro de cesio radiactivo atrajo a los ladrones y a sus familiares, que desconocían los peligros que conllevaba y esparcieron el polvo. Esto resultó en uno de los peores accidentes por derrame de radiación en el que 4 personas murieron al mes de la exposición, 20 mostraron signos de enfermedad por radiación, 249 personas resultaron contaminadas con cloruro de cesio radiactivo y alrededor de mil recibieron una dosis superior a la cantidad anual de Radiación de fondo. Más de 110.000 personas inundaron los hospitales locales y varias manzanas de la ciudad tuvieron que ser demolidas en las operaciones de limpieza. En los primeros días de la contaminación, varias personas sufrieron malestares estomacales y náuseas debido a la enfermedad por radiación, pero sólo después de varios días una persona asoció los síntomas con el polvo y llevó una muestra a las autoridades.

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