Césio
Césio (ortografia IUPAC) (ou césio em inglês americano) é um elemento químico com o símbolo Cs e número atômico 55. É é um metal alcalino macio, prateado-dourado com um ponto de fusão de 28,5 °C (83,3 °F), o que o torna um dos apenas cinco metais elementares que são líquidos à temperatura ambiente ou próximo dela. O césio tem propriedades físicas e químicas semelhantes às do rubídio e do potássio. É pirofórico e reage com água mesmo a -116 °C (-177 °F). É o elemento menos eletronegativo, com valor de 0,79 na escala de Pauling. Possui apenas um isótopo estável, o césio-133. O césio é extraído principalmente de polucita. O césio-137, um produto de fissão, é extraído de resíduos produzidos por reatores nucleares.
O químico alemão Robert Bunsen e o físico Gustav Kirchhoff descobriram o césio em 1860 pelo método recém-desenvolvido de espectroscopia de chama. As primeiras aplicações em pequena escala para o césio foram como um "getter" em tubos de vácuo e em células fotoelétricas. Em 1967, agindo com base na prova de Einstein de que a velocidade da luz é a dimensão mais constante do universo, o Sistema Internacional de Unidades usou duas contagens de ondas específicas de um espectro de emissão de césio-133 para co-definir a segunda e o metro. Desde então, o césio tem sido amplamente utilizado em relógios atômicos altamente precisos.
Desde a década de 1990, a maior aplicação do elemento tem sido como formiato de césio para fluidos de perfuração, mas tem uma gama de aplicações na produção de eletricidade, eletrônica e química. O isótopo radioativo césio-137 tem uma meia-vida de cerca de 30 anos e é usado em aplicações médicas, medidores industriais e hidrologia. Os compostos de césio não radioativos são apenas levemente tóxicos, mas a tendência do metal puro de reagir explosivamente com a água significa que o césio é considerado um material perigoso, e os radioisótopos apresentam um risco significativo à saúde e ao meio ambiente.
Características
Propriedades físicas
De todos os elementos sólidos à temperatura ambiente, o césio é o mais macio: tem uma dureza de 0,2 Mohs. É um metal muito dúctil e pálido, que escurece na presença de vestígios de oxigênio. Quando na presença de óleo mineral (onde é melhor conservado durante o transporte), perde o brilho metálico e assume uma aparência mais opaca e acinzentada. Tem um ponto de fusão de 28,5 °C (83,3 °F), tornando-o um dos poucos metais elementares que são líquidos perto da temperatura ambiente. O mercúrio é o único metal elementar estável com um ponto de fusão conhecido inferior ao césio. Além disso, o metal tem um ponto de ebulição bastante baixo, 641 °C (1.186 °F), o mais baixo de todos os metais, exceto o mercúrio. Seus compostos queimam com uma cor azul ou violeta.
O césio forma ligas com outros metais alcalinos, ouro e mercúrio (amálgamas). Em temperaturas abaixo de 650 °C (1.202 °F), não liga com cobalto, ferro, molibdênio, níquel, platina, tântalo ou tungstênio. Forma compostos intermetálicos bem definidos com antimônio, gálio, índio e tório, que são fotossensíveis. Mistura-se com todos os outros metais alcalinos (exceto lítio); a liga com uma distribuição molar de 41% de césio, 47% de potássio e 12% de sódio tem o ponto de fusão mais baixo de qualquer liga metálica conhecida, a −78 °C (−108 °F). Alguns amálgamas foram estudados: CsHg
2 é preto com um brilho metálico roxo, enquanto CsHg é dourado, também com um brilho metálico.
A cor dourada do césio vem da diminuição da frequência da luz necessária para excitar os elétrons dos metais alcalinos à medida que o grupo desce. Para o lítio até o rubídio, essa frequência está no ultravioleta, mas para o césio ela entra na extremidade azul-violeta do espectro; em outras palavras, a frequência plasmônica dos metais alcalinos torna-se menor do lítio para o césio. Assim, o césio transmite e absorve parcialmente a luz violeta preferencialmente, enquanto outras cores (com frequência mais baixa) são refletidas; portanto, parece amarelado.
Propriedades químicas
Césio metálico é altamente reativo e pirofórico. Ele inflama espontaneamente no ar e reage explosivamente com a água mesmo em baixas temperaturas, mais do que os outros metais alcalinos. Ele reage com gelo em temperaturas tão baixas quanto -116 °C (-177 °F). Devido a essa alta reatividade, o césio metálico é classificado como um material perigoso. É armazenado e transportado em hidrocarbonetos secos e saturados, como óleo mineral. Pode ser manuseado apenas sob gás inerte, como o argônio. No entanto, uma explosão de água com césio costuma ser menos poderosa do que uma explosão de água com sódio com uma quantidade semelhante de sódio. Isso ocorre porque o césio explode instantaneamente ao entrar em contato com a água, deixando pouco tempo para o acúmulo de hidrogênio. O césio pode ser armazenado em ampolas de vidro de borosilicato seladas a vácuo. Em quantidades superiores a cerca de 100 gramas (3,5 onças), o césio é enviado em recipientes de aço inoxidável hermeticamente fechados.
A química do césio é semelhante à de outros metais alcalinos, em particular o rubídio, o elemento acima do césio na tabela periódica. Como esperado para um metal alcalino, o único estado de oxidação comum é +1. Algumas pequenas diferenças surgem do fato de que ele tem uma massa atômica maior e é mais eletropositivo do que outros metais alcalinos (não radioativos). O césio é o elemento químico mais eletropositivo. O íon de césio também é maior e menos "duro" do que os metais alcalinos mais leves.
Compostos
A maioria dos compostos de césio contém o elemento como cátion Cs+
, que se liga ionicamente a uma ampla variedade de ânions. Uma exceção digna de nota é o ânion cesídeo (Cs−
), e outros são os vários subóxidos (veja a seção sobre óxidos abaixo). Mais recentemente, prevê-se que o césio se comporte como um elemento do bloco p e seja capaz de formar fluoretos mais altos com estados de oxidação mais altos (ou seja, CsFn com n > 1) sob alta pressão. Essa previsão precisa ser validada por experimentos adicionais.
Os sais de Cs+ são geralmente incolores, a menos que o próprio ânion seja colorido. Muitos dos sais simples são higroscópicos, mas menos do que os sais correspondentes de metais alcalinos mais leves. Os sais de fosfato, acetato, carbonato, haletos, óxido, nitrato e sulfato são solúveis em água. Seus sais duplos são frequentemente menos solúveis, e a baixa solubilidade do sulfato de césio-alumínio é explorada no refino de Cs de minérios. Os sais duplos com antimônio (como CsSbCl
4), bismuto, cádmio, cobre, ferro e chumbo também são pouco solúveis.
O hidróxido de césio (CsOH) é higroscópico e fortemente básico. Ele grava rapidamente a superfície de semicondutores, como o silício. O CsOH foi anteriormente considerado pelos químicos como a "base mais forte", refletindo a atração relativamente fraca entre o grande íon Cs+ e OH−; é de fato a base Arrhenius mais forte; no entanto, uma série de compostos como n-butil-lítio, amida de sódio, hidreto de sódio, hidreto de césio, etc., que não podem ser dissolvidos em água porque reagem violentamente com ela, mas apenas usados em alguns solventes apróticos polares anidros, são muito mais básicos com base na teoria ácido-base de Brønsted-Lowry.
Uma mistura estequiométrica de césio e ouro reagirá para formar aureto de césio amarelo (Cs+Au−) após o aquecimento. O ânion auride aqui se comporta como um pseudohalógeno. O composto reage violentamente com a água, produzindo hidróxido de césio, ouro metálico e gás hidrogênio; em amônia líquida, pode reagir com uma resina de troca iônica específica de césio para produzir aureto de tetrametilamônio. O composto análogo da platina, platinídeo de césio vermelho (Cs2Pt), contém o íon platinídeo que se comporta como um pseudocalcógeno.
Complexos
Como todos os cátions metálicos, Cs+ forma complexos com bases de Lewis em solução. Devido ao seu grande tamanho, Cs+ geralmente adota números de coordenação maiores que 6, o número típico para os cátions de metais alcalinos menores. Essa diferença é aparente na coordenação 8 do CsCl. Esse alto número de coordenação e suavidade (tendência a formar ligações covalentes) são propriedades exploradas na separação de Cs+ de outros cátions na remediação de resíduos nucleares, onde 137Cs + deve ser separado de grandes quantidades de K não radioativo+.
Haletos
O fluoreto de césio (CsF) é um sólido branco higroscópico amplamente utilizado na química de organoflúor como fonte de ânions de flúor. O fluoreto de césio tem a estrutura halita, o que significa que o Cs+ e o F− se agrupam em uma matriz compactada cúbica mais próxima do que o Na+ e o Cl − em cloreto de sódio. Notavelmente, o césio e o flúor têm as eletronegatividades mais baixas e mais altas, respectivamente, entre todos os elementos conhecidos.
O cloreto de césio (CsCl) cristaliza no sistema cristalino cúbico simples. Também chamado de "estrutura de cloreto de césio", esse motivo estrutural é composto de uma rede cúbica primitiva com uma base de dois átomos, cada um com uma coordenação óctupla; os átomos de cloreto estão nos pontos da rede nas bordas do cubo, enquanto os átomos de césio estão nos orifícios no centro dos cubos. Esta estrutura é compartilhada com CsBr e CsI, e muitos outros compostos que não contêm Cs. Em contraste, a maioria dos outros haletos alcalinos tem a estrutura de cloreto de sódio (NaCl). A estrutura CsCl é preferida porque Cs+ tem um raio iônico de 174 pm e Cl-
181 pm.
Óxidos
11O
3 cluster
Mais do que os outros metais alcalinos, o césio forma numerosos compostos binários com o oxigênio. Quando o césio queima no ar, o superóxido CsO
2 é o produto principal. O "normal" óxido de césio (Cs
2O) forma cristais hexagonais amarelo-alaranjados e é o único óxido do tipo anti-CdCl2. Ele vaporiza a 250 °C (482 °F) e se decompõe em césio metálico e peróxido Cs2O2 a temperaturas acima de 400 °C (752 °F). Além do superóxido e do ozonídeo CsO3, vários subóxidos de cores vivas também foram estudados. Isso inclui Cs
7O, Cs
4O, Cs
11O
3, Cs
3O (verde escuro), CsO, Cs
3O
2, bem como Cs
7O
2. Este último pode ser aquecido no vácuo para gerar Cs
2O. Também existem compostos binários com enxofre, selênio e telúrio.
Isótopos
Césio tem 40 isótopos conhecidos, variando em número de massa (ou seja, número de núcleons no núcleo) de 112 a 151. Vários deles são sintetizados a partir de elementos mais leves pelo lento processo de captura de nêutrons (processo S) dentro de estrelas velhas e pelo processo R em explosões de supernova. O único isótopo de césio estável é 133Cs, com 78 nêutrons. Embora tenha um grande spin nuclear (7/ 2+), estudos de ressonância magnética nuclear podem usar este isótopo em uma frequência de ressonância de 11,7 MHz.
O 135Cs radioativo tem uma meia-vida muito longa de cerca de 2,3 milhões de anos, o mais longo de todos os isótopos radioativos de césio. 137Cs e 134Cs têm meias-vidas de 30 e dois anos, respectivamente. 137Cs se decompõe em 137mBa de curta duração por decaimento beta e depois em bário não radioativo, enquanto 134Cs se transforma em 134Ba diretamente. Os isótopos com números de massa de 129, 131, 132 e 136 têm meias-vidas entre um dia e duas semanas, enquanto a maioria dos outros isótopos tem meias-vidas de alguns segundos a frações de segundo. Existem pelo menos 21 isômeros nucleares metaestáveis. Além de 134mCs (com meia-vida de pouco menos de 3 horas), todos são muito instáveis e decaem com meias-vidas de alguns minutos ou menos.
O isótopo 135Cs é um dos produtos de fissão de longa duração do urânio produzido em reatores nucleares. No entanto, esse rendimento do produto de fissão é reduzido na maioria dos reatores porque o predecessor, 135Xe, é um potente veneno de nêutrons e freqüentemente se transmuta para o 136Xe estável antes que ele possa decair para 135Cs.
O decaimento beta de 137Cs para 137mBa resulta em radiação gama quando 137mBa relaxa para o estado fundamental 137Ba, com os fótons emitidos tendo uma energia de 0,6617 MeV. 137Cs e 90Sr são os principais produtos de vida média da fissão nuclear e as principais fontes de radioatividade do combustível nuclear usado após vários anos de resfriamento, durando várias centenas de anos. Esses dois isótopos são a maior fonte de radioatividade residual na área do desastre de Chernobyl. Devido à baixa taxa de captura, a eliminação de 137Cs por meio da captura de nêutrons não é viável e a única solução atual é permitir que ele decaia com o tempo.
Quase todo o césio produzido a partir da fissão nuclear vem do decaimento beta de produtos de fissão originalmente mais ricos em nêutrons, passando por vários isótopos de iodo e xenônio. Como o iodo e o xenônio são voláteis e podem se difundir através do combustível nuclear ou do ar, o césio radioativo geralmente é criado longe do local original da fissão. Com os testes de armas nucleares na década de 1950 até a década de 1980, o 137Cs foi liberado na atmosfera e voltou à superfície da Terra como um componente da precipitação radioativa. É um marcador pronto do movimento do solo e dos sedimentos daquela época.
Ocorrência
O césio é um elemento relativamente raro, estimado em 3 partes por milhão na crosta terrestre. É o 45º elemento mais abundante e o 36º entre os metais. No entanto, é mais abundante que elementos como antimônio, cádmio, estanho e tungstênio, e duas ordens de grandeza mais abundante que mercúrio e prata; é 3,3% tão abundante quanto o rubídio, com o qual está intimamente associado, quimicamente.
Devido ao seu grande raio iônico, o césio é um dos "elementos incompatíveis". Durante a cristalização do magma, o césio é concentrado na fase líquida e cristaliza por último. Portanto, os maiores depósitos de césio são corpos de minério pegmatíticos da zona formados por esse processo de enriquecimento. Como o césio não substitui o potássio tão prontamente quanto o rubídio, os minerais evaporíticos alcalinos silvita (KCl) e carnalita (KMgCl
3·6H
2O) pode conter apenas 0,002% de césio. Consequentemente, o césio é encontrado em poucos minerais. Quantidades percentuais de césio podem ser encontradas em berilo (Be
3Al
2(SiO
3)
6) e avogadrite ((K,Cs)BF
4), até 15 % em peso de Cs2O no mineral pezzottaite intimamente relacionado (Cs(Be
2Li)Al
2Si
6O
18 ), até 8,4 % em peso de Cs2O no raro mineral londonita ((Cs,K)Al
4 Ser
4(B,Be)
12 O
28), e menos na rodizita mais difundida. O único minério economicamente importante para o césio é a polucita Cs(AlSi
2O
6), que é encontrado em alguns lugares ao redor do mundo em pegmatitos zonados, associados ao lítio mais importante comercialmente minerais, lepidolita e petalita. Dentro dos pegmatitos, o grande tamanho de grão e a forte separação dos minerais resultam em minério de alto teor para mineração.
A fonte conhecida de césio mais significativa e mais rica do mundo é a Mina Tanco em Bernic Lake, em Manitoba, Canadá, estimada em conter 350.000 toneladas métricas de minério de polucita, representando mais de dois terços do mundo';s base de reserva. Embora o teor estequiométrico de césio na polucita seja de 42,6%, as amostras puras de polucita deste depósito contêm apenas cerca de 34% de césio, enquanto o teor médio é de 24% em peso. A polucita comercial contém mais de 19% de césio. O depósito de pegmatito de Bikita no Zimbábue é extraído de sua petalita, mas também contém uma quantidade significativa de polucita. Outra fonte notável de polucita está no deserto de Karibib, na Namíbia. No ritmo atual da produção mundial de minas de 5 a 10 toneladas métricas por ano, as reservas durarão milhares de anos.
Produção
A mineração e refino de minério de polucita é um processo seletivo e é conduzido em menor escala do que para a maioria dos outros metais. O minério é triturado, classificado manualmente, mas geralmente não concentrado, e depois moído. O césio é então extraído do polucito principalmente por três métodos: digestão ácida, decomposição alcalina e redução direta.
Na digestão ácida, a rocha polucita de silicato é dissolvida com ácidos fortes, como clorídrico (HCl), sulfúrico (H
2SO
4), ácido bromídrico (HBr) ou ácido fluorídrico (HF). Com ácido clorídrico, uma mistura de cloretos solúveis é produzida, e os sais duplos de cloreto insolúveis de césio são precipitados como cloreto de antimônio de césio (Cs
4SbCl
7), cloreto de césio-iodo (Cs
2ICl), ou hexaclorocerato de césio (Cs
2(CeCl
6)). Após a separação, o sal duplo precipitado puro é decomposto e o CsCl puro é precipitado pela evaporação da água.
O método do ácido sulfúrico produz o sal duplo insolúvel diretamente como alúmen de césio (CsAl(SO
4)
2 ··12H
2O). O componente de sulfato de alumínio é convertido em óxido de alumínio insolúvel pela torrefação do alúmen com carbono, e o produto resultante é lixiviado com água para produzir uma Cs
2 SO
4 solução.
A torrefação da polucita com carbonato de cálcio e cloreto de cálcio produz silicatos de cálcio insolúveis e cloreto de césio solúvel. Lixiviação com água ou amônia diluída (NH
4OH) produz uma solução diluída de cloreto (CsCl). Esta solução pode ser evaporada para produzir cloreto de césio ou transformada em alúmen de césio ou carbonato de césio. Embora não seja comercialmente viável, o minério pode ser reduzido diretamente com potássio, sódio ou cálcio no vácuo para produzir césio metálico diretamente.
A maior parte do césio extraído (como sais) é diretamente convertida em formato de césio (HCOO−Cs+) para aplicações como perfuração de petróleo. Para abastecer o mercado em desenvolvimento, a Cabot Corporation construiu uma planta de produção em 1997 na mina Tanco perto de Bernic Lake em Manitoba, com capacidade de 12.000 barris (1.900 m3) por ano de solução de formato de césio. Os principais compostos comerciais de menor escala de césio são cloreto de césio e nitrato.
Alternativamente, o césio metálico pode ser obtido a partir dos compostos purificados derivados do minério. O cloreto de césio e os outros haletos de césio podem ser reduzidos a 700 a 800 °C (1.292 a 1.472 °F) com cálcio ou bário e o césio metálico destilado a partir do resultado. Da mesma forma, o aluminato, carbonato ou hidróxido podem ser reduzidos pelo magnésio.
O metal também pode ser isolado por eletrólise de cianeto de césio fundido (CsCN). Césio excepcionalmente puro e sem gás pode ser produzido por decomposição térmica de 390 °C (734 °F) de azida de césio CsN
3, que pode ser produzido a partir de sulfato de césio aquoso e azida de bário. Em aplicações de vácuo, o dicromato de césio pode reagir com zircônio para produzir césio metálico puro sem outros produtos gasosos.
- C
2C.
2O
7 + 2 Zr → 2 C + 2 ZrO
2+ C.
2O
3
O preço do césio 99,8% puro (base de metal) em 2009 era de cerca de US$ 10 por grama (US$ 280/oz), mas os compostos são significativamente mais baratos.
História
Em 1860, Robert Bunsen e Gustav Kirchhoff descobriram o césio na água mineral de Dürkheim, na Alemanha. Por causa das linhas azuis brilhantes no espectro de emissão, eles derivaram o nome da palavra latina caesius, que significa céu azul. O césio foi o primeiro elemento a ser descoberto com um espectroscópio, que havia sido inventado por Bunsen e Kirchhoff apenas um ano antes.
Para obter uma amostra pura de césio, 44.000 litros (9.700 imp gal; 12.000 US gal) de água mineral tiveram que ser evaporados para produzir 240 kg (530 lb) de solução salina concentrada. Os metais alcalino-terrosos foram precipitados como sulfatos ou oxalatos, deixando o metal alcalino na solução. Após conversão aos nitratos e extração com etanol, obteve-se uma mistura isenta de sódio. A partir desta mistura, o lítio foi precipitado por carbonato de amônio. Potássio, rubídio e césio formam sais insolúveis com ácido cloroplatínico, mas esses sais mostram uma ligeira diferença na solubilidade em água quente, e o césio menos solúvel e hexacloroplatinato de rubídio ((Cs,Rb) 2PtCl6) foram obtidos por cristalização fracionada. Após a redução do hexacloroplatinato com hidrogênio, o césio e o rubídio foram separados pela diferença na solubilidade de seus carbonatos em álcool. O processo rendeu 9,2 gramas (0,32 oz) de cloreto de rubídio e 7,3 gramas (0,26 oz) de cloreto de césio dos 44.000 litros iniciais de água mineral.
A partir do cloreto de césio, os dois cientistas estimaram o peso atômico do novo elemento em 123,35 (em comparação com o atualmente aceito de 132,9). Eles tentaram gerar césio elementar por eletrólise de cloreto de césio fundido, mas em vez de um metal, obtiveram uma substância homogênea azul que "nem a olho nu nem ao microscópio mostrou o menor traço de substância metálica"; como resultado, eles o atribuíram como um subcloreto (Cs
2Cl). Na realidade, o produto era provavelmente uma mistura coloidal do metal e cloreto de césio. A eletrólise da solução aquosa de cloreto com um cátodo de mercúrio produziu um amálgama de césio que se decompôs prontamente em condições aquosas. O metal puro acabou sendo isolado pelo químico sueco Carl Setterberg enquanto trabalhava em seu doutorado com Kekulé e Bunsen. Em 1882, ele produziu césio metálico eletrolisando o cianeto de césio, evitando os problemas com o cloreto.
Historicamente, o uso mais importante do césio tem sido em pesquisa e desenvolvimento, principalmente nos campos químico e elétrico. Existiam muito poucas aplicações para o césio até a década de 1920, quando passou a ser usado em tubos de rádio a vácuo, onde tinha duas funções; como um getter, removeu o excesso de oxigênio após a fabricação e, como um revestimento no cátodo aquecido, aumentou a condutividade elétrica. O césio não foi reconhecido como um metal industrial de alto desempenho até a década de 1950. As aplicações do césio não radioativo incluíam células fotoelétricas, tubos fotomultiplicadores, componentes ópticos de espectrofotômetros infravermelhos, catalisadores para várias reações orgânicas, cristais para contadores de cintilação e em geradores de energia magnetohidrodinâmica. O césio também é usado como fonte de íons positivos em espectrometria de massa de íons secundários (SIMS).
Desde 1967, o Sistema Internacional de Medidas baseia a unidade primária de tempo, o segundo, nas propriedades do césio. O Sistema Internacional de Unidades (SI) define o segundo como a duração de 9.192.631.770 ciclos na frequência de micro-ondas da linha espectral correspondente à transição entre dois níveis de energia hiperfina do estado fundamental do césio-133. A 13ª Conferência Geral sobre Pesos e Medidas de 1967 definiu um segundo como: "a duração de 9.192.631.770 ciclos de luz de micro-ondas absorvida ou emitida pela transição hiperfina de átomos de césio-133 em seu estado fundamental não perturbado por campos externos".
Aplicativos
Exploração de petróleo
O maior uso atual de césio não radioativo é em fluidos de perfuração de formato de césio para a indústria extrativa de petróleo. Soluções aquosas de formato de césio (HCOO−Cs+)—feitas pela reação de hidróxido de césio com ácido fórmico—foram desenvolvidas em meados da década de 1990 para uso na perfuração e completação de poços de petróleo fluidos. A função de um fluido de perfuração é lubrificar as brocas, trazer cascalhos de rocha para a superfície e manter a pressão na formação durante a perfuração do poço. Os fluidos de completação auxiliam na colocação do hardware de controle após a perfuração, mas antes da produção, mantendo a pressão.
A alta densidade da salmoura de formato de césio (até 2,3 g/cm3, ou 19,2 libras por galão), juntamente com a natureza relativamente benigna da maioria dos compostos de césio, reduz a necessidade de substâncias tóxicas sólidos suspensos de alta densidade no fluido de perfuração - uma vantagem tecnológica, de engenharia e ambiental significativa. Ao contrário dos componentes de muitos outros líquidos pesados, o formato de césio é relativamente ecológico. A salmoura de formato de césio pode ser misturada com formatos de potássio e sódio para diminuir a densidade dos fluidos para a da água (1,0 g/cm3 ou 8,3 libras por galão). Além disso, é biodegradável e pode ser reciclado, o que é importante devido ao seu alto custo (cerca de US$ 4.000 por barril em 2001). Formatos alcalinos são seguros de manusear e não danificam a formação produtora ou metais de fundo de poço como alternativa corrosiva, salmouras de alta densidade (como brometo de zinco ZnBr
2 soluções) às vezes o fazem; eles também exigem menos limpeza e reduzem os custos de descarte.
Relógios atômicos
Os relógios atômicos baseados em césio usam as transições eletromagnéticas na estrutura hiperfina dos átomos de césio-133 como ponto de referência. O primeiro relógio de césio preciso foi construído por Louis Essen em 1955 no National Physical Laboratory no Reino Unido. Os relógios de césio melhoraram ao longo do último meio século e são considerados como "a realização mais precisa de uma unidade que a humanidade já alcançou". Esses relógios medem a frequência com um erro de 2 a 3 partes em 1014, o que corresponde a uma precisão de 2 nanossegundos por dia ou um segundo em 1,4 milhão de anos. As versões mais recentes são mais precisas do que 1 parte em 1015, cerca de 1 segundo em 20 milhões de anos. O padrão de césio é o padrão primário para medições de tempo e frequência compatíveis com os padrões. Os relógios de césio regulam o tempo das redes de telefonia celular e da Internet.
Definição do segundo
O segundo, símbolo s, é a unidade SI de tempo. É definido tomando o valor numérico fixo da frequência de césio ΔνCs, a transição hiperfina do estado fundamental imperturbável frequência do átomo de césio-133, a ser 9 192631770 quando expresso em a unidade Hz, que é igual a s−1.
Energia elétrica e eletrônica
Geradores termiônicos de vapor de césio são dispositivos de baixa potência que convertem energia térmica em energia elétrica. No conversor de tubo de vácuo de dois eletrodos, o césio neutraliza a carga espacial perto do cátodo e aumenta o fluxo de corrente.
Césio também é importante por suas propriedades fotoemissivas, convertendo luz em fluxo de elétrons. É usado em células fotoelétricas porque os cátodos à base de césio, como o composto intermetálico K
2CsSb, tem um baixo limiar de tensão para emissão de elétrons. A gama de dispositivos fotoemissivos que usam césio inclui dispositivos de reconhecimento óptico de caracteres, tubos fotomultiplicadores e tubos de câmeras de vídeo. No entanto, germânio, rubídio, selênio, silício, telúrio e vários outros elementos podem substituir o césio em materiais fotossensíveis.
Cristais de iodeto de césio (CsI), brometo (CsBr) e fluoreto de césio (CsF) são empregados para cintiladores em contadores de cintilação amplamente utilizados em exploração mineral e pesquisa em física de partículas para detectar radiação gama e raios-X. Sendo um elemento pesado, o césio fornece bom poder de parada com melhor detecção. Os compostos de césio podem fornecer uma resposta mais rápida (CsF) e ser menos higroscópicos (CsI).
O vapor de césio é usado em muitos magnetômetros comuns.
O elemento é usado como padrão interno em espectrofotometria. Como outros metais alcalinos, o césio tem grande afinidade com o oxigênio e é usado como um "getter" em tubos de vácuo. Outros usos do metal incluem lasers de alta energia, lâmpadas de brilho de vapor e retificadores de vapor.
Fluidos de centrifugação
A alta densidade do íon césio produz soluções de cloreto de césio, sulfato de césio e trifluoroacetato de césio (Cs(O
2CCF
3)) útil em biologia molecular para ultracentrifugação de gradiente de densidade. Essa tecnologia é usada principalmente no isolamento de partículas virais, organelas e frações subcelulares e ácidos nucléicos de amostras biológicas.
Uso químico e médico
Relativamente poucas aplicações químicas usam césio. A dopagem com compostos de césio aumenta a eficácia de vários catalisadores de íons metálicos para síntese química, como ácido acrílico, antraquinona, óxido de etileno, metanol, anidrido ftálico, estireno, monômeros de metacrilato de metila e várias olefinas. Também é usado na conversão catalítica de dióxido de enxofre em trióxido de enxofre na produção de ácido sulfúrico.
O fluoreto de césio desfruta de um nicho de uso na química orgânica como base e como fonte anidra de íon fluoreto. Os sais de césio às vezes substituem os sais de potássio ou sódio na síntese orgânica, como ciclização, esterificação e polimerização. O césio também tem sido utilizado na dosimetria de radiação termoluminescente (TLD): quando exposto à radiação, adquire defeitos cristalinos que, ao serem aquecidos, revertem com emissão de luz proporcional à dose recebida. Assim, medir o pulso de luz com um tubo fotomultiplicador pode permitir quantificar a dose de radiação acumulada.
Aplicações nucleares e isotópicas
Césio-137 é um radioisótopo comumente usado como emissor gama em aplicações industriais. Suas vantagens incluem uma meia-vida de aproximadamente 30 anos, sua disponibilidade a partir do ciclo do combustível nuclear e ter o 137Ba como um produto final estável. A alta solubilidade em água é uma desvantagem que o torna incompatível com grandes irradiadores de piscina para alimentos e suprimentos médicos. Tem sido usado na agricultura, no tratamento do câncer e na esterilização de alimentos, lodo de esgoto e equipamentos cirúrgicos. Isótopos radioativos de césio em dispositivos de radiação foram usados na área médica para tratar certos tipos de câncer, mas o surgimento de melhores alternativas e o uso de cloreto de césio solúvel em água nas fontes, que poderia criar uma ampla contaminação, colocaram gradualmente alguns dos essas fontes de césio fora de uso. O césio-137 tem sido empregado em uma variedade de medidores de medição industrial, incluindo medidores de umidade, densidade, nivelamento e espessura. Também tem sido usado em dispositivos de perfilagem de poços para medir a densidade de elétrons das formações rochosas, que é análoga à densidade aparente das formações.
O césio-137 tem sido usado em estudos hidrológicos análogos aos do trítio. Como produto derivado de testes de bombas de fissão da década de 1950 até meados da década de 1980, o césio-137 foi liberado na atmosfera, onde foi prontamente absorvido em solução. A variação conhecida ano a ano dentro desse período permite a correlação com as camadas de solo e sedimento. O césio-134 e, em menor grau, o césio-135 também foram usados em hidrologia para medir a produção de césio pela indústria de energia nuclear. Embora sejam menos prevalentes do que o césio-133 ou o césio-137, esses isótopos de referência são produzidos exclusivamente a partir de fontes antropogênicas.
Outros usos
Césio e mercúrio foram usados como propulsores nos primeiros motores de íons projetados para propulsão de espaçonaves em missões interplanetárias ou extraplanetárias muito longas. O combustível foi ionizado pelo contato com um eletrodo de tungstênio carregado. Mas a corrosão por césio em componentes de espaçonaves levou ao desenvolvimento de propulsores de gás inerte, como o xenônio, que são mais fáceis de manusear em testes terrestres e causam menos danos potenciais à espaçonave. Xenon foi usado na espaçonave experimental Deep Space 1 lançada em 1998. No entanto, propulsores de propulsão elétrica de emissão de campo que aceleram íons de metal líquido, como o césio, foram construídos.
O nitrato de césio é usado como oxidante e corante pirotécnico para queimar silício em erupções infravermelhas, como a erupção LUU-19, porque emite grande parte de sua luz no espectro do infravermelho próximo. Compostos de césio podem ter sido usados como aditivos de combustível para reduzir a assinatura de radar de plumas de exaustão na aeronave de reconhecimento Lockheed A-12 CIA. O césio e o rubídio foram adicionados como carbonato ao vidro porque reduzem a condutividade elétrica e melhoram a estabilidade e a durabilidade da fibra ótica e dos dispositivos de visão noturna. Fluoreto de césio ou fluoreto de césio-alumínio são usados em fluxos formulados para brasagem de ligas de alumínio que contêm magnésio.
Sistemas de geração de energia magnetohidrodinâmica (MHD) foram pesquisados, mas não obtiveram aceitação generalizada. O césio metálico também tem sido considerado como o fluido de trabalho em geradores turboelétricos de ciclo Rankine de alta temperatura.
Os sais de césio foram avaliados como reagentes antichoque após a administração de drogas arsênicas. Devido ao seu efeito sobre os ritmos cardíacos, no entanto, eles são menos prováveis de serem usados do que os sais de potássio ou rubídio. Eles também têm sido usados para tratar a epilepsia.
O césio-133 pode ser resfriado a laser e usado para sondar problemas fundamentais e tecnológicos da física quântica. Possui um espectro de Feshbach particularmente conveniente para permitir estudos de átomos ultrafrios que requerem interações sintonizáveis.
Riscos de saúde e segurança
Compostos de césio não radioativos são apenas levemente tóxicos, e o césio não radioativo não é um perigo ambiental significativo. Como os processos bioquímicos podem confundir e substituir o césio pelo potássio, o excesso de césio pode levar a hipocalemia, arritmia e parada cardíaca aguda, mas tais quantidades normalmente não seriam encontradas em fontes naturais.
A dose letal mediana (LD50) para cloreto de césio em camundongos é de 2,3 g por quilograma, o que é comparável aos valores LD50 de cloreto de potássio e cloreto de sódio. O principal uso do césio não radioativo é como formato de césio em fluidos de perfuração de petróleo porque é muito menos tóxico que as alternativas, embora seja mais caro.
Césio metálico é um dos elementos mais reativos e altamente explosivo na presença de água. O gás hidrogênio produzido pela reação é aquecido pela energia térmica liberada ao mesmo tempo, causando ignição e uma violenta explosão. Isso pode ocorrer com outros metais alcalinos, mas o césio é tão potente que essa reação explosiva pode ser desencadeada até mesmo por água fria.
É altamente pirofórico: a temperatura de autoignição do césio é de −116 °C (−177 °F) e inflama explosivamente no ar para formar hidróxido de césio e vários óxidos. O hidróxido de césio é uma base muito forte e irá corroer rapidamente o vidro.
Os isótopos 134 e 137 estão presentes na biosfera em pequenas quantidades a partir de atividades humanas, diferindo pela localização. O radiocésio não se acumula no corpo tão prontamente quanto outros produtos da fissão (como o radioiodo e o radioestrôncio). Cerca de 10% do radiocésio absorvido é eliminado do corpo de forma relativamente rápida através do suor e da urina. Os 90% restantes têm uma meia-vida biológica entre 50 e 150 dias. O radiocésio segue o potássio e tende a se acumular nos tecidos das plantas, incluindo frutas e vegetais. As plantas variam amplamente na absorção de césio, às vezes exibindo grande resistência a ele. Também está bem documentado que cogumelos de florestas contaminadas acumulam radiocésio (césio-137) nos esporocarpos fúngicos. O acúmulo de césio-137 em lagos tem sido uma grande preocupação após o desastre de Chernobyl. Experimentos com cães mostraram que uma dose única de 3,8 milicuries (140 MBq, 4,1 μg de césio-137) por quilograma é letal em três semanas; quantidades menores podem causar infertilidade e câncer. A Agência Internacional de Energia Atômica e outras fontes alertaram que materiais radioativos, como o césio-137, podem ser usados em dispositivos de dispersão radiológica, ou "bombas sujas".
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