세슘

세슘(, , ←, )은 원소로, 원소 기호는 Cs이고 원자 번호는 55이다. 부드럽고 은색을 띤 금색의 알칼리 금속으로 녹는점은 이며, 실온 또는 그 부근에서 액체 상태인 5가지 원소 금속 중 하나이다. 세슘은 루비듐 및 칼륨과 유사한 물리적, 화학적 성질을 가지고 있다. 자연 발화성이 있으며 에서도 물과 반응한다. 폴링 척도에서 0.79의 값을 가지는 가장 전기 음성도가 낮은 안정 원소이다. 오직 하나의 안정 동위 원소인 세슘-133을 가진다. 세슘은 주로 폴루사이트에서 채굴된다. 핵분열 생성물인 세슘-137은 핵원자로에서 발생하는 폐기물에서 추출된다. 측정되거나 계산된 원자 반지름이 약 260 피코미터로, 모든 원소 중 가장 크다.

독일의 화학자 로베르트 분젠과 물리학자 구스타프 키르히호프가 1860년에 새로 개발된 불꽃 분광법을 통해 세슘을 발견했다. 세슘의 첫 소규모 응용은 진공관의 "게터"와 광전관의 빛에 민감한 애노드였다. 세슘은 매우 정밀한 원자 시계에 널리 사용된다. 1967년, 국제단위계는 중성 세슘-133 원자의 특정 초미세 구조 전이를 사용하여 시간의 기본 단위인 초를 정의하기 시작했다.

1990년대 이후로 이 원소의 가장 큰 용도는 폼산 세슘을 이용한 시추 유체였으나, 발전, 전자공학, 화학 분야에서도 다양하게 응용된다. 방사성 동위 원소인 세슘-137은 약 30년의 반감기를 가지며 의료 분야, 산업용 계측기, 수문학 등에 사용된다.

 표기 
Caesium은 국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)에서 권장하는 표기법이다.. 미국화학회(ACS)는 웨브스터 신국제사전(Webster's New International Dictionary)에 따라 1921년부터 cesium이라는 표기를 사용해 왔다. 이 원소의 이름은 "청회색"을 의미하는 라틴어 단어 caesius에서 따왔다.OED entry for "caesium" . Second edition, 1989; online version June 2012. Retrieved 7 September 2012. Earlier version first published in New English Dictionary, 1888. 중세와 근대 초기 문헌에서 caesius는 합자 æ를 사용하여 cæsius로 표기되기도 했으며, 이에 따라 구식 표기법으로 cæsium이 존재한다.더 자세한 표기 설명은 ae/oe 대 e를 참조.

 특성 

 물리적 성질 
실온에서 고체인 모든 원소 중 세슘은 가장 부드럽다. 모스 굳기는 0.2이다. 연성이 매우 높은 창백한 금속으로, 미량의 산소가 존재하면 색이 어두워진다. 운송 중에 주로 보관되는 광물유 속에 있을 때는 금속 광택을 잃고 칙칙한 회색 외관을 띤다. 녹는점이 로, 실온 근처에서 액체인 몇 안 되는 원소 금속 중 하나이다. 다른 금속으로는 루비듐(), 프랑슘(약  추정), 수은(), 갈륨()이 있다. 브로민 또한 실온에서 액체이나(에서 녹음), 이는 할로젠이며 금속이 아니다. 수은은 알려진 녹는점이 세슘보다 낮은 유일한 안정 원소 금속이다. 또한 세슘은 끓는점이 로, 수은을 제외한 모든 안정 금속 중 가장 낮다. 코페르니슘과 플레로븀은 수은이나 세슘보다 끓는점이 낮을 것으로 예측되지만, 극도로 방사성이 강하며 금속인지 여부도 확실하지 않다.

세슘은 다른 알칼리 금속, 금, 수은(아말감)과 합금을 형성한다.  미만의 온도에서 코발트, 철, 몰리브데넘, 니켈, 백금, 탄탈럼, 텅스텐과는 합금을 형성하지 않는다. 안티모니, 갈륨, 인듐, 토륨과 정해진 조성의 금속간 화합물을 형성하며, 이들은 빛에 민감하다. 리튬을 제외한 모든 다른 알칼리 금속과 혼합된다. 세슘 41%, 칼륨 47%, 나트륨 12%의 몰 농도 분포를 가진 합금은 알려진 금속 합금 중 가장 낮은 의 녹는점을 가진다. 몇몇 아말감이 연구되었는데, 는 보라색 금속 광택이 있는 검은색이고, CsHg는 금색이며 역시 금속 광택이 있다.

세슘의 금색은 족의 아래로 갈수록 알칼리 금속의 전자를 들뜨게 하는 데 필요한 빛의 진동수가 감소하기 때문에 나타난다. 리튬부터 루비듐까지 이 진동수는 자외선 영역에 있지만, 세슘의 경우 스펙트럼의 청자색 끝부분에 진입한다. 즉, 알칼리 금속의 플라스마 진동수는 리튬에서 세슘으로 갈수록 낮아진다. 따라서 세슘은 자색광을 우선적으로 투과하고 부분적으로 흡수하는 반면, 다른 색상(낮은 진동수)은 반사하기 때문에 노란색으로 보인다. 세슘 화합물은 파란색 또는 보라색 불꽃을 내며 탄다.

 동소체 
세슘은 다양한 동소체 형태로 존재하며, 그중 하나는 이세슘(dicaesium)이라 불리는 이량체이다.

 화학적 성질 
세슘 금속은 반응성이 매우 높고 자연 발화성이 있다. 공기 중에서 자발적으로 발화하며, 다른 알칼리 금속보다 더 낮은 온도에서도 물과 폭발적으로 반응한다. 의 낮은 온도에서도 얼음과 반응한다. 이러한 높은 반응성 때문에 세슘 금속은 위험물로 분류된다. 광물유와 같은 건조하고 포화된 탄화수소 속에 보관 및 운송된다. 아르곤과 같은 비반응성 기체 하에서만 취급할 수 있다. 그러나 세슘-물 폭발은 같은 양의 나트륨-물 폭발보다 덜 강력한 경우가 많은데, 이는 세슘이 물에 닿자마자 즉시 폭발하여 수소가 축적될 시간이 거의 없기 때문이다.Gray, Theodore (2012) 원소(The Elements), Black Dog & Leventhal Publishers, p. 131, . 세슘은 진공 밀봉된 붕규산 유리 앰풀에 보관할 수 있다. 약  이상의 양은 밀폐된 스테인리스강 용기에 담겨 운송된다.

세슘의 화학은 주기율표에서 세슘 바로 위에 있는 원소인 루비듐을 비롯한 다른 알칼리 금속과 유사하다. 알칼리 금속인 만큼 일반적인 산화 상태는 +1이다.  음이온을 포함하여 세슘의 산화 상태가 -1인 세사이드(caeside)는 이 값과 다르다. 극한의 압력(30 GPa 이상) 하에서의 이론적 연구에 따르면, 내부 5p 전자가 화학 결합을 형성할 수 있어 세슘이 일곱 번째 5p 원소처럼 행동할 수 있으며, 이러한 조건에서 산화 상태가 +2에서 +6인 고차 세슘 플루오린화물이 존재할 수 있음을 시사한다. 약간의 차이는 다른(비방사성) 알칼리 금속보다 원자 질량이 더 높고 더 양전성이 강하다는 사실에서 기인한다. 세슘은 화학 원소 중 가장 양전성이 강하다. 세슘 이온은 또한 가벼운 알칼리 금속들의 이온보다 더 크고 덜 "딱딱(hard)"하다.

 화합물 
섬네일|left|upright|CsCl에서 Cs와 Cl의 입방 배위를 나타낸 공-막대 모델| alt=3개의 균일한 층에 27개의 작은 회색 구체. 8개의 구체가 정육면체를 형성하고, 그 정육면체 8개가 더 큰 정육면체를 형성함. 회색 구체는 세슘 원자를 나타냄. 각 작은 정육면체의 중심에는 염소 원자를 나타내는 작은 녹색 구체가 있음. 따라서 모든 염소는 세슘 원자로 형성된 정육면체 중앙에 있고, 모든 세슘은 염소로 형성된 정육면체 중앙에 있음.

대부분의 세슘 화합물은 다양한 음이온과 이온 결합하는 양이온 를 포함한다. 주목할 만한 예외 중 하나는 세사이드 음이온()이며, 다른 예외로는 여러 아산화물(아래의  섹션 참조)이 있다. 최근에 세슘은 고압 하에서 P-구역 원소처럼 행동하여 고차 산화 상태를 가지는 고차 플루오린화물(즉, n > 1인 )을 형성할 수 있을 것으로 예측되었다. 이 예측은 추가 실험을 통해 검증될 필요가 있다.

 염은 음이온 자체가 유색이 아닌 한 일반적으로 무색이다. 많은 단순 염이 조해성을 띠지만, 가벼운 알칼리 금속의 해당 염들보다는 덜하다. 인산염,Hogan, C. M. (2011). in Encyclopedia of Earth. Jorgensen, A. and Cleveland, C.J. (eds.). National Council for Science and the Environment. Washington DC 아세테이트, 탄산염, 할로젠화물, 산화물, 질산염, 황산염은 물에 용해된다. 복염은 종종 용해도가 낮으며, 황산 세슘 알루미늄의 낮은 용해도는 광석에서 세슘을 정제하는 데 활용된다. 안티모니(), 비스무트, 카드뮴, 구리, 철, 납과의 복염 또한 수용액에서 용해도가 낮다.

수산화 세슘(CsOH)은 조해성이 있고 강력한 염기이다. 규소와 같은 반도체 표면을 빠르게 식각한다. 이전에 화학자들은 CsOH를 큰  이온과  사이의 상대적으로 약한 인력을 반영하여 "가장 강한 염기"로 간주했다. 이는 실제로 가장 강한 아레니우스 염기이다. 그러나 n-부틸리튬, 나트륨 아미드, 수소화 나트륨, 수소화 세슘 등 물과 격렬하게 반응하여 물에 녹일 수 없고 일부 무수 비양성자성 극성 용매에서만 사용되는 화합물들은 브뢴스테드-로우리 산염기 이론에 근거할 때 훨씬 더 염기성이 강하다.

세슘과 금의 화학량론적 혼합물을 가열하면 노란색 세슘 아우리드()가 형성된다. 여기서 아우리드 음이온은 의할로젠처럼 행동한다. 이 화합물은 물과 격렬하게 반응하여 수산화 세슘, 금속 금 및 수소 가스를 생성한다. 액체 암모니아에 용해되며, 세슘 전용 이온 교환 수지와 반응시켜 테트라메틸암모늄 아우리드를 생성할 수 있다. 유사한 백금 화합물인 붉은색 세슘 플래티나이드()는 의칼코젠처럼 행동하는 플래티나이드 이온을 포함한다.

 착물 
모든 금속 양이온과 마찬가지로 는 용액에서 루이스 염기와 착물을 형성한다. 큰 크기 때문에 는 일반적으로 작은 알칼리 금속 양이온의 전형적인 숫자인 6보다 큰 배위수를 가진다. 이러한 차이는 CsCl의 8배위에서 분명하게 나타난다. 이러한 높은 배위수와 연성(공유 결합 형성 경향)은 핵폐기물 처리 과정에서 대량의 비방사성 로부터 를 분리해야 할 때 활용되는 성질이다..

 할로젠화물 
섬네일|upright|이중벽 탄소 나토튜브 내부에서 성장한 단원자 세슘 할로젠화물 전선(TEM 이미지).
플루오린화 세슘(CsF)은 조해성 백색 고체로, 유기 플루오린 화학에서 플루오린화물 음이온의 공급원으로 널리 사용된다. 플루오린화 세슘은 암염 구조를 가지는데, 이는 염화 나트륨에서 와 가 그러하듯 와 가 면심 입방 최밀 충전 배열로 쌓여 있음을 의미한다. 특히 세슘과 플루오린은 알려진 모든 원소 중에서 각각 가장 낮고 가장 높은 전기 음성도를 가진다.

염화 세슘(CsCl)은 단순 입방정계에서 결정화된다. "염화 세슘 구조"라고도 불리는 이 구조적 모티프는 8배위의 배위수를 가진 두 원자로 구성된 원시 입방 격자로 이루어져 있다. 염소 원자는 입방체의 모서리에 있는 격자점에 위치하고, 세슘 원자는 입방체 중앙의 구멍에 위치한다. 이 구조는 CsBr, CsI 및 Cs를 포함하지 않는 다른 많은 화합물과 공유된다. 반면, 다른 대부분의 알칼리 할로젠화물은 염화 나트륨(NaCl) 구조를 가진다. CsCl 구조가 선호되는 이유는 의 이온 반지름이 174 pm이고 가 181 pm이기 때문이다.

 산화물 
섬네일|left|upright=0.7| 클러스터|alt=막대와 공 다이어그램은 3개의 정팔면체를 보여주며, 각각은 다음 팔면체와 한 면을 공유하고 마지막 팔면체는 첫 번째 팔면체와 한 면을 공유함. 세 팔면체 모두 하나의 모서리를 공유함. 11개의 모든 꼭짓점은 세슘을 나타내는 보라색 구체이고, 각 팔면체의 중심에는 산소를 나타내는 작은 빨간색 구체가 있음.

세슘은 다른 알칼리 금속보다 산소와 더 많은 수의 이성분 화합물을 형성한다. 세슘이 공기 중에서 타면 초과산화물 가 주생성물이 된다. "일반적인" 산화 세슘()은 황주황색의 육방정계 결정을 형성하며, 안티- 유형의 유일한 산화물이다. 이는 에서 증발하고,  이상의 온도에서 세슘 금속과 과산화물인 으로 분해된다. 초과산화물과 오존화물인  외에도, 여러 가지 밝은 색의 아산화물도 연구되었다. 여기에는 , , , (어두운 녹색), CsO, 뿐만 아니라 도 포함된다. 후자는 진공에서 가열하여 를 생성할 수 있다. 황, 셀레늄, 텔루륨과의 이성분 화합물도 존재한다.

 동위 원소 

섬네일|세슘-137의 붕괴|alt=세슘-137(핵스핀: I=+, 반감기 약 30년) 붕괴의 에너지를 보여주는 그래프. 94.6% 확률로 512 keV 베타 방출을 통해 바륨-137m(I=11/2-, t=2.55분)으로 붕괴하며, 이는 다시 85.1% 확률로 662 keV 감마 방출을 통해 바륨-137(I=+)로 붕괴함. 대안적으로, 세슘-137은 0.4% 확률의 베타 방출을 통해 직접 바륨-137로 붕괴할 수 있음.
세슘은 질량수 112에서 152까지 41개의 알려진 동위 원소를 가지고 있다. 유일한 안정 세슘 동위 원소는 78개의 중성자를 가진 이다.
방사성인 135Cs는 약 133만 년의 매우 긴 반감기를 가지며, 이는 세슘의 모든 방사성 동위 원소 중 가장 길다. 137Cs과 134Cs은 각각 30.04년과 2.065년의 반감기를 가진다. 질량수 129, 131, 132, 136인 동위 원소들은 하루에서 2주 사이의 반감기를 가지며, 다른 대부분의 동위 원소들은 수 초에서 수분의 일 초의 반감기를 가진다. 최소 21개의 메타스테이블 이성질핵이 존재한다. 134mCs(반감기 3시간 미만)를 제외하고는 모두 매우 불안정하며 수 분 이내의 반감기로 붕괴한다.

135Cs 동위 원소는 핵원자로에서 생성되는 우라늄의 반감기가 긴 핵분열 생성물 중 하나이다. 그러나 대부분의 원자로에서 전구체인 135Xe가 강력한 중성자 독이며 135Cs로 붕괴하기 전에 안정적인 제논-136으로 변환되기 때문에 이 핵분열 수율은 줄어든다.

137Cs에서 137mBa로의 베타 붕괴는 137mBa가 바닥 상태인 137Ba로 이완되면서 감마선을 방출하게 하며, 이때 방출되는 광자는 0.6617 MeV의 에너지를 가진다. 과 90Sr은 핵분열의 주요 중기수명 생성물이며, 제거 후 수년에서 수백 년 동안 사용후핵연료에서 나오는 방사능의 주요 원천이다. 이 두 동위 원소는 체르노빌 원자력 발전소 사고 지역의 잔류 방사능의 가장 큰 원천이다. 낮은 포획률 때문에 중성자 포획을 통해 을 처리하는 것은 실행 불가능하며, 현재 유일한 해결책은 시간이 지남에 따라 붕괴하도록 두는 것이다.

핵분열에서 생성된 거의 모든 세슘은 원래 중성자가 더 풍부했던 핵분열 생성물의 베타 붕괴에서 비롯되며, 아이오딘 동위 원소와 제논의 다양한 동위 원소를 거친다. 아이오딘과 제논은 휘발성이 있어 핵연료나 공기를 통해 확산될 수 있으므로, 방사성 세슘은 종종 원래의 핵분열 지점에서 멀리 떨어진 곳에서 생성된다. 1950년대부터 1980년대까지의 핵실험으로 인해 이 지구 대기권으로 방출되었다가 방사성 낙진의 성분으로 지표면으로 돌아왔으며, 이는 그 당시의 토양과 퇴적물 이동의 표지자가 되었다.

큰 핵스핀(I=+)을 가지고 있지만, 핵자기 공명에 안정적인  동위 원소를 사용할 수 있다.

 부존량 
섬네일|세슘 광물인 폴루사이트|alt=흰색 광물, 흰색과 연분홍색 결정이 돌출되어 있음

세슘은 비교적 희귀한 원소로, 지구 지각에서 평균 3 Ppm 정도인 것으로 추정된다. 이는 45번째로 풍부한 원소이며 금속 중에서는 36번째이다. 세슘은 화학적으로 밀접한 관련이 있는 루비듐보다 30배 적게 존재한다.

큰 이온 반지름 때문에 세슘은 "불호 원소" 중 하나이다. 마그마 결정화 과정에서 세슘은 액체 상에 농축되어 가장 마지막에 결정화된다. 따라서 세슘의 가장 큰 퇴적물은 이 농축 과정에 의해 형성된 구역화된 페그마타이트 광체이다. 세슘은 루비듐만큼 쉽게 칼륨을 대체하지 못하기 때문에, 알칼리 증발암 광물인 실바이트(KCl)와 카널라이트()는 세슘을 0.002%만 함유할 수 있다. 결과적으로 세슘은 극히 소수의 광물에서만 발견된다. 세슘은 녹주석()과 아보가드라이트()에서 소량 발견되며, 밀접하게 관련된 광물인 페조타이트()에는 Cs2O가 최대 15 wt%, 희귀 광물인 런던나이트()에는 최대 8.4 wt% 함유되어 있고, 더 널리 퍼진 로디자이트에는 그보다 적게 함유되어 있다. 경제적으로 중요한 유일한 세슘 광석은 폴루사이트 로, 세계의 몇몇 구역화된 페그마타이트에서 상업적으로 더 중요한 리튬 광물인 레피돌라이트 및 엽장석과 함께 발견된다. 페그마타이트 내부에서는 큰 입자 크기와 광물의 강력한 분리로 인해 채굴을 위한 고품위 광석이 생성된다.

세계에서 가장 중요하고 풍부한 세슘 공급원은 캐나다 매니토바주 버닉 호수의 탄코 광산으로, 세계 가채 매장량의 3분의 2 이상인 35만 미터톤의 폴루사이트 광석을 보유한 것으로 추정된다. 폴루사이트 내 세슘의 화학량론적 함량은 42.6%이지만, 이 광상의 순수 폴루사이트 샘플은 약 34%의 세슘만을 함유하고 있으며 평균 함량은 24 wt%이다. 상업용 폴루사이트는 19% 이상의 세슘을 함유한다. 짐바브웨의 비키타 페그마타이트 광상은 엽장석 채굴을 위해 개발되었으나 상당한 양의 폴루사이트도 함유하고 있다. 폴루사이트의 또 다른 주목할 만한 산지는 나미비아의 카리비브 사막이다. 현재 연간 5~10 미터톤의 세계 광산 생산 속도라면 매장량은 수천 년 동안 유지될 것이다.

 생산 
폴루사이트 광석의 채굴 및 정제는 선택적인 공정이며 다른 대부분의 금속보다 소규모로 수행된다. 광석을 분쇄하고 수작업으로 선별하지만 일반적으로 농축하지는 않고 갈아낸다. 그 후 주로 산 침출, 알칼리 분해, 직접 환원의 세 가지 방법을 통해 폴루사이트에서 세슘을 추출한다.

산 침출법에서는 규산염인 폴루사이트 암석을 염산(HCl), 황산(), 브로민화 수소산(HBr) 또는 플루오린화 수소산(HF)과 같은 강산으로 녹인다. 염산을 사용하면 가용성 염화물 혼합물이 생성되고, 세슘의 불용성 염화물 복염이 세슘 안티모니 염화물(), 세슘 아이오딘 염화물() 또는 세슘 헥사클로로세륨산염()으로 침전된다. 분리 후 침전된 순수 복염을 분해하고 물을 증발시켜 순수한 CsCl을 침전시킨다.

황산법은 불용성 복염인 세슘 백반()을 직접 생성한다. 황산 알루미늄 성분은 백반을 탄소와 함께 로스팅하여 불용성 산화 알루미늄으로 전환되고, 생성된 생성물을 물로 침출하여  용액을 얻는다.

폴루사이트를 탄산 칼슘 및 염화 칼슘과 함께 로스팅하면 불용성 규산 칼슘과 가용성 염화 세슘이 생성된다. 물 또는 희석된 암모니아()로 침출하면 희석된 염화물(CsCl) 용액을 얻는다. 이 용액을 증발시켜 염화 세슘을 만들거나 세슘 백반 또는 탄산 세슘으로 변환할 수 있다. 상업적으로 실용적이지는 않지만, 진공 상태에서 칼륨, 나트륨 또는 칼슘으로 광석을 직접 환원하여 세슘 금속을 직접 생산할 수도 있다.

채굴된 대부분의 세슘(염 형태)은 석유 시추 유체 등의 용도를 위해 폼산 세슘()으로 직접 변환된다. 개발 중인 시장에 공급하기 위해 캐봇 코퍼레이션은 1997년 매니토바주 버닉 호수 근처 탄코 광산에 연간  규모의 폼산 세슘 용액 생산 공장을 건설했다. 세슘의 주요 소규모 상업용 화합물은 염화 세슘과 질산 세슘이다.

대안적으로, 세슘 금속은 광석에서 유도된 정제된 화합물로부터 얻을 수 있다. 염화 세슘과 다른 세슘 할로젠화물은 칼슘 또는 바륨과 함께 에서 환원될 수 있으며, 그 결과물에서 세슘 금속을 증류해낸다. 같은 방식으로 알루민산염, 탄산염 또는 수산화물은 마그네슘에 의해 환원될 수 있다.

금속은 용융된 세슘 사이안화물(CsCN)의 전기 분해를 통해서도 분리될 수 있다. 예외적으로 순수하고 가스가 없는 세슘은 수용성 황산 세슘과 바륨 아자이드로부터 생성할 수 있는 세슘 아자이드 의  열분해를 통해 생산할 수 있다. 진공 응용 분야에서 세슘 이크롬산염은 지르코늄과 반응하여 다른 가스 생성물 없이 순수한 세슘 금속을 생산할 수 있다.
  + 2  → 2  + 2  + 

2009년 기준 99.8% 순수 세슘(금속 기준)의 가격은 약 이었으나, 화합물은 훨씬 더 저렴하다.

 역사 
섬네일|독일의 과학자 구스타프 키르히호프(왼쪽)와 로베르트 분젠(중앙)은 자신들이 발명한 분광기를 사용하여 세슘을 발견했다.| alt=세 명의 중년 남성, 중앙에 앉아 있는 남성. 모두 긴 재킷을 입고 있으며 왼쪽의 키가 작은 남성은 수염을 기름.
1860년, 로베르트 분젠과 구스타프 키르히호프는 독일 바트 뒤르크하임의 광천수에서 세슘을 발견했다. 방출 스펙트럼에 나타난 밝은 파란색 선 때문에 그들은 을 의미하는 라틴어 단어 에서 이름을 따왔다.분젠은 아울루스 겔리우스의 저서(Noctes Atticae II, 26)에서 니기디우스 피굴루스(Nigidius Figulus)의 말을 인용한다: Nostris autem veteribus caesia dicts est quae Graecis, ut Nigidus ait, de colore coeli quasi coelia.옥스포드 영어사전, 제2판 세슘은 분젠과 키르히호프가 불과 1년 전에 발명한 분광기를 통해 발견된 최초의 원소였다.

세슘의 순수한 샘플을 얻기 위해 의 광천수를 증발시켜 의 농축된 염 용액을 얻어야 했다. 알칼리 토금속은 황산염 또는 옥살산염으로 침전시켜 용액에 알칼리 금속만 남겼다. 이를 질산염으로 전환하고 에탄올로 추출하여 나트륨이 없는 혼합물을 얻었다. 이 혼합물에서 리튬은 탄산 암모늄에 의해 침전되었다. 칼륨, 루비듐, 세슘은 백금산염(chloroplatinic acid)과 불용성 염을 형성하지만, 이 염들은 뜨거운 물에서 용해도가 약간씩 차이가 나며, 용해도가 낮은 세슘 및 루비듐 헥사클로로백금산염()을 분별 결정을 통해 얻었다. 헥사클로로백금산염을 수소로 환원시킨 후, 세슘과 루비듐은 알코올 내 탄산염의 용해도 차이를 이용하여 분리했다. 이 공정을 통해 초기 44,000 리터의 광천수에서 의 루비듐 염화물과 의 염화 세슘을 얻었다.

염화 세슘으로부터 두 과학자는 새 원소의 원자량을 123.35(현재 통용되는 132.9와 비교됨)로 추정했다. 그들은 용융된 염화 세슘의 전기 분해를 통해 금속 세슘을 생성하려 했으나, 금속 대신 "육안으로나 현미경으로나 금속 물질의 흔적이 전혀 보이지 않는" 파란색의 균질한 물질을 얻었다. 결과적으로 그들은 이를 아염화물()로 규정했다. 실제로는 그 생성물은 아마도 금속과 염화 세슘의 콜로이드 혼합물이었을 것이다. 수은 캐소드를 이용한 염화물 수용액의 전기 분해는 수용액 조건에서 쉽게 분해되는 세슘 아말감을 생성했다. 순수한 금속은 결국 스웨덴의 화학자 칼 세터베르그(Carl Setterberg)가 케쿨레 및 분젠과 함께 박사 과정을 수행하던 중 분리해냈다. 1882년, 그는 세슘 사이안화물을 전기 분해하여 염화물에서 발생하던 문제를 피하고 세슘 금속을 생산했다.

역사적으로 세슘의 가장 중요한 용도는 주로 화학 및 전기 분야의 연구 및 개발이었다. 세슘은 1920년대 무선 진공관에 사용되기 전까지는 응용 분야가 거의 없었다. 진공관에서 세슘은 두 가지 기능을 수행했다. 게터로서 제조 후 과도한 산소를 제거했고, 가열된 캐소드의 코팅으로서 도전율을 높였다. 세슘은 1950년대가 되어서야 고성능 산업용 금속으로 인정받았다. 비방사성 세슘의 용도에는 광전지, 광전자 배증소자 관, 적외선 분광 광도계의 광학 구성 요소, 여러 유기 반응의 촉매, 섬광 계수기용 결정, 자기 유체 역학 전력 생성기 등이 포함되었다. 세슘은 이차 이온 질량 분석법(SIMS)에서 양이온의 공급원으로도 사용된다.

1967년 이후, 국제단위계는 시간의 기본 단위인 초를 세슘의 특성에 기반을 두고 정의해 왔다. 국제단위계(SI)는 초를 바닥 상태의 세슘-133 원자의 두 초미세 구조 에너지 준위 사이의 전이에 대응하는 스펙트럼선의 마이크로파 진동수를  주기의 지속 시간으로 정의한다. 1967년 제13회 국제 도량형 총회는 초를 다음과 같이 정의했다. "외부 자기장의 영향이 없는 바닥 상태의 세슘-133 원자의 초미세 전이에 의해 흡수되거나 방출되는 마이크로파 광의  주기의 지속 시간".

 응용 

 석유 탐사 
현재 비방사성 세슘의 가장 큰 용도는 추출 석유 산업을 위한 폼산 세슘 시추 유체이다. 수산화 세슘을 폼산과 반응시켜 만드는 폼산 세슘() 수용액은 1990년대 중반 유정 시추 및 완결 유체로 개발되었다. 시추 유체의 기능은 드릴 비트를 윤활하고 암석 절단물을 지표면으로 운반하며 유정 시추 중에 형성층의 압력을 유지하는 것이다. 완결 유체는 시추 후 생산 전 제어 하드웨어를 설치하는 동안 압력을 유지함으로써 도움을 준다.

폼산 세슘 브라인의 높은 밀도(최대 2.3 g/cm3, 또는 갤런당 19.2파운드)와 대부분의 세슘 화합물의 비교적 무해한 성질은 시추 유체 내 독성 고밀도 부유 고형물에 대한 필요성을 줄여주어 기술적, 공학적, 환경적으로 중요한 이점을 제공한다. 다른 많은 무거운 액체의 성분과 달리 폼산 세슘은 비교적 환경 친화적이다. 폼산 세슘 브라인은 칼륨 및 나트륨 폼산염과 혼합하여 유체의 밀도를 물의 밀도(1.0 g/cm3, 또는 갤런당 8.3파운드)까지 낮출 수 있다. 더욱이 생분해 가능하고 재활용이 가능하며, 이는 높은 비용(2001년 기준 배럴당 약 $4,000)을 고려할 때 중요하다. 알칼리 폼산염은 취급하기에 안전하며 부식성이 있는 대안적인 고밀도 브라인(예: 아연 브로민화물  용액)과 달리 생산층이나 유정 내 금속을 손상시키지 않는다. 또한 청소가 덜 필요하고 폐기 비용도 절감된다.

 원자 시계 
섬네일|미국 해군 천문대의 원자 시계 앙상블|alt=전경에 검은색 상자가 있고 배경에 5~6개의 랙이 들어갈 공간이 있는 6개의 제어 캐비닛이 있는 방. 대부분의 캐비닛은 흰색 상자로 채워져 있음.
세슘 기반 원자 시계는 세슘-133 원자의 초미세 구조에서의 전자기 전이를 기준점으로 사용한다. 최초의 정밀한 세슘 시계는 1955년 영국 국립물리연구소(NPL)에서 루이 에센에 의해 제작되었다. 세슘 시계는 지난 반세기 동안 개선되어 왔으며 "인류가 지금까지 달성한 단위 중 가장 정확한 구현"으로 간주된다. 이 시계들은 1014분의 2~3의 오차로 진동수를 측정하는데, 이는 하루에 2 나노초, 혹은 140만 년에 1초의 정확도에 해당한다. 최신 버전은 1015분의 1보다 더 정확하여 약 2,000만 년에 1초의 오차를 보인다. 세슘 표준은 표준 규격 시간 및 진동수 측정의 주요 표준이다. 세슘 시계는 휴대전화 네트워크와 인터넷의 타이밍을 규제한다.

 초의 정의 
초(기호 s)는 SI 시간 단위이다. BIPM은 2018년 제26회 회의에서 그 정의를 재설정했다. "[초는] 바닥 상태 세슘-133 원자의 초미세 전이 진동수 의 수치를 Hz(s−1와 동일) 단위로 표기할 때 이 되도록 정의한다."

 전력 및 전자공학 
세슘 증기 열이온 발전기는 열에너지를 전기에너지로 변환하는 저전력 장치이다. 두 개의 전극을 가진 진공관 변환기에서 세슘은 캐소드 근처의 공간 전하를 중화하고 전류 흐름을 강화한다.

세슘은 또한 빛을 전자 흐름으로 바꾸는 광방출 특성으로 인해 중요하다. 와 같은 금속간 화합물 기반의 캐소드는 전자 방출을 위한 문턱 전압이 낮기 때문에 광전지에 사용된다. 세슘을 사용하는 광방출 장치에는 광학 문자 인식 장치, 광전 증폭관, 비디오 카메라 튜브 등이 포함된다. 그럼에도 불구하고 감광성 재료에서 세슘은 저마늄, 루비듐, 셀레늄, 규소, 텔루륨 및 다른 여러 원소로 대체될 수 있다.

아이오딘화 세슘(CsI), 브로민화(CsBr), 플루오린화(CsF) 결정은 광물 탐사와 입자 물리학 연구에서 감마선 및 엑스선 방사선을 검출하는 데 널리 쓰이는 섬광 계수기의 섬광체로 고용된다. 무거운 원소인 세슘은 더 나은 검출력과 좋은 저지능(stopping power)을 제공한다. 세슘 화합물은 더 빠른 응답(CsF)을 제공하거나 조해성이 덜할 수(CsI) 있다.

세슘 증기는 많은 일반적인 자기계에 사용된다.

이 원소는 분광광도법에서 내부 표준으로 사용된다. 다른 알칼리 금속과 마찬가지로 세슘은 산소에 대한 친화력이 매우 커서 진공관의 "게터"로 사용된다. 금속의 다른 용도로는 고에너지 레이저, 증기 발광 램프, 증기 정류기가 있다.

 원심 분리 유체 
세슘 이온의 높은 밀도는 염화 세슘, 황산 세슘 및 세슘 트리플루오로아세트산() 용액을 분자 생물학에서 밀도 기울기 초원심 분리에 유용하게 만든다.Manfred Bick, Horst Prinz, "Cesium and Cesium Compounds" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2005, Wiley-VCH, Weinheim. . 이 기술은 주로 생물학적 샘플로부터 바이러스 입자, 세포 내 세포소기관 및 분획, 핵산을 분리하는 데 사용된다.

 화학 및 의료용 
세슘의 화학적 응용 분야는 비교적 적다. 세슘 화합물을 첨가하면 아크릴산, 안트라퀴논, 산화 에틸렌, 메탄올, 무수 프탈산, 스타이렌, 메타크릴산 메틸 단량체 및 다양한 알켄의 화학 합성을 위한 여러 금속 이온 촉매의 효율이 향상된다. 또한 황산 제조 시 이산화 황을 삼산화 황으로 촉매 변환하는 데에도 사용된다.

플루오린화 세슘은 유기화학에서 염기로서, 그리고 무수 플루오린화물 이온 공급원으로서 틈새 용도로 활용된다.Friestad, Gregory K.; Branchaud, Bruce P.; Navarrini, Walter and Sansotera, Maurizio (2007) "Cesium Fluoride" in Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis, John Wiley & Sons.  세슘 염은 때때로 고리 화합물 형성, 에스터화 및 중합과 같은 유기 합성에서 칼륨이나 나트륨 염을 대체하기도 한다. 세슘은 열발광 방사선 선량계(TLD)에도 사용된다. 방사선에 노출되면 결정 결함이 생기며, 가열될 때 받은 선량에 비례하는 빛을 방출하며 원상 복귀된다. 따라서 광전 증폭관으로 빛 펄스를 측정하여 축적된 방사선량을 정량화할 수 있다.

 핵 및 동위 원소 응용 
세슘-137은 산업적 응용 분야에서 감마선 방출원으로 흔히 쓰이는 방사성 동위 원소이다. 장점으로는 약 30년의 반감기, 핵연료 주기를 통한 가용성, 안정적인 최종 생성물인 137Ba을 가진다는 점이 있다. 높은 수용성은 단점인데, 이로 인해 식품 및 의료 비품용 대형 풀 조사 장치와는 호환되지 않는다. 농업, 암 치료, 식품, 하수 슬러지 및 수술 장비의 멸균 등에 사용되어 왔다. 방사선 치료 장치의 방사성 세슘 동위 원소는 특정 유형의 암을 치료하기 위해 의료 분야에서 사용되었으나, 더 나은 대안의 등장과 광범위한 오염을 일으킬 수 있는 수용성 염화 세슘의 사용으로 인해 이러한 세슘 공급원은 점차 사용되지 않게 되었다. 세슘-137은 습도, 밀도, 레벨링, 두께 게이지를 포함한 다양한 산업용 측정 게이지에 채택되어 왔다. 또한 암석 형성층의 벌크 밀도와 유사한 전자 밀도를 측정하기 위한 물리 검층 장치에도 사용되어 왔다.

세슘-137은 삼중수소를 이용한 연구와 유사하게 수문학 연구에 사용되어 왔다. 1950년대부터 1980년대 중반까지의 핵분열 폭탄 시험의 파생물로서 세슘-137은 대기 중으로 방출되어 용액 상태로 쉽게 흡수되었다. 해당 기간 내의 알려진 연도별 변화는 토양 및 퇴적물 층과의 상관관계를 허용한다. 세슘-134와 더 적은 범위의 세슘-135 또한 원자력 산업에 의한 세슘 배출량을 측정하기 위해 수문학에서 사용되어 왔다. 세슘-133이나 세슘-137만큼 널리 퍼져 있지는 않지만, 이들 지표 동위 원소들은 오로지 인위적인 원천에서만 생성된다.

 기타 용도 
섬네일|upright=1.4|세슘 또는 수은 연료 사용을 위해 개발된 정전식 이온 엔진의 도식|alt=전자총에서 쏜 전자가 중성 연료 원자에 부딪혀 이온화함. 자석으로 둘러싸인 챔버에서 양이온은 이를 가속하는 음극 그리드로 향함. 엔진의 힘은 이온을 후방에서 고속으로 방출함으로써 생성됨. 나갈 때 양이온은 다른 전자총에서 나온 전자에 의해 중화되어 선체나 배기가스가 전기적으로 충전되어 서로 끌어당기지 않도록 함.
세슘과 수은은 매우 긴 행성 간 또는 행성 외 미션을 위해 설계된 초기 이온 기관의 추진제로 사용되었다. 연료는 대전된 텅스텐 전극과의 접촉으로 이온화되었다. 그러나 우주선 구성 요소에 대한 세슘의 부식성으로 인해 추진제 개발 방향은 지상 테스트에서 취급하기 쉽고 우주선에 잠재적 손상을 덜 입히는 제논과 같은 비반응성 기체로 옮겨갔다. 제논은 1998년에 발사된 실험 우주선 딥 스페이스 1호에서 사용되었다. 그럼에도 불구하고 세슘과 같은 액체 금속 이온을 가속하는 전계 방출 전기 추진(FEEP) 엔진이 제작되었다.

질산 세슘은 근적외선 스펙트럼에서 많은 빛을 방출하기 때문에 LUU-19 플레어와 같은 적외선 조명탄에서 규소를 태우기 위한 산화제 및 불꽃놀이 착색제로 사용된다. 세슘 화합물은 CIA 정찰기 록히드 A-12의 배기가스 기둥의 레이더 반사 면적을 줄이기 위한 연료 첨가제로 사용되었을 가능성이 있다. 세슘과 루비듐은 유리 제조 시 탄산염 형태로 첨가되는데, 이는 전기 전도도를 낮추고 광섬유 및 야간 시력 장치의 안정성과 내구성을 향상시키기 때문이다. 플루오린화 세슘 또는 플루오린화 세슘 알루미늄은 마그네슘을 함유한 알루미늄 합금의 브레이징을 위해 조제된 플럭스에 사용된다.

자기 유체 역학(MHD) 전력 생성 시스템이 연구되었으나 널리 보급되지는 못했다. 세슘 금속은 고온 랭킨 사이클 터보 발전기의 작동 유체로도 고려된 바 있다.

세슘 염은 비소 독성 약물 투여 후의 항충격 시약으로 평가받기도 했다. 그러나 심장 리듬에 미치는 영향 때문에 칼륨이나 루비듐 염보다 사용될 가능성이 낮다. 이들은 뇌전증 치료에도 사용되어 왔다.

세슘-133은 레이저 냉각될 수 있으며 양자역학의 기본 및 기술적 문제를 탐구하는 데 사용될 수 있다. 조정 가능한 상호 작용이 필요한 초저온 원자 연구를 가능하게 하는 특히 편리한 페슈바흐(Feshbach) 스펙트럼을 가지고 있다.

 보건 및 안전 위험 

섬네일|right|upright=1.4|alt=핵 낙진 후 형성되는 각 핵종별 방사성 출력 비율 대 사고 후 시간의 로그 그래프. 다양한 색상의 곡선에서 주요 방사선원이 순서대로 묘사됨: 처음 5일 정도는 Te-132/I-132, 다음 5일은 I-131, 잠시 Ba-140/La-140, 10일째부터 약 200일까지는 Zr-95/Nb-95, 그리고 마지막으로 Cs-137. 방사능을 생성하지만 주요 성분으로 정점을 찍지 않는 다른 핵종은 약 50일에 정점을 찍는 Ru와 약 600일의 Cs-134임.|체르노빌 원자력 발전소 사고 이후 시간에 따른 각 동위 원소가 기여한 총 방사선량(공기 중)의 부분. 세슘-137은 사고 후 약 200일이 지나면서 주요 방사선원이 되었다.Data from The Radiochemical Manual and Wilson, B. J. (1966) The Radiochemical Manual (2nd ed.).
비방사성 세슘 화합물은 독성이 약하며, 비방사성 세슘은 중대한 환경 위험 요소가 아니다. 생화학적 과정이 세슘을 칼륨과 혼동하여 대체할 수 있기 때문에, 과도한 세슘은 저칼륨혈증, 부정맥, 급성 심정지로 이어질 수 있으나, 자연적인 원천에서 이러한 양을 접하는 경우는 드물다.

생쥐에 대한 염화 세슘의 반수 치사량(LD50)은 2.3 g/kg으로, 염화 칼륨 및 염화 나트륨의 LD50 값과 비슷하다. 비방사성 세슘의 주요 용도는 석유 시추 유체 내의 폼산 세슘인데, 비싸기는 하지만 대안보다 훨씬 덜 독성적이기 때문이다.

원소 세슘은 반응성이 가장 강한 원소 중 하나이며 물이 있는 곳에서 매우 폭발적이다. 반응에 의해 생성된 수소 가스는 동시에 방출되는 열에너지에 의해 가열되어 점화와 격렬한 폭발을 일으킨다. 이는 다른 알칼리 금속에서도 발생할 수 있지만, 세슘은 매우 강력하여 차가운 물에 의해서도 이러한 폭발 반응이 촉발될 수 있다.

자연 발화성이 매우 높다. 세슘의 자연발화온도는 이며, 공기 중에서 폭발적으로 점화되어 수산화 세슘과 다양한 산화물을 형성한다. 수산화 세슘은 매우 강한 염기이며 유리를 빠르게 부식시킨다.

동위 원소 134와 137은 인간 활동으로 인해 위치에 따라 차이가 있지만 소량 생물권에 존재한다. 방사성 세슘은 (방사성 아이오딘이나 방사성 스트론튬과 같은) 다른 핵분열 생성물만큼 신체에 쉽게 축적되지 않는다. 흡수된 방사성 세슘의 약 10%는 땀과 소변을 통해 신체에서 비교적 빨리 씻겨 나간다. 나머지 90%의 생물학적 반감기는 50일에서 150일 사이이다. 방사성 세슘은 칼륨을 따라 과일과 채소를 포함한 식물 조직에 축적되는 경향이 있다. 식물은 세슘 흡수 정도가 매우 다양하며 때로는 이에 대한 큰 내성을 보이기도 한다. 오염된 숲의 버섯들이 균류의 자실체에 방사성 세슘(세슘-137)을 축적한다는 사실도 잘 기록되어 있다. 호수 내 세슘-137의 축적은 체르노빌 원자력 발전소 사고 이후 큰 우려 사항이었다. 개를 이용한 실험에서 킬로그램당 3.8 밀리퀴리(140 MBq, 세슘-137 4.1 μg)의 단일 용량은 3주 이내에 치사적인 것으로 나타났다. 그보다 적은 양은 불임과 암을 유발할 수 있다. 국제 원자력 기구를 비롯한 소식통들은 세슘-137과 같은 방사성 물질이 방사능 분산 장치인 "더러운 폭탄"에 사용될 수 있다고 경고해 왔다.

 같이 보기 
 세슘-137 - 체르노빌, 후쿠시마에서 많이 보도되었다.

 각주 

 내용주

 외부 링크 


  세슘 - WebElements.com


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