Цезиум хлорид

Цезиум хлорид — неорганско соединение со формула CsCl. Оваа безбојна сол е важен извор на јони на цезиум во различни примени. Неговата кристална структура формира голем структурен тип каде секој цезиумски јон е координиран со 8 хлоридни јони. Цезиум хлоридот се раствора во вода. CsCl се менува во својата структура и добива структура на NaCl при загревање. Цезиум хлоридот природно се јавува како нечистотии во карналит (до 0,002%), силвит и каинит. Помалку од 20 тони CsCl се произведуваат годишно ширум светот, главно од минерален загадувач што содржи цезиум.
Цезиум хлоридот е широко употребувана медицинска структура во изопикничнoто центрифугирање за одвојување на различни типови на ДНК. Тој е реагенс во аналитичката хемија, каде што се користи за идентификување на јоните според бојата и морфологијата на талогот. Кога е збогатен со радиоизотопи, како што се <sup>137</sup>CsCl или <sup>131</sup>CsCl, цезиум хлоридот се користи во методи на јадрената медицина, како што се третман на рак и дијагноза на миокарден инфаркт. Друга форма на третман на рак беше проучувана со користење на конвенционален нерадиоактивен CsCl. Додека конвенционалниот цезиум хлорид има прилично ниска токсичност за луѓето и животните, радиоактивната форма лесно ја контаминира животната средина поради високата растворливост на CsCl во вода. Распространетоста на прав од <sup>137</sup>CsCl од контејнер од 93 грама во 1987 година во Гојанија, Бразил, резултираше со една од најлошите несреќи со излевање на радијација во која загинаа четворица, а директно беа погодени 249 луѓе.
1 Кристална структура
Структурата на цезиум хлорид усвојува примитивна кубична решетка со основа од два атоми, каде што двата атома имаат осумкратна координација. Атомите на хлоридот во кристалната решетка лежат на точки на аглите на коцката, додека атомите на цезиум лежат во дупките во центарот на коцките; алтернативна и точно еквивалентна „поставка“ ги има јоните на цезиум во аглите и хлоридниот јон во центарот. Оваа структура е иста со CsBr и CsI и многу бинарни метални легури. Спротивно на тоа, другите алкални халиди имаат структура на натриум хлорид (камена сол). Кога двата јони се слични по големина (Cs<sup>+</sup> јонски полупречник 174 pm за овој координативен број, Cl<sup>−</sup> 181 pm) tсе прифаќа структурата на CsCl, кога тие се различни (Na<sup>+</sup> јонски полупречник 102 pm, Cl<sup>−</sup> 181 pm) структурата се прифаќа структурата на натриум хлорид. При загревање на над 445 °C, нормалната структура на цезиум хлорид (α-CsCl) се претвора во форма на β-CsCl со структура на камена сол (просторна група ''Fmm''). Структурата на камената сол е забележана и при амбиентални услови во нанометарски тенки CsCl филмови израснати на супстрати од микашист, LiF, KBr и NaCl.
2 Физички својства
Цезиум хлоридот е безбоен кога е во форма на големи кристали и бел кога е во прав. Лесно се раствора во вода при што максималната растворливост се зголемува од 1865 g/L на 20 °C до 2705 g/L на 100 °C. Кристалите се многу хигроскопни и постепено се распаѓаат при амбиентални услови. Цезиум хлоридот не формира хидрати.
+Растворливост на CsCl во вода, Т (°C), 0, 10, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100
S (wt%), 61.83, 63.48, 64.96, 65.64, 66.29, 67.50, 68.60, 69.61, 70.54, 71.40, 72.21, 72.96
За разлика од натриум хлорид и калиум хлорид, цезиум хлоридот лесно се раствора во концентрирана хлороводородна киселина. Цезиум хлоридот има и релативно висока растворливост во мравска киселина (1077 g/L на 18 °C) и хидразин; средна растворливост во метанол (31,7 g/L на 25 °C) и ниска растворливост во етанол (7,6 g/L на 25 °C), сулфур диоксид (2,95 g/L на 25 °C ), амонијак (3,8 g/L на 0 °C), ацетон (0,004 % на 18 °C), ацетонитрил (0,083 g/L на 18 °C), етилацетати и други сложени естри, бутанон, ацетофенон, пиридин и хлоробензен.
И покрај неговaта широка забранета зона (енергетски процеп) помеѓу валентната и спроводливата зона од околу 8,35 eV на 80 K, цезиум хлоридот слабо спроведува електрична енергија, а спроводливоста не е електронска туку јонска. Спроводливоста има вредност од редот 10<sup>−7</sup> S/cm на 300 °C. Тоа се случува преку скокови од најблискиот сосед на слободните решетки, а мобилноста е многу поголема за Cl<sup>−</sup> од Cs<sup>+</sup> слободните места. Спроводливоста се зголемува со температура до околу 450 °C, при што енергијата на активирање се менува од 0,6 до 1,3 eV на околу 260 °C. Потоа нагло опаѓа за два реда на големина поради фазната транзиција од α-CsCl во β-CsCl фаза. Спроводливоста е исто така потисната со примена на притисок (околу 10 пати намалување на 0,4 GPa) што ја намалува подвижноста на празните решетки.
+Својства на водни раствори на CsCl на 20 °C, Концентрација, wt%, Густина, kg/L, Концентрација, mol/L, индекс на рефракција (на 589 nm), Намалување на точна на мрзнење, °C во однос на вода, Вискозност, 10<sup>−3</sup> Pa·s
0.5, –, 0.030, 1.3334, 0.10, 1.000
1.0, 1.0059, 0.060, 1.3337, 0.20, 0.997
2.0, 1.0137, 0.120, 1.3345, 0.40, 0.992
3.0, 0.182, 1.3353, 0.61, 0.988
4.0, 1.0296, 0.245, 1.3361, 0.81, 0.984
5.0, 0.308, 1.3369, 1.02, 0.980
6.0, 1.0461, 0.373, 1.3377, 1.22, 0.977
7.0, 0.438, 1.3386, 1.43, 0.974
8.0, 1.0629, 0.505, 1.3394, 1.64, 0.971
9.0, 0.573, 1.3403, 1.85, 0.969
10.0, 1.0804, 0.641, 1.3412, 2.06, 0.966
12.0, 1.0983, 0.782, 1.3430, 2.51, 0.961
14.0, 1.1168, 0.928, 1.3448, 2.97, 0.955
16.0, 1.1358, 1.079, 1.3468, 3.46, 0.950
18.0, 1.1555, 1.235, 1.3487, 3.96, 0.945
20.0, 1.1758, 1.397, 1.3507, 4.49, 0.939
22.0, 1.1968, 1.564, 1.3528, –, 0.934
24.0, 1.2185, 1.737, 1.3550, –, 0.930
26.0, 1.917, 1.3572, –, 0.926
28.0, 2.103, 1.3594, –, 0.924
30.0, 1.2882, 2.296, 1.3617, –, 0.922
32.0, 2.497, 1.3641, –, 0.922
34.0, 2.705, 1.3666, –, 0.924
36.0, 2.921, 1.3691, –, 0.926
38.0, 3.146, 1.3717, –, 0.930
40.0, 1.4225, 3.380, 1.3744, –, 0.934
42.0, 3.624, 1.3771, –, 0.940
44.0, 3.877, 1.3800, –, 0.947
46.0, 4.142, 1.3829, –, 0.956
48.0, 4.418, 1.3860, –, 0.967
50.0, 1.5858, 4.706, 1.3892, –, 0.981
60.0, 1.7886, 6.368, 1.4076, –, 1.120
64.0, 7.163, 1.4167, –, 1.238
3 Реакции
Цезиум хлоридот целосно дисоцира при растворање во вода, а Cs<sup>+</sup> катјоните се солватирани во разреден раствор. CsCl се претвора во цезиум сулфат кога ќе се загрее во концентрирана сулфурна киселина или ќе се загрее со цезиум водород сулфат на 550-700 °C::2 CsCl + H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> → Cs<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> + 2 HCl
:CsCl + CsHSO<sub>4</sub> → Cs<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> + HCl
Цезиум хлоридот формира различни двојни соли со други хлориди. Примерите вклучуваат 2CsCl·BaCl<sub>2</sub>, 2CsCl·CuCl<sub>2</sub>, CsCl·2CuCl and CsCl·LiCl, и со интерхалогени соединенија::CsCl + ICl3 -> Cs[ICl4]
4 Појава и производство
Цезиум хлоридот природно се појавува како нечистотија во халидните минерали карналит(KMgCl<sub>3</sub>·6H<sub>2</sub>O со до 0.002% CsCl), силвит (KCl) и каинит (MgSO<sub>4</sub>·KCl·3H<sub>2</sub>O), и во минералните води. На пример, водата од бањата Бад Диркем, која се користела во изолација на цезиум, содржела околу 0,17 mg/L CsCl. Ниту еден од овие минерали не е комерцијално важен.
На индустриски размери, CsCl се произведува од минералниот загадувач, кој се спрашува и се третира со хлороводородна киселина на покачена температура. Екстрактот се третира со антимон хлорид, јод монохлорид или цериум(IV) хлорид за да се добие слабо растворливата двојна сол, на пр.::CsCl + SbCl<sub>3</sub> → CsSbCl<sub>4</sub>
Третманот на двојната сол со водород сулфид дава CsCl::2 CsSbCl<sub>4</sub> + 3 H<sub>2</sub>S → 2 CsCl + Sb<sub>2</sub>S<sub>3</sub> + 8 HCl
HCsCl со висока чистота се произведува и од прекристализиран (и ) со топлинско разложување::
Само околу 20 тони соединенија на цезиум, со голем придонес од CsCl, се произведувале годишно во 1970-тите и 2000-тите низ светот. Цезиум хлорид збогатен со цезиум-137 за примена во терапијата со зрачење бил произведен во еден објект Мајак во Уралскиот регион во Русија и се продавал на меѓународно ниво преку британски дилер. Солта се синтетизира на 200 °C поради нејзината хигроскопска природа и се затвора во челичен контејнер во форма на напрсток кој потоа се затвора во друга челична обвивка. Запечатувањето е потребно за да се заштити солта од влага.
4.1 Лабораториски методи
Во лабораторија, CsCl може да се добие со третирање на цезиум хидроксид, карбонат, цезиум бикарбонат или цезиум сулфид со хлороводородна киселина:
:CsOH + HCl → CsCl + H<sub>2</sub>O
:Cs<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> + 2 HCl → 2 CsCl + 2 H<sub>2</sub>O + CO<sub>2</sub>
5 Употреба
5.1 Прекурсор на Cs метал
Цезиум хлоридот е главниот прекурсор на металниот цезиум кој се добива со редукција на висока температура::2 CsCl (l) + Mg (l) → MgCl<sub>2</sub> (s) + 2 Cs (g)
Слична реакција - загревање на CsCl со калциум во вакуум во присуство на фосфор - првпат беше пријавена во 1905 година од францускиот хемичар M. Л. Хакспил и сè уште се користи индустриски.
Цезиум хидроксид се добива со електролиза на воден раствор на цезиум хлорид:: 2 CsCl + 2 H<sub>2</sub>O → 2 CsOH + Cl<sub>2</sub> + H<sub>2</sub>
5.2 Раствор за ултрацентрифугирање
Цезиум хлоридот е широко користен во центрифугирањето во техника позната како изопикнично центрифугирање. Центрипеталните и дифузивните сили воспоставуваат градиент на густина што овозможува раздвојување на мешавините врз основа на нивната молекуларна густина. Оваа техника овозможува раздвојување на ДНК молекули со различна густина (на пр. ДНК фрагменти со различна содржина на A-T или G-C). Оваа техника бара раствор со висока густина, а сепак релативно низок вискозитет, а CsCl и одговара поради неговата висока растворливост во вода, високата густина поради големата маса на Cs, како и нискиот вискозитет и високата стабилност на CsCl растворите.
5.3 Органска хемија
CЦезиум хлоридот ретко се користи во органската хемија. Може да дејствува како реагенс кој катализира фазен трансфер во одбрани реакции. Една од овие реакции е синтезата на деривати на глутаминска киселина
:<math chem>\overbrace{\ce{CH2=CHCOOCH3^\text{Methyl acrylate} + \ce{ArCH=N-CH(CH3)-COOC(CH3)3
->[\ce{TBAB,\ CsCl,\ K2CO3}][\ce{CPME,\ 0^\circ C}]
{ArCH=N-C(C2H4COOCH3)(CH3)-COOC(CH3)3</math>
каде што TBAB е тетрабутиламониум бромид (интерфазен катализатор) и CPME е циклопентил метил етер (растворувач).
Друга реакција е супституција на тетранитрометан:<math chem>\overbrace{\ce{C(NO2)4^\text{tetranitromethane} + \ce{CsCl ->[\ce{DMF}] {C(NO2)3Cl} + CsNO2}</math>
каде DMF е диметилформамид(растворувач).
5.4 Аналитичка хемија
Цезиум хлоридот е реагенс во традиционалната аналитичка хемија што се користи за откривање на неоргански јони преку бојата и морфологијата на талогот. Квантитативно мерење на концентрацијата на некои од овие јони, на пр. Mg<sup>2+</sup>, со индуктивно спрегната плазма со масена спектрометрија на плазмата, се користи за да се одреди тврдината на вода.
Јон, Придружни реагенси, Остатоци, Морфологија, Лимит на детекција (μg)
AsO<sub>3</sub><sup>3−</sup>, KI, Cs<sub>2</sub>[AsI<sub>5</sub>] or Cs<sub>3</sub>[AsI<sub>6</sub>], Црвени шестоаголници, 0.01
Au<sup>3+</sup>, AgCl, HCl, Cs<sub>2</sub>Ag[AuCl<sub>6</sub>], Сиво-црни крстови, четири и шест-краки ѕвезди, 0.01
Au<sup>3+</sup>, NH<sub>4</sub>SCN, Cs[Au(SCN)<sub>4</sub>], Портокалово-жолти игли, 0.4
Bi<sup>3+</sup>, KI, HCl, Cs<sub>2</sub>[BiI<sub>5</sub>] or 2.5H<sub>2</sub>O, Црвени шестоаголници, 0.13
Cu<sup>2+</sup>, (CH<sub>3</sub>COO)<sub>2</sub>Pb, CH<sub>3</sub>COOH, KNO<sub>2</sub>, Cs<sub>2</sub>Pb[Cu(NO<sub>2</sub>)<sub>6</sub>], Мали црни коцки, 0.01
In<sup>3+</sup>, —, Cs<sub>3</sub>[InCl<sub>6</sub>], Мали октаедри, 0.02
data-sort- [IrCl<sub>6</sub>]<sup>3−</sup>, —, Cs<sub>2</sub>[IrCl<sub>6</sub>], Small dark-red octahedra, –
Mg<sup>2+</sup>, Na<sub>2</sub>HPO<sub>4</sub>, CsMgPO<sub>4</sub> or 6H<sub>2</sub>O, Small tetrahedra, –
Pb<sup>2+</sup>, KI, Cs[PbI<sub>3</sub>], Жолто-зелени игли, 0.01
Pd<sup>2+</sup>, NaBr, Cs<sub>2</sub>[PdBr<sub>4</sub>], Темно-црвени игли и призми, –
data-sort- [ReCl<sub>4</sub>]<sup>−</sup>, —, Cs[ReCl<sub>4</sub>], Темно-црвени ромбови, бипирамиди, 0.2
data-sort- [ReCl<sub>6</sub>]<sup>2−</sup>, —, Cs<sub>2</sub>[ReCl<sub>6</sub>], Мали жолто-зелени октаедри, 0.5
ReO<sub>4</sub><sup>−</sup>, —, CsReO<sub>4</sub>, Тетрагонални бипирамиди, 0.13
Rh<sup>3+</sup>, KNO<sub>2</sub>, Cs<sub>3</sub>[Rh(NO<sub>2</sub>)<sub>6</sub>], Ќолти коцки, 0.1
Ru<sup>3+</sup>, —, Cs<sub>3</sub>[RuCl<sub>6</sub>], Розеви игли, –
data-sort- [RuCl<sub>6</sub>]<sup>2−</sup>, —, Cs<sub>2</sub>[RuCl<sub>6</sub>], Мали темноцрвени кристали, 0.8
Sb<sup>3+</sup>, —, Cs<sub>2</sub>[SbCl<sub>5</sub>]·''n''H<sub>2</sub>O, Шестоаголници, 0.16
Sb<sup>3+</sup>, NaI, Cs[SbI4] or Cs2[SbI5], Црвени шестоаголници, 0.1
Sn<sup>4+</sup>, —, Cs<sub>2</sub>[SnCl<sub>6</sub>], Мали октаедри, 0.2
TeO<sub>3</sub><sup>3−</sup>, HCl, Cs<sub>2</sub>[TeCl<sub>6</sub>], Светло жолти октаедри, 0.3
Tl<sup>3+</sup>, NaI, Cs[TlI4], Портокалово-црвени шестоаголници или правоаголници, 0.06
Се користи и за детекција на следните јони:
Јон, Придружни реагенси, Детекција, Лимит на детекција (μg/mL)
Al<sup>3+</sup>, K<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>, Безбојни кристали се формираат во неутрални медиуми по испарувањето, 0.01
Ga<sup>3+</sup>, KHSO<sub>4</sub>, Безбојни кристали се формираат при загревање, 0.5
Cr<sup>3+</sup>, KHSO<sub>4</sub>, Бледо-виолетовите кристали се таложат во малку кисели подлоги, 0.06
5.5 Медицина
Американското здружение за рак наведува дека „достапните научни докази не ги поддржуваат тврдењата дека нерадиактивните додатоци на цезиум хлорид имаат какво било влијание врз туморите“ со употреба на цезиум хлорид во натуропатската медицина. Агенцијата за храна и лекови предупреди за безбедносните ризици, вклучувајќи значителна токсичност на срцето и смрт, поврзани со употребата на цезиум хлорид во натуропатската медицина.
5.6 Јадрена медицина и радиографија
Цезиум хлоридот составен од радиоизотопи како што се <sup>137</sup>CsCl and <sup>131</sup>CsCl, се користи во јадрената медицина, вклучувајќи третман на рак (брахитерапија) и дијагноза на миокарден инфаркт. Во производството на радиоактивни извори, нормално е да се избере хемиска форма на радиоизотопот што нема лесно да се распрсне во околината во случај на несреќа. На пример, радиотермалните генератори (RTG) често користат стронциум титанат, кој е нерастворлив во вода. За изворите на телетерапија, сепак, радиоактивната густина (Ci во даден волумен) треба да биде многу висока, што не е можно со познати нерастворливи соединенија на цезиум. Контејнер во облик на напрсток со радиоактивен цезиум хлорид го обезбедува активниот извор.
5.7 Разни употреби
Цезиум хлоридот се користи во подготовката на електрично спроводливи очила[43][46] и екрани на цевки со катодни зраци. Во врска со ретки гасови, CsCl се користи во ексцимерните ламби и ексцимерните ласери. Други употреби вклучуваат активирање на електроди при заварување; производство на минерална вода, пиво дупчалици за каллива земја; и лемови со висока температура. Висококвалитетните единечни кристали на CsCl имаат широк опсег на транспарентност од УВ до инфрацрвеното подрачје и затоа се користеле за кивети, призми и прозорци во оптичките спектрометри; оваа употреба беше прекината со развојот на помалку хигроскопните материјали.
CsCl е моќен инхибитор на HCN каналите, кои ја носат h-струјата во ексцитабилните клетки како што се невроните. Затоа, може да биде корисен во електрофизиолошките експерименти во невронауката.
6 Токсичност
Цезиум хлоридот има ниска токсичност за луѓето и животните. Неговата средна смртоносна доза (LD<sub>50</sub>) кај глувците е 2300 mg на килограм телесна тежина за орална администрација и 910 mg/kg за интравенска инјекција. Благата токсичност на CsCl е поврзана со неговата способност да ја намали концентрацијата на калиум во телото и делумно да го замени во биохемиските процеси. Меѓутоа, кога се зема во големи количини, може да предизвика значителен дисбаланс на калиумот и да доведе до хипокалемија, аритмија и акутен срцев удар. Сепак, цезиум хлорид во прав може да ги иритира мукозните мембрани и да предизвика астма.
Поради неговата висока растворливост во вода, цезиум хлоридот е многу подвижен и може дури и да дифузира низ бетонот. Ова е недостаток на неговата радиоактивна форма која поттикнува потрага по помалку хемиски мобилни радиоизотопни материјали. Комерцијалните извори на радиоактивен цезиум хлорид се добро затворени во двојна челична обвивка. Меѓутоа, во несреќата во Гојанија во Бразил, таков извор кој содржи околу 93 грама <sup>137</sup>CsCl, бил украден од напуштена болница и принуден да се отвори од двајца чистачи. Синиот сјај емитуван во мракот од радиоактивниот цезиум хлорид ги привлекол крадците и нивните роднини кои не биле свесни за придружните опасности и го рашириле прашокот. Ова резултираше со една од најтешките несреќи со излевање на радијација во која 4 лица починаа во рок од еден месец од изложувањето, 20 покажаа знаци на радијациона болест, 249 луѓе беа контаминирани со радиоактивен цезиум хлорид, а околу илјада добија доза поголема од годишна количина од позадинско зрачење. Повеќе од 110.000 луѓе ги преплавија локалните болници, а неколку градски блокови мораа да бидат урнати во операциите за чистење. Во првите денови од контаминацијата, стомачни пореметувања и гадење поради зрачна болест доживеале неколку луѓе, но само по неколку дена едно лице ги поврзало симптомите со прашокот и им донело примерок на властите.