Cesio: ottenimento, reazioni, orologio atomico

Il cesio è un metallo alcalino appartenente al Gruppo 1 e al 6° Periodo avente configurazione elettronica [Xe]6s¹ . La presenza di un unico elettrone spaiato nel suo orbitale più esterno conferisce al cesio una notevole reattività, tipica degli elementi alcalini. È, infatti, uno dei metalli più reattivi e facilmente ossidabili, e si distingue per le sue proprietà chimico-fisiche estreme, come il basso punto di fusione (28,4 °C) e la straordinaria tendenza a cedere il proprio elettrone di valenza.

La scoperta del cesio risale al 1860, quando il chimico tedesco Robert Bunsen e il fisico Gustav Kirchhoff , pionieri nell’applicazione della spettroscopia per l’analisi chimica, identificarono l’elemento esaminando l’acqua minerale proveniente dalla sorgente di Dürkheim, in Germania. Attraverso l’analisi del suo spettro di emissione, Bunsen e Kirchhoff notarono la presenza di due intense linee blu (precisamente a 455,5 nm e 459,3 nm) nel suo spettro.che non corrispondevano a nessun altro elemento noto all’epoca.

Fu proprio l’inconfondibile colorazione azzurra di queste linee a ispirare il nome dell’elemento: dal latino caesius, che significa appunto “blu cielo” o “azzurro chiaro”.
Dal punto di vista geologico, il cesio è un elemento relativamente raro nella crosta terrestre, ma si concentra in alcuni minerali specifici.

La principale fonte commerciale  è la pollucite, un minerale appartenente alla famiglia delle zeoliti, che ha formula generale Cs₂Al₂Si₄O₁₂·nH₂O. La pollucite si trova prevalentemente nei pegmatiti granitiche, e i giacimenti più ricchi si trovano in Canada (lago Bernic), Zimbabwe e Namibia. Attraverso complessi processi estrattivi e di purificazione, il cesio può essere isolato in forma metallica e utilizzato in molteplici applicazioni, tra cui orologi atomici, celle fotoelettriche, e come fluido di scambio termico nei reattori nucleari.

Ottenimento

I minerali contenenti questo metallo alcalino, tuttavia, contengono anche il rubidio che, appartenendo allo stesso gruppo del cesio, presenta caratteristiche chimiche simili. Pertanto, per poter separare il cesio dal rubidio, i minerali dopo essere stati frantumati sono riscaldati in presenza di sodio metallico a 650°C al fine di ottenere una lega cesio-rubidio i cui componenti possono essere separati tramite distillazione frazionata.

È un metallo duttile e malleabile di colore argenteo con una temperatura di fusione di 28.5°C ed è il meno elettronegativo degli elementi pertanto è particolarmente reattivo.

È quindi commercializzato sotto forma di cesio azide da cui si può ottenere l’elemento per riscaldamento:
2 CsN₃ → 2 Cs + 3 N₂

Reazioni del cesio 

Reagisce con l’ossigeno e tende a ricoprirsi di una patina di superossido di cesio che si forma a seguito della reazione:
Cs_(s) + O_2(g) → CsO_2(s)

Reagisce rapidamente con l’acqua per formare una soluzione di idrossido di cesio con sviluppo di idrogeno. La reazione è altamente esotermica e, se viene condotta in un recipiente di vetro, esso tenderà a frantumarsi.
2 Cs + 2 H₂O → 2 Cs⁺ + 2 OH^– + H₂ 

Reagisce con tutti gli alogeni per formare i rispettivi alogenuri secondo la reazione:
2 Cs + X₂ → 2 CsX

Reazioni con gli acidi

In presenza di  acido cloridrico diluito forma una soluzione contenente lo ione Cs⁺: la reazione avviene con sviluppo di idrogeno:
2 Cs + 2 HCl → 2 Cs⁺ +2 Cl^– + H₂ 

Reagisce con acido solforico diluito con formazione di SO₂ e precipitazione dello zolfo:
8 Cs + 6 H₂SO₄ → 8 Cs⁺ + 4 SO₄^2- + SO₂ + S + 6 H₂O

Reagisce con acido nitrico diluito dà luogo alla formazione del monossido e del biossido di azoto:
21 Cs + 26 HNO₃ → 21 Cs⁺ + 21 NO₃^– + NO + N₂O + N₂ + 13 H₂O

Altre reazioni

In presenza di idrossido di cesio alla temperatura di 300-350°C dà luogo alla formazione del corrispondente ossido con sviluppo di idrogeno:
2 Cs + 2 CsOH → 2 Cs₂O + H₂

In presenza di idrogeno gassoso alla temperatura di 300-350°C e ad elevate pressioni dà luogo alla formazione dell’idruro

2 Cs + H₂ → 2 CsH

In presenza di ammoniaca alla temperatura di – 40°C e in presenza di platino quale catalizzatore dà luogo alla formazione di cesio ammide:
2 Cs + 2 NH₃ → 2 CsNH₂ + H₂

Reagisce ad una temperatura maggiore di 300°C con il biossido di silicio per dare il silicato di cesio:
4 Cs + 3 SiO₂ → 2 Cs₂SiO₃ + Si

Usi

Tra i composti  più importanti vi è lo ioduro CsI drogato con tallio che presenta il fenomeno della scintillazione. Infatti quando è eccitato da radiazioni ionizzanti, il nitrato di cesio utilizzato per ottenere vetri ottici, il cloruro di cesio usato in cellule fotoelettriche, il formiato di cesio dotato di elevate proprietà lubrificanti.

Il primo orologio atomico, basato sulle transizioni di livelli energetici dell’atomo, conteneva cesio.

È inoltre utilizzato quale catalizzatore nell’idrogenazione di composti organici.