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| セシウム | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 発音 | / ˈ s iː z i ə m / ( SEE -zee-əm ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 別名 | セシウム（米国） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 外観 | 淡い金色 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 標準原子量 A r °(Cs) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 周期表におけるセシウム | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 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 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 期間 | 期間6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ブロック | Sブロック | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電子配置 | [ゼ] 6秒1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 殻あたりの電子数 | 2、8、18、18、8、1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 物理的特性 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| STPでの フェーズ | 固体 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融点 | 301.7 K (28.5 °C、83.3 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 沸点 | 944 K (671 °C、1240 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 密度（20℃） | 1.886 g/cm3 [ 3] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 液体の場合（ mp） | 1.843グラム/ cm3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 臨界点 | 1938 K、9.4 MPa [4] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | 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
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| 原子特性 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 酸化状態 | −1, +1 [5]（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 |
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| 原子半径 | 経験的: 午後265 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 共有結合半径 | 午後244±11時 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ファンデルワールス半径 | 午後3時43分 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| その他のプロパティ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 自然発生 | 原始的な | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | 体心立方(bcc) ( cI2 ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 格子定数 |  | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱膨張 | 92.6 × 10 -6 /K (20 °C 時) [3] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱伝導率 | 35.9 W/(m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電気抵抗率 | 205 nΩ⋅m（20℃時） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 磁気秩序 | 常磁性体[6] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ヤング率 | 1.7GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 体積弾性率 | 1.6GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モース硬度 | 0.2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ブリネル硬度 | 0.14MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CAS番号 | 7440-46-2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 歴史 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ネーミング | ラテン語の caesius 「青みがかった灰色」から、そのスペクトル色に由来する | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 発見 | ロバート・ブンゼンとグスタフ・キルヒホフ（1860） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 最初の隔離 | カール・セッターバーグ（1882） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| セシウムの同位体 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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セシウム（IUPAC綴り; [9]米英語ではcesiumとも綴られる）は化学元素であり、記号はCs、原子番号は55である。銀色がかった金色の柔らかいアルカリ金属で、融点は28.5 °C（83.3 °F; 301.6 K）で、室温または室温付近で液体であるわずか5つの元素金属のうちの1つである。セシウムは、ルビジウムやカリウムと同様の物理的および化学的性質を持っている。自然発火性があり、 -116 °C（-177 °F）でも水と反応する。ポーリングスケールで0.79の電気陰性度を持ち、最も電気陰性度の低い安定した元素である。安定同位体はセシウム133のみである。セシウムは主にポルサイトから採掘される。原子半径は測定または計算されたすべての元素の中で最も大きく、その値は約 260ピコメートルです。
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、1860年に新しく開発された炎色分光法によってセシウムを発見しました。セシウムの最初の小規模な用途は、真空管と光電セルの「ゲッター」でした。セシウムは高精度の原子時計に広く使用されています。1967年、国際単位系は、時間の基本単位である秒を定義するために、中性セシウム133原子の特定の超微細遷移を使用し始めました。
1990 年代以降、この元素の最大の用途は掘削泥水用のギ酸セシウムですが、電力生産、電子機器、化学の分野でも幅広い用途があります。放射性同位体セシウム 137 の半減期は約 30 年で、医療用途、工業用計量器、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わずかですが、純金属は水と爆発的に反応する傾向があるため、セシウムは危険物質とみなされ、放射性同位体は健康および環境に重大な危険をもたらします。
スペル
セシウムは国際純正応用化学連合（IUPAC）が推奨する綴りである。[10]アメリカ化学会（ACS）は1921年から綴りをセシウムとしている。 [11] [12]ウェブスターの新国際辞典に従っている。この元素はラテン語の「青みがかった灰色」を意味するcaesiusにちなんで命名された。 [13]中世および近世初期の文献では、caesiusは合字 æでcæsiusと綴られていたため、現在では古めかしい別の綴り方としてcæsiumが使われている。綴りの詳しい説明はae/oe vs eを参照。
特徴
物理的特性
室温で固体である元素のうち、セシウムは最も柔らかく、モース硬度は0.2である。非常に延性のある青白い金属で、微量の酸素が存在すると暗色化する。[14] [15] [16]鉱油にさらされると（輸送中は鉱油に浸した状態が最適）、金属光沢を失い、鈍い灰色の外観になる。融点は28.5 °C（83.3 °F）で、室温近くで液体である数少ない元素金属の1つである。他の元素金属は、ルビジウム（39 °C [102 °F]）、フランシウム（推定27 °C [81 °F]）、水銀（-39 °C [-38 °F]）、ガリウム（30 °C [86 °F]）である。臭素も室温で液体（融点 -7.2 °C [19.0 °F]）であるが、ハロゲンであり金属ではない。 水銀は、セシウムよりも低い融点が知られている唯一の安定した元素金属である。[17]さらに、この金属の沸点は641 °C（1,186 °F）と、水銀以外のすべての安定した金属の中で最も低い。 [18] コペルニシウムとフレロビウムは、水銀やセシウムよりも沸点が低いと予測されているが、放射能が非常に高く、金属であるかどうかは定かではない。[19] [20]
セシウムは他のアルカリ金属、金、水銀と合金を形成する（アマルガム）。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、白金、タンタル、タングステンとは合金にならない。アンチモン、ガリウム、インジウム、トリウムとは明確な金属間化合物を形成し、これらは光に敏感である。[14]セシウムは他のすべてのアルカリ金属（リチウムを除く）と混ざり、 41%のセシウム、47%のカリウム、12%のナトリウムのモル分布の合金は、既知の金属合金の中で最も低い融点である-78 °C（-108 °F）を持つ。[17] [21]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。[22]
セシウムの金色は、グループが下がるにつれてアルカリ金属の電子を励起するために必要な光の周波数が低下することに由来する。リチウムからルビジウムまでこの周波数は紫外線にあるが、セシウムではスペクトルの青紫色端に入る。言い換えれば、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かけて低くなる。したがってセシウムは紫色の光を優先的に透過し、部分的に吸収するが、他の色（より低い周波数を持つ）は反射するため、黄色がかって見える。[23]セシウムの化合物は青[24] [25]または紫[25]色に燃える。
同素体
セシウムは様々な同素体の形で存在し、そのうちの一つはジセシウムと呼ばれる二量体である。[26]
化学的性質
セシウム金属は反応性が高く、自然発火性がある。空気中で自然発火し、低温でも水と爆発的に反応し、他のアルカリ金属よりもその反応性が強い。[14]セシウム金属は、−116℃（−177℉）という低温でも氷と反応する。[17]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ている。鉱油などの乾燥した飽和炭化水素に入れて保管、輸送される。アルゴンなどの不活性ガス下でのみ取り扱うことができる。しかし、セシウムと水の爆発は、同量のナトリウムを使ったナトリウムと水の爆発よりも威力が低いことが多い。これは、セシウムが水と接触すると瞬時に爆発し、水素が蓄積する時間がほとんどないためである。[27]セシウムは真空密封したホウケイ酸ガラスのアンプルで保管できる。約100グラム（3.5オンス）以上の量のセシウムは、密閉されたステンレス鋼の容器で輸送されます。[14]
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の上にある元素であるルビジウムの化学的性質と類似している。 [28]アルカリ金属に予想されるように、唯一の共通の酸化状態は +1 である。これは、Cs −アニオンを含むためセシウムの酸化状態が -1 であるセシウム化物ではこの値と異なる。[5]極度の圧力条件下（30 GPa以上 ）では、理論的研究によれば、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おり、これは、そのような条件下でセシウムの酸化状態が +2 から +6 である高次のフッ化セシウムが存在する可能性があることを示唆している。[29] [30]若干の違いは、他の（非放射性）アルカリ金属よりも原子量が大きく電気陽性度が高いことから生じる。 [31]セシウムは最も電気陽性度が高い化学元素である。[17]セシウムイオンは、より軽いアルカリ金属のイオンよりも大きく、それほど「硬く」ありません。
化合物
ほとんどのセシウム化合物は、陽イオン Csとして元素を含んでいます。+
は、さまざまな陰イオンとイオン結合する。注目すべき例外は、ケーシドアニオン（Cs−
）、[5]その他にはいくつかの亜酸化物がある（以下の酸化物の項を参照）。最近では、セシウムはpブロック元素として振る舞い、高圧下でより高い酸化状態の高フッ化物（すなわち、n> 1のCsF n ）を形成できると予測されている。 [32]この予測はさらなる実験によって検証する必要がある。[33]
Cs +の塩は、陰イオン自体が着色していない限り、通常は無色です。多くの単純塩は吸湿性がありますが、より軽いアルカリ金属の対応する塩ほどではありません。リン酸塩、[34] 、 酢酸塩、炭酸塩、ハロゲン化物、酸化物、硝酸塩、硫酸塩は水溶性です。その複塩は溶解性が低いことが多く、硫酸セシウムアルミニウムの溶解度の低さは、鉱石から Cs を精製する際に利用されています。アンチモンとの複塩 ( CsSbClなど) は、Cs と反応して生成されます。
4）、ビスマス、カドミウム、銅、鉄、鉛も難溶性です。[14]
水酸化セシウム（CsOH）は吸湿性があり、強塩基性である。[28]これはシリコンなどの半導体の表面を急速にエッチングする。[35] CsOH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、化学者によって「最強の塩基」とみなされてきた。 [24]確かに、CsOHは最強のアレニウス塩基である。しかし、n-ブチルリチウム、ナトリウムアミド、水素化ナトリウム、水素化セシウムなどの多くの化合物は、水と激しく反応するため水に溶解できず、むしろ一部の無水極性非プロトン性溶媒でのみ使用されるが、ブレンステッド・ローリー酸塩基理論に基づくと、はるかに塩基性である。[28]
セシウムと金の化学量論的混合物は、加熱すると反応して黄色の金化セシウム（Cs + Au − ）を形成する。ここで金化物アニオンは擬似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、水素ガスを生成する。液体アンモニア中では、セシウム特有のイオン交換樹脂と反応してテトラメチルアンモニウム金化物を生成することができる。類似の白金化合物である赤色の白金化セシウム（Cs 2 Pt）には、擬似カルコゲンとして振る舞う白金化物イオンが含まれている。[36]
複合体
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する。Cs + はサイズが大きいため、通常は6 より大きい配位数をとる。これは、より小さなアルカリ金属陽イオンに典型的な数である。この違いは、CsCl の 8 配位に顕著に表れている。この高い配位数と柔らかさ(共有結合を形成しやすい) は、核廃棄物の浄化において Cs + を他の陽イオンから分離する際に利用される特性であり、137 Cs + を大量の非放射性 K +から分離する必要がある。[37]
ハロゲン化物
フッ化セシウム（CsF）は吸湿性の白色固体で、有機フッ素化学においてフッ化物アニオンの供給源として広く使用されています。[39]フッ化セシウムは岩塩構造を持ち、これはCs +とF −が塩化ナトリウム中のNa +とCl −のように立方最密充填配列で詰まっていることを意味します。[28]注目すべきことに、セシウムとフッ素は、既知のすべて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する。「塩化セシウム構造」とも呼ばれるこの構造モチーフは、それぞれが8倍の配位を持つ2原子基底を持つ原始的な立方格子で構成されており、塩化物原子は立方体の端の格子点に位置し、セシウム原子は立方体の中心の穴に位置している。この構造は、CsBrやCsI、およびCsを含まない他の多くの化合物と共有されている。対照的に、他のほとんどのアルカリハロゲン化物は塩化ナトリウム（NaCl）構造を持っている。[31] CsCl構造が好ましいのは、Cs +のイオン半径が174 pmで、Cl−
181午後[40]
酸化物
11お
3クラスタ
セシウムは他のアルカリ金属よりも酸素と多く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が主な生成物である。[41]「通常の」セシウム酸化物（Cs
2O）は黄橙色の六方晶系結晶を形成し、[42]反CdClの唯一の酸化物である。
2[43] 250℃（482℉）で気化し、セシウム金属と過酸化物 Csに分解する。
2お
2400℃（752℉）以上の温度では、スーパーオキシドとオゾン化物 CsOに加えて、
3[44] [ 45]明るい色の亜酸化物もいくつか研究されている。[46]これらにはCs
7O、Cs
4O、Cs
11お
3、Cs
3O（暗緑色[47]）、CsO、Cs
3お
2、[48]およびCs
7お
2[ 49 ] [50]後者は真空中で加熱するとCs
2O . [43]硫黄、セレン、テルルとの二元化合物も存在する。[14]
同位体
セシウムには41の同位体が知られており、質量数（つまり原子核内の核子の数）は112から152の範囲です。これらのうちいくつかは、古い恒星内部での遅い中性子捕獲過程（ S過程）[51]や超新星爆発でのR過程[52]によって軽い元素から合成されます。唯一の安定したセシウム同位体は133 Csで、中性子数は78です。大きな核スピン（7/2 +）、核磁気共鳴研究では、この同位体を11.7MHzの共鳴周波数で使用することができます 。[53]
放射性の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。137 Csと134 Cs の半減期はそれぞれ 30 年と 2 年である。137 Csはベータ崩壊によって短寿命の137m Baに分解し、その後非放射性バリウムになるが、134 Cs は直接134 Baに変化する。質量数 129、131、132、136 の同位体の半減期は 1 日から 2 週間であるが、他のほとんどの同位体の半減期は数秒から数分の 1 秒である。少なくとも 21 の準安定核異性体が存在している。134m Cs (半減期は 3 時間弱) 以外はすべて非常に不安定で、半減期は数分以下で崩壊する。[54] [55]
同位体135 Csは、原子炉で生成されるウランの長寿命核分裂生成物の1つです。[56]しかし、この核分裂生成物の収量は、前駆物質である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ています。[57] [58]
137 Csから137m Ba へのベータ崩壊により、 137m Ba が基底状態の 137 Ba に緩和するときにガンマ線が発生し、放出される光子のエネルギーは 0.6617 MeV です。[59] 137 Cs と90 Srは、核分裂の主な中寿命生成物であり、数年間の冷却後、数百年続く使用済み核燃料からの放射能の主な発生源です。 [60]これら 2 つの同位体は、チェルノブイリ原発事故の現場における残留放射能の最大の発生源です。[61]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す。[62]
核分裂で生成されるセシウムのほぼすべては、もともと中性子に富む核分裂生成物のベータ崩壊から生成され、ヨウ素とキセノンのさまざまな同位体を通過します。[63]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ため、放射性セシウムは元の核分裂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。[64] 1950年代から1980年代にかけての核兵器実験により、 137 Csが大気中に放出され、放射性降下物の一部として地表に戻りました。これは、当時の土壌と堆積物の動きを示す目印です。[14]
発生
セシウムは比較的希少な元素で、 地殻中の平均含有量は3ppmと推定されている。[65]セシウムは45番目に豊富な元素であり、金属の中では36番目に多い。[66]セシウムは化学的に密接に関連しているルビジウム の30倍も少ない。 [14]
セシウムはイオン半径が大きいため、「不適合元素」の1つです。[67]マグマの結晶化の過程で、セシウムは液相に濃縮され、最後に結晶化します。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ほど容易にカリウムを置換しないため、アルカリ蒸発岩鉱物のシルバイト（KCl）とカーナライト（KMgCl）は、ルビジウムよりもカリウムを置換しません。
3·6時間
2O ) にはわずか 0.002% のセシウムしか含まれていない可能性があります。したがって、セシウムは少数の鉱物にしか含まれていません。セシウムのパーセンテージ量は緑柱石( Be
3アル
2(SiO
3）
6）とアボガドライト（（K,Cs）BF
4）、近縁鉱物ペッツォッタイト（Cs(Be
2リ)アル
2シ
6お
18）、希少鉱物ロンドナイト（（Cs、K）Al）には最大8.4重量％のCs 2 Oが含まれています。
4なれ
4(B、べ)
12お
28）、そしてより広範囲に分布するロダイサイトにはそれより少ない。[14]セシウムの経済的に重要な鉱石はポルサイト Cs(AlSi
2お
6）は、世界各地のいくつかの場所で、商業的に重要なリチウム鉱物であるレピドライトやペタライトと関連する帯状のペグマタイト中に発見されています。ペグマタイト内では、粒径が大きく、鉱物が強く分離しているため、採掘に適した高品質の鉱石となります。[68]
世界で最も重要かつ豊富なセシウムの産地として知られているのは、カナダのマニトバ州バーニック湖にあるタンコ鉱山で、推定35万トンのポルサイト鉱石が埋蔵されており 、世界の埋蔵量の3分の2以上を占めている。[68] [69]ポルサイト中のセシウムの化学量論的含有量は42.6%であるが、この鉱床から採取された純粋なポルサイトサンプルには約34%のセシウムしか含まれておらず、平均含有量は24重量%である。[69]市販のポルサイトには19%を超えるセシウムが含まれている。[70]ジンバブエのビキタペグマタイト鉱床はペタライトのために採掘されているが、かなりの量のポルサイトも含まれている。ポルサイトのもう一つの注目すべき産地は、ナミビアのカリビブ砂漠である。[69]現在の世界の鉱山生産量は年間5～10トンであり、埋蔵量は数千年分となる。[14]
生産
ポルサイト鉱石の採掘と精錬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、その後粉砕されます。その後、ポルサイトからセシウムは主に3つの方法、酸分解、アルカリ分解、直接還元によって抽出されます。[14] [71]
酸分解では、ケイ酸塩ポルサイト岩石を塩酸（ HCl）、硫酸（H
2それで
4）、臭化水素酸（HBr）、またはフッ化水素酸（HF）で処理します。塩酸では、可溶性塩化物の混合物が生成され、不溶性のセシウムの塩化物複塩はセシウムアンチモン塩化物（Cs
4塩化ストロンチウム
7)、ヨウ素塩化セシウム ( Cs
2ICl )、またはヘキサクロロ酢酸セシウム ( Cs
2（CeCl
6））。分離後、沈殿した純粋な複塩は分解され、水分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、不溶性の複塩がセシウムミョウバン（CsAl(SO
4）
2·12時間
2O）。アルミニウム硫酸塩成分は、ミョウバンを炭素で焙焼することによって不溶性の酸化アルミニウムに変換され、得られた生成物は水で浸出され、 Cs
2それで
4解決策[14]
ポルサイトを炭酸カルシウムと塩化カルシウムで焙焼すると、不溶性のケイ酸カルシウムと可溶性の塩化セシウムが得られる。水または希アンモニア（NH
4OH ) から希薄塩化物 (CsCl) 溶液が得られる。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することができる。商業的には実現可能ではないが、鉱石を真空中でカリウム、ナトリウム、カルシウムと直接還元してセシウム金属を直接生成することができる。[14]
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。発展途上市場に供給するために、キャボット社は1997年にマニトバ州バーニック湖近くのタンコ鉱山に、ギ酸セシウム溶液を年間12,000バレル（1,900 m 3 ）生産する生産工場を建設しました。 [72]セシウムの主な小規模商業化合物は、塩化セシウムと硝酸塩です。[73]
あるいは、鉱石から得られる精製化合物からセシウム金属を得ることもできる。塩化セシウムやその他のハロゲン化セシウムは、カルシウムまたはバリウムで700～800℃（1,292～1,472°F）で還元することができ、その結果からセシウム金属を蒸留することができる。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で還元することができる。[14]
この金属は、溶融セシウムシアン化物（CsCN）の電気分解によっても分離できる。アジ化セシウムCsNを390℃（734℉）で熱分解すると、非常に純粋でガスのないセシウムが生成される。
3これは硫酸セシウム水溶液とアジ化バリウムから生成することができる。[71]真空下では、二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る。[73]
- CS
2Cr
2お
7+ 2 Zr → 2 Cs + 2 ZrO
2+クレジット
2お
3
2009年の純度99.8%のセシウム（金属基準）の価格は1グラムあたり約10ドル（1オンスあたり280ドル）であったが、化合物は大幅に安価である。[69]
歴史
1860年、ロバート・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鉱水にセシウムを発見した。発光スペクトルに明るい青い線があったため、彼らはラテン語で「青みがかった灰色」を意味するcaesiusにちなんでセシウムと名付けた。[注1] [74] [75] [76]セシウムはブンゼンとキルヒホフがそのわずか1年前に発明した分光器で発見された最初の元素であった。 [17]
純粋なセシウムのサンプルを得るために、44,000リットル（9,700英ガロン、12,000米ガロン）の鉱水を蒸発させて、240キログラム（530ポンド）の濃縮塩溶液を得る必要があった。アルカリ土類金属は硫酸塩またはシュウ酸塩として沈殿し、アルカリ金属は溶液中に残った。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を得た。この混合物から、炭酸アンモニウムによってリチウムを沈殿させた。カリウム、ルビジウム、およびセシウムは塩化白金酸と不溶性の塩を形成するが、これらの塩は熱水に対する溶解度にわずかな違いを示し、より溶解性の低い六塩化白金酸セシウムおよびルビジウム（（Cs,Rb）2PtCl6 ）は分別結晶化によって得られた。ヘキサクロロ白金酸塩を水素で還元した後、炭酸塩のアルコールへの溶解度の違いによりセシウムとルビジウムを分離した。このプロセスにより、当初の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）の塩化セシウムが得られた。[75]
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と推定した（現在受け入れられている原子量は132.9）。[75]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をまったく示さない」青い均質物質が得られた。その結果、彼らはそれを亜塩化物（Cs
2塩化物水溶液を水銀陰極で電気分解すると、水溶液中で容易に分解するセシウムアマルガムが生成された。[75]純粋な金属は、ケクレとブンゼンのもとで博士号取得に取り組んでいたスウェーデンの化学者カール・セッテルバーグによって最終的に単離された。[76] 1882年、彼は塩化物の問題を回避し、シアン化セシウムを電気分解してセシウム金属を生成した。 [78]
歴史的に、セシウムの最も重要な用途は研究開発であり、主に化学および電気分野である。1920年代までセシウムの用途はほとんどなかったが、ラジオ用真空管に使用されるようになり、そこでセシウムには2つの機能があった。ゲッターとして製造後に余分な酸素を取り除き、加熱された陰極のコーティングとして電気伝導性を高めることであった。セシウムは1950年代まで高性能な工業用金属として認識されていなかった。[79]非放射性セシウムの用途には、光電池、光電子増倍管、赤外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の結晶、および電磁流体発電機が含まれる。[14]セシウムは二次イオン質量分析法（SIMS）の陽イオン源としても使用される。
1967年以来、国際計量システムは、セシウムの特性に基づいて時間の基本単位である秒を定めてきました。国際単位系（SI）では、秒を、セシウム133の基底状態の2つの超微細エネルギーレベル間の遷移に対応するスペクトル線のマイクロ波 周波数における9,192,631,770サイクルの継続時間と定義しています。[80] 1967年の第13回国際度量衡総会では、 1秒を「外部場によって乱されていない基底状態のセシウム133原子の超微細遷移によって吸収または放出されるマイクロ波光の9,192,631,770サイクルの継続時間」と定義しました。
アプリケーション
石油探査
非放射性セシウムの現在の最大の用途は、石油採掘産業におけるギ酸セシウム 掘削流体である。[14]ギ酸セシウム（HCOO − Cs + ）の水溶液は、水酸化セシウムとギ酸を反応させて作られ、1990年代半ばに油井の掘削流体および仕上げ流体として使用するために開発された。掘削流体の機能は、ドリルビットを潤滑し、岩石切削物を地表に運び、井戸の掘削中に地層への圧力を維持することである。仕上げ流体は、圧力を維持することで、掘削後、生産前に制御ハードウェアの設置を支援する。[14]
セシウムギ酸塩水は高密度（最大2.3 g/cm 3、1ガロンあたり19.2ポンド）であり、[81]ほとんどのセシウム化合物が比較的無害な性質であることと相まって、掘削流体中の有毒な高密度浮遊物質の必要性が低減します。これは、技術、工学、環境の面で大きな利点です。他の多くの重質液体の成分とは異なり、セシウムギ酸は比較的環境に優しいです。[81]セシウムギ酸塩水は、カリウムおよびナトリウムギ酸と混合して、流体の密度を水（1.0 g/cm 3 、1ガロンあたり8.3ポンド）まで下げることができます。さらに、生分解性があり、リサイクルが可能であり、これは、その高コスト（2001年で1バレルあたり約4,000ドル）を考慮すると重要です。[82]アルカリギ酸塩は安全に取り扱うことができ、腐食性の代替物である高密度塩水（臭化亜鉛 ZnBrなど）のように生産層や坑内金属にダメージを与えません。
2代替ソリューションは、時には効果を発揮する。また、清掃の必要性も減り、廃棄コストも削減できる。[14]
原子時計
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利用します。最初の正確なセシウム時計は、1955年に英国の国立物理学研究所でルイス・エッセンによって作られました。 [83]セシウム時計は過去半世紀にわたって改良され、「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。[80]これらの時計は、10 14分の2から3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140万年に1秒の精度に相当します 。最新バージョンは、10 15分の1 、つまり2000万年に約1秒よりも正確です。 [14]セシウム標準は、標準に準拠した時間と周波数の測定の主要標準です。[84]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。[85]
2番目の定義
秒（記号s）はSI単位系における時間である。BIPMは2018年の第26回会議でその定義を再確認した。「[秒]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ΔνCsの固定数値を次のように定義する。9 192 631 770 Hzの単位で表すと、s −1に等しい。」[86]
電力・電子機器
セシウム蒸気熱電子発電機は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する低電力装置です。2電極真空管コンバータでは、セシウムが陰極付近の空間電荷を中和し、電流の流れを強化します。[87]
セシウムは、光を電子の流れに変換する光電子放出特性でも重要です。セシウムベースのカソード、例えば金属間化合物Kは、光電セルに使用されます。
2CsSbは電子放出の閾値電圧が低い。[88]セシウムを使用した光電子放出デバイスには、光学文字認識デバイス、光電子増倍管、ビデオカメラ管などがある。[89] [90]ただし、感光性材料ではセシウムの代わりにゲルマニウム、ルビジウム、セレン、シリコン、テルル、その他いくつかの元素を使用することができる。[14]
鉱物探査や素粒子物理学研究でガンマ線やX 線を検出するために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ーには、ヨウ化セシウム(CsI)、臭化セシウム(CsBr)、フッ化セシウム(CsF) の結晶が使用されています。セシウムは重元素であるため、優れた阻止能と優れた検出力を発揮します。セシウム化合物は、応答が速く (CsF)、吸湿性が低い (CsI) 場合があります。
セシウム蒸気は多くの一般的な磁力計に使用されています。[91]
この元素は分光光度計の内部標準として使用されます。[92]他のアルカリ金属と同様に、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。[93]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。[14]
遠心分離液
セシウムイオンの高密度により、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）は分子生物学において密度勾配超遠心分離に有用である。[94]この技術は主に、生物学的サンプルからのウイルス粒子、細胞内小器官および分画、核酸の分離に用いられる。[95]
化学および医療用途
セシウムを使用する化学用途は比較的少ない。[96]セシウム化合物をドーピングすると、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、硫酸の製造において二酸化硫黄を三酸化硫黄に触媒変換する際にも使用されます。[14]
フッ化セシウムは、有機化学において塩基[28]や無水フッ化物イオン源[97]としてニッチな用途に使用されています。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、カリウム塩やナトリウム塩の代わりに使用されることがあります。セシウムは熱ルミネッセンス放射線量測定(TLD)にも使用されています。放射線にさらされると結晶欠陥が生じますが、加熱すると元に戻り、受けた線量に比例した光を発します。したがって、光電子増倍管で光パルスを測定すると、蓄積された放射線量を定量化できます。
核および同位元素の応用
セシウム137は、工業用途でガンマ線放出体として一般的に使用されている放射性同位元素です。その利点としては、半減期が約30年であること、核燃料サイクルから利用可能であること、安定した最終生成物として137 Baを有することなどが挙げられます。高い水溶性が欠点であり、食品や医療用品用の大型プール照射装置には適合しません。[98]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。 [14] [99]放射線装置内のセシウムの放射性同位元素は、医療分野で特定の種類の癌を治療するために使用されていましたが、[100]より優れた代替品の出現と、広範囲にわたる汚染を引き起こす可能性のある水溶性塩化セシウムを線源として使用することから、これらのセシウム線源の一部は徐々に使用されなくなりました。[101] [102]セシウム137は、水分、密度、レベル、厚さの測定など、さまざまな工業用測定ゲージに使用されています。[103]また、岩石層の電子密度を測定するための井戸検層装置にも使用されています。電子密度は岩石層のかさ密度に類似しています。[104]
セシウム137は、トリチウムと同様の水文学的研究に利用されてきた。1950年代から1980年代半ばにかけて行われた核分裂爆弾実験の副産物として、セシウム137は大気中に放出され、そこで容易に溶液に吸収された。その期間の年ごとの変動が知られているため、土壌や堆積層との相関関係が考えられる。セシウム134、そしてそれほどではないがセシウム135も、原子力産業によるセシウム排出量を測定するために水文学で利用されてきた。セシウム133やセシウム137ほど普及していないが、これらの指標となる同位体は、人為的発生源からのみ生成される。[105]
その他の用途
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用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ていました。燃料は、帯電したタングステン電極との接触によってイオン化されました。しかし、宇宙船の部品に対するセシウムの腐食により、地上でのテストで扱いやすく、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方向への開発が進められました。 [14]キセノンは、 1998年に打ち上げられた実験宇宙船ディープスペース1で使用されました。 [106] [107]それでも、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が構築されています。[108]
硝酸セシウムは、近赤外線スペクトルで多くの光を放射するため、[ 110] LUU-19 フレアなどの赤外線フレアでシリコンを燃焼させるための酸化剤および花火用着色剤として使用されます。[111]セシウム化合物は、ロッキード A-12 CIA偵察機の排気煙のレーダーシグネチャを低減するための燃料添加剤として使用された可能性があります。 [112]セシウムとルビジウムは、電気伝導率を低下させ、光ファイバーと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配合されたフラックスに使用されます。[14]
磁気流体力学（MHD）発電システムは研究されたが、広く受け入れられることはなかった。[113]セシウム金属は、高温ランキンサイクルターボ発電機の作動流体としても検討されてきた。[114]
セシウム塩はヒ素系薬剤投与後の抗ショック剤として評価されてきた。しかし、心拍リズムに影響を与えるため、カリウム塩やルビジウム塩よりも使用される可能性は低い。また、てんかん治療にも使用されている。[14]
セシウム133はレーザー冷却が可能で、量子物理学における基礎的・技術的問題を調べるために使用できる。セシウム133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、特に便利なフェシュバッハスペクトルを持っている。[115]
健康と安全上の危険
| 危険 | |
|---|---|
| GHSラベル: [116] | |
 
| |
| 危険 | |
| H260、H314 | |
| P223、P231+P232、P280、P305+P351+P338、P370+P378、P422 | |
| NFPA 704 (ファイアダイヤモンド) | |
非放射性セシウム化合物の毒性は弱く、非放射性セシウム自体が重大な環境有害物質となることはない。生化学的プロセスによってセシウムがカリウムと混同され、置換されることがあるため、過剰なセシウムは低カリウム血症、不整脈、急性心停止を引き起こす可能性があるが、このような量は自然発生源では通常見られない。[118] [119]
塩化セシウムのマウスにおける平均致死量（LD 50 ）は1キログラムあたり2.3グラムであり、これは塩化カリウムや塩化ナトリウムのLD 50 値とほぼ同等である。[ 120 ]非放射性セシウムの主な用途は、石油掘削流体中のギ酸セシウムである。これは、他の物質よりも毒性がはるかに低いためであるが、コストは高い。[81]
セシウムは最も反応性の高い元素の一つであり、水が存在すると非常に爆発性が高い。反応によって生成された水素ガスは、同時に放出される熱エネルギーによって加熱され、発火して激しい爆発を引き起こす。これは他のアルカリ金属でも起こり得るが、セシウムは非常に強力なため、この爆発反応は冷水でも引き起こされる可能性がある。[14]
セシウムは自然発火性が非常に高く、自然発火温度は−116℃（−177℉）で、空気中で爆発的に発火して水酸化セシウムや様々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します。[18]
同位体 134と137は、場所によって異なりますが、人間の活動によって生物圏に少量存在しています。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）ほど容易には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、汗や尿で比較的速やかに体外に排出されます。残りの90％の生物学的半減期は50日から150日です。[121]放射性セシウムはカリウムに続いて、果物や野菜などの植物組織に蓄積する傾向があります。[122] [123] [124]植物はセシウムの吸収に大きなばらつきがあり、時には大きな抵抗力を示します。汚染された森林のキノコが、菌類の胞子嚢に放射性セシウム（セシウム137）を蓄積することも十分に文書化されています。[125]チェルノブイリ原発事故後、湖沼におけるセシウム137の蓄積が大きな懸念となっている。[126] [127]犬を使った実験では、1kgあたり3.8ミリキュリー（ 140MBq、4.1μgのセシウム137）の単回投与で3週間以内に致死的となることが示された。 [128]より少量では不妊症や癌を引き起こす可能性がある。[129]国際原子力機関やその他の情報源は、セシウム137などの放射性物質が放射性物質散布装置、つまり「汚い爆弾」に使用される可能性があると警告している。[130]
参照
- セシウム137 § 事件・事故
- アセリノックス事故、1998 年のセシウム 137 汚染事故
- ゴイアニア事故、1987 年にセシウム 137 が関与した大規模な放射能汚染事件
- クラマトルスク放射線事故、1980年から1989年にかけて発生した137 Csの放射能源喪失事故
注記
- ^ ブンゼンは、 Nigidius FigulusのAulus Gellius Noctes Atticae II、26 を引用しています。Nostris autem veteribus caesia dicts est quae Graecis, ut Nigidus ait, de colore coeli quasi coelia。
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