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Cloruro de cesio

El cloruro de cesio o cloruro de cesio es un compuesto inorgánico con la fórmula Cs Cl . Esta sal incolora es una fuente importante de iones de cesio en una variedad de aplicaciones específicas. Su estructura cristalina forma un tipo estructural principal 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 presenta de forma natural como impurezas en la carnalita (hasta un 0,002 %), la silvita y la kainita . Se producen menos de 20 toneladas de CsCl al año en todo el mundo, principalmente a partir de un mineral que contiene cesio, la polucita . [7]

El cloruro de cesio se utiliza ampliamente 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 se enriquece en radioisótopos , como 137 CsCl o 131 CsCl, 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 no radiactivo convencional. 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 de polvo de 137 CsCl desde un contenedor de 93 gramos en 1987 en Goiânia , Brasil, resultó en uno de los peores accidentes de derrame de radiación de la historia, matando a cuatro personas y afectando directamente a 249 personas.

Estructura cristalina

La estructura del cloruro de cesio adopta una red cúbica primitiva con una base de dos átomos, donde ambos átomos tienen una coordinación óctuple. Los átomos de cloruro se encuentran en los puntos de la red en las esquinas del cubo, mientras que los átomos de cesio se encuentran en los agujeros en el centro de los cubos; una "configuración" alternativa y exactamente equivalente tiene los iones de cesio en las esquinas y el ion cloruro en el centro. Esta estructura es compartida con CsBr y CsI y muchas aleaciones metálicas binarias . En contraste, los otros haluros alcalinos tienen la estructura de cloruro de sodio (sal de roca). [8] Cuando ambos iones son similares en tamaño (Cs + radio iónico 174 pm para este número de coordinación, Cl − 181 pm) se adopta la estructura CsCl, cuando son diferentes (Na + radio iónico 102 pm, Cl − 181 pm) se adopta la estructura de cloruro de sodio . Al calentarse a más de 445 °C, la estructura normal de cloruro de cesio (α-CsCl) se convierte en la forma β-CsCl con la estructura de sal de roca ( grupo espacial Fm 3 m ). [5] La estructura de sal de roca también se observa en condiciones ambientales en películas de CsCl de espesor nanométrico cultivadas sobre sustratos de mica , LiF, KBr y NaCl. [9]

Propiedades físicas

El cloruro de cesio es incoloro en forma de cristales grandes y blanco cuando está en forma de polvo. Se disuelve fácilmente en agua y su solubilidad máxima aumenta de 1865 g/L a 20 °C a 2705 g/L a 100 °C. [10] Los cristales son muy higroscópicos y se desintegran gradualmente en condiciones ambientales. [11] El cloruro de cesio no forma hidratos . [12]

A diferencia del cloruro de sodio y el cloruro de potasio , el cloruro de cesio se disuelve fácilmente en ácido clorhídrico concentrado. [14] [15] El cloruro de cesio también tiene una solubilidad relativamente alta en ácido fórmico (1077 g/L a 18 °C) e hidrazina ; solubilidad media en metanol (31,7 g/L a 25 °C) y baja solubilidad en etanol (7,6 g/L a 25 °C), [12] [15] [16] dióxido de azufre (2,95 g/L a 25 °C), amoniaco (3,8 g/L a 0 °C), acetona (0,004% a 18 °C), acetonitrilo (0,083 g/L a 18 °C), [15] acetato de etilo y otros éteres complejos , butanona , acetofenona , piridina y clorobenceno . [17]

A pesar de su amplio intervalo de banda de aproximadamente 8,35 eV a 80 K, [2] 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. Se produce a través de saltos de vecinos más cercanos de vacantes de red, y la movilidad es mucho mayor para las vacantes de Cl − que para las de 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 la fase α-CsCl a la β-CsCl. La conductividad también se suprime mediante la aplicación de presión (disminución de aproximadamente 10 veces a 0,4 GPa) que reduce la movilidad de las vacantes de red. [18]

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 con sulfato de hidrógeno de cesio a 550–700 °C: [21]

2 CsCl + H2SO4 → Cs2SO4 + 2 HCl
CsCl + CsHSO4 → Cs2SO4 + HCl

El cloruro de cesio forma una variedad de sales dobles con otros cloruros. Algunos ejemplos son 2CsCl·BaCl 2 , [22] 2CsCl·CuCl 2 , CsCl·2CuCl y CsCl·LiCl, [23] y con compuestos interhalogenados : [24]

Ocurrencia y producción

Alambres de haluro de cesio monoatómicos cultivados dentro de nanotubos de carbono de doble pared . [25]

El cloruro de cesio se encuentra de forma natural como impureza en los minerales de haluros carnalita (KMgCl 3 ·6H 2 O con hasta un 0,002 % de CsCl), [26] silvita (KCl) y kainita (MgSO 4 ·KCl·3H 2 O), [27] y en aguas minerales. Por ejemplo, el agua del balneario de Bad Dürkheim , que se utilizó para aislar el cesio, contenía alrededor de 0,17 mg/L de CsCl. [28] Ninguno de estos minerales tiene importancia comercial.

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 dar la sal doble poco soluble, por ejemplo: [29]

CsCl + SbCl3 → CsSbCl4

El tratamiento de la sal doble con sulfuro de hidrógeno produce CsCl: [29]

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

El CsCl de alta pureza también se produce a partir de (y ) recristalizado por descomposición térmica: [30]

En los años 1970 [31] y 2000, en todo el mundo se producían anualmente tan solo unas 20 toneladas de compuestos de cesio, con una importante contribución del CsCl . [32] El cloruro de cesio enriquecido con cesio-137 para aplicaciones de radioterapia se produce en una única instalación, Mayak, en la región de los Urales de Rusia [33] , y se vende a nivel internacional 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. [34]

Métodos de laboratorio

En el laboratorio, el CsCl se puede obtener tratando hidróxido de cesio , carbonato , bicarbonato de cesio o sulfuro de cesio con ácido clorhídrico:

CsOH + HCl → CsCl + H2O
Cs 2 CO 3 + 2 HCl → 2 CsCl + 2 H 2 O + CO 2

Usos

Precursor del metal Cs

El cloruro de cesio es el principal precursor del metal cesio por reducción a alta temperatura: [31]

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

Una reacción similar (calentar CsCl con calcio al vacío en presencia de fósforo ) fue descrita por primera vez en 1905 por el químico francés ML Hackspill [35] y todavía se utiliza industrialmente. [31]

El hidróxido de cesio se obtiene por electrólisis de una solución acuosa de cloruro de cesio: [36]

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 AT o GC). [31] Esta aplicación requiere una solución con alta densidad y, sin embargo, una viscosidad relativamente baja, y el CsCl es adecuado para ella debido a su alta solubilidad en agua, alta densidad debido a la gran masa de Cs, así como baja viscosidad y alta estabilidad de las soluciones de CsCl. [29]

Química orgánica

El cloruro de cesio se utiliza poco 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 .

donde TBAB es bromuro de tetrabutilamonio (catalizador de interfase) y CPME es un metil éter de ciclopentilo (disolvente). [37]

Otra reacción es la sustitución del tetranitrometano [38]

donde DMF es dimetilformamida (disolvente).

Química analítica

El cloruro de cesio es un reactivo de la química analítica tradicional que se utiliza para detectar iones inorgánicos a través del color y la morfología de los precipitados. La medición cuantitativa de la concentración de algunos de estos iones, p. ej. Mg 2+ , con espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente , se utiliza para evaluar la dureza del agua. [39]

También se utiliza para la detección de los siguientes iones:

Medicamento

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". [40] 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. [41] [42]

Medicina nuclear y radiografía

El cloruro de cesio compuesto de radioisótopos como 137 CsCl y 131 CsCl, [43] se utiliza en medicina nuclear , incluido el tratamiento del cáncer ( braquiterapia ) y el diagnóstico del infarto de miocardio . [44] [45] 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) a menudo utilizan titanato de estroncio , que es insoluble en agua. Sin embargo, para las fuentes de teleterapia , la densidad radiactiva ( Ci en un volumen dado) debe ser muy alta, lo que no es posible con compuestos de cesio insolubles conocidos. Un recipiente con forma de dedal de cloruro de cesio radiactivo proporciona la fuente activa.

Aplicaciones varias

El cloruro de cesio se utiliza en la preparación de vidrios conductores de electricidad [43] [46] y pantallas de tubos de rayos catódicos. [31] Junto con los gases raros, el CsCl se utiliza en lámparas excimer [47] [48] y láseres excimer . Otros usos incluyen la activación de electrodos en soldadura; [49] fabricación de agua mineral, cerveza [50] y lodos de perforación ; [51] y soldaduras de alta temperatura. [52] Los monocristales de CsCl de alta calidad tienen un amplio rango de transparencia desde UV hasta infrarrojo y, por lo tanto, se han utilizado para cubetas, prismas y ventanas en espectrómetros ópticos; [31] este uso se interrumpió 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. [53] Por lo tanto, puede ser útil en experimentos de electrofisiología en neurociencia.

Toxicidad

El cloruro de cesio tiene una baja toxicidad para los seres humanos y los animales. [54] Su dosis letal media ( DL50 ) en ratones es de 2300 mg por kilogramo de peso corporal para administración oral y 910 mg/kg para inyección intravenosa. [55] La leve toxicidad del CsCl está relacionada con su capacidad para reducir la concentración de potasio en el cuerpo y sustituirlo parcialmente en los procesos bioquímicos. [56] Sin embargo, cuando se toma en grandes cantidades, puede causar un desequilibrio significativo en el potasio y provocar hipocalemia , arritmia y paro cardíaco agudo . [57] Sin embargo, el polvo de cloruro de cesio puede irritar las membranas mucosas y causar asma . [51]

Debido a su alta solubilidad en agua, el cloruro de cesio es muy móvil e incluso puede difundirse a través del hormigón. Esto es un inconveniente para su forma radiactiva que insta a la búsqueda de materiales radioisótopos menos móviles químicamente. Las fuentes comerciales de cloruro de cesio radiactivo están bien selladas en un doble recinto de acero. [34] Sin embargo, en el accidente de Goiânia en Brasil , una fuente de este tipo que contenía alrededor de 93 gramos de 137 CsCl, fue robada de un hospital abandonado y abierta a la fuerza por dos carroñeros. El brillo azul emitido en la oscuridad por el cloruro de cesio radiactivo atrajo a los ladrones y sus familiares que desconocían los peligros asociados y esparcieron el polvo. Esto resultó en uno de los peores accidentes por derrame de radiación en el que 4 personas murieron en el plazo de un mes desde la exposición, 20 mostraron signos de enfermedad por radiación , 249 personas fueron contaminadas con cloruro de cesio radiactivo y alrededor de mil recibieron una dosis que excedía la cantidad anual de radiación de fondo. Más de 110.000 personas abarrotaron los hospitales locales y hubo que demoler varias manzanas de la ciudad durante las operaciones de limpieza. En los primeros días de la contaminación, varias personas sufrieron trastornos 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. [58] [59]

Véase también

Referencias

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Bibliografía

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