Cesium

Cesium, lausutaan [keesium], on alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Cs () ja järjestysluku 55. Se on pehmeä hopeanhohtoinen alkalimetalli, joka hapettuu nopeasti joutuessaan tekemisiin ilman kanssa. Metallinen cesium reagoi kiivaasti monien aineiden, kuten hapen ja veden kanssa. Cesium sulaa jo ihon lämmöllä (sulamispiste 28,44 °C).

Cesiumin löysivät Robert Bunsen ja Gustav Kirchhoff vuonna 1860 spektroskopiaa hyväksikäyttäen. Cesiumia käytetään muun muassa atomikelloissa, öljyteollisuudessa sekä lääketieteessä. Metallinen cesium on erittäin vahva pelkistin.

Ominaisuudet

Fysikaaliset ominaisuudet

Cesiumin tiheys on 1,93 g/cm3 ja sen sulamispiste on 301,59 K (28,44 °C), joten suljetussa ampullissa cesium on huoneenlämmössä kiinteää, mutta kädellä lämmitettäessä metalli sulaa. Cesiumin kiehumispiste on kohtalaisen alhainen, 944 K (671 °C). Cesiumin pieni tiheys, kiehumis- ja sulamispiste johtuvat siitä, että sillä on taipumus antaa valenssielektroni pois. Tämä johtaa myös mataliin sulamis- ja höyrystymislämpöihin. Toisaalta cesiumilla on suuri atomi- ja ionisäde. Cesium on erittäin taipuisaa ja vahamaista. Se on hopeisen kultainen metalli. Cesiumin kiderakenne on tilakeskeinen kuutio. Cesium on hyvä johdin.

Kemialliset ominaisuudet

Kuten muut alkalimetallit, cesium vapauttaa vetyä reagoidessaan veden kanssa. Muodostunut kaasu on syttymisherkkää ja reaktion yhteydessä kohonnut lämpötila voi hapen läsnä ollessa aiheuttaa vetyräjähdyksen. Reagoidessaan veden kanssa cesium muodostaa erittäin emäksistä cesiumhydroksidia. Cesium voi reagoida jo jään kanssa –116 °C:n lämpötilassa. Cesium on muutenkin erittäin reaktiivista. Cesium on varastoitava mineraaliöljyssä, petrolissa tai tyhjiössä, jotta se ei reagoisi ilman veden tai hapen kanssa. Cesium reagoi myös voimakkaasti happojen, rikin ja fosforin kanssa. Lisäksi cesium reagoi Brønsted–Lowryn happojen kanssa, kuten alkoholien sekä kaasumaisen ammoniakin.

Cesium on erittäin elektropositiivista (Paulingin asteikolla 0,7), joten se on luonnollisesti ionisessa Cs+ muodossa. Teoriassa on mahdollista, että cesium olisi myös Cs3+ muodossa, mutta tähän ei ole koskaan pystytty. Cesium on erittäin vahva pelkistin.

Cesiumionit (Cs+) eivät sellaisenaan ole kovin myrkyllisiä (LD50 = 1 g/kg). Cesium ei ole vaarallista ihmisille, muille eläimille tai kasveille. Cesiumin imeytymistä elimistöön voi ehkäistä syömällä kaliumia. Cesium poistuu nopeasti ihmisen elimistöstä.

Cesiumin yhdisteitä
Cesium on erittäin reaktiivista. Cesium reagoi halogeenien kanssa muodostaen cesiumfluoridia, -kloridia, -jodidia ja -bromidia. Cesium muodostaa CsX muotoisia halogeeniyhdisteitä, vaikka esimerkiksi CsF2 on negatiivinen entalpia (–125 kJ/mol). Cesium muodostaa myös sulfaatteja, karbonaatteja, nitraatteja ja syanideja.

Reagoidessaan hapen kanssa on mahdollista muodostaa monia erilaisia cesiumin oksideja. Tyypillisesti cesium muodostaa CsO2, mutta mahdollisia ovat myös Cs7O, CsO3, Cs2O, Cs2O2. Eri oksideja saadaan muodostettua olosuhteita muokkaamalla.

Cesium voi muodostaa tetrafuraaneja, etyleeniglykolidimetyylieettereitä sekä muita polyeettereitä. Näitä voidaan käyttää voimakkaina pelkistiminä, kun proottinen liuos voisi aiheuttaa nukleofiilisen substituutio- tai eliminaatioreaktion. Muiden alkalimetallien tavoin myös yksinkertaisen alkyyli- ja aryliryhmän sisältävät yhdisteet ovat mahdollisia ja ne ovat erittäin vahvoja alkylointireagensseja.

Koordinaatiosidosten pysyvyys pienenee, kun alkalimetalliryhmässä mennään alaspäin, joten cesiumin kompleksiyhdisteet ovat heikoimpia. Cesium muodostaa joitakin komplekseja sulfaatin, tiosulfaatin sekä heksasyanoferraatteja vesiliuoksessa. Cesium muodostaa myös veden komplekseja.

Historia
Vuonna 1860 saksalaiset kemistit Gustav Kirchhoff ja Robert Bunsen kuumensivat vettä, jolloin spektroskopian avulla voidaan nähdä alkuaineille tyypillisiä spektriviivoja. Kirchhoff ja Bunsen löysivät tavalliset kaliumin, natriumin, kalsiumin, strontiumin ja litiumin. He poistivat kyseiset aineet, minkä jälkeen he näkivät vielä kaksi taivaansinistä spektriviivaa puhdistamassaan vedessä. He antoivat tälle tuntemattomalle alkuaineelle nimen caesius, joka tarkoittaa latinaksi taivaansinistä. Nimi muotoutui myöhemmin caesiumiksi. Vuonna 1881 Carl Sefferburg eristi ensimmäisen kerran cesiumia elektrolyyttisesti.

Esiintyminen ja tuotanto
Cesium on kohtalaisen yleinen alkuaine maankuoressa, 1–3 ppm ollen neljänneksikymmenenneksi yleisin alkuaine maankuoressa. Cesiumia esiintyy joissakin mineraaleissa, kuten lepidoliitissa, joka on yleinen litiumin malmi. Toinen tärkeä cesiumin lähde on pollusiitti, jota löytyy huomattavia määriä Kanadassa, Manitobassa. Pollusiitti on tärkein teollisesti tuotetun cesiumin lähde. Cesiumia esiintyy myös boorin mineraaleissa. Luonnosta ei ole löydetty metallista cesiumia. Suurin osa cesiumista tuotetaan Kanadassa. Yli kaksi kolmasosaa (111 000 tonnia) tunnetuista cesiumvarannoista on Bernic Laken läheisyydessä, Manitobassa, Kanadassa. Cesiumia tuotetaan vuosittain noin 20 tonnia. Suurin osa tuotetusta cesiumista tulee litiumin valmistamisen sivutuotteena. Cesium maksaa noin 770 euroa sadalta grammalta.

Cesiumin tuotannossa pollusiittimineraali liuotetaan happo- tai emäskäsittelyllä. Tämän jälkeen cesium voidaan puhdistaa muutamalla tavalla: metallista kalsiumia tai natriumia lisätään sulatettuun cesiumkloridiin, jolloin syntyy metallista cesiumia. Tämä tehdään yleensä noin 750 °C:ssa ja paineistettuna. Kyseessä on tasapainoreaktio, ja muodostunut cesium on erittäin haihtuvaa, sekä siihen liittyy yleensä metallista kalsiumia tai natriumia. Tämä seos voidaan tislata, jolloin saadaan puhdasta cesiumia. Toinen tapa on valmistaa cesiumia elektrolyyttisesti, jolloin sulaneeseen cesiumyhdisteeseen (cesiumsyanidi) johdetaan sähkövirta. Tällöin muodostuu metallista cesiumia.

Na + CsCl  Cs + NaCl

Ongelmat
137Cs-isotooppia levisi Suomeenkin Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden jälkeen. Radioaktiivinen cesium kertyi mm. sieniin ja marjoihin, joskin tavallisessa kulutuksessa määrät eivät ole liian suuria.

Käyttö
Cesiumilla on muutamia sovelluskohteita. Cesiumia voidaan käyttää hehkulampuissa ja tyhjiöissä poistamassa ilmaa. Cesium reagoi mahdollisen ilman kanssa muodostaen kiinteitä cesiumyhdisteitä. Cesiumia käytetään valosähköisissä kennoissa. Jotkin satelliitit käyttävät cesiumia asentonsa vaihtamiseen. Ensin cesium ionisoidaan tyhjiössä, minkä jälkeen ionit kiihdytetään sähkökentän avulla. Tästä syntyvä voima kääntää satelliittia. Cesium raskautensa ansiosta sopii tähän hyvin. Cesiumia käytetään myös öljyteollisuudessa kivien poistamiseen.

133Cs:n avulla määritetään myös sekunti. Kun isotooppi 133 viritetään kahden energiatason verran, se alkaa värähdellä tietyllä nopeudella. Kun tämä värähtelynopeus kerrotaan 9 192 635 770, saadaan sekunnin määrittelemä aika.

Cesiumia voidaan käyttää myös katalyyttinä. Tärkein sovellus katalyyttinä on orgaanisten yhdisteiden hydraus. Vielä tärkeämpi käyttö katalyysin yhteydessä on cesiumin lisäys pieninä määrinä muiden katalyyttien ominaisuuksien parantamiseksi eli douppaukseen. Tähän sitä käytetään muun muassa rikkihapon valmistuksen yhteydessä hapetettaessa rikkidioksidista rikkitrioksidia ja polymeeriteollisuudessa. Cesiumia ja sen orgaanisia yhdisteitä voidaan käyttää pelkistiminä.

Cesiumin radioaktiivista isotooppia 137 muodostuu ydinfissioreaktioissa, kuten ydinvoimaloissa. 137Cs käytetään mm. öljyteollisuudessa. Öljyyn laitetaan pieni määrä radioaktiivista cesiumia, jonka säteily on helppo mitata öljyputken päässä, jolloin tiedetään, että öljyerä on tullut perille. 137Cs voidaan käyttää myös syöpien hoidossa: onttoon neulaan laitetaan cesiumia, joka ruiskutetaan potilaaseen. Säteily tuhoaa syöpäsolukkoa ja voi auttaa taudin parantamisessa. 137Cs käytetään myös eroosion tutkimiseen: cesiumia laitetaan maaperään, ja myöhemmin tutkitaan kuinka pitkälle radioaktiivinen cesium on liikkunut maaperässä. Tämä kertoo samalla eroosion nopeuden. Elintarviketeollisuudessa käytetään cesium-137-isotooppia tuhoamaan bakteereita mm. perunoista, vehnästä ja jauhoista. Isotooppia 133 käytetään myös atomikelloissa, joka on tarkin mahdollinen ajanmittausväline. Tällä hetkellä paras atomikello heittää sekunnin 60 miljoonassa vuodessa.

Cesiumin yhdisteillä on melko vähän sovelluskohteita. Cesiumbromidia käytetään säteilymittareissa sekä muissa mittausvälineissä. Cesiumkarbonaattia ja -fluoridia käytetään erikoislaseissa. Cesiumjodidia ja -fluoridia käytetään lääketieteessä taudin määrittämisessä sekä säteilyn mittaamisessa tuikeilmaisimilla. Cesiumkarbonaattia sekä -kloridia käytetään oluen panemisessa. Cesiumkloridia voidaan käyttää valosähköisissä kennoissa, optisissa instrumenteissa sekä elektroniputkissa. Cesiumin yhdisteitä käytetään lasien ja keramiikan valmistamisessa. Lääketieteessä cesiumin yhdisteitä voidaan käyttää vastalääkkeenä arsenikkia vastaan. Cesiumhydroksidi on erittäin emäksistä ja sillä voidaan tuhota mm. lasia.

Cesiumin isotoopeista massaluvut 131, 134 ja 137 omaavia isotooppeja käytetään lääketieteessä. Beetasäteilyä emittoivaa 134Cs-isotooppia käytetään radioautografiassa ja 131Cs- ja 137Cs-isotooppeja syövän sädehoidossa.

Isotoopit
Cesiumin ainoa vakaa isotooppi on 133Cs. Sen ominaisvärähtelyä käytetään hyväksi tarkoissa atomikelloissa, ja SI-yksikkö sekunti määritellään nykyään cesiumin isotoopin 133 avulla. Cesiumin isotoopilla 137 on myös tärkeitä sovelluskohteita. Cesiumilla on tunnettuja isotooppeja Cs112:sta Cs151:een saakka.

Lähteet 

Viitteet

Aiheesta muualla 

Periodictable: Technical data for Cesium 
American elements: Cesium Technical and Safety Data 
Argonne National Laboratory: Radiological and Chemical Fact Sheets to Support Health Risk Analyses for Contaminated Areas, Cesium, s. 13–14  (pdf)
Webmineral: Mineral Species containing Cesium (Cs) 
Mindat: The Mineralogy of Caesium 

54 Kemia
Alkuaineet
Seulonnan keskeiset artikkelit