Nguyên tố Xêzi
Xêzi là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu Cs và số nguyên tử bằng
55. Nó là một kim loại kiềm mềm màu vàng ngà với điểm nóng chảy là 28 °C (83 °F),
làm cho nó trở thành một trong các kim loại ở dạng lỏng tại hay gần nhiệt độ phòng, cùng
với rubidi (39°C), franxi (27 °C), thủy ngân (-39 °C) và gali (30 °C). Nguyên tố này đáng
chú ý nhất là trong các sử dụng trong các đồng hồ nguyên tử.
Lịch sử
Xêzi (tiếng Latinh caesius có nghĩa là "thiên thanh" hay "lam nhạt") được Robert Bunsen
và Gustav Kirchhoff phát hiện nhờ quang phổ năm 1860 trong nước khoáng lấy từ
Dürkheim, Đức. Việc xác định nó dựa trên các vạch màu lam nhạt trong quang phổ của
nó và nó là nguyên tố đầu tiên được phát hiện nhờ phân tích quang phổ. Xêzi kim loại đã
được Carl Setterberg điều chế ra năm 1882. Về mặt lịch sử, ứng dụng quan trọng nhất
của xêzi là trong nghiên cứu và phát triển, chủ yếu là trong các ứng dụng hóa học và điện
học.
Đặc trưng
Phổ điện từ của xêzi có hai vạch sáng trong phần xanh lam của quang phổ cùng với một
vài vạch khác trong các phần màu đỏ, vàng và lục. Kim loại này có màu vàng ngà, mềm
và dễ uốn. Xêzi là nguyên tố có độ âm điện, thế ion hóa và tính kiềm đứng thứ hai, chỉ
sau franxi. Xêzi là kim loại ít phổ biến nhất trong số 5 kim loại kiềm không phóng xạ (Về
mặt kỹ thuật thì franxi là kim loại kiềm ít phổ biến nhất, nhưng do nó có tính phóng xạ
cao, với chỉ khoảng 550 gam trong toàn bộ lớp vỏ Trái Đất tại một thời điểm[1], nên độ
phổ biến của nó có thể coi là bằng 0 trong thực tế).
Cùng với gali, franxi và thủy ngân, xêzi là một trong số các kim loại ở dạng lỏng trong
điều kiện/hay gần nhiệt độ phòng. Xêzi phản ứng mãnh liệt trong nước lạnh và cũng phản
ứng với nước đá ở nhiệt độ trên -116°C (157K).
Hiđrôxít xêzi (CsOH) là một bazơ cực mạnh và sẽ nhanh chóng ăn mòn bề mặt của thủy
tinh. CsOH thông thường được coi là "bazơ mạnh nhất" (sau FrOH), nhưng trên thực tế
thì nhiều hợp chất khác, như n-butyl liti (C4H9Li) hay amit natri (NaNH2) là các bazơ
mạnh hơn.
Người ta cũng cho rằng xêzi, khi phản ứng với flo, sẽ chiếm nhiều flo hơn lượng pháp
hóa của nó [cần chú thích]. Điều này là có thể, do sau khi muối Cs+F− được tạo ra thì ion
Cs+, với cấu trúc điện tử tương tự như của nguyên tố xenon, có thể, tương tự như xenon,
bị ôxi hóa tiếp bởi flo để tạo thành florua bậc cao hơn (ở dạng dấu vết), như CsF3, tương
tự như XeF2.
Ứng dụng
Có lẽ ứng dụng phổ biến nhất của xêzi hiện nay là trong các chất lỏng khoan dựa trên
format xêzi (Cs(HCOO)) trong công nghiệp khai thác dầu mỏ. Tỷ trọng cao của format
xêzi (tới 2,3 sg), cùng với relative benignity of Cs133, làm giảm các yêu cầu đối với các
chất rắn huyền phù tỷ trọng cao và có độc trong chất lỏng khoan, làm cho nó có một số
ưu thế đáng kể về mặt công nghệ, môi trường và công trình [2], [3].
Xêzi cũng đáng chú ý vì các sử dụng trong đồng hồ nguyên tử, với độ chính xác ở mức
giây trong hàng nghìn năm. Kể từ năm 1967, đơn vị đo lường thời gian của Hệ đo lường
quốc tế (SI), giây, là dựa trên các thuộc tính của nguyên tử xêzi. SI định nghĩa giây bằng
9.192.631.770 chu kỳ bức xạ, tương ứng với sự chuyển trạng thái của hai mức năng
lượng spin điện tử trong trạng thái tĩnh của nguyên tử Cs133.
• Cs134 được sử dụng trong thủy học như là phép đo lượng phát ra của xêzi bởi công
nghiệp năng lượng nguyên tử. Đồng vị này được sử dụng là do mặc dù nó ít thịnh hành
hơn Cs133 hay Cs137, nhưng Cs134 có thể được sinh ra bằng các phản ứng hạt nhân.
Cs135 cũng đã được sử dụng vì mục đích này.
• Giống như các nguyên tố nhóm 1 khác, xêzi có ái lực lớn với ôxy và vì thế được sử
dụng như là "chất thu khí" trong các ống chân không.
• Kim loại này cũng được sử dụng trong các tế bào quang điện do khả năng bức xạ điện
tử cao của nó.
• Xêzi cũng được sử dụng như là chất xúc tác trong quá trình hiđrô hóa của một vài hợp
chất hữu cơ.
• Các đồng vị phóng xạ của xêzi được sử dụng trong lĩnh vực y học để điều trị một vài
dạng ung thư.
• Florua xêzi được sử dụng rộng rãi trong hóa hữu cơ như là một bazơ và là nguồn của
các ion florua khan.
• Hơi xêzi được sử dụng trong nhiều loại từ kế phổ biến.
• Do có tỷ trọng cao, dung dịch clorua xêzi nói chung hay được sử dụng trong sinh học
phân tử để siêu ly tâm gradient tỷ trọng, chủ yếu để tách các phần tử virus, các cơ quan tử
hay các phần cận tế bào, cũng như các axít nucleic từ các mẫu sinh học.
• Nitrat xêzi được sử dụng như là chất ôxi hóa để đốt silic trong hồng ngoại[4] như LUU-
19[5], do nó bức xạ phần lớn phổ điện từ của nó trong phổ cận hồng ngoại.
• Gần đây, kim loại này được sử dụng trong các hệ thống động cơ đẩy ion[cần chú thích].
• Cs137 là đồng vị phóng xạ, sử dụng như là nguồn bức xạ gamma trong các ứng dụng
công nghiệp, như:
o Đo mật độ hơi ẩm
o Đo độ thăng bằng
o Đo độ dày
o Các thiết bị trong giếng khoan (được sử dụng để đo độ dày của các tầng đá)
Trạng thái tự nhiên
Polluxit, một khoáng vật của xêzi
Xêzi có mặt trong các khoáng vật như lepidolit, polluxit (silicat nhôm và xêzi ngậm
nước) cũng như trong một vài nguồn khác. Một trong các nguồn giàu và đáng kể nhất có
chứa kim loại này là tại khu vực hồ Bernic ở Manitoba. Các trầm tích tại đây ước tính
chứa khoảng 300.000 tấn polluxit với hàm lượng xêzi khoảng 20%.
Nó có thể cô lập nhờ điện phân xyanua xêzi nóng chảy và bằng một vài cách khác nữa.
Xêzi cực kỳ tinh khiết và không chứa khí có thể được điều chế bằng phân hủy nhiệt đối
với azua xêzi. Các hợp chất chính của xêzi là clorua xêzi và nitrat xêzi. Giá của xêzi kim
loại vào năm 1997 là khoảng 30 USD một gam, nhưng các hợp chất của nó thì rẻ hơn.
Đồng vị
Xêzi có ít nhất 39 đồng vị đã biết, là nhiều hơn bất kỳ một nguyên tố nào (ngoại trừ
franxi). Nguyên tử lượng của các đồng vị này nằm trong khoảng từ 112 tới 151. Mặc dù
có nhiều đồng vị như vậy, song xêzi chỉ có 1 đồng vị ổn định trong tự nhiên là Cs133.
Phần lớn các đồng vị còn lại có chu kỳ bán rã từ vài ngày tới chỉ vài phần của giây. Đồng
vị do phóng xạ tạo ra, Cs137 đã từng được sử dụng trong các nghiên cứu thủy học, tương
tự như việc sử dụng của H3. Cs137 được sản sinh từ các vụ nổ hạt nhân cũng như từ các
nhà máy điện nguyên tử và đáng chú ý nhất là được giải phóng vào khí quyển từ thảm
họa Chernobyl năm 1986.
Điều này là do đồng vị Cs137 là một trong nhiều sản phẩm của phân rã hạt nhân, trực tiếp
từ hạt nhân của urani.
Bắt đầu từ năm 1945, với sự khởi
đầu của việc thử nghiệm hạt nhân, Cs137 đã được giải phóng vào khí quyển Trái Đất, tại
đây nó được hấp thụ vào dung dịch và được quay trở lại bề mặt Trái Đất dưới dạng thành
phần của bụi phóng xạ. Khi Cs137 xâm nhập vào nước ngầm, nó tích lũy lại trong đất bề
mặt và bị di dời khỏi đất chủ yếu bởi sự vận chuyển của các hạt đất. Kết quả là, người ta
có thể sử dụng các số liệu về hàm lượng của đồng vị này trong đất để xác định tuổi của
nó. Cs137 có chu kỳ bán rã 30,17 năm. Nó bị phân rã thành bari-137m (sản phẩm phân rã
tồn tại ngắn) sau đó tạo thành bari không phóng xạ.
Cảnh báo
Tất cả các kim loại kiềm đều có độ hoạt động hóa học cao. Xêzi, một trong các kim loại
kiềm nặng nhất, là một trong số các kim loại hoạt động hóa học mạnh nhất và gây nổ
mạnh khi tiếp xúc với nước, do khí hiđrô được giải phóng ra từ phản ứng bị nung nóng
bởi nhiệt giải phóng ra từ chính phản ứng này, gây ra đánh lửa và gây nổ mạnh (như các
kim loại kiềm khác) – nhưng do xêzi là quá hoạt hóa nên phản ứng nổ này diễn ra ngay
cả với nước lạnh hay nước đá. Hiđrôxít xêzi là một bazơ cực mạnh, có khả năng ăn mòn
thủy tinh.
Các hợp chất của xêzi là tương đối hiếm, nhưng nói chung chúng nên được coi là tương
đối độc hại do sự tương tự về mặt hóa học của chúng với kali. Một lượng lớn có thể gây
ra kích thích quá mức hay co giật, nhưng những lượng lớn như vậy không thể có được
một cách thông thường trong các nguồn tự nhiên, vì thế xêzi không bị coi là chất hóa học
chính gây ô nhiễm môi trường. Trong thử nghiệm trên chuột được nuôi bằng khẩu phần