Tính chất vật lý

Xêsi-133 độ tinh khiết cao được bảo quản trong argon

Xêsi là một kim loại có màu nhạt rất dẻo, độ cứng thấp và rất mềm (độ cứng của nó là 0,2, là nguyên tố mềm nhất), nó chuyển sang màu tối khi có mặt ôxy ở dạng vết.[10][11][12] Xêsi có điểm nóng chảy ở 28,4 °C (83,1 °F), là một trong ít các kim loại nguyên tố ở dạng lỏng trong điều kiện gần nhiệt độ phòng. Thủy ngân là kim loại nguyên tố duy nhất có điểm nóng chảy thấp hơn xêsi.[ghi chú 3][14] Thêm vào đó, kim loại xêsi có điểm sôi khá thấp, 641 °C (1.186 °F), thấp nhất trong tất cả các kim loại trừ thủy ngân.[15] Các hợp chất của nó cháy cho ngọn lửa màu xanh dương[16][17] hoặc tím.[17]

Mẫu xêsi được dùng trong giảng dạy

Xêsi tạo hợp kim với các kim loại kiềm khác, cũng như với vàng, và tạo hỗn hống với thủy ngân. Ở nhiệt độ dưới 650 °C (1.202 °F), nó không tạo hợp kim với coban, sắt, molypden, niken, platin, tantalum hay wolfram. Nó tạo thành các hợp chất đa kim với antimon, galli, indi và thori, có tính cảm quang.[10] Xêsi tạo hỗn hợp với tất cả kim loại kiềm, trừ liti; hợp kim với tỉ lệ mol chiếm 41% xêsi, 47% kali, và 12% natri có điểm nóng chảy thấp nhất trong bất kỳ hợp kim kim loại nào đã được biết đến, ở −78 °C (−108 °F).[14][18] Một vài hỗn hống đã được nghiên cứu như: CsHg2 có màu đen tạo ra ánh kim màu tía, trong khi CsHg có màu vàng ánh bạc.[19]

Tính chất hóa học

Kim loại xêsi có độ hoạt động mạnh và tự bốc cháy. Nó phản ứng nổ với nước thậm chí ở nhiệt độ thấp, mạnh hơn các kim loại khác trong nhóm 1.[10] Phản ứng với nước đá ở nhiệt độ thấp −116 °C (−177 °F).[14] Do có tính hoạt động mạnh, kim loại xêsi được xếp vào nhóm vật liệu nguy hại. Nó được trữ và vận chuyển trong hidrocacbon khô, như dầu khoáng. Tương tự, nó phải được xử lý trong khí trơ như argon. Tuy nhiên, phản ứng nổ xêsi-nước thường ít mạnh hơn phản ứng nổ natri-nước với cùng một lượng natri. Điều này là do xêsi phát nổ ngay lập tức khi tiếp xúc với nước, nên có ít thời gian để tích tụ hydro.[20] Xêsi có thể được chứa trong ống thủy tinh borosilicat được hút chân không. Với một lượng hơn 100 gram (3,5 oz), xêsi được vận chuyển trong các thùng chứa bằng thép không gỉ được bịt kín.[10]

Tính chất hóa học của xêsi tương tự các kim loại kiếm khác như gần với tính chất của rubidi hơn.[21] Là một kim loại kiềm, trạng thái ôxy hóa phổ biến của nó là +1.[ghi chú 4] Có một số khác biệt nhỏ từ thực tế rằng nó khối lượng nguyên tử lớn hơn và độ dương điện lớn hơn so với các kim loại kiềm khác.[23] Xêsi là nguyên tố hóa học có độ dương điện cao nhất.[ghi chú 5][14] Ion xêsi cũng lớn hơn và ít "cứng" hơn so với các kim loại kiềm nhẹ hơn.

Hợp chất

Mô hình tinh thể lập phương của Cs và Cl trong CsCl

Phần lớn các hợp chất của xêsi chứa nguyên tố ở dạng cation Cs+, nó tạo liên kết ion với nhiều loại anion. Một ngoại lệ đáng chú ý là trường hợp anion caesua (Cs−).[3] Các ngoại lệ khác bao gồm nhiều suboxit (xem phần các oxit bên dưới).

Đối với các hợp chất thông thường, các muối Cs+ hầu như không màu trừ anion là có màu. Nhiều muối đơn giản là hygroscopic, nhưng ít hơn so với các muối tương ứng của các kim loại kiềm nhẹ hơn. Các muối phosphat,[25] acetat, cacbonat, halua, oxit, nitrat, và sulfat đều tan trong nước. Các muối kép thường ít tan hơn, và tính tan thấp của xêsi nhôm sulfat được khai thác để lấy Cs từ quặng của nó. Muối kép với antimon (như CsSbCl4), bismuth, cadmi, đồng, sắt, và chì cũng ít tan.[10]

Xêsi hydroxit (CsOH) là một bazơ cực mạnh[21] và sẽ nhanh chóng ăn mòn bề mặt của bán dẫn như silicon.[26] CsOH thông thường được coi là "bazơ mạnh nhất" , phản ánh tính hút tương đối yếu giữa ion lớn Cs+ và OH−;[16] nhưng trên thực tế thì nhiều hợp chất khác không tan trong dung dịch, như n-butyl liti (C4H9Li) hay amit natri (NaNH2)[21] là các bazơ mạnh hơn.

Hỗn hợp cân bằng hóa học của xêsi và vàng sẽ phản ứng để tạo thành xêsi aurua vàng (Cs+Au−) trong điều kiện nung. Aion aurua có ứng xử như một giả halogen. Hợp chất phản ứng mãnh liệt với nước tạo xêsi hydroxit, vàng kim loại, và khí hydro; trong amoniac lỏng nó có thể phản ứng với một loại nhựa trao đổi ion xêsi đặc biệt tạo ra tetramethylammonium aurua. Hợp chất với platin tương tự như xêsi platinua đỏ (Cs2Pt) chứa ion platinua có ứng xử như một giả chalcogen.[27]

Phức

Giống như các cation kim loại, Cs+ tạo phức với các bazơ Lewis trong dung dịch. Do có kích thước lớn, Cs+ thường có số phối trí lớn hơn 6, là điển hình cho các cation kim loại kiềm nhẹ hơn. Xu hướng này thể hiện rõ bởi số phối trí 9 trong CsCl, so với mẫu halit khi các kim loại kiềm khác liên kết với clo. Nó có số phối trí cao và mềm (khuynh hướng tạo thành liên kết cộng hóa trị) là điểm cơ bản để tách Cs+ ra khỏi các cation khác, như xử lý chất thải hạt nhân khi 137Cs+ được tác ra khỏi một lượng lớn K+ không phóng xạ.[28]

Halua

Sợi xêsi halua đơn nguyên tử phát triển bên trong ống nano cacbon thành hai lớp (Ảnh TEM).[29]

Xêsi florua (CsF) là một chất rắn màu trắng háo nước được sử dụng rộng rãi trong hóa học cacbon-flo làm nguồn cung cấp anion florua.[30] Xêsi florua có cấu trúc giống halit, nghĩa là các ion Cs+ và F− xếp trong một hình lập phương kết chặt giống như Na+ và Cl− trong natri clorua.[21]

Xêsi clorua (CsCl) kết tinh theo hệ lập phương, còn được gọi là cấu trúc xêsi clorua.[23] Kiểu cấu trúc này là một ô mạng lập phương nguyên thủy với một đơn vị cơ bản gồm 2 nguyên tử, mỗi nguyên tử có số phối trí là 8; các nguyên tử clorua nằm trên các đinh của ô mạng, còn xêsi nằm ở trọng tâm của hình lập phương. Cấu trúc này giống với CsBr và CsI, và nhiều hợp chất khác không chứa Cs.[23] Cấu trúc CsCl được tham chiếu vì Cs+ có bán kính ion là 174 pm và Cl− 181 pm.[31]

Oxit

ô mạng Cs11O3

Xêsi tạo nhiều hợp chất hai cấu tử với ôxy hơn các kim loại kiềm khác. Khi cháy trong không khí, superoxit CsO2 là sản phẩm chính.[32] Xêsi oxit (Cs2O) "bình thường" tạo các tinh thể hệ sáu phương có màu vàng cam,[33] và chỉ có oxit loại anti-CdCl2.[34] Nó hóa hơi ở 250 °C (482 °F), và phân hủy thành kim loại xêsi và peroxit Cs2O2 ở nhiệt độ trên 400 °C (752 °F).[35] Ngoài các superoxit và ozonua CsO3,[36][37] nhiều suboxit có màu sáng cũng được nghiên cứu,[38] như Cs7O, Cs4O, Cs11O3, Cs3O (lục sẫm[39]), CsO, Cs3O2,[40] hay Cs7O2.[41][42] Chất Cs7O2 có thể được nung trong chân không để tạo ra Cs2O.[34] Hợp chất hai cấu tử với lưu huỳnh, selen, và telluri cũng tồn tại.[10]

Phổ biến

Polluxit, một khoáng vật của xêsi

Xêsi là một nguyên tố tương đối hiếm vì nó chiếm trung bình khoảng 3 ppm trong vỏ Trái Đất.[43] Nguyên tố này phổ biến thứ 45 trong số các nguyên tố và thứ 36 trong nhóm kim loại. Tuy vậy, nó phổ biến hơn các nguyên tố như antimony, cadmi, thiếc và tungsten, và lớn gấp 20 lần so với thủy ngân hoặc bạc, nhưng chỉ hơn 3,3% so với rubidi là loại cộng sinh với nó.[10]

Do có bán kính ion lớn, xêsi là một trong những nguyên tố không tương hợp trong việc thay thế với các nguyên tố khác trong ô mạng tinh thể.[44] Trong sự kết tinh phân đoạn mácma, xêsi được tập trung ở pha lỏng và kết tinh sau cùng. Do đó, các mỏ xêsi lớn nhất là các thân quặng pecmatit được hình thành từ quá trình làm giàu quặng này. Do xêsi không thể thay thế kali cũng như rubidi, các khoáng vật kiềm hình thành do quá trình bay hơi như sylvit (KCl) và carnallit (KMgCl3·6H2O) chỉ có thể chứa 0,002% xêsi. Từ đó, Cs được tìm thấy trong ít khoáng vật. Một phần xêsi có thể được tìm thấy trong beryl (Be3Al2(SiO3)6) và avogadrit ((K,Cs)BF4), lên đến 15 wt% Cs2O trong khoáng pezzottait (Cs(Be2Li)Al2Si6O18), lên đến 8,4 wt% Cs2O trong londonit ((Cs,K)Al4Be4(B,Be)12O28), và ít phổ biến hơn trong rhodizit.[10] Nguồn khoáng sản duy nhất quan trọng có giá trị kinh tế của xêsi là pollucit Cs(AlSi2O6), nó được tìm thấy ở một vài nơi trên thế giới trong các pecmatit, và đồng sinh với nguyên tố có giá trị hơn là liti trong lepidolit và petalit. Trong pecmatit, các hạt có kích thước lớn và các khoáng vật bị chia tách rõ tạo ra một loại quặng cao cấp trong khai thác mỏ.[45]

Một trong những nguồn tài nguyên giàu xêsi và quan trọng nhất trên thế giới là mỏ Tanco ở Bernic Lake, Manitoba, Canada. Mỏ được ước tính chứa 350.000 tấn quặng pollucit, chiếm 2/3 trữ lượng trên thế giới.[45][46] Mặc dù cân bằng hàm lượng xêsi trong pollucit là 42,6%, các mẫu pollucit tinh khiết từ mỏ này có thể chỉ chiếm khoảng 34% xêsi, trong khi hàm lượng trung bình 24 wt%.[46] Pollucit thương mại chứa hơn 19% xêsi.[47] Mỏ pecmatit Bikita ở Zimbabwe được khai thác để lấy petalit, nhưng nó chỉ chứa một lượng đáng kể pollucit. Một lượng pollucit khá phong phú cũng được khai thác ở sa mạc Karibib, Namibia.[46] Với tốc độ khai thác các mỏ trên thế giới hiện nay với sản lượng 5 đến 10 tấn mỗn năm, với trữ lượng hiện tại việc khai thác có thể kéo dài hàng ngàn năm.[10]

Đồng vị

Xêsi 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. Nhiều trong số này được tổng hợp từ các nguyên tố nhẹ hơn bằng quá trình bắt neutron chậm (quá trình S) bên trong các sao già,[48] cũng như trong các vụ nổ siêu tân tinh (quá trình R).[49] Mặc dù có nhiều đồng vị như vậy, song xêsi chỉ có 1 đồng vị ổn định trong tự nhiên là Cs133 có 78 neutron. Mặc dù nó có spin hạt nhân lớn (7⁄2+), các nghiên cứu cộng hưởng từ hạt nhân có thể được tiến hành trên đồng vị này ở tần số cộng hưởng 11,7 MHz.[50]

Phân rã của xêsi-137

135Cs có chu kỳ bán rã rất dài khoảng 2,3 triệu năm, dài nhất trong tất cả các đồng vị của xê-si. 137Cs và 134Cs có chu kỳ bán rã lần lượt là 30 và 2 năm. 137Cs phân rã beta tạo thành đồng vị 137mBa có thời gian tồn tại ngắn, và sau đó thành bari không phóng xạ, trong khi 134Cs chuyển trực tiếp thành 134Ba. Các đồng vị có số khối 129, 131, 132 và 136 có chu kỳ bán rã từ một ngày đến hai tuần, trong khi hầu hết các đồng vị còn lại có chu kỳ bán rã từ vài giây đến một giây. Có ít nhất 21 đồng phân hạt nhân ở trạng thái kích thích. Ngoài 134mCs (có chu kỳ bán rã dưới 3 giờ), tất cả đều rất không bền và phân rã có chu kỳ vài phút hay ngắn hơn.[51][52]

Đồng vị 135Cs là một trong những sản phẩm phân hạch hạt nhân của urani có thời gian tồn tại lâu, nó được tạo ra trong các lò phản ứng hạt nhân.[53] Tuy nhiên, sản lượng sản phẩm phân hạch của nó bị giảm trong hầu hết các lò phản ứng do nguyên tử trước đó của nó, 135Xe, là một neutron cực kỳ động và chuyển hóa thường xuyên thành 136Xe bền trước khi phân rã thành 135Cs.[54][55]

Do phân rã beta của nó (thành 137mBa), 137Cs là một nguồn phát phóng xạ gamma mạnh.[56] Chu kỳ bán rã của làm nó trở thành một sản phẩm phân hạch có thời gian tồn tại trung bình cùng với 90Sr—cả hai góp phần phát ra phóng xạ của các nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng sau nhiều năm làm lạnh cho đến hàng trăm năm sau khi sử dụng.[57] Ví dụ, 137Cs cùng với 90Sr hiện tạo ra một nguồn phóng xạ lớn nhất ở khu vực xung quanh thảm họa Chernobyl.[58] Không khả thi để xử lý 137Cs bằng bắt neutron (do tỉ lệ bắt giữ thấp) và kết quả là nó phải được để cho phân rã.[59]

Hầu như tất cả xêsi được tạo ra từ phân hạch hạt nhân đều từ phân rã beta của các sản phẩm phân hạch giàu neutron hơn, trải qua nhiều đồng vị iod và xenon khác nhau.[60] Do iod và xenon có bay hơi và có thể phân tán qua nhiên liệu hạt nhân hoặc không khí, xêsi phóng xạ thường được tạo ra rất xa nguồn phân hạch.[61] Với vụ thử vũ khí hạt nhân khoảng năm 1945, 137Cs đã được giải phóng vào khí quyển và sau đó vào bề mặt trái đất ở dạng bụi phóng xạ.[10]