Cesium

Rozbalit box

Obsah boxu

Cesium (chemická značka Cs, latinsky Caesium) je chemický prvek, který patří mezi alkalické kovy. Je to velmi měkký, stříbřitě zlatý kov, který je při pokojové teplotě téměř kapalný. Vyznačuje se extrémní reaktivitou a nejnižší elektronegativitou ze všech stabilních prvků. Jeho nejznámější využití je v atomových hodinách, které definují základní jednotku času, sekundu.

📜 Historie

Cesium bylo objeveno v roce 1860 německými vědci Robertem Bunsenem a Gustavem Kirchhoffem v Heidelbergu. Objevili jej pomocí nově vyvinuté metody – spektrální analýzy – při zkoumání minerální vody z Dürkheimu. Během analýzy si všimli dvou jasně modrých čar ve spektru, které nepatřily žádnému známému prvku.

Název prvku je odvozen z latinského slova caesius, což znamená „nebesky modrý“, právě podle charakteristických modrých emisních čar.

Čisté cesium se poprvé podařilo izolovat až v roce 1882 švédskému chemikovi Carlu Setterbergovi pomocí elektrolýzy roztavené směsi kyanidu cesného (CsCN) a barya. Vzhledem k jeho extrémní reaktivitě byla izolace a uchovávání čistého cesia po mnoho let velkou technickou výzvou.

🧪 Fyzikální a chemické vlastnosti

Fyzikální vlastnosti

Cesium je nejměkčí z pevných chemických prvků (má tvrdost 0,2 na Mohsově stupnici). Má stříbřitě zlatou barvu, což je neobvyklé pro většinu kovů, které jsou obvykle stříbřitě bílé (kromě zlata a mědi).

Jeho teplota tání je pouhých 28,5 °C (83,3 °F), což znamená, že se může roztavit v teplý den nebo dokonce v lidské ruce (což se důrazně nedoporučuje kvůli jeho reaktivitě). Spolu s galliem, franciem, rubidiem a rtutí patří mezi pět kovů, které jsou za nebo blízko pokojové teploty v kapalném stavu.

Cesium je také nejtěžším stabilním alkalickým kovem a má relativně vysokou hustotu pro tuto skupinu prvků.

Chemické vlastnosti

Cesium je nejreaktivnější a nejelektropozitivnější ze všech stabilních prvků. Jeho reaktivita je dána velmi nízkou ionizační energií – k odtržení jediného valenčního elektronu je potřeba jen velmi málo energie.

• Reakce se vzduchem: Na vzduchu se okamžitě vznítí a hoří modrofialovým plamenem za vzniku superoxidu cesného (CsO₂). Kvůli této vlastnosti musí být uchováváno v vakuu, v atmosféře inertního plynu (např. argon) nebo pod vrstvou inertního uhlovodíku, jako je minerální olej.
• Reakce s vodou: Reakce cesia s vodou je nejbouřlivější ze všech alkalických kovů a je explozivní, a to i při teplotách až -116 °C. Při reakci vzniká hydroxid cesný (CsOH), což je extrémně silná zásada, a plynný vodík, který se okamžitě vznítí.

$\mathrm{2}\mathrm{C}\mathrm{s}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{C}\mathrm{s}\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}$

• Reakce s halogeny: S halogeny (jako fluor, chlor, brom a jod) reaguje explozivně za vzniku cesných halogenidů.
• Slitiny: Tvoří slitiny s ostatními alkalickými kovy, zlatem a rtutí. Slitina se zlatem (aurid cesný, CsAu) je neobvyklá tím, že se chová jako polovodič.

🌍 Výskyt a výroba

Cesium je v zemské kůře poměrně vzácný prvek, jeho obsah se odhaduje na 1–3 ppm. V přírodě se nikdy nevyskytuje v čisté formě kvůli své vysoké reaktivitě.

Hlavním zdrojem cesia je minerál pollucit, což je zeolit s chemickým vzorcem (Cs,Na)₂(Al₂Si₄O₁₂)·2H₂O. Největší a komerčně nejvýznamnější ložiska pollucitu se nacházejí:

• V dole Tanco u jezera Bernic Lake v Manitobě, Kanada. Toto ložisko obsahuje přibližně dvě třetiny světových zásob.
• V Bikita v Zimbabwe.
• V oblasti Karibib v Namibii.

Výroba kovového cesia je komplikovaná. Nejčastěji se získává redukcí chloridu cesného (CsCl) v roztaveném stavu pomocí vápníku nebo barya ve vakuu. Vzniklé páry cesia se následně kondenzují a čistí.

⚛️ Izotopy

Cesium má pouze jeden jediný stabilní izotop, ¹³³Cs. Je to tedy monoizotopický prvek. Je známo přibližně 40 radioaktivních izotopů cesia s nukleonovými čísly od 112 do 151.

Nejvýznamnější radioizotopy jsou:

• ¹³⁷Cs: Má poločas přeměny přibližně 30,17 roku. Je to jeden z hlavních produktů štěpení jader uranu a plutonia v jaderných reaktorech a při jaderných explozích. Je významným zdrojem gama záření a beta záření. Kvůli své relativně dlouhé životnosti a chemické podobnosti s draslíkem (snadno se zabudovává do živých organismů) představuje hlavní složku dlouhodobé radioaktivní kontaminace po jaderných haváriích, jako byla Černobylská havárie nebo havárie elektrárny Fukušima I.
• ¹³⁵Cs: Má velmi dlouhý poločas přeměny (asi 2,3 milionu let) a je také produktem jaderného štěpení.
• ¹³⁴Cs: Má kratší poločas přeměny (asi 2 roky) a vzniká záchytem neutronu stabilním ¹³³Cs. Jeho přítomnost je indikátorem čerstvého úniku z jaderných reaktorů.

⚙️ Využití

Navzdory své vzácnosti a vysoké ceně má cesium několik klíčových aplikací.

Atomové hodiny

Nejznámější a nejdůležitější využití ¹³³Cs je v atomových hodinách. Od roku 1967 je sekunda, základní jednotka soustavy SI, definována jako doba trvání 9 192 631 770 period záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu cesia ¹³³Cs. Tyto hodiny jsou základem pro mezinárodní měření času (UTC) a jsou klíčové pro technologie jako GPS, synchronizaci internetových sítí a mobilních komunikací.

Ropný a plynárenský průmysl

Roztoky mravenčanu cesného (HCOOCs) se používají jako vrtné kapaliny při těžbě ropy a zemního plynu. Tyto kapaliny mají vysokou hustotu, ale nízkou viskozitu, což pomáhá stabilizovat vrt a zároveň chladit a mazat vrtnou hlavici, zejména při vysokých teplotách a tlacích.

Fotoelektrické články a fotonásobiče

Díky své nízké ionizační energii cesium snadno uvolňuje elektrony, když je vystaveno světlu (fotoelektrický jev). Tato vlastnost se využívá při výrobě fotokatod ve fotonásobičích, fotodiodách a dalších optoelektronických zařízeních.

Katalýza

Sloučeniny cesia se používají jako promotory katalyzátorů v různých chemických procesech, například při výrobě kyseliny sírové nebo při syntéze amoniaku.

Medicínské aplikace

Radioizotop ¹³⁷Cs se používá v radioterapii pro léčbu některých typů rakoviny. Slouží také jako zdroj gama záření pro sterilizaci lékařského vybavení, potravin a pro průmyslovou radiografii.

☣️ Biologická úloha a bezpečnost

Stabilní cesium (¹³³Cs)

Stabilní cesium nemá žádnou známou biologickou úlohu v lidském těle ani v jiných organismech. V těle se chová podobně jako draslík, může se hromadit ve svalových tkáních. V malých dávkách není příliš toxické, ale ve vysokých koncentracích může narušit buněčné procesy a způsobit zdravotní problémy, jako je nevolnost nebo svalová slabost.

Hlavní nebezpečí stabilního cesia spočívá v jeho extrémní reaktivitě. Kontakt s kůží by způsobil okamžité a vážné chemické popáleniny, protože by reagovalo s vlhkostí na pokožce. Manipulace s ním vyžaduje přísná bezpečnostní opatření.

Radioaktivní cesium (¹³⁷Cs)

Radioaktivní ¹³⁷Cs je z hlediska zdraví mnohem nebezpečnější. Pokud se dostane do těla (například požitím kontaminované potravy nebo vody), rovnoměrně se distribuuje v měkkých tkáních a ozařuje je zevnitř, což významně zvyšuje riziko vzniku rakoviny.

Jedním z nejznámějších případů kontaminace ¹³⁷Cs byl Goiânijský incident v Brazílii v roce 1987, kdy byla z opuštěného radioterapeutického přístroje ukradena kapsle s vysoce radioaktivním chloridem cesným. Několik lidí zemřelo a stovky byly kontaminovány poté, co kapsli rozbili a s radioaktivním práškem manipulovali, fascinováni jeho modrým světélkováním ve tmě.

💡 Pro laiky

• Kov, který taje v ruce: Cesium je tak měkké, že byste ho mohli krájet nožem na máslo. Jeho teplota tání je jen o trochu vyšší než pokojová teplota, takže by se vám v dlani roztavilo na stříbřitě zlatou loužičku. To je ale extrémně nebezpečné, protože by okamžitě explozivně reagovalo s vlhkostí na vaší kůži.
• Největší "nervák" mezi prvky: Představte si cesium jako nejvíce reaktivní prvek. Když přijde do styku s vodou, následuje okamžitá a velmi silná exploze. Je mnohem bouřlivější než reakce sodíku, kterou možná znáte z hodin chemie.
• Srdce atomových hodin: Nejdůležitější vlastností cesia je jeho neuvěřitelná přesnost. Atomy cesia "kmitají" s naprosto pravidelnou frekvencí (více než 9 miliardkrát za sekundu). Vědci toho využili k sestrojení atomových hodin, které jsou tak přesné, že by se za milion let zpozdily nebo předběhly o méně než sekundu. Díky této přesnosti funguje například GPS ve vašem telefonu.
• Radioaktivní dvojče: Zatímco běžné cesium je nebezpečné jen kvůli své reaktivitě, jeho radioaktivní izotop, cesium-137, je nebezpečný kvůli záření. Vzniká v jaderných reaktorech a je součástí radioaktivního spadu. Může se dostat do potravního řetězce a představuje dlouhodobé zdravotní riziko po jaderných haváriích.

Šablona:Aktualizováno