Le césium (Cs), également orthographié césium, élément chimique du groupe 1 (également appelé groupe Ia) du tableau périodique, du groupe des métaux alcalins, et premier élément à être découvert par spectroscopie (1860), par les scientifiques allemands Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff, qui l’ont nommé pour les lignes bleues uniques de son spectre (latin caesius, « bleu ciel »).
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Ce métal argenté à la coulée dorée est le plus réactif et l’un des plus doux de tous les métaux. Il fond à 28,4 °C (83,1 °F), juste au-dessus de la température ambiante. Il est environ deux fois moins abondant que le plomb et 70 fois plus abondant que l’argent. Le césium est présent en quantités infimes (7 parties par million) dans la croûte terrestre, dans les minéraux pollucite, rhodizite et lépidolite. La pollucite (Cs4Al4Si9O26∙H2O) est un minéral riche en césium qui ressemble au quartz. Elle contient 40,1 pour cent de césium à l’état pur, et les échantillons impurs sont généralement séparés par des méthodes de triage manuel à plus de 25 pour cent de césium. D’importants gisements de pollucite ont été découverts au Zimbabwe et dans les pegmatites lithifères de Bernic Lake, au Manitoba (Canada). La rhodizite est un minéral rare que l’on trouve en faible concentration dans la lépidolite et dans les saumures et les dépôts salins.
La principale difficulté associée à la production de césium pur est que le césium se trouve toujours avec le rubidium dans la nature et qu’il est également mélangé à d’autres métaux alcalins. Le césium et le rubidium étant chimiquement très similaires, leur séparation présentait de nombreux problèmes avant l’avènement des méthodes d’échange d’ions et des agents complexants spécifiques aux ions tels que les éthers couronnes. Une fois les sels purs préparés, il est aisé de les convertir en métal libre.
Le césium peut être isolé par électrolyse d’un mélange fondu de cyanure de césium et de cyanure de baryum et par d’autres méthodes, comme la réduction de ses sels avec du sodium métallique, suivie d’une distillation fractionnée. Le césium réagit de manière explosive avec l’eau froide ; il se combine facilement avec l’oxygène, de sorte qu’il est utilisé dans les tubes à vide comme « getter » pour éliminer les traces d’oxygène et d’autres gaz piégés dans le tube lorsqu’il est scellé. Le césium très pur et exempt de gaz, utilisé comme « getter » pour l’oxygène dans les tubes à vide, peut être produit selon les besoins en chauffant de l’azoture de césium (CsN3) sous vide. Le césium étant fortement photoélectrique (il perd facilement des électrons lorsqu’il est frappé par la lumière), il est utilisé dans les cellules photoélectriques, les tubes photomultiplicateurs, les compteurs à scintillation et les spectrophotomètres. Il est également utilisé dans les lampes infrarouges. Comme l’atome de césium peut être ionisé thermiquement et les ions chargés positivement accélérés à de grandes vitesses, les systèmes au césium pourraient fournir des vitesses d’échappement extraordinairement élevées pour les moteurs à propulsion par plasma destinés à l’exploration de l’espace profond.
Le césium métal est produit en quantité assez limitée en raison de son coût relativement élevé. Le césium a une application dans les convertisseurs de puissance thermioniques qui génèrent de l’électricité directement dans les réacteurs nucléaires ou à partir de la chaleur produite par la désintégration radioactive. Une autre application potentielle du césium métal est la production d’un alliage eutectique NaKCs à bas point de fusion.
Le césium atomique est employé dans l’étalon de temps mondial, l’horloge au césium. La ligne spectrale des micro-ondes émise par l’isotope césium-133 a une fréquence de 9 192 631 770 hertz (cycles par seconde). C’est l’unité fondamentale du temps. Les horloges au césium sont si stables et précises qu’elles sont fiables à 1 seconde près en 1,4 million d’années. Les horloges primaires au césium, comme l’horloge NIST-F1 à Boulder (Colorado), sont à peu près aussi grandes qu’un wagon plat. Les étalons secondaires commerciaux ont la taille d’une valise.
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Le césium naturel est entièrement constitué de l’isotope non radioactif césium-133 ; un grand nombre d’isotopes radioactifs allant du césium-123 au césium-144 ont été préparés. Le césium-137 est utile en radiologie médicale et industrielle en raison de sa longue demi-vie de 30,17 ans. Cependant, en tant que composant majeur des retombées nucléaires et déchet de la production de plutonium et d’autres combustibles nucléaires enrichis, il présente un danger pour l’environnement. L’élimination du césium radioactif des sols contaminés sur les sites de production d’armes nucléaires, tels que le laboratoire national d’Oak Ridge, dans le Tennessee, et le site de Hanford du ministère américain de l’Énergie, près de Richland, dans l’État de Washington, constitue un effort de nettoyage majeur.
Le césium est difficile à manipuler car il réagit spontanément dans l’air. Si un échantillon de métal a une surface suffisamment grande, il peut brûler pour former des superoxydes. Le superoxyde de césium a une teinte plus rougeâtre. Le Cs2O2 peut être formé par oxydation du métal avec la quantité d’oxygène requise, mais les autres réactions du césium avec l’oxygène sont beaucoup plus complexes.
Le césium est l’élément le plus électropositif et le plus alcalin, et donc, plus facilement que tous les autres éléments, il perd son électron de valence unique et forme des liaisons ioniques avec presque tous les anions inorganiques et organiques. L’anion Cs- a également été préparé. L’hydroxyde de césium (CsOH), contenant l’anion hydroxyde (OH-), est la base la plus forte connue, attaquant même le verre. Certains sels de césium sont utilisés dans la fabrication d’eaux minérales. Le césium forme un certain nombre d’amalgames de mercure. En raison de l’augmentation du volume spécifique du césium, par rapport aux métaux alcalins plus légers, il a moins tendance à former des systèmes d’alliage avec d’autres métaux.
Le rubidium et le césium sont miscibles en toutes proportions et ont une solubilité solide complète ; un point de fusion minimum de 9 °C (48 °F) est atteint.
28.44 °C (83,19 °F)
671 °C (1 240 °F)
1.873 (à 20 °C, ou 68 °F)
+1, -1 (rare)
2-8-18-18-8-1 ou 6s1
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