El cesio ( ortografía IUPAC ; [8] cesio en inglés americano ) [nota 1] es un elemento químico ; tiene símbolo Cs y número atómico 55. Es un metal alcalino blando, dorado plateado con un punto de fusión de 28,5 °C (83,3 °F), lo que lo convierte en uno de los cinco metales elementales que son líquidos a temperatura ambiente o cerca de ella. . [nota 2] El cesio tiene propiedades físicas y químicas similares a las del rubidio y el potasio . 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 la polucita . El cesio-137 , un producto de fisión , se extrae de los residuos producidos por los reactores nucleares . Tiene el radio atómico más grande de todos los elementos cuyos radios se han medido o calculado, aproximadamente 260 picómetros .
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 células fotoeléctricas . En 1967, basándose en 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 la segunda y la segunda. 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, en electrónica y en 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 sólo 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.
De todos los elementos 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 . [13] [14] [15] Cuando está en presencia de aceite mineral (donde es mejor conservarlo durante el transporte), pierde su brillo metálico y adquiere una apariencia gris más apagada. 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 inferior al del cesio. [nota 3] [17] Además, el metal tiene un punto de ebullición bastante bajo , 641 °C (1186 °F), el más bajo de todos los metales distintos del mercurio. [18] Sus compuestos arden con un color azul [19] [20] o violeta [20] .
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 . [13] 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 cualquier aleación metálica conocida, a -78 °C (-108 °F). [17] [21] Se han estudiado algunas amalgamas: CsHg
2es negro con brillo metálico violeta , mientras que el CsHg es de color dorado, también con brillo metálico. [22]
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 ingresa en el extremo azul-violeta del espectro; en otras palabras, la frecuencia plasmónica de los metales alcalinos disminuye desde el litio hasta el cesio. Así, el cesio transmite y absorbe parcialmente la luz violeta preferentemente mientras que otros colores (de menor frecuencia) se reflejan; por eso parece amarillento. [23]
El cesio existe en forma de diferentes alótropos, uno de los cuales es un dímero llamado dicaesio [24] .
El cesio metálico es altamente reactivo y pirofórico . Se enciende espontáneamente en el aire y reacciona explosivamente con el agua incluso a bajas temperaturas, más que otros metales alcalinos . [13] Reacciona con el hielo a temperaturas tan bajas como -116 °C (-177 °F). [17] Debido a esta alta reactividad, el cesio metálico está clasificado como material peligroso . Se almacena y envía en hidrocarburos secos y saturados, como el aceite mineral . Sólo puede manipularse bajo gas inerte , como el argón . Sin embargo, una explosión de agua y cesio suele ser menos potente que una explosión de agua y 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 . [25] El cesio se puede almacenar en ampollas de vidrio de borosilicato selladas al vacío . En cantidades de más de 100 gramos (3,5 onzas), el cesio se envía en contenedores de acero inoxidable herméticamente cerrados. [13]
La química del cesio es similar a la de otros metales alcalinos, en particular el rubidio , el elemento situado por encima del cesio en la tabla periódica. [26] Como se esperaba para un metal alcalino, el único estado de oxidación común es +1. [nota 4] Algunas ligeras diferencias surgen del hecho de que tiene una masa atómica más alta y es más electropositivo que otros metales alcalinos (no radiactivos). [29] El cesio es el elemento químico más electropositivo. [nota 5] [17] El ion cesio también es más grande y menos "duro" que los de los metales alcalinos más ligeros .
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 cesida ( Cs−
), [27] y otros son los diversos subóxidos (ver la sección sobre óxidos a continuación). Más recientemente, se predice que el cesio se comportará como un elemento de bloque p y será capaz de formar fluoruros superiores con estados de oxidación más altos (es decir, CsF n con n > 1) bajo alta presión. [31] Esta predicción necesita ser validada por experimentos adicionales. [32]
Las sales de Cs + suelen ser incoloras a menos que el anión en sí esté coloreado. Muchas de las sales simples son higroscópicas , pero menos que las correspondientes sales de metales alcalinos más ligeros. Las sales de fosfato , [33] acetato , carbonato , haluros , óxido , nitrato y sulfato son solubles en agua. Sus sales dobles suelen ser menos solubles y la baja solubilidad del sulfato de cesio y aluminio se aprovecha para refinar el C a partir de minerales. Las sales dobles con antimonio (como CsSbCl
4), el bismuto , el cadmio , el cobre , el hierro y el plomo también son poco solubles . [13]
El hidróxido de cesio (CsOH) es higroscópico y fuertemente básico . [26] Graba rápidamente la superficie de semiconductores como el silicio . [34] Los químicos han considerado anteriormente al CsOH como la "base más fuerte", lo que refleja la atracción relativamente débil entre el gran ion Cs + y el OH − ; [19] es de hecho 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 disolventes apróticos polares anhidros , son mucho más básicos. sobre la base de la teoría ácido-base de Brønsted-Lowry . [26]
Una mezcla estequiométrica de cesio y oro reaccionará para formar aururo de cesio amarillo (Cs + Au − ) al calentarse. El anión aurida se comporta aquí como un pseudohalógeno . El compuesto reacciona violentamente con el agua, produciendo hidróxido de cesio , oro metálico y gas hidrógeno; en amoníaco líquido se puede hacer reaccionar con una resina de intercambio iónico específica de cesio para producir aurida de tetrametilamonio . El compuesto análogo de platino , la platinida de cesio roja ( Cs2Pt ), contiene el ion platinida que se comporta como un pseudocalcógeno . [35]
Como todos los cationes metálicos, el Cs + forma complejos con bases de Lewis en solución. Debido a su gran tamaño, el Cs + suele adoptar números de coordinación superiores a 6, número típico de los cationes de metales alcalinos más pequeños. Esta diferencia es evidente en la 8-coordinación de CsCl. Este alto número de coordinación y suavidad (tendencia a formar enlaces covalentes) son propiedades que se aprovechan para separar Cs + de otros cationes en la remediación de desechos nucleares, donde el 137 Cs + debe separarse de grandes cantidades de K + no radiactivo . [36]
El fluoruro de cesio (CsF) es un sólido blanco higroscópico que se usa ampliamente en la química organofluorada como fuente de aniones fluoruro . [38] El fluoruro de cesio tiene la estructura de halita, lo que significa que el Cs + y el F − se empaquetan en una matriz cúbica más cercana al igual que el Na + y el Cl − en el cloruro de sodio . [26] En particular, el cesio y el flúor tienen las electronegatividades más baja y más alta , 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", [29] este motivo estructural se compone de una red cúbica primitiva con una base de dos átomos, cada uno con una coordinación óctuple ; los átomos de cloruro se encuentran en 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. Por el contrario, la mayoría de los demás haluros alcalinos tienen la estructura de cloruro de sodio (NaCl). [29] Se prefiere la estructura CsCl porque Cs + tiene un radio iónico de 174 pm y Cl−
181 hs. [39]
Más que otros metales alcalinos, el cesio forma numerosos compuestos binarios con el oxígeno . Cuando el cesio se quema en el aire, el superóxido CsO
2es el producto principal. [40] El óxido de cesio "normal" ( Cs
2O ) forma cristales hexagonales de color amarillo anaranjado , [41] y es el único óxido del anti- CdCl
2tipo. [42] Se vaporiza a 250 °C (482 °F) y se descompone en cesio metálico y peróxido Cs .
2oh
2a temperaturas superiores a 400 °C (752 °F). Además del superóxido y el ozonuro CsO3, [43] [44] También se han estudiado varios subóxidos de colores brillantes . [45] Estos incluyen Cs
7O , Cs
4O , Cs
11oh
3, Cs
3O (verde oscuro [46] ), CsO, Cs
3oh
2, [47] así como Cs
7oh
2. [48] [49] Este último se puede calentar al vacío para generar Cs.
2O. _ [42] También existen compuestos binarios con azufre , selenio y telurio . [13]
El cesio tiene 40 isótopos conocidos , cuyo número de masa (es decir, número de nucleones en el núcleo) varía de 112 a 151. Varios de ellos se sintetizan a partir de elementos más ligeros mediante el lento proceso de captura de neutrones ( proceso S ) dentro de estrellas viejas [50] y por el proceso R en explosiones de supernovas . [51] El único isótopo estable de cesio es el 133 Cs, con 78 neutrones . Aunque tiene un gran espín nuclear (7/2+), los estudios de resonancia magnética nuclear pueden utilizar este isótopo a una frecuencia de resonancia de 11,7 MHz . [52]
El 135 Cs radiactivo tiene una vida media muy larga de unos 2,3 millones de años, el más largo de todos los isótopos radiactivos del cesio. El 137 C y el 134 C tienen vidas medias de 30 y dos años, respectivamente. El 137 Cs se descompone en 137 m Ba de vida corta por desintegración beta y luego en bario no radiactivo, mientras que el 134 Cs se transforma directamente en 134 Ba. Los isótopos con números de masa de 129, 131, 132 y 136 tienen vidas medias de entre un día y dos semanas, mientras que la mayoría de los demás isótopos tienen vidas medias de unos pocos segundos a fracciones de segundo. Existen al menos 21 isómeros nucleares metaestables . Excepto el 134m Cs (con una vida media de poco menos de 3 horas), todos son muy inestables y se desintegran con vidas medias de unos pocos minutos o menos. [53] [54]
El isótopo 135 Cs es uno de los productos de fisión del uranio de vida larga producido en reactores nucleares . [55] Sin embargo, el rendimiento de este producto de fisión se reduce en la mayoría de los reactores porque el predecesor, el 135 Xe , es un potente veneno de neutrones y con frecuencia se transmuta en 136 Xe estable antes de que pueda desintegrarse a 135 Cs. [56] [57]
La desintegración beta de 137 Cs a 137 m Ba da como resultado radiación gamma a medida que 137 m Ba se relaja al estado fundamental de 137 Ba, y los fotones emitidos tienen una energía de 0,6617 MeV. [58] El 137 Cs y el 90 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 duraron varios cientos de años. [59] Esos dos isótopos son la mayor fuente de radiactividad residual en la zona del desastre de Chernobyl . [60] Debido a la baja tasa de captura, la eliminación del 137 Cs mediante la captura de neutrones no es factible y la única solución actual es permitir que se descomponga con el tiempo. [61]
Casi todo el cesio producido a partir de la fisión nuclear proviene de la desintegración beta de productos de fisión originalmente más ricos en neutrones, pasando por varios isótopos de yodo y xenón . [62] 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 la fisión. [63] Con las pruebas de armas nucleares entre los años 1950 y 1980, se liberó 137 Cs a la atmósfera y regresó a la superficie de la Tierra como componente de la lluvia radioactiva . Es un marcador listo del movimiento de suelo y sedimentos de aquellos tiempos. [13]
El cesio es un elemento relativamente raro, se estima que tiene un promedio de 3 partes por millón en la corteza terrestre . [64] Es el 45º elemento más abundante y el 36º entre los metales. Sin embargo, es más abundante que elementos 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% más abundante que el rubidio , con el que está estrechamente asociado químicamente. [13]
Debido a su gran radio iónico , el cesio es uno de los " elementos incompatibles ". [65] Durante la cristalización del magma , el cesio se concentra en la fase líquida y cristaliza al final. Por lo tanto, los mayores depósitos de cesio son cuerpos minerales de pegmatita de zona 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 ( KMgCl
3·6H
2O ) puede contener sólo un 0,002% de cesio. En consecuencia, el cesio se encuentra en pocos minerales. Se pueden encontrar porcentajes de cesio en el berilo ( Be
3Alabama
2(SiO
3)
6) y avogadrita ( (K,Cs)BF
4), hasta un 15% en peso de Cs 2 O en el mineral estrechamente relacionado pezzottaita ( Cs(Be
2li)al
2Si
6oh
18), hasta 8,4% en peso de Cs 2 O en el mineral raro londonita ( (Cs,K)Al
4Ser
4(B,Ser)
12oh
28), y menos en la rodizita más extendida . [13] El único mineral de cesio económicamente importante es la polucita Cs(AlSi
2oh
6) , que se encuentra en algunos lugares del mundo en pegmatitas zonadas, asociadas con los minerales de litio más importantes comercialmente, lepidolita y petalita . En las pegmatitas, el gran tamaño de grano y la fuerte separación de los minerales dan como resultado un mineral de alta calidad para la minería. [66]
La fuente de cesio más importante y rica conocida del mundo es la mina Tanco en el lago Bernic 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. [66] [67] Aunque el contenido estequiométrico de cesio en la polucita es del 42,6%, las muestras de polucita pura de este depósito contienen sólo alrededor del 34% de cesio, mientras que el contenido promedio es del 24% en peso. [67] La polucita comercial contiene más del 19% de cesio. [68] El depósito de pegmatita de Bikita en Zimbabwe se extrae por su petalita, pero también contiene una cantidad significativa de polucita. Otra fuente notable de polucita se encuentra en el desierto de Karibib , Namibia . [67] Al ritmo actual de producción minera mundial de 5 a 10 toneladas métricas por año, las reservas durarán miles de años. [13]
La extracción y refinación del mineral de polucita es un proceso selectivo y se lleva a cabo a menor escala que la mayoría de los demás metales. El mineral se tritura, se clasifica a mano, pero normalmente no se concentra, y luego se muele. Luego, el cesio se extrae de la polucita principalmente mediante tres métodos: digestión ácida, descomposición alcalina y reducción directa. [13] [69]
En la digestión ácida, la roca de silicato polucita se disuelve con ácidos fuertes, como el clorhídrico (HCl), el sulfúrico ( H
2ENTONCES
4), ácido bromhídrico (HBr) o fluorhídrico (HF). Con ácido clorhídrico se produce una mezcla de cloruros solubles y las sales dobles de cloruro insoluble de cesio se precipitan como cloruro de cesio y antimonio ( Cs
4SbCl
7), cloruro de yodo y cesio ( Cs
2ICl ), o hexaclorocerato de cesio ( Cs
2(CeCl
6) ). Después de la separación, la sal doble precipitada pura se descompone y el CsCl puro se precipita evaporando el agua.
El método del ácido sulfúrico produce la sal doble insoluble directamente como alumbre de cesio ( CsAl(SO
4)
2·12H
2O ). El componente de sulfato de aluminio se convierte en óxido de aluminio insoluble tostando el alumbre con carbón y el producto resultante se lixivia con agua para producir un Cs.
2ENTONCES
4solución. [13]
La tostación de polucita con carbonato de calcio y cloruro de calcio produce silicatos de calcio insolubles y cloruro de cesio soluble. Lixiviación con agua o amoniaco diluido ( NH
4OH ) 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. [13]
La mayor parte del cesio extraído (en forma de 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 del lago Bernic en Manitoba , con una capacidad de 12.000 barriles (1.900 m 3 ) por año de solución de formiato de cesio. [70] Los principales compuestos comerciales de cesio a menor escala son el cloruro y el nitrato de cesio . [71]
Alternativamente, se puede obtener cesio metálico a partir de compuestos purificados derivados del mineral. El cloruro de cesio y los otros haluros de cesio se pueden reducir a una temperatura de 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 . [13]
El metal también se puede aislar mediante electrólisis de cianuro de cesio fundido (CsCN). Se puede producir cesio excepcionalmente puro y sin gases mediante la descomposición térmica a 390 °C (734 °F) de azida de cesio CsN
3, que puede producirse a partir de sulfato de cesio acuoso y azida de bario . [69] En aplicaciones de vacío, el dicromato de cesio se puede hacer reaccionar con circonio para producir cesio metálico puro sin otros productos gaseosos. [71]
El precio del cesio puro al 99,8% (base metálica) en 2009 era de unos 10 dólares por gramo (280 dólares la onza), pero los compuestos son significativamente más baratos. [67]
En 1860, Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff descubrieron el 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 " gris azulado " . [nota 6] [72] [73] [74] El cesio fue el primer elemento descubierto con un espectroscopio , que había sido inventado por Bunsen y Kirchhoff sólo un año antes. [17]
Para obtener una muestra pura de cesio, se tuvieron que evaporar 44.000 litros (9.700 imp gal; 12.000 gal EE.UU.) de agua mineral para producir 240 kilogramos (530 lb) de solución salina concentrada. Los metales alcalinotérreos precipitaron como sulfatos u oxalatos , dejando el metal alcalino en la solución. Después de la conversión a los nitratos y la extracción con etanol , se obtuvo una mezcla exenta de sodio. De esta mezcla, el litio se precipitó con carbonato de amonio . El potasio, el rubidio y el cesio forman sales insolubles con el 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) 2PtCl6 ) , se obtuvieron mediante cristalización fraccionada . . Después de la reducción del hexacloroplatinato con hidrógeno , el cesio y el rubidio se separaron 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. [73]
A partir del cloruro de cesio, los dos científicos estimaron el peso atómico del nuevo elemento en 123,35 (frente al peso atómico actualmente aceptado de 132,9). [73] Intentaron generar cesio elemental mediante electrólisis de cloruro de cesio fundido, pero en lugar de un metal, obtuvieron una sustancia azul homogénea que "ni a simple vista ni bajo el microscopio mostraba el más mínimo rastro de sustancia metálica"; como resultado, lo asignaron como subcloruro ( Cs
2Cl ). En realidad, el producto probablemente era una mezcla coloidal de metal y cloruro de cesio. [75] La electrólisis de la solución acuosa de cloruro con un cátodo de mercurio produjo una amalgama de cesio que se descomponía fácilmente en condiciones acuosas. [73] El metal puro fue finalmente aislado por el químico sueco Carl Setterberg mientras trabajaba en su doctorado con Kekulé y Bunsen. [74] En 1882, produjo cesio metálico electrolizando cianuro de cesio , evitando los problemas con el cloruro. [76]
Históricamente, el uso más importante del cesio ha sido la investigación y el desarrollo, principalmente en los campos químico y eléctrico. Existieron muy pocas aplicaciones del cesio hasta la década de 1920, cuando entró en uso en tubos de vacío de radio , donde tenía dos funciones; como captador , eliminaba el exceso de oxígeno después de la fabricación y, como revestimiento del cátodo calentado , aumentaba la conductividad eléctrica . El cesio no fue reconocido como un metal industrial de alto rendimiento hasta la década de 1950. [77] Las aplicaciones del cesio no radiactivo incluyeron células fotoeléctricas , tubos fotomultiplicadores , componentes ópticos de espectrofotómetros infrarrojos , catalizadores para varias reacciones orgánicas, cristales para contadores de centelleo y generadores de energía magnetohidrodinámicos . [13] 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 basa la unidad de tiempo primaria, 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 hiperfinos del estado fundamental del cesio-133 . [78] La 13ª Conferencia General de 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, no perturbados por campos externos".
El mayor uso actual del cesio no radiactivo es en fluidos de perforación de formiato de cesio para la industria petrolera extractiva . [13] Las soluciones acuosas de formiato de cesio (HCOO − Cs + ), obtenidas 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 petroleros . La función de un fluido de perforación es lubricar las brocas, llevar los cortes 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 manteniendo la presión. [13]
La alta densidad de la salmuera de formiato de cesio (hasta 2,3 g/cm 3 , o 19,2 libras por galón), [79] , 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: una importante ventaja tecnológica, de ingeniería y medioambiental. A diferencia de los componentes de muchos otros líquidos pesados, el formiato de cesio es relativamente respetuoso con el medio ambiente. [79] 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/cm 3 o 8,3 libras por galón). Además, es biodegradable y puede reciclarse, lo cual es importante teniendo en cuenta su elevado coste (alrededor de 4.000 dólares por barril en 2001). [80] Los formiatos alcalinos son seguros de manipular y no dañan la formación productora ni los metales del fondo del pozo como salmueras alternativas corrosivas de alta densidad (como el bromuro de zinc ZnBr
2soluciones) a veces lo hacen; también requieren menos limpieza y reducen los costos de eliminación. [13]
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. [81] 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". [78] Estos relojes miden la frecuencia con un error de 2 a 3 partes en 10 14 , 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 15 , aproximadamente 1 segundo en 20 millones de años. [13] El estándar de cesio es el estándar principal para mediciones de tiempo y frecuencia que cumplen con los estándares. [82] Los relojes de cesio regulan la sincronización de las redes de telefonía celular e Internet. [83]
El segundo, símbolo s , es la unidad de tiempo SI. El BIPM reformuló su definición en su 26ª conferencia en 2018: "[El segundo] 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 −1 ". [84]
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. [85]
El cesio también es importante por sus propiedades fotoemisivas , al convertir la luz en flujo de electrones. Se utiliza en células fotoeléctricas porque los cátodos a base de cesio, como el compuesto intermetálico K
2CsSb , tienen un voltaje umbral bajo para la emisión de electrones . [86] La gama de dispositivos fotoemisores que utilizan cesio incluye dispositivos ópticos de reconocimiento de caracteres , tubos fotomultiplicadores y tubos para cámaras de vídeo . [87] [88] Sin embargo, el germanio , el rubidio, el selenio, el silicio, el telurio y varios otros elementos pueden sustituir al cesio en materiales fotosensibles. [13]
Los cristales de yoduro de cesio (CsI), bromuro (CsBr) y fluoruro (CsF) se emplean como 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 utiliza en muchos magnetómetros comunes . [89]
El elemento se utiliza como estándar interno en espectrofotometría . [90] Al igual que otros metales alcalinos , el cesio tiene una gran afinidad por el oxígeno y se utiliza como " captador " en tubos de vacío . [91] Otros usos del metal incluyen láseres de alta energía , lámparas incandescentes de vapor y rectificadores de vapor . [13]
La alta densidad del ion cesio produce soluciones de cloruro de cesio, sulfato de cesio y trifluoroacetato de cesio ( Cs(O
2CCF
3) ) útil en biología molecular para la ultracentrifugación en gradiente de densidad . [92] Esta tecnología se utiliza principalmente en el aislamiento de partículas virales , orgánulos y fracciones subcelulares y ácidos nucleicos de muestras biológicas. [93]
Relativamente pocas aplicaciones químicas utilizan cesio. [94] 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 . [13]
El fluoruro de cesio disfruta de un uso específico en la química orgánica como base [26] y como fuente anhidra de iones fluoruro . [95] Las sales de cesio a veces reemplazan a 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 cristalinos que, cuando se calientan, revierten con una 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.
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 137 Ba como 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. [96] Se ha utilizado en agricultura, tratamiento del cáncer y esterilización de alimentos, lodos de depuradora y equipos quirúrgicos. [13] [97] Los isótopos radiactivos de cesio en dispositivos de radiación se utilizaron en el campo médico para tratar ciertos tipos de cáncer, [98] pero la aparición de mejores alternativas y el uso de cloruro de cesio soluble en agua en las fuentes, que podrían crear contaminación de gran alcance, dejaron gradualmente fuera de uso algunas de estas fuentes de cesio. [99] [100] El cesio-137 se ha empleado en una variedad de medidores de medición industriales, incluidos medidores de humedad, densidad, nivelación y espesor. [101] 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. [102]
El cesio-137 se ha utilizado en estudios hidrológicos análogos a los del tritio . Como producto derivado de las pruebas de bombas de fisión realizadas entre los años 1950 y mediados de los 1980, el cesio-137 se liberó a la atmósfera, donde se absorbió fácilmente en solución. La variación conocida de un año a otro dentro de ese período permite la correlación con las capas de suelo y sedimentos. 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 pioneros se producen únicamente a partir de fuentes antropogénicas. [103]
El cesio y el mercurio se utilizaron como propulsor 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 las naves espaciales ha impulsado el desarrollo hacia propulsores de gases inertes, como el xenón , que son más fáciles de manejar en pruebas terrestres y causan menos daño potencial a la nave espacial. [13] El xenón se utilizó en la nave espacial experimental Deep Space 1 lanzada en 1998. [104] [105] Sin embargo, se han construido propulsores de propulsión eléctrica con emisión de campo que aceleran iones metálicos líquidos como el cesio. [106]
El nitrato de cesio se utiliza como oxidante y colorante pirotécnico para quemar silicio en llamaradas infrarrojas , [107] como la llamarada LUU-19, [108] porque emite gran parte de su luz en el espectro infrarrojo cercano . [109] Es posible que se hayan utilizado compuestos de cesio como aditivos de combustible para reducir la firma del radar de las columnas de escape en el avión de reconocimiento Lockheed A-12 de la CIA . [110] Se han agregado cesio y rubidio 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 cesio y aluminio se utilizan en fundentes formulados para soldar aleaciones de aluminio que contienen magnesio . [13]
Se investigaron sistemas de generación de energía magnetohidrodinámica (MHD) , pero no lograron lograr una aceptación generalizada. [111] El cesio metálico también se ha considerado como fluido de trabajo en generadores turboeléctricos de ciclo Rankine de alta temperatura . [112]
Las sales de cesio se han evaluado como reactivos antichoque tras la administración de fármacos arsenicales . Sin embargo, debido a su efecto sobre el ritmo cardíaco, es menos probable que se utilicen que las sales de potasio o rubidio. También se han utilizado para tratar la epilepsia . [13]
El cesio-133 puede enfriarse con láser y utilizarse para investigar problemas fundamentales y tecnológicos en la física cuántica . Tiene un espectro de Feshbach particularmente conveniente para permitir estudios de átomos ultrafríos que requieren interacciones sintonizables. [113]
Los compuestos de cesio no radiactivos son sólo levemente tóxicos y el cesio no radiactivo no representa 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. [116] [117]
La dosis letal media (LD 50 ) de cloruro de cesio en ratones es de 2,3 g por kilogramo, que es comparable a los valores LD 50 de cloruro de potasio y cloruro de sodio . [118] 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. [79]
El cesio metálico es uno de los elementos más reactivos y altamente explosivo en presencia de agua. El gas hidrógeno producido por la reacción se calienta 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. [13]
Es muy pirofórico : la temperatura de autoignición del cesio es de -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 corroe rápidamente el vidrio. [18]
Los isótopos 134 y 137 están presentes en la biosfera en pequeñas cantidades debido a las actividades humanas y difieren según la ubicación. El radiocesio no se acumula en el cuerpo tan fácilmente como otros productos de fisión (como el yodo radiactivo y el radioestroncio). Aproximadamente el 10% del radiocesio absorbido se elimina del cuerpo con relativa rapidez a través del sudor y la orina. El 90% restante tiene una vida media biológica de entre 50 y 150 días. [119] El radiocesio sigue al potasio y tiende a acumularse en los tejidos de las plantas, incluidas las frutas y verduras. [120] [121] [122] Las plantas varían ampliamente en la absorción de cesio, y a veces muestran una gran resistencia a él. También está bien documentado que los hongos de bosques contaminados acumulan radiocesio (cesio-137) en los esporocarpos de los hongos . [123] La acumulación de cesio-137 en los lagos ha sido una gran preocupación después del desastre de Chernobyl . [124] [125] Los experimentos con perros demostraron que una dosis única de 3,8 milicurios (140 MBq , 4,1 μg de cesio-137) por kilogramo es letal en tres semanas; [126] cantidades más pequeñas pueden causar infertilidad y cáncer. [127] La Agencia Internacional de Energía Atómica y otras fuentes han advertido que materiales radiactivos, como el cesio-137, podrían utilizarse en dispositivos de dispersión radiológica o " bombas sucias ". [128]
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