Cez (Cs, Z=55) — metal alkaliczny: właściwości, występowanie, zastosowania
Cez (Cs) — rzadki metal alkaliczny: właściwości, silna reaktywność, występowanie, zastosowania i zasady bezpiecznego przechowywania.
Cez (lub cez) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 55 w układzie okresowym. Jego symbolem jest Cs.
Cez jest metalem alkalicznym. Jego temperatura topnienia jest niska (28 °C). Jest bardzo reaktywny. Z powodu swojej wysokiej reaktywności jest niebezpieczną substancją chemiczną. Może zapalić się w powietrzu. Wybucha w kontakcie z wodą. Z wodą reaguje gwałtowniej niż inne metale alkaliczne. Z tego powodu cez jest przechowywany w oleju mineralnym.
Cez jest rzadkim pierwiastkiem. Ponieważ na Ziemi jest mało cezu, jest on dość drogi. Organizm ludzki nie potrzebuje cezu. W dużych ilościach jego związki chemiczne są lekko trujące, ponieważ jest on zbliżony do potasu, którego organizm potrzebuje.
Właściwości fizyczne i chemiczne
- Symbol: Cs
- Liczba atomowa: 55
- Masa atomowa (średnia): około 132,905 u
- Konfiguracja elektronowa: [Xe] 6s1
- Stan skupienia w temperaturze pokojowej: metaliczny; topi się w temperaturze bliskiej pokojowej — około 28–29 °C, więc w cieplejszym otoczeniu może występować w stanie ciekłym
- Gęstość: około 1,9–1,93 g/cm3 (w temperaturze pokojowej)
- Bodźce chemiczne: silnie reaguje, utlenia się w powietrzu, reaguje gwałtownie z wodą tworząc wodorotlenek cezu (CsOH) i wydzielając wodór
- Stopnie utlenienia: dominujące +1
Występowanie i pozyskiwanie
Cez nie występuje wolny w przyrodzie; jego głównym minerałem rudy jest pollucyt (czystość i zawartość cezu w złożach decyduje o opłacalności wydobycia). Występuje też śladowo w niektórych glinokrzemianach i łupkach. Największe złoża pollucytu odkryto m.in. w Kanadzie (złoże Bernic Lake), na Syberii i w Zimbabwe. Pozyskiwanie cezu polega zwykle na chemicznym wydzieleniu z rud (kwaśne ługowanie, wymiana jonowa, ekstrakcja).
Izotopy
- Cs-133: jedyny stabilny izotop naturalny (i jednocześnie izotop wykorzystywany w zegarach atomowych)
- Cs-137: izotop promieniotwórczy powstający w rozszczepieniu jądrowym (ok. 30,17-letni okres półrozpadu), istotny w kontekście skażeń promieniotwórczych — stosowany m.in. w źródłach promieniowania do celów medycznych i przemysłowych
- Istnieją też inne radioizotopy (np. Cs-134, Cs-135), o różnym czasie życia i znaczeniu praktycznym
Zastosowania
- Zegary atomowe: izotop Cs-133 jest bazą definicji sekundy w międzynarodowym systemie jednostek — zegary cezowe są bardzo precyzyjne.
- Przemysł naftowy: sole cezu (np. formian cezu) stosowane są do ciężkich płynów wiertniczych o dużej gęstości.
- Źródła promieniowania: Cs-137 wykorzystywany w radioterapii, kalibratorach i przyrządach pomiarowych (np. mierniki gęstości), choć stosowanie wiąże się z wymaganiami bezpieczeństwa.
- Biologia i medycyna: chlorek cezu używany w ultrawirowaniu gęstościowym (np. izolacja DNA), oraz pewne zastosowania lecznicze i diagnostyczne związane z izotopami (z zachowaniem zasad bezpieczeństwa).
- Elektronika i fotonika: związki cezu stosowane w fotopowierzchniach, fotopowielaczach i specjalistycznych lampach próżniowych; cez był również używany jako getter i w konwerterach termicznych.
- Badania naukowe: ciekły metal w niskich temperaturach używany w eksperymentach; cezu używa się też do badań nad fundamentalnymi własnościami atomowymi.
Historia
Cez został odkryty w 1860 roku przez Roberta Bunsena i Gustava Kirchhoffa w Niemczech przy użyciu spektroskopii — charakterystyczne niebieskie linie w widmie dały nazwę pierwiastkowi (łac. caesius = niebieski).
Bezpieczeństwo i wpływ na zdrowie
- Elementalny cez: silnie reaktywny — łatwo zapala się w powietrzu i reaguje gwałtownie z wodą; dlatego przechowuje się go pod olejem mineralnym lub w atmosferze obojętnej (gaz szlachetny, argon).
- Związki stabilne: większość soli cezu ma niską do umiarkowanej toksyczności chemicznej, ale w dużych dawkach może zaburzać gospodarkę jonową organizmu (cez konkuruje z potasem o te same szlaki transportowe).
- Radioaktywny cez (Cs-137): poważne zagrożenie radiacyjne przy uwolnieniu — długotrwałe skażenie środowiska; w przypadku narażenia wewnętrznego stosuje się m.in. Prussian blue (błękit pruski) do zwiększenia wydalania cezu z organizmu.
- Środki ostrożności przy pracy: stosować odzież ochronną, rękawice, osłony twarzy, pracować w rękawicach i kapturach ochronnych, unikać kontaktu z wodą i wilgocią; przy izotopach radiacyjnych wymagane są procedury dla materiałów promieniotwórczych.
Uwagi praktyczne
Ze względu na skrajne właściwości cezu jako metalu alkalicznego (wysoka reaktywność, niska temperatura topnienia) jego zastosowania w postaci metalicznej są ograniczone. Najważniejszymi i najbardziej rozpowszechnionymi zastosowaniami są zegary atomowe i zastosowania związane z izotopami promieniotwórczymi. Przy pracy z cezem i jego związkami trzeba zawsze przestrzegać zasad bezpieczeństwa oraz przepisów dotyczących materiałów radioaktywnych.
Historia
Cez po raz pierwszy został opisany w 1861 roku przez Gustava Roberta Kirchhoffa i Roberta Wilhelma Bunsena. Badali oni wodę mineralną z Bad Dürkheim. Po oddzieleniu wapnia, strontu, magnezu i litu zaobserwowali dwie linie w "niebieskim" zakresie widma. Na podstawie tych linii doszli do wniosku, że oprócz znalezionych już pierwiastków w wodzie mineralnej musi znajdować się jeszcze jedna nieznana substancja. Nazwali tę substancję cezem, od koloru niebieskiego.
Izotopy i związki
Cez ma co najmniej 39 znanych izotopów o masie atomowej od 112 do 151. Tylko jeden z nich, 133Cs, jest stabilny. Dlatego też naturalnie występującym izotopem cezu jest 133Cs, który nie jest radioaktywny. 133Cs jest wykorzystywany w zegarach atomowych, a jego częstotliwość drgań służy do określania długości sekundy. Inny izotop, 137Cs, nie jest wytwarzany naturalnie, ale powstaje po rozszczepieniu jądra atomowego. Jest on bardzo radioaktywny i używany jako przemysłowe źródło promieniowania gamma.
Cez tworzy związki z wieloma innymi pierwiastkami chemicznymi. Mrówczan cezu jest stosowany w odwiertach naftowych ze względu na swoją wysoką gęstość.
Reaktywność
Cez jest bardzo reaktywny w powietrzu i wodzie. Cez szybko utlenia się w powietrzu i w każdej chwili może ulec spontanicznemu spaleniu (przypadkowo zapalić się). Z tego powodu musi być przechowywany w nafcie lub oleju mineralnym, podobnie jak inne pierwiastki grupy pierwszej (lit, natr, rubid i francium). W wodzie cez gwałtownie reaguje tworząc wodorotlenek cezu (2CsOH). Cez tonie przez około sekundę, a następnie eksploduje. Eksplozja jest ponad 50 razy większa od wielkości pierwiastka wrzuconego do wody, a eksplozja jest wystarczająca do rozbicia zwykłej zlewki Pyrex, kolby lub probówki. Filmik z reakcją można znaleźć tutaj.
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest cez?
A: Cez to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 55 i symbolu Cs.
P: Do jakiej grupy należy cez?
A: Cez należy do grupy metali alkalicznych.
P: Jaka jest temperatura topnienia cezu?
O: Temperatura topnienia cezu jest niska, wynosi 28°C.
P: Czy cez jest reaktywny?
O: Tak, jest bardzo reaktywny.
P: Co sprawia, że cez jest niebezpieczną substancją chemiczną?
O: Jego wysoka reaktywność czyni go niebezpiecznym. Może się zapalić i eksplodować w kontakcie z wodą.
P: Dlaczego cez jest przechowywany w oleju mineralnym?
O: Cez jest przechowywany w oleju mineralnym ze względu na jego gwałtowną reakcję z wodą.
P: Czy cez jest pierwiastkiem pospolitym?
O: Nie, cez jest rzadkim pierwiastkiem i jest dość drogi ze względu na ograniczoną dostępność na Ziemi.
Przeszukaj encyklopedię