Цезијум

Цезијум (, лат. ) алкални је метал прве групе Периодног система, шеста периода. Име му потиче од латинске речи за плавичасто.^[5][6] По својим физичким, а посебно хемијским својствима веома је налик рубидијуму, који се налази у истој групи у петој периоди. Такође у природи се готово увек налазе заједно. Највећа разлика јесте та што рубидијум, попут калијума, показује слабу бета-радиоактивност, а цезијум не.^[7]

Цезијум

Општа својства
Име, симбол	цезијум, Cs
Изглед	бледо златан
У периодноме систему
Водоник Хелијум Литијум Берилијум Бор Угљеник Азот Кисеоник Флуор Неон Натријум Магнезијум Алуминијум Силицијум Фосфор Сумпор Хлор Аргон Калијум Калцијум Скандијум Титанијум Ванадијум Хром Манган Гвожђе Кобалт Никл Бакар Цинк Галијум Германијум Арсен Селен Бром Криптон Рубидијум Стронцијум Итријум Цирконијум Ниобијум Молибден Технецијум Рутенијум Родијум Паладијум Сребро Кадмијум Индијум Калај Антимон Телур Јод Ксенон Цезијум Баријум Лантан Церијум Празеодијум Неодијум Прометијум Самаријум Европијум Гадолинијум Тербијум Диспрозијум Холмијум Ербијум Тулијум Итербијум Лутецијум Хафнијум Тантал Волфрам Ренијум Осмијум Иридијум Платина Злато Жива Талијум Олово Бизмут Полонијум Астат Радон Францијум Радијум Актинијум Торијум Протактинијум Уранијум Нептунијум Плутонијум Америцијум Киријум Берклијум Калифорнијум Ајнштајнијум Фермијум Мендељевијум Нобелијум Лоренцијум Радерфордијум Дубнијум Сиборгијум Боријум Хасијум Мајтнеријум Дармштатијум Рендгенијум Коперницијум Нихонијум Флеровијум Московијум Ливерморијум Тенесин Оганесон ↑ Cs ↓ ксенон ← цезијум → баријум ‍
Атомски број (Z)	55
Група, периода	група 1 (алкални метали), периода 6
Блок	s-блок
Категорија	алкални метал
Рел. ат. маса (Ar)	132,90545196(6)[1]
Ел. конфигурација
по љускама	2, 8, 18, 18, 8, 1
Физичка својства
Тачка топљења	301,7 K ​(28,5 °‍C, ​83,3 °F)
Тачка кључања	944 K ​(671 °‍C, ​1240 °F)
Густина при с.т.	1,93 g/cm3
течно ст., на т.т.	1,843 g/cm3
Критична тачка	1938 K, 9,4 MPa[2]
Топлота фузије	2,09 kJ/mol
Топлота испаравања	63,9 kJ/mol
Мол. топл. капацитет	32,210 J/(mol·K)
Напон паре P (Pa) 100 101 102 на T (K) 418 469 534 P (Pa) 103 104 105 на T (K) 623 750 940
Атомска својства
Електронегативност	0,79
Енергије јонизације	1: 375,7 kJ/mol 2: 2234,3 kJ/mol 3: 3400 kJ/mol
Атомски радијус	265 pm
Ковалентни радијус	244±11 pm
Валсов радијус	343 pm
Спектралне линије
Остало
Кристална структура	​унутрашњецентр. кубична (BCC)
Топл. ширење	97 µm/(m·K) (на 25 °‍C)
Топл. водљивост	35,9 W/(m·K)
Електроотпорност	205 nΩ·m (на 20 °‍C)
Магнетни распоред	парамагнетичан[3]
Јангов модул	1,7 GPa
Модул стишљивости	1,6 GPa
Мосова тврдоћа	0,2
Бринелова тврдоћа	0,14 MPa
CAS број	7440-46-2
Историја
Именовање	од латинског caesius, небеско плаво, због његових спектралних боја
Откриће	Роберт Бунзен и Густаф Кирхоф (1860)
Прва изолација	Карл Сетерберг (1882)
Главни изотопи
изотоп расп. пж. (1/2) ТР ПР 133Cs 100% стабилни 134Cs syn 2,0648 y ε 134Xe β− 134Ba 135Cs трагови 2,3×106 y β− 135Ba 137Cs syn 30,17 y[4] β− 137Ba
референце • Википодаци

Мале количине цезијума се налазе, уз остале алкалне метале, у различитим алумосиликатима (лепидолит, леуцит, цинвалдит). Минерал цезијума је полуцит (${\displaystyle {\ce {CsAlSi2O6}}}$). У Земљиној кори заступљен је у количини од 3 ppm (енгл. ). Гори плаво-љубичастим пламеном, и то у супероксид, ${\displaystyle {\ce {CsO2}}}$.

Као елементарна супстанца цезијум се не добија у значајнијим количинама. За ту сврху се обично користи редукција цезијум-хидроксида или карбоната загревањем са алуминијумом или магнезијумом. Цезијум-хлорид се може загревати са калцијумом и та метода је најзахвалнија за његово елементарно добијање.^[7]

Једињења цезијума показују слична својства као иста та једињења рубидијума и калијума. Ипак, за разлику од халогенида рубидијума који имају кристалну решетку као натријум-хлорид, цезијум-хлорид, цезијум-бромид и цезијум-јодид имају кубичну кристалну решетку у којој углове коцке заузимају цезијумови јони, а у средишту је хлоридни јон. Гледајући ширу слику, та решетка је даље формирана тако да се може замислити и да на угловима коцке се налазе хлоридни јони, а у средишту цезијум-јон. Разлика у кристалној решетки између цезијум-хлорида и натријум-хлорида узрокована је величином цезијумовог јона, око ког се може сместити 8 хлоридних јона.^[7]

Историја

Роберт Бунзен

Цезијум је први пут описан 1861. године, а открили су га Густаф Роберт Кирхоф и Роберт Wилхелм Бунсен. Они су проучавали две, дотад непознате, спектралне линије које су се појавиле након што су из минералне воде из извора у Диркхајму издвојили калцијум, стронцијум, магнезијум и литијум. Из свог проучавања су закључили да у минералној води постоји још један дотад непознати елемент, који су назвали , од латинског у значењу небеско плаво, због тих плавих спектралних линија.^[8]

Бунсен је покушавао да одвоји цезијум од других алкалних метала, да би проучио друге особине новооткривеног елемента. Зато је покушао да раздвоји раствор помоћу раствора платина() хлорида, како би исталожио калијум и нове тешке алкалне метале рубидијум и цезијум као нерастворљиви хексахлоридплатинат. Калијум је успео да одвоји након неколико прокувавања раствора са мало воде. Да би добио чисти хлорид, редуковао је платину до елементарног стања помоћу водоника, тако да је тиме добио само нерастворљиви талог цезијум- и рубидијум-хлорида. Одвајање цезијума и рубидијума је успело након што је искористио појаву различитог степена растворљивости карбоната у апсолутном етанолу, где је цезијум-карбонат растворљив за разлику од одговарајућег рубидијевог једињења. Цезијум-хлорид је Бунсену и Кирхофу служио и за прве процене о моларној маси нових елемената, за које су установили вредност од 123,35 .^[8]

Ни један од ових научника није добио елементарни цезијум, јер је након електролизе раствореног цезијум-хлорида умјесто чистог метала настало плаво једињење, које су они назвали субхлорид, а заправо се највероватније радило о некој обојеној смеси цезијума и цезијум-хлорида.^[9] При електролизи воденог раствора путем живине аноде ствара се један лако разградиви цезијум амалгам.^[8]

Тек је 1881. године Карл Сетербер успео да добије елементарни цезијум, који је решио проблем са хлоридом, тако што је употребио цезијум цијанид током процеса суве електролизе. Иако је при том поступку била потребна изразито висока температура, да би се цезијум-цијанид истопио, он се распао преко еутетског система са баријум цијанидом.^[10]

Особине

Физичке особине

Кристална структура цезијума,

Дендритично-кристални облик цезијума

У свом најчистијем стању, цезијум је сребрнасти лаки метал који има густину од 1,9 ³, међутим уколико дође у контакт и с најмањом количином нечистоће, појављује се златножути одсјај. По многим особинама он стоји између рубидијума, колико је до данас познато, и нестабилног францијума. Са изузетком францијума, он има најнижу тачку топљења од свих алкалних метала која износи 28,7 °, након живе и галијума, међу најнижим тачкама топљења од свих метала уопште. Цезијум је веома мекан (тврдоћа по Мосовој скали 0,2) и врло лако се извлачи.

Као и код других алкалних метала, цезијум се при нормалним стандардним условима кристализује у кубном кристалном систему са једном кубно-просторно центрираном елементарном ћелијом у просторној групи ${\displaystyle Im{\bar {3}}m}$ са параметром решетке као и две формулске групе по свакој елементарној ћелији. Под притиском од 41 долази до промене фазе у кубично-површински центрирану кристалну структуру са параметром решетке .^[11]

Уз изузетак литијума, цезијум се може мешати са другим алкалним металима у произвољном односу. Легура од 41% цезијума, 12% натријума и 47% калијума има најнижу до данас познату температуру топљења која износи −78 °.^[12]

Атом цезијума као и јон ⁺ имају изразито велики атомски пречник; они су, уз изузетак францијума, највећи појединачни атоми односно јони који постоје у природи. Ово зависи од посебно ниског ефективног набоја језгра, због чега је најудаљенији -електрон само у веома малој мери повезан са језгром. Та појава, поред великог атомског пречника и ниске енергије јонизације атома цезијума, даје му особине неуобичајено велике реактивности међу елементима.^[13]

Цезијум у гасовитом стању има неуобичајен индекс преламања светлости који је мањи од један. То значи да фазна брзина електромагнетних таласа - у овом случају светлости - је већа него у вакууму. Међутим, пошто се тиме не могу преносити информације нити материја, и даље вреде постулати специјалне теорије релативитета.^[14]

Хемијске особине

Поред францијума, цезијум је елемент са најнижом енергијом јонизације. Због одвајања најудаљенијег електрона од језгра, јавља се и најнижа вредност електронегативности. Атом цезијума у контакту са другим елементима веома лако отпушта овај електрон и формира једновалентне цезијумске соли. Пошто отпуштањем овог једног електрона достиже електронску конфигурацију племенитог гаса, он не формира двовалентне и вишевалентне јоне.

Реакције са цезијумом по правилу се одвијају врло бурно, тако да на пример у контакту са кисеоником, цезијум се одмах запали, те попут калијума и рубидијума, гради одговарајуће хипероксиде.

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

Реакција цезијума и воде

Такође, цезијум у додиру с водом веома бурно реагује и гради цезијум хидроксид. Ова реакција се одвија и са ледом при температури од −116 °C.^[15]

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

Изотопи

Начини распада изотопа ¹³⁷

Свеукупно је познато 39 изотопа цезијума и 23 нуклеарних изомера. У природи јавља се само изотоп ¹³³. Због тога је цезијум изотопски посматрано чисти елемент. Међу вештачким изотопима, изотопи ¹³⁴ са 2,0648 година, ¹³⁵ са 2,3 милиона година и ¹³⁷ са 30,17 година, имају средње и веома дуго време полураспада. Код осталих познатих изотопа, време полураспада износи између 17 код изотопа ¹¹³ до 13,16 дана код изотопа ¹³⁶.^[16]

Један од најважнијих вештачких изотопа је управо ¹³⁷, који зрачи бета-зраке а време полураспада му је 30,17 година.^{[17] 137} се распада уз вероватноћу од 94,6% прво на метастабилни међупроизвод ^137m, који са временом полураспада од 2,552 минута путем гама распада прелази у стабилни изотоп баријума ¹³⁷. Код осталих 5,4% дешава се директан прелаз у стабилни изотоп баријума ¹³⁷. Заједно са другим изотопима цезијума настаје приликом разбијања атома у нуклеарним реакторима.

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

Стварање изотопа ¹³⁷ при цепању атома ²³⁵.^[18]

Изотоп ¹³⁷ је поред изотопа кобалта ⁶⁰ један од најважнијих извора гама зрачења и користи се у терапији зрачењем за лечење малигних обољења, за мерење брзине тока у цевима и испитивања дебљине папира, филма или метала.^[19] Осим тога, служи и за контролу квалитета у нуклеарној медицини као дуговечни нуклид за испитивање зрачења.^[20]

Веће количине изотопа ¹³⁷ су доспеле у околину путем надземних нуклеарних проби, након чернобиљске катастрофе те после катастрофе у јапанској нуклеарној централи Фукушима. Код свих надземних проба атомског оружја, испуштена радиоактивност изотопа ¹³⁷ износила је 948×10¹⁵ бекерела.^[21] Укупна количина ¹³⁷, која се ослободила након чернобиљске несреће имала је активност од око 85×10¹⁵ .^[21] На то треба додати активност од око 47×10¹⁵ коју је емитовао изотоп ¹³⁴ и 36×10¹⁵ путем изотопа ¹³⁶.^[21] Путем радиоактивних падавина, многа подручја широм Европе су загађена радиоактивним цезијумом.^[22][23] Изотоп ¹³⁷ се нарочито накупља у гљивама које могу разграђивати лигнин те тако имају лакши приступ калијуму од биљака и на тај начин и до хемикалија које су сличне цезијуму. То се посебно односи на гљиве (познату као костањевка) и које су познате као сакупљачи цезијума, док на пример сродна врста камењара показује доста слабу активност прикупљања цезијума. Узрок високе загађености цезијумом за обе наведене врсте гљива је због пигмента њиховог клобука (Бадион А и Норбадион А), који могу комплексирати цезијум.^[24][25] У гљиви камењари нема ових деривата пулвинске киселине.^[26] Угрожене су и дивље животиње које једу гљиве.^[27] Тачан обим загађења цезијумом зависи од доспеле количине путем падавина и способности земљишта да веже цезијум и омогућавајући тако биљкама да дођу до њега.^[28]

У Јапану су велика подручја загађена цезијумом ¹³⁷ након несреће у нуклеарном реактору у Фукушими.^[29] Године 1987. десио се случај крађе апарата намењеног за терапије зрачењем у Бразилу, из кога је извађен цезијум ¹³⁷. При томе је неколико људи умрло од последица зрачења.^[30]

Примена

Цезијум, као и рубидијум, користи се за израду фотоелектричних ћелија.

Поред тога, атомски часовници направљени од цезијума користе електромагнетне прелазе у хиперфиној структури атома цезијума-133 као референтну тачку. Ови часовници мере фреквенцију са грешком од 2 до 3 јединице на 10¹⁴, што одговара тачности од 2 наносекунде дневно, или једну секунду у 1,4 милиона година. Најновије верзије оваквих часовника још нису у употреби, али су још тачније и праве грешку у на 10¹⁵, што је око 1 секунду на 20 милиона година. Атомски часовници направљени од цезијума данас регулишу време на Интернету, као и време мреже мобилних телефонија.

Галерија

• 
  Цезијумови кристали, изотопа веома високе чистоће смештени у инертној атмосфери, аргону.
• 
  Цезијумови кристали (златни), у поређењу са рубидијумовим кристалима (сребрни).
• Цезијум приликом додира са водом даје бурну експлозивну реакцију.
• 
  Схематски приказ кристалне решетке цезијум-хлорида.
• 
  Атомски часовници у Америчкој морнаричкој опсерваторији.

Види још

• Рубидијум
• Калијум
• Алкални метали
• Фотоелектрични сензор