Cez (Cs) ‒ właściwości, działanie i występowanie
Cez (Cs) to pierwiastek niezwykły pod wieloma względami. Najmiększy ze wszystkich metali, mógłby stopić się w ludzkich dłoniach, o ile…. by wcześniej nie eksplodował! Bardzo rzadki, wyjątkowo reaktywny, może być dla człowieka przekleństwem i błogosławieństwem zarazem. Gdzie i kiedy możesz natknąć się na cez? Czy warto się go wystrzegać?
W układzie okresowym pierwiastków Cez zajmuje pozycję 55, moszcząc się między ksenonem a barem. Pod względem chemicznym zaliczany jest jednak do grupy litowców, razem z litem, sodem, potasem, rubidem oraz franzem. Sama nazwa odnosi się do łacińskiego słowa „caesium” oznaczającego błękit niebieski, charakterystyczny odcień linii spektralnych obserwowanych w widmie cezu.
Historia cezu
Odkrycie cezu zawdzięczamy duetowi dwóch niemieckich naukowców, chemika Roberta Bunsena oraz fizyka Gustava Kirchoffa. Współpracowali oni razem na wynalezieniem spektroskopu, czyli urządzenia badającego widmo promieniowania świetlnego poszczególnych pierwiastków. W 1860 r. w ramach rutynowych badań analizowali spektrum wody mineralnej, gdy udało im się odkryć niespotykane dotąd intensywnie niebieskie widmo. Cez stał się więc de facto pierwszym na świecie pierwiastkiem odkrytym metodą spektroskopii!
Aby otrzymać pierwszą dawkę cezu Bunsen i Kirchoff musieli jednak odparować 44 tysiące litry wody mineralnej! Z otrzymanego tym sposobem roztworu solnego wytrącili kolejne pierwiastki uzyskując w końcu… 7.3 gramów chlorku cezu! Mimo intensywnych wysiłków nie udało im się jednak wyizolować czystego metalu – zadania tego dokonał za pomocą elektrolizy Carl Setterberg dopiero w 1882 r.
Początkowo nowy pierwiastek był przede wszystkim naukową gratką i surowcem wykorzystywanym w badaniach chemicznych i elektrycznych. Dopiero od lat 20-tych XX w. cez nabrał większego znaczenia gospodarczego, a w 1967 r. wpisał się na trwałe do historii naszej cywilizacji. Zgodnie z obowiązującymi po dzień dzisiejszy normami oficjalna definicja sekundy, podstawowej jednostki czasu, mówi, że jest to „czas równy 9 192 631 770 okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami struktury nadsubtelnej stanu podstawowego atomu cezu 133”!
Właściwości cezu – jakie związki tworzy?
Cez jest rzadkim metalem alkalicznym o liczbie atomowej 55 i masie atomowej 132.90 u. Jest tak miękki, że w temperaturze pokojowej przyjmuje konsystencję wosku – tym samym uważany jest za najmiększy stały pierwiastek na świecie określany na 0.2 w 10-stopniowej skali twardości Mohsa. Srebrno-biały, wyjątkowo połyskliwy, jest doskonałym przewodnikiem, a jego gęstość jest zaledwie dwa razy większa od gęstości wody. Topi się już przy podgrzaniu do temperatury 28.5 stopni C, zaś punkt wrzenia osiąga zaledwie przy 641 stopniach C – pod tym kątem wyprzedza go wyłącznie rtęć.
Najbardziej wyjątkową cechą cezu jest jednak jego reaktywność. W kontakcie z powietrzem bywa samozapalny, zaś przy styku z wodą, nawet chłodną, powoduje eksplozję. I choć trudno w to uwierzyć reaguje nawet z lodem! Wysoka reaktywność sprawia, że cez uważany jest za pierwiastek niebezpieczny – w związku z tym musi być składowany w nasyconych węglowodorach, takich jak oleje mineralne.
W warunkach naturalnych cez tworzy stopy z innymi metalami, takimi jak złoto czy rtęć, a ponadto tworzy wiązania metaliczne m.in. z antymonem, galem i indem. Ponadto jony cezu łączą się z wieloma anionami, tworząc sole takie jak fosforany, siarczany, węglany, halogenki, a także tlenki. W warunkach laboratoryjnych pozyskuje się również czasami wodorotlenek cezu o wyjątkowych właściwościach higroskopijnych, uznawany za najsilniejszą zasadę ze wszystkich dotąd otrzymanych!
Cez posiada tylko jeden naturalny izotop i jest niż wspomniany wyżej cez-133 wykorzystywany do wyznaczania długości trwania jednej sekundy.
Występowanie i wydobycie cezu
Cez jest pierwiastkiem naturalnego pochodzenia, ale w przyrodzie nigdy nie występuje w czystej postaci – zawsze wchodzi w skład minerałów. Mowa przede wszystkim o pollucycie, który nawet w 40% składa się z tlenku cezu; rodozycie oraz lepidolicie. Ogólnie w skorupie ziemskiej czysty cez występuje w ilości określanej w zależności od źródła na 2-3 ppm, jest więc nawet sześciokrotnie rzadszy niż ołów, ale ponad pięćdziesiąt razy powszechniejszy niż srebro.
Znaczące złoża pollucytu znajdują się przede wszystkim w Zimbabwe, a ponadto cez uzyskuje się przede wszystkim z bogatych w lit złóż pegmatytów odkrytych w prowincji Manitoba, w Kanadzie. Największym problemem w pozyskiwaniu cezu jest jednak fakt, że jest on zwykle ściśle związany z innymi metalami, zwłaszcza bardzo podobnym pod względem właściwości chemicznych rubidem. Odseparowanie czystych soli cezu wymaga wykorzystania eterów koronowych, a następnie za pomocą elektrolizy lub reakcji redukcji otrzymuje się czysty metal. Do celów przemysłowych cez najczęściej przetwarza się jednak raczej do postaci mrówczanów, chlorków i azotanów.
Zastosowania cezu
Pierwszym oficjalnym wykorzystaniem cezu było czyszczenie rur próżniowych z resztek zalegających w nich gazów – pierwiastek szybko i chętnie reaguje bowiem z tlenem. Obecnie najpoważniejszym zastosowaniem reaktywnego pierwiastka jest jednak przemysł wydobycia ropy naftowej. Mrówczany cezu od lat 90-tych ubiegłego stulecia tworzą bowiem płuczki wiertnicze, dzięki którym na powierzchnię odwiertu wydobywa się łatwo cząstki skalne, zaś cały proces przebiega pod odpowiednim ciśnieniem. Ponadto cez wykorzystywany jest do konstrukcji zegarów atomowych regulujących pracę m.in. Internetu oraz telefonów komórkowych.
Inne ciekawe zastosowania obejmują ogniwa fotowoltaiczne, gdzie cez tworzy katody łatwo emitujące elektrony, oraz inne urządzenia typu fotopowielacze, kamery wideo, urządzenia optycznego rozpoznawania tekstu, itp. Cez stosowany jest także w ultrawirówkach wykorzystywanych do badania bakterii i wirusów, w reakcjach chemicznych, szkłach używanych w noktowizorach czy rakietach sygnalizacyjnych. Bardzo ciekawe jest także zastosowanie radioaktywnych izotopów cezu 134 i 137, które powstają w procesach rozszczepiania paliwa jądrowego. W przemyśle bywają one cennym źródłem promieniowania gamma, a ponadto wykorzystywane są w badaniach hydrologicznych, a dawniej również medycznych urządzeniach naświetlających stosowanych przede wszystkim w terapii nowotworów.
Wpływ cezu na zdrowie
Większość z nas ma niewielkie szanse na bezpośrednią styczność ze związkami cezu. Tym niemniej, nie promieniotwórcze związki uważane są za lekko toksyczne, gdyż cez ma zdolność zastępowania potasu w tkankach i wówczas prowadzi do nadwrażliwości, niedoboru potasu, spazmów, arytmii serca, a nawet zawału. Jest to jednak sytuacja, która grozi wyłącznie osobom zatrudnionym w przemyśle i mającym dostęp do wyizolowanych form cezu. Szczury karmione cezem zawsze umierają, co oznacza, że cez nie potrafi przejąć biologicznych funkcji potasu!
Radioaktywne formy cezu mogą natomiast wywoływać u ludzi mdłości, wymioty, biegunkę i krwawienia, zaś w długim okresie nawet utratę świadomości i śmierć – jest jednak mało prawdopodobne, aby człowiek został poddany takiej ekspozycji!
Co ciekawe, alternatywna medycyna zaleca doustne przyjmowanie chlorku cezu jako terapii nowotworową, twierdząc, że pierwiastek neutralizuje toksyczne substancje produkowane przez guza i ogranicza podział komórek rakowych. Jest to jednak twierdzenie niepodparte żadnymi dowodami naukowymi, a zdaniem wielu lekarzy może powodować poważne skutki uboczne!
Cez a środowisko naturalne
Naturalne postacie cezu są rzadkie, trudno dostępne i nie stanowią zagrożenia ani dla człowieka, ani środowiska naturalnego. Gorzej natomiast sprawa przedstawia się w kontekście wspomnianych wyżej radioaktywnych izotopów, które emitowane są przez elektrownie atomowe w formie zużytego paliwa jądrowego, a ponadto bywają rezultatem wypadków nuklearnych oraz użycia broni nuklearnej. Dostają się one wówczas do powietrza i wedle naukowców mogą oddziaływać na zachowanie zwierząt, zwiększając lub zmniejszając ich aktywność. Po wybuchu elektrowni w Czernobylu radioaktywny cez wykrywany był w wodach powierzchniowych, a nawet niektórych produktach spożywczych. Głośny był zwłaszcza problem skażenia ukraińskich jezior cezem-137.
Niestety, cez może drogą powietrzną przemieszczać się na ogromne odległości, osiadając następnie na wodzie i glebie. W tej ostatniej pozostaje zwykle na powierzchni i nie jest absorbowany przez korzenie roślin, ale w wodzie rozpuszcza się za to doskonale. Stąd międzynarodowe organizacje zajmujące się ekologią i bezpieczeństwem technologii nuklearnej prowadzą stały monitoring środowiska pod kątem poziomu radioaktywnych form cezu. W wielu Stanach Zjednoczonych prowadzi się już wręcz aktywne oczyszczanie skażonej cezem gleby wokół zakładów produkujących broń nuklearną!
- Rachel Ross; "Facts About Cesium"; https://www.livescience.com/37578-cesium.html; 2021-06-17;
- ChemEurope.com,; "Ceasium"; https://www.chemeurope.com/en/encyclopedia/Caesium.html; 2021-06-17;
- Britannica; "Cesium"; https://www.britannica.com/science/cesium; 2021-06-17;
- LennTech; "Cesium"; https://www.lenntech.com/periodic/elements/cs.htm; 2021-06-17;
- S.C. Gad, T. Pham, Encyclopedia of Toxicology (Third Edition); "Cesium"; Elsevier 2014;
Chlorek cezu jest uzywany w medycynie niekonwencjonalnej do odkwaszania organizmu jako srodek wysoko zasadowy tworzac (podobno) zasadowe srodowisko ktore bardzo szybko i skutecznie zabija nowotwory .