セシウム

セシウム（IUPACの綴り[6] ）（また綴ら セシウムでアメリカ英語）[注1]である化学元素を有するシンボル のCsと原子番号 これはソフト、銀色、金色で55アルカリ金属28.5の融点° C (83.3 °F)、これは、室温またはそれに近い温度で液体である唯一の 5 つの元素金属の1 つです。【注2】セシウムは、ルビジウムやカリウムと似た物理的・化学的性質を持つ. すべての金属の中で最も反応性が高く、自然発火性であり、-116 °C (-177 °F) でも水と反応します。これは、ポーリング スケールで 0.79 の値を持つ、最も電気陰性度の低い要素です。安定同位体はセシウム133しかありません。セシウムは主にポルサイトから採掘されますが、放射性同位体、特に核分裂生成物であるセシウム 137は、原子炉によって生成された廃棄物から抽出されます。

セシウム、  55のCs
液体のような質感と光沢のある淡い金色の金属をガラスアンプルに封入
セシウム
発音/ sのI Z I ə M / ​（ SEEの-zee-əm）
代替名セシウム（米国）
外観淡い金
標準原子量A r, std (Cs) 132.905 451 96 (6) [1]
周期表のセシウム
水素 ヘリウム
リチウム ベリリウム ボロン 炭素 窒素 酸素 フッ素 ネオン
ナトリウム マグネシウム アルミニウム ケイ素 リン 硫黄 塩素 アルゴン
カリウム カルシウム スカンジウム チタン バナジウム クロム マンガン 鉄 コバルト ニッケル 銅 亜鉛 ガリウム ゲルマニウム 砒素 セレン 臭素 クリプトン
ルビジウム ストロンチウム イットリウム ジルコニウム ニオブ モリブデン テクネチウム ルテニウム ロジウム パラジウム 銀 カドミウム インジウム 錫 アンチモン テルル ヨウ素 キセノン
セシウム バリウム ランタン セリウム プラセオジム ネオジム プロメチウム サマリウム ユーロピウム ガドリニウム テルビウム ジスプロシウム ホルミウム エルビウム ツリウム イッテルビウム ルテチウム ハフニウム タンタル タングステン レニウム オスミウム イリジウム 白金 ゴールド 水銀（元素） タリウム 鉛 ビスマス ポロニウム アスタチン ラドン
フランシウム ラジウム アクチニウム トリウム プロトアクチニウム ウラン ネプツニウム プルトニウム アメリシウム キュリウム バークリウム カリホルニウム アインスタイニウム フェルミウム メンデレビウム ノーベリウム ローレンシウム ラザホージウム ドブニウム シーボーギウム ボーリウム ハッシウム マイトネリウム ダームスタチウム レントゲニウム コペルニシウム ニホニウム フレロビウム モスコビウム リバモリウム テネシン オガネソン
Rb
↑
Cs
↓
Fr
キセノン←セシウム→バリウム
原子番号 ( Z )55
グループグループ 1: 水素およびアルカリ金属
限目期間6
ブロック  s-ブロック
電子配置[ Xe ] 6s 1
シェルあたりの電子2、8、18、18、8、1
物理的特性
フェーズでの STP固体
融点301.7  K (28.5 °C、 83.3 °F)
沸点944 K (671 °C、 1240 °F)
密度 ( rt に近い )1.93g/cm 3
液体の場合 (  mp で)1.843g/cm 3
臨界点1938 K、9.4 MPa [2]
融合熱2.09kJ  /モル
気化熱63.9kJ/モル
モル熱容量32.210 J/(モル・K)
蒸気圧
P （パ） 1 10 100 1k 10k 100k
で T （K） 418 469 534 623 750 940
原子特性
酸化状態−1, +1 [3] (強塩基性酸化物)
電気陰性度ポーリングスケール: 0.79
イオン化エネルギー
  • 1回目：375.7kJ/mol
  • 2回目：2234.3kJ/mol
  • 3回目：3400kJ/mol
原子半径経験的: 265  pm
共有結合半径244±11時
ファンデルワールス半径午後343時
スペクトル範囲のカラー ライン
セシウムのスペクトル線
その他の物件
自然発生原始的な
結晶構造 ​体心立方(bcc)
セシウムの体心立方晶構造
熱膨張97 µm/(m<0xE2><0xE2><0x8B><0x85><0x85>KK) (at 25 °C)
熱伝導率35.9 W/(m集合<0xE2><0x85><0x85>K)
電気抵抗率205 nΩ 摂氏偏偏 (20 °C で)
磁気秩序常磁性[4]
ヤング率1.7GPa
体積弾性率1.6GPa
モース硬度0.2
ブリネル硬さ0.14MPa
CAS番号7440-46-2
歴史
ネーミングラテン語のcaesiusから、空色、そのスペクトル色
発見ロベルト・ブンゼンとグスタフ・キルホフ(1860)
最初の隔離カール・セッターバーグ(1882)
セシウムの主な同位体
アイソトープ 豊富 半減期( t 1/2 ) ディケイモード 製品
133セシウム100% 安定した
134セシン 2.0648年 ε 134 Xe
β − 134バ
135 Csの痕跡 2.3×10 6  Yβ −135バ
137 Csの シン 30.17年[5]β −137バ
カテゴリー カテゴリー: セシウム
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ドイツの 化学者 ロバートブンゼンと物理学者グスタフ・キルヒホフは、新たに開発された方法により、1860年にセシウムを発見された火炎分光法。セシウムの最初の小規模な用途は、真空管や光電池の「ゲッター」としてでした。1967 年、光の速度が宇宙で最も一定の次元であるというアインシュタインの証明に基づいて、国際単位系はセシウム 133 の発光スペクトルからの 2 つの特定の波数を使用して、秒とメートルを共同定義しました。それ以来、セシウムは精度の高い原子時計に広く使われています。

1990年代以降、最大の要素の適用は、のようになっているセシウムギ用掘削流体が、エレクトロニクス、及び化学において、電気の生産における用途の範囲を有します。放射性同位体セシウム 137 の半減期は約 30 年で、医療用途、工業用ゲージ、水文学で使用されています。非放射性セシウム化合物の毒性は軽度ですが、純金属は水と爆発的に反応する傾向があるため、セシウムは有害物質と見なされ、放射性同位元素は環境に重大な健康と生態系の危険をもたらします。

物理的特性

Y-shaped yellowish crystal in glass ampoule, looking like the branch of a pine tree
アルゴンに貯蔵された高純度セシウム133 。

室温で固体であるすべての元素の中で、セシウムは最も柔らかく、硬度は 0.2 モースです。これは非常に延性のある淡い金属で、微量の酸素が存在すると暗くなります。[11] [12] [13]鉱油が存在する場合(輸送中に保管するのが最適な場合)、金属光沢が失われ、より鈍い灰色の外観になります。それは持って融点がそれ液体の近くにあるいくつかの元素金属の一つ作り、28.5°C（83.3°F）のを、室温。水銀は、セシウムよりも融点が低いことがわかっている唯一の安定した金属元素です。[注記 3] [15]また、この金属の沸点は 641 °C (1,186 °F) とかなり低く、水銀以外のすべての金属の中で最も低いです。[16]その化合物は、青[17] [18]または紫[18] の色で燃えます。

セシウム結晶（金色）とルビジウム結晶（銀色）の 比較

セシウムは、他のアルカリ金属、金、水銀 (アマルガム)と合金を形成します。650 °C (1,202 °F) 未満の温度では、コバルト、鉄、モリブデン、ニッケル、プラチナ、タンタル、またはタングステンとは合金になりません。それは、感光性のアンチモン、ガリウム、インジウム、およびトリウムと明確に定義された金属間化合物を形成します。[11]それは他のすべてのアルカリ金属 (リチウムを除く) と混合します。合金モル41％のセシウム、47％の分布カリウム、及び12％ナトリウムは-78℃（-108°F）で、任意の既知の金属合金の最も低い融点を有します。[15] [19]いくつかのアマルガムが研究されている: CsHg
2は黒色で紫色の金属光沢があり、CsHg は金色で金属光沢があります。[20]

セシウムの黄金色は、グループが下降するにつれてアルカリ金属の電子を励起するのに必要な光の周波数が減少することに由来します。リチウムからルビジウムの場合、この周波数は紫外線にありますが、セシウムの場合、スペクトルの青紫の端に入ります。つまり、アルカリ金属のプラズモン周波数は、リチウムからセシウムに向かって低くなります。したがって、セシウムは紫の光を優先的に透過し、部分的に吸収しますが、他の色 (周波数が低い) は反射します。そのため黄色っぽく見える。[21]

化学的特性

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少量のセシウムを冷水に加えると爆発的です。

セシウム金属は反応性が高く、自然発火性が非常に高い。空気中で自然発火し、低温でも水と爆発的に反応し、他のアルカリ金属(周期表第1族)に比べて爆発性が高い。[11] -116 °C (-177 °F) の低温で氷と反応します。[15]この高い反応性のため、セシウム金属は危険物に分類されます。鉱油などの乾燥した飽和炭化水素に入れて保管および出荷されます。アルゴンなどの不活性ガス下でのみ取り扱い可能です。しかし、セシウム水の爆発は、多くの場合、より少ない強力であるナトリウムナトリウムの同様の量の-水の爆発。これは、セシウムが水に触れるとすぐに爆発し、水素が蓄積する時間がほとんどないためです。[22]セシウムは、真空密封されたホウケイ酸ガラスのアンプルに保存できます。約 100 グラム (3.5 オンス) を超える量のセシウムは、密閉されたステンレス鋼の容器で出荷されます。[11]

セシウムの化学的性質は、他のアルカリ金属、特に周期表でセシウムより上の元素であるルビジウムの化学的性質と類似しています。[23]アルカリ金属に期待されるように、唯一の一般的な酸化状態は +1 です。[注 4]他の (非放射性) アルカリ金属に比べて原子量が大きく、電気的に陽性であるという事実から、いくつかの小さな違いが生じます。[25]セシウムは、最も電気陽性の化学元素です。[注 5] [15]セシウム イオンも、軽いアルカリ金属のセシウム イオンよりも大きく、「硬くない」です。

化合物

27 small grey spheres in 3 evenly spaced layers of nine. 8 spheres form a regular cube and 8 of those cubes form a larger cube. The grey spheres represent the caesium atoms. The center of each small cube is occupied by a small green sphere representing a chlorine atom. Thus, every chlorine is in the middle of a cube formed by caesium atoms and every caesium is in the middle of a cube formed by chlorine.
CsClにおけるCsとClの3次配位の球棒モデル

ほとんどのセシウム化合物には、この元素が陽イオン Csとして含まれています。+
、さまざまな陰イオンにイオン結合します。1 つの注目すべき例外は、caeside陰イオン ( Cs−
)、[3]およびその他は、いくつかの亜酸化物です (以下の酸化物のセクションを参照)。

Cs + の塩は、陰イオン自体が着色されていない限り、通常は無色です。単純な塩の多くは吸湿性ですが、対応する軽いアルカリ金属の塩ほど吸湿性はありません。リン酸、[27] アセテート、炭酸塩、ハロゲン化物、酸化物、硝酸塩、及び硫酸塩が水溶性です。複塩は溶解度が低いことが多く、硫酸アルミニウムセシウムの溶解度が低いことは、鉱石からのセシウムの精製に利用されます。アンチモンとの複塩（CsSbClなど）
4)、ビスマス、カドミウム、銅、鉄、鉛も溶けにくい。[11]

水酸化セシウム(CsOH) は吸湿性があり、強塩基性です。[23]シリコンなどの半導体の表面を急速にエッチングします。[28] CsOH は以前、化学者によって「最も強い塩基」と見なされていました。これは、大きな Cs +イオンと OH - の間の比較的弱い引力を反映していることを反映しています。[17]それは確かに最強のアレニウス基地です。しかしながら、そのような化合物の数のnブチルリチウム、ナトリウムアミド、水素化ナトリウム、炭酸セシウム、水素化、それに激しく反応ではなく一部のみに使用される水に溶解することができないなど、無水極性非プロトン性溶媒が、はるかに塩基性でありますブレンステッド-ローリー酸-塩基理論に基づいています。[23]

化学量論セシウムとの混合物を金黄色形成するために反応する金化セシウム（CS +金-加熱時に）。ここでの金陰イオンは、擬ハロゲンとして振る舞う。この化合物は水と激しく反応し、水酸化セシウム、金属金、水素ガスを生成します。液体アンモニアでは、セシウム特異的イオン交換樹脂と反応して、テトラメチルアンモニウムオーリドを生成します。類似の白金化合物である赤色セシウム白金（Cs 2 Pt）には、疑似カルコゲンとして振る舞う白金イオンが含まれています。[29]

コンプレックス

すべての金属陽イオンと同様に、Cs +は溶液中でルイス塩基と錯体を形成します。そのサイズが大きいため、Cs +は通常、より小さいアルカリ金属カチオンの典型的な数である 6 よりも大きい配位数を採用します。この違いは、CsCl の 8 配位で明らかです。この高い配位数と柔軟性（共有結合を形成する傾向が）特性はCsの分離に利用される+の核廃棄物の浄化に他のカチオンから137のCs +は、非放射性Kの大量から分離されなければなりません+。[30]

ハロゲン化物

二層カーボンナノチューブの内部に成長した単原子ハロゲン化セシウム線 （ TEM像）。 [31]

フッ化セシウム(CsF) は、フッ化物アニオンの供給源として有機フッ素化学で広く使用されている吸湿性の白色固体です。[32]フッ化セシウムは岩塩構造を持っています。これは、塩化ナトリウム中のNa +と Cl -と同様に、Cs +と F -が立方最密配列に詰め込まれていることを意味します。[23]特に、セシウムとフッ素は、すべての既知の元素の中で、それぞれ最も低い電気陰性度と最も高い電気陰性度を持っています。

塩化セシウム(CsCl) は、単純な立方晶系で結晶化します。「塩化セシウム構造」とも呼ばれる[25]この構造モチーフは、2 原子ベースの原始立方格子で構成されており、それぞれが 8配位になっています。塩化物原子は立方体の端にある格子点にあり、セシウム原子は立方体の中心にある穴にあります。この構造は、CsBrとCsI、および Cs を含まない他の多くの化合物と共通です。対照的に、他のほとんどのアルカリ性ハロゲン化物は、塩化ナトリウム(NaCl) 構造を持っています。[25] CsのためのCsCl構造が好ましい+を有するイオン半径174の PM及びClで−
午後181時。[33]

酸化物

The stick and ball diagram shows three regular octahedra, which are connected to the next one by one surface and the last one shares one surface with the first. All three have one edge in common. All eleven vertices are purple spheres representing caesium, and at the center of each octahedron is a small red sphere representing oxygen.
Cs
11〇
3 集まる

セシウムは他のアルカリ金属に比べて、酸素と多数の二元化合物を形成します。セシウムが空気中で燃焼すると、超酸化物 CsO
2が主力商品です。[34]「通常の」酸化セシウム( Cs
2O ) 黄橙色の六角形の結晶[35]を形成し、抗CdCl の唯一の酸化物です。2タイプ。[36] 250 °C (482 °F) で気化し、セシウム金属と過酸化物 Cs に分解します。
2〇
2400 °C (752 °F) を超える温度で。スーパーオキシドとオゾニド CsOに加えて
3、[37] [38]いくつかの明るい色の亜酸化物も研究されています。[39]これらにはCs が含まれます
7O、Cs
4O、Cs
11〇
3、Cs
3O（ダークグリーン[40]）、CsO、Cs
3〇
2、[41]、およびCs
7〇
2. [42] [43]後者は、Csを生成するために真空中で加熱することができます。
2O。[36]硫黄、セレン、テルルを含む二元化合物も存在します。[11]

同位体

セシウムには、質量数(つまり、核内の核子数) が 112 から 151 の範囲の39 の既知の同位体があります。 これらのいくつかは、古い星の内部の低速中性子捕獲プロセス ( S プロセス)によって軽い元素から合成されます[44]およびR-プロセスにおける超新星爆発。[45]唯一の安定したセシウムの同位体は、78個の中性子を持つ133 Csです。大きな核スピンを持っていますが(7/2+)核磁気共鳴研究では、この同位体を 11.7 MHz の共鳴周波数で使用できます 。[46]

A graph showing the energetics of caesium-137 (nuclear spin: I=.mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output .sfrac.tion,.mw-parser-output .sfrac .tion{display:inline-block;vertical-align:-0.5em;font-size:85%;text-align:center}.mw-parser-output .sfrac .num,.mw-parser-output .sfrac .den{display:block;line-height:1em;margin:0 0.1em}.mw-parser-output .sfrac .den{border-top:1px solid}.mw-parser-output .sr-only{border:0;clip:rect(0,0,0,0);height:1px;margin:-1px;overflow:hidden;padding:0;position:absolute;width:1px}7/2+, half-life of about 30 years) decay. With a 94.6% probability, it decays by a 512 keV beta emission into barium-137m (I=11/2-, t=2.55min); this further decays by a 662 keV gamma emission with an 85.1% probability into barium-137 (I=.mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output .sfrac.tion,.mw-parser-output .sfrac .tion{display:inline-block;vertical-align:-0.5em;font-size:85%;text-align:center}.mw-parser-output .sfrac .num,.mw-parser-output .sfrac .den{display:block;line-height:1em;margin:0 0.1em}.mw-parser-output .sfrac .den{border-top:1px solid}.mw-parser-output .sr-only{border:0;clip:rect(0,0,0,0);height:1px;margin:-1px;overflow:hidden;padding:0;position:absolute;width:1px}3/2+). Alternatively, caesium-137 may decay directly into barium-137 by a 0.4% probability beta emission.
セシウム137の崩壊

放射性135 Cs の半減期は約 230 万年と非常に長く、セシウムのすべての放射性同位体の中で最も長いものです。137 Csと134 Cs の半減期は、それぞれ 30 年と 2 年です。137 Cs はベータ崩壊によって短寿命の137m Ba に分解され、次に非放射性バリウムに分解されますが、134 Cs は直接134 Ba に変わります。質量数が 129、131、132、136 の同位体の半減期は 1 日から 2 週間ですが、他のほとんどの同位体の半減期は数秒から数分の 1 です。少なくとも 21 の準安定核異性体が存在します。以外に134メートルのCs（ちょうど下で3時間の半減期）、すべて数分以内の半減期と非常に不安定と崩壊しています。[47] [48]

同位体135 Cs は、原子炉で生成される長寿命のウラン核分裂生成物の1 つです。[49]しかし、この核分裂生成物の収量は、前任者の135 Xeが強力な中性子毒であり、135 Cs に崩壊する前に安定した136 Xeに変化することが多いため、ほとんどの原子炉で減少します。[50] [51]

ベータ崩壊から137のまでのCs 137メートルBaが強い放射であるガンマ線。[52] 137 Cs と90 Srは核分裂の主要な中寿命生成物であり、数年の冷却の後、数百年続く使用済み核燃料からの主要な放射能源です。[53]これらの 2 つの同位体は、チェルノブイリ災害の地域における最大の残留放射能源です。[54]捕獲率が低いため、中性子捕獲による137 Cs の処分は現実的ではなく、現在の唯一の解決策は、時間をかけて崩壊させることである。[55]

核分裂から生成されるほとんどすべてのセシウムは、もともとはより中性子に富んだ核分裂生成物のベータ崩壊から生じ、ヨウ素とキセノンのさまざまな同位体を通過します。[56]ヨウ素とキセノンは揮発性があり、核燃料や空気を介して拡散する可能性があるため、放射性セシウムは核分裂の元の場所から遠く離れた場所で生成されることがよくあります。[57] 1950 年代から 1980 年代にかけての核実験により、137 Cs が大気中に放出され、放射性降下物の成分として地表に戻ってきました。当時の土壌や堆積物の動きをすぐに知ることができるマーカーです。[11]

発生

A white mineral, from which white and pale pink crystals protrude
セシウム鉱物のポルサイト

セシウムは平均3と推定比較的まれな要素であり、 百万分の一に地球の地殻。[58]それは 45 番目に豊富な元素であり、金属の中で 36 番目です。それにもかかわらず、それはアンチモン、カドミウム、スズ、タングステンなどの元素よりも豊富で、水銀や銀よりも2桁多い。それは、化学的に密接に関連しているルビジウムと同じ 3.3% 豊富です。[11]

イオン半径が大きいため、セシウムは「不適合元素」の1 つです。[59]中マグマ結晶化、セシウムは、液相中で濃縮し、最後に結晶化されます。したがって、セシウムの最大の鉱床は、この濃縮プロセスによって形成されたゾーンペグマタイト鉱体です。セシウムはルビジウムのようにカリウムの代わりになりにくいため、アルカリ蒸発岩の鉱物であるシルバイト(KCl) とカーナライト( KMgCl
3・6H
2O ) は 0.002% のセシウムしか含まない場合があります。したがって、セシウムはほとんどの鉱物に含まれていません。ベリルに含まれるセシウムのパーセンテージ( Be
3アル
2(SiO
3)
6) とアボガドロ石( (K,Cs)BF
4）、最大15重量％のCs 2密接に関連する鉱物でOペツォッタイト（Csは（BE
2リ）アル
2シ
6〇
18）、最大8.4重量％のCs 2希少鉱物でO londonite（（CS、K）アル
4なる
4(B,Be)
12〇
28)、そしてより普及しているロディザイトでは少ない。[11]セシウムにとって経済的に重要な唯一の鉱石はポルサイト Cs(AlSi
2〇
6）、より多くの商業的に重要な関連付けられたゾーニングペグマタイトで、世界中のいくつかの場所で発見されたリチウムミネラル、レピドライトとペタライト。ペグマタイト内では、粒度が大きく、鉱物の分離が強いため、採掘用の高品位の鉱石が得られます。[60]

世界で最も重要で最も豊富なセシウムの供給源は、カナダのマニトバ州バーニック湖にあるタンコ鉱山であり、世界の埋蔵量の 3 分の 2 以上を占める350,000トンのポルサイト鉱石を含むと推定されています 。[60] [61]ポルサイト中のセシウムの化学量論的含有量は 42.6% ですが、この鉱床から採取された純粋なポルサイトのサンプルには、セシウムが約 34% しか含まれていませんが、平均含有量は 24 wt% です。[61]商業用ポルサイトには、19% 以上のセシウムが含まれています。[62]ジンバブエのビキタペグマタイト鉱床は、その葉長石のために採掘されていますが、かなりの量のポルサイトも含まれています。ポルサイトのもう 1 つの注目すべき発生​​源は、ナミビアのカリビブ砂漠です。[61]年間 5 ～ 10 メートル トンの世界の鉱山生産量の現在の率では、埋蔵量は数千年続きます。[11]

ポルサイト鉱石の採掘と精製は選択的なプロセスであり、他のほとんどの金属よりも小規模で行われます。鉱石は粉砕され、手作業で選別されますが、通常は濃縮されず、粉砕されます。セシウムは、主に、酸分解、アルカリ分解、直接還元の 3 つの方法でポルサイトから抽出されます。[11] [63]

酸分解では、ケイ酸塩汚染岩石は、塩酸(HCl)、硫酸( H
2そう
4)、臭化水素酸(HBr)、またはフッ化水素酸(HF)。塩酸により、可溶性塩化物の混合物が生成され、セシウムの不溶性塩化物複塩がセシウムアンチモン塩化物（Cs
4SbCl
7）、ヨウ化セシウム（Cs
2ICl )、またはセシウム ヘキサクロロセレート( Cs
2(CeCl
6) )。分離後、純粋な沈殿複塩は分解され、水を蒸発させることにより純粋なCsClが沈殿します。

硫酸法では、不溶性複塩がセシウムミョウバン( CsAl(SO
4)
2・12H
2〇）。硫酸アルミニウム成分を不溶性に変換され、酸化アルミニウムとミョウバンを焙煎することによって炭素、及び得られた生成物をれる浸出生成する水とのCsを
2そう
4解決。[11]

炭酸カルシウムと塩化カルシウムでポルサイトを焙煎すると、不溶性ケイ酸カルシウムと可溶性塩化セシウムが生成されます。水または希アンモニア( NH
4OH ) は、希塩化物 (CsCl) 溶液を生成します。この溶液を蒸発させて塩化セシウムを生成したり、セシウムミョウバンや炭酸セシウムに変換したりできます。商業的に実行可能ではありませんが、鉱石は真空中でカリウム、ナトリウム、またはカルシウムで直接還元でき、セシウム金属を直接生成できます。[11]

採掘されたセシウム (塩として) のほとんどは、石油掘削などの用途のためにギ酸セシウム(HCOO - Cs + ) に直接変換されます。発展途上の市場に供給するために、キャボット コーポレーションは 1997 年にマニトバ州バーニック湖近くのタンコ鉱山に年間12,000 バレル (1,900 m 3 ) のギ酸セシウム溶液を生産する生産プラントを建設しました。[64]セシウムの主要な小規模な商用化合物は、塩化セシウムと硝酸塩です。[65]

あるいは、鉱石由来の精製化合物からセシウム金属を得ることができる。塩化セシウムとその他のハロゲン化セシウムは、700 ～ 800 °C (1,292 ～ 1,472 °F) でカルシウムまたはバリウムを使用して還元でき、その結果から蒸留されたセシウム金属を使用できます。同様に、アルミン酸塩、炭酸塩、または水酸化物は、マグネシウムによって還元される可能性があります。[11]

金属は、溶融シアン化セシウム(CsCN) の電気分解によっても分離できます。アジ化セシウムCsN を390 °C (734 °F) で熱分解することにより、非常に純粋でガスのないセシウムを生成できます。
3硫酸セシウム水溶液とアジドバリウムから生成できます。[63]真空用途では、重クロム酸セシウムをジルコニウムと反応させて、他のガス状生成物なしで純粋なセシウム金属を生成することができます。[65]

Cs
2Cr
2〇
7+ 2 Zr → 2 Cs + 2 ZrO
2+ Cr
2〇
3

2009 年の純度 99.8% のセシウム (金属ベース) の価格は、1 グラムあたり約 10 ドル (280 ドル/オンス) でしたが、化合物は大幅に安価です。[61]

Three middle-aged men, with the one in the middle sitting down. All wear long jackets, and the shorter man on the left has a beard.
Gustav Kirchhoff (左) と Robert Bunsen (中央) は、新しく発明された分光器でセシウムを発見しました。

1860年、ロベルト・ブンゼンとグスタフ・キルヒホフは、ドイツのデュルクハイムのミネラルウォーターからセシウムを発見しました。発光スペクトルに明るい青色の線があるため、名前はラテン語のcaesius (空色を意味する) に由来しています。[注 6] [66] [67] [68]セシウムは、わずか 1 年前にブンゼンとキルホフによって発明された分光器で発見された最初の元素でした。[15]

セシウムの純粋なサンプルを得るには、44,000 リットル (9,700 インプ ガロン; 12,000 米国ガロン) のミネラル ウォーターを蒸発させて、240 キログラム (530 ポンド) の濃縮塩溶液を得る必要がありました。アルカリ土類金属は、硫酸塩、またはのいずれかとして沈殿させたシュウ酸塩溶液中のアルカリ金属を残します。硝酸塩に変換し、エタノールで抽出した後、ナトリウムを含まない混合物が得られた。この混合物から、炭酸アンモニウムによってリチウムが沈殿した。カリウム、ルビジウム、セシウムは塩化白金酸と不溶性の塩を形成しますが、これらの塩は熱水への溶解度にわずかな違いを示し、セシウムとルビジウムのヘキサクロロ白金酸 ((Cs,Rb) 2 PtCl 6 ) は分別結晶によって得られました。. ヘキサクロロ白金酸を水素で還元した後、アルコールへの炭酸塩の溶解度の違いによってセシウムとルビジウムが分離されました。このプロセスにより、最初の 44,000 リットルのミネラルウォーターから9.2 グラム (0.32 オンス) の塩化ルビジウムと 7.3 グラム (0.26 オンス) の塩化セシウムが生成されました。[67]

2 人の科学者は、塩化セシウムから、新しい元素の原子量を 123.35 と見積もった (現在受け入れられている 132.9 と比較して)。[67]彼らは溶融塩化セシウムの電気分解によって元素セシウムを生成しようとしましたが、金属の代わりに、「肉眼でも顕微鏡でも金属物質の痕跡はほとんど見られない」青色の均質な物質が得られました。その結果、彼らはそれを亜塩化物( Cs
2Cl )。実際には、生成物はおそらく金属と塩化セシウムのコロイド混合物でした。[69]塩化物の水溶液を水銀陰極で電気分解すると、水性条件下で容易に分解するセシウム アマルガムが生成された。[67]純粋な金属は、最終的にドイツの化学者、カール・セッターバーグがケクレとブンゼンと共に博士号を取得した際に分離した. [68] 1882 年、彼はシアン化セシウムを電気分解してセシウム金属を製造し、塩化物の問題を回避しました。[70]

歴史的に、セシウムの最も重要な用途は、主に化学および電気分野の研究開発です。セシウムが 2 つの機能を持つラジオ真空管で使用されるようになる 1920 年代まで、セシウムの用途はほとんどありませんでした。ゲッターとして、製造後に余分な酸素を除去し、加熱されたカソードのコーティングとして、電気伝導度を高めました。セシウムは、1950 年代まで高性能産業用金属として認識されませんでした。[71]非放射性セシウムの用途には、光電セル、光電子増倍管、赤外線分光光度計の光学部品、いくつかの有機反応の触媒、シンチレーション カウンター用の結晶、および磁気流体力学的発電機が含まれます。[11]セシウムは、二次イオン質量分析法(SIMS)の正イオン源としても使用され、現在も使用されています。

1967 年以来、国際単位系は、セシウムの特性に基づいて時間の主要な単位である 2 番目の単位に基づいています。国際単位系（SI）は、9192631770サイクルの持続時間のような第2の定義されたマイクロ波 周波数のスペクトル線2つの間の遷移に対応する超微細 エネルギー準位の基底状態のセシウム133。[72] 1967 年の第 13 回国際度量衡総会では、「セシウム 133 原子の基底状態の超微細遷移によって吸収または放出された、外部電界によって妨害されないマイクロ波光の 9,192,631,770 サイクルの持続時間」と定義されました。

石油探査

非放射性セシウムの現在最大の使用は、抽出油産業向けのギ酸セシウム 掘削泥水です。[11]ギ酸セシウム (HCOO - Cs + ) の水溶液-水酸化セシウムをギ酸と反応させて作られる-は、1990 年代半ばに、油井の掘削および完成液として使用するために開発されました。掘削流体の機能は、掘削ビットを潤滑し、削岩を地表に運び、井戸の掘削中に地層への圧力を維持することです。完成液は、圧力を維持することにより、掘削後、生産前に制御ハードウェアの設置を支援します。[11]

高密度のギ酸セシウム塩水 (最大 2.3 g/cm 3または 1 ガロンあたり 19.2 ポンド) [73]は、ほとんどのセシウム化合物の比較的穏やかな性質と相まって、中の有毒な高密度浮遊固形物の必要量を減らします。掘削流体 - 技術的、工学的、環境的に重要な利点。他の多くの重い液体の成分とは異なり、ギ酸セシウムは比較的環境に優しいです。[73]ギ酸セシウム塩水は、ギ酸カリウムおよびギ酸ナトリウムとブレンドして、液体の密度を水の密度 (1.0 g/cm 3または 8.3 ポンド/ガロン)に下げることができます。さらに、それは生分解性であり、リサイクルすることができます。これは、コストが高い ( 2001 年に1バレルあたり約 4,000 ドル) ことを考えると重要です。[74]アルカリ ギ酸塩は安全に取り扱い、腐食性の代替高密度ブライン (臭化亜鉛 ZnBr
2解決策）時々行います。また、清掃が少なくて済み、廃棄コストも削減されます。[11]

原子時計

A room with a black box in the foreground and six control cabinets with space for five to six racks each. Most, but not all, of the cabinets are filled with white boxes.
アメリカ海軍天文台の原子時計アンサンブル
A laboratory table with some optical devices on it.
スイスの連続冷セシウム噴水原子時計 FOCS-1 は、2004 年に 3000 万年に 1 秒の不確実性で動作を開始しました。

セシウムベースの原子時計は、セシウム 133 原子の超微細構造における電磁遷移を基準点として使用します。最初の正確なセシウム時計は、1955 年に英国の国立物理研究所でルイ エッセンによって作成されました。[75]セシウム時計は過去半世紀にわたって改良されており、「人類がこれまでに達成した単位の最も正確な実現」と見なされています。[72]これらの時計は、10 14分の 2 から 3 分の 1 の誤差で周波数を測定します。これは、1 日あたり2ナノ秒、つまり 140 万年で 1秒の精度に相当し ます。最新バージョンは、10 15 分の1、2000 万年で約 1 秒よりも正確です。[11]セシウム標準は、標準に準拠した時間及び周波数測定のための主要な標準です。[76]セシウム時計は、携帯電話ネットワークとインターネットのタイミングを調整します。[77]

国際単位系

2 番目の記号 s は、SI 時間の単位です。これは、セシウム 133 原子の非摂動基底状態超微細遷移周波数であるセシウム周波数Δ ν Csの固定数値を取ることによって定義されます。9 192 631 770単位Hzで表すと、s -1 に等しくなります。

電力・電子

セシウム蒸気熱電子発生器は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する低電力デバイスです。2 電極真空管コンバーターでは、セシウムがカソード近くの空間電荷を中和し、電流の流れを強化します。[78]

セシウムは、光を電子の流れに変換する光放出特性にも重要です。金属間化合物Kなどのセシウム ベースのカソードが使用されるため、光電セルに使用されます。
2CsSb は、電子放出のしきい値電圧が低い。[79]セシウムを使用する光電子放出装置の範囲には、光学式文字認識装置、光電子増倍管、およびビデオカメラ管が含まれます。[80] [81]それにもかかわらず、ゲルマニウム、ルビジウム、セレン、シリコン、テルル、および他のいくつかの元素は、感光材料のセシウムの代わりに使用できます。[11]

ヨウ化セシウム(CsI)、臭化物(CsBr)、フッ化セシウム (CsF) の結晶は、ガンマ線やX 線を検出するための鉱物探査や素粒子物理学研究で広く使用されているシンチレーション カウンターのシンチレータに使用されます。セシウムは重い元素であるため、優れた阻止能と検出力を提供します。セシウム化合物は、より速い応答 (CsF) を提供し、より少ない吸湿性 (CsI) を提供します。

セシウム蒸気は、多くの一般的な磁力計で使用されています。[82]

この元素は、分光光度計の内部標準として使用されます。[83]他のアルカリ金属と同様、セシウムは酸素との親和性が高く、真空管の「ゲッター」として使用されます。[84]この金属の他の用途には、高エネルギーレーザー、蒸気グロー ランプ、蒸気整流器などがあります。[11]

遠心分離液

高密度のセシウムイオンにより、塩化セシウム、硫酸セシウム、トリフルオロ酢酸セシウム( Cs(O
2CCF
3) ) 密度勾配超遠心分離のための分子生物学において有用です。[85]この技術は、主にウイルス粒子、細胞内小器官および画分、および生体サンプルからの核酸の分離に使用されます。[86]

化学薬品および医療用

Some fine white powder on a laboratory watch glass
塩化セシウム粉末

セシウムを使用する化学用途は比較的少ない。[87]セシウム化合物をドープすると、アクリル酸、アントラキノン、エチレンオキシド、メタノール、無水フタル酸、スチレン、メチルメタクリレートモノマー、およびさまざまなオレフィンなどの化学合成用のいくつかの金属イオン触媒の有効性が向上します。また、触媒の変換に使用される二酸化硫黄に三酸化硫黄の製造において硫酸。[11]

フッ化セシウムでニッチ使用楽しん有機化学のような塩基[23]とのような無水の源フッ化物イオン。[88]セシウム塩は、環化、エステル化、重合などの有機合成において、カリウムまたはナトリウム塩に取って代わることがあります。セシウムは、熱ルミネッセンス放射線線量測定(TLD)でも使用されています。放射線にさらされると、結晶欠陥を獲得し、加熱すると、受け取った線量に比例した発光で戻ります。このように、光電子増倍管で光パルスを測定することで、蓄積された放射線量を定量化することができます。

核および同位体のアプリケーション

セシウム 137は、産業用途でガンマ放射体として一般的に使用される放射性同位体です。その利点には、約 30 年の半減期、核燃料サイクルからの入手可能性、および安定した最終製品としての137 Ba があることが含まれます。水溶性が高いことは、食品や医療用品用の大型プール照射装置に適合しないという欠点があります。[89]農業、癌治療、食品、下水汚泥、手術器具の殺菌に使用されています。[11] [90]放射線装置中のセシウムの放射性同位体は、特定の種類の癌を治療するために医療分野で使用された[91]が、より優れた代替品の出現と、ソースでの水溶性塩化セシウムの使用により、広範囲にわたる汚染により、これらのセシウム源の一部は徐々に使用できなくなります。[92] [93]セシウム 137 は、水分、密度、レベリング、および厚さのゲージを含む、さまざまな工業用測定ゲージで使用されています。[94]これは、地層の嵩密度に類似した、岩石層の電子密度を測定するための検層装置でも使用されています。[95]

セシウム 137 は、トリチウムと同様の水文研究で使用されています。1950 年代から 1980 年代半ばにかけての核分裂爆弾試験の娘生成物として、セシウム 137 が大気中に放出され、そこで容易に溶液に吸収されました。その期間内の既知の年ごとの変動は、土壌および堆積層との相関関係を可能にします。セシウム 134 と、それほどではないがセシウム 135 も、原子力発電産業によるセシウム出力を測定するために水文学で使用されてきた。セシウム 133 やセシウム 137 ほど普及していないものの、これらのベルウェザー同位体は人為的発生源からのみ生成されます。[96]

その他の用途

Electrons beamed from an electron gun hit and ionize neutral fuel atoms; in a chamber surrounded by magnets, the positive ions are directed toward a negative grid that accelerates them. The force of the engine is created by expelling the ions from the rear at high velocity. On exiting, the positive ions are neutralized from another electron gun, ensuring that neither the ship nor the exhaust is electrically charged and are not attracted.
セシウムまたは水銀燃料用に開発された静電式イオン推進機の概略図

セシウムと水銀は、非常に長い惑星間または惑星外ミッションでの宇宙船の推進のために設計された初期のイオン エンジンの推進剤として使用されました。燃料は、帯電したタングステン電極と接触することによりイオン化されました。しかし、宇宙船の部品のセシウムによる腐食は、地上での試験で扱いやすく、宇宙船への潜在的な損傷が少ないキセノンなどの不活性ガス推進剤の開発を推進しています。[11] 1998 年に打ち上げられた実験用宇宙船ディープ スペース 1にはキセノンが使用された[97] [98]にもかかわらず、セシウムなどの液体金属イオンを加速する電界放出電気推進スラスターが構築されている。[99]

硝酸セシウムをとして使用され、酸化剤及び火工色材燃焼するシリコンに赤外線 フレア、[100]このようなLUU-19フレアとして[101]それにその光の大部分を放出するため、近赤外スペクトル。[102]セシウムは、ロッキード A-12 CIA偵察機の排気プルームのレーダー反射を減らすために開発された可能性があります。[103]セシウムとルビジウムは、電気伝導率を低下させ、光ファイバーや暗視装置の安定性と耐久性を向上させるため、炭酸塩としてガラスに添加されています。フッ化セシウムまたはフッ化セシウム アルミニウムは、マグネシウムを含むアルミニウム合金のろう付け用に調合されたフラックスに使用されます。[11]

磁気流体力学 (MHD) 発電システムが研究されましたが、広く受け入れられませんでした。[104]セシウム金属も、高温ランキン サイクルターボ発電機の作動流体と見なされてきました。[105]

セシウム塩は、ヒ素薬の投与後の抗ショック剤として評価されています。ただし、心臓のリズムに影響を与えるため、カリウムまたはルビジウム塩よりも使用される可能性は低くなります。それらはてんかんの治療にも使用されています。[11]

セシウム 133 はレーザー冷却され、量子物理学の基本的および技術的問題を調査するために使用できます。これは、調整可能な相互作用を必要とする極低温原子の研究を可能にする、特に便利なFeshbachスペクトルを備えています。[106]

セシウム
危険
GHS絵文字 GHS02: FlammableGHS05: Corrosive
GHS 注意喚起語 危険
GHS 危険性情報
H260、H314
GHS 予防報告
P223、P231+232、P280、P305+351+338、P370+378、P422 [107]
NFPA 704 (ファイアーダイアモンド)
3
4
3
わ
Graph of percentage of the radioactive output by each nuclide that form after a nuclear fallout vs. logarithm of time after the incident. In curves of various colours, the predominant source of radiation are depicted in order: Te-132/I-132 for the first five or so days; I-131 for the next five; Ba-140/La-140 briefly; Zr-95/Nb-95 from day 10 until about day 200; and finally Cs-137. Other nuclides producing radioactivity, but not peaking as a major component are Ru, peaking at about 50 days, and Cs-134 at around 600 days.
チェルノブイリ事故後の時間に対してプロットされた、各アイソトープによる総放射線量 (空気中) の部分 。セシウム 137 は、事故から約 200 日後に主要な放射線源になりました。 [108]

非放射性セシウム化合物の毒性は軽度であり、非放射性セシウムは重大な環境有害性ではありません。生化学的プロセスにより、セシウムがカリウムと混同され、置換される可能性があるため、過剰なセシウムは低カリウム血症、不整脈、および急性心停止につながる可能性があります。[109]しかし、そのような量は通常、天然源では遭遇しません。[110]

致死量（LD 50のための）塩化セシウムマウスでは、LDに匹敵するキログラム当たり2.3グラムであり、50個の値塩化カリウム及び塩化ナトリウム。[111]非放射性セシウムの主な用途は、石油掘削液中のギ酸セシウムとして使用されます。これは、コストは高くなりますが、代替品よりも毒性がはるかに低いためです。[73]

セシウム金属は、最も反応性の高い元素の 1 つであり、水の存在下で非常に爆発的です。反応で生じた水素ガスは、同時に放出される熱エネルギーによって加熱され、着火して激しい爆発を引き起こします。これは他のアルカリ金属でも起こりますが、セシウムは非常に強力であるため、冷水でもこの爆発反応を引き起こす可能性があります。[11]

自然発火性が高く、セシウムの自己発火温度は -116 °C (-177 °F) であり、空気中で爆発的に発火し、水酸化セシウムとさまざまな酸化物を形成します。水酸化セシウムは非常に強い塩基であり、ガラスを急速に腐食させます。[16]

同位体 134および137は、中に存在する生物圏の場所によって異なり、人間の活動から少量インチ 放射性セシウムは、他の核分裂生成物 (放射性ヨウ素や放射性ストロンチウムなど) ほど体内に蓄積しません。吸収された放射性セシウムの約 10% は、汗や尿として比較的迅速に体外に洗い流されます。残りの 90% の生物学的半減期は 50 ～ 150 日です。[112]放射性セシウムはカリウムに続き、果物や野菜などの植物組織に蓄積する傾向があります。[113] [114] [115]植物はセシウムの吸収に大きなばらつきがあり、ときにはセシウムに対して大きな抵抗を示すことがあります。汚染された森林からのキノコが、菌類の子実体に放射性セシウム (セシウム 137) を蓄積することも十分に立証されています。[116]チェルノブイリ事故後、湖でのセシウム 137 の蓄積が大きな懸念事項となっている。[117] [118]犬を使った実験では、1 キログラムあたり3.8ミリキュリー(140  MBq、セシウム 137 の 4.1 μg) の単回投与が3 週間以内に致死的であることが示されました。[119]より少ない量は、不妊症や癌を引き起こす可能性があります。[120]国際原子力機関及びその他の源は、セシウム137などの放射性物質は、放射線分散デバイス、または「で使用することができることを警告している汚い爆弾」。[121]

  • 1987 年にセシウム 137 が巻き込まれた大規模な放射能汚染事件であるゴイアニア事故。
  • 1980 年から 1989 年にかけての別の137 Cs 事件であるクラマトルスク放射線事故。
  • 1998年のセシウム137汚染事故、アセリノックス事故。

  1. ^ セシウムは、国際純正応用化学連合(IUPAC) が推奨するスペルです。[7]米国化学会（ACS）は、スペルを使用しているセシウムを、1921年以来、 [8] [9]を、以下のウェブスター新国際辞典を。この元素は、ラテン語の「青みがかった灰色」を意味するcaesiusにちなんで名付けられました。[10]中世および近世の著作では、 caesiusは合字 æ as cæsius で綴られていました。したがって、代替ではあるが、今では古風な正書法はcæsiumです。ae/oe vs eでのより多くのスペルの説明。
  2. ^ 沿っとルビジウム39°C（102°F）、フランシウム（27°C [81°F]と推定）、水銀（-39°C [-38°F]）、及びガリウム（30°C [86° F]); 臭素も室温で液体です (-7.2 °C [19.0 °F] で融解します) が、これはハロゲンであり、金属ではありません。コペルニシウムとフレロビウムの予備研究は、それらが室温でガス状の金属であることを示唆しています。
  3. ^ 放射性元素のフランシウムも融点が低い可能性がありますが、その放射能により、直接試験するために十分に分離することができません。[14] コペルニシウムとフレロビウムも融点が低い可能性があります。
  4. ^ これは、Cs -陰イオンを含み、したがってセシウムが -1 酸化状態にあるセシドでは、この値とは異なります。[3]さらに、Mao-sheng Miao による 2013 年の計算によると、極圧条件下 (30 GPa以上) では、内部の 5p 電子が化学結合を形成し、セシウムが 7 番目の 5p 元素として振る舞う可能性があることが示さ れています。この発見は、セシウムが +2 から +6 の酸化状態にある高フッ化セシウムがそのような条件下で存在する可能性があることを示しています。[24]
  5. ^ フランシウムの電気陽性率は、その高い放射能のために実験的に測定されていません。フランシウムの第 1イオン化エネルギーの測定は、その相対論的効果がその反応性を低下させ、周期的傾向から予想されるよりも電気陰性度を上昇させる可能性があることを示唆しています。[26]
  6. ^ Bunsen は、 Aulus Gellius Noctes Atticae II, 26 by Nigidius Figulus を引用している: Nostris autem veteribus caesia dicts est quae Graecis, ut Nigidus ait, de colore coeli quasi coelia.

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  • セシウムまたはセシウムでビデオの周期表（ノッティンガム大学）
  • The Royal Institutionの厚意により、セシウム (周期表で最も反応性の高い金属) とフッ素 (最も反応性の高い非金属) の反応をご覧ください。
  • ロガチョフ、アンドレイ・ユー。ミャオ、マオシェン; メリノ、ガブリエル; ホフマン、ロアルド (2015)。「分子CsF5およびCsF2+」。アンゲヴァンテ・ケミー。127 (28): 8393–8396。土井: 10.1002/ange.201500402。
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