Nguyên tố Xesi là gì? Tính chất, điều chế và ứng dụng của Xesi (Cs)

Nguyên tố Caesium là gì? Cs có tính chất vật lý, hóa học, cách điều chế và ứng dụng ra sao? Để có thêm thông tin và tăng cường hiểu biết về nguyên tố Caesium trong bảng tuần hoàn hóa học, các em hãy đọc ngay những thông tin bổ ích được Admin cung cấp trong bài viết này nhé!

Trong bảng tuần hoàn hóa học, Caesium được ký hiệu là Cs, thuộc nhóm IA, chu kỳ 6 với số hiệu nguyên tử bằng 55 và nguyên tử khối là 132,91 đvC.

Nguyên tố Caesium là gì?

Caesium là một kim loại mềm, có màu trắng bạc và có tính chất hóa học tương tự như các kim loại kiềm khác trong nhóm 1 của bảng tuần hoàn. Nó có một số ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu. Ví dụ, Caesium được sử dụng trong các thiết bị điện tử, đèn phát quang, ống tia hồng ngoại, và trong nghiên cứu về vật lý và hóa học.

Năm 1860, Robert Bunsen và Gustav Kirchhoff đã phát hiện ra nguyên tố Caesium bằng phương pháp quang phổ phát xạ nung bằng ngọn lửa. Sau khi phát hiện ra nguyên tố Caesium, các ứng dụng ban đầu của nó bao gồm việc sử dụng làm chất bắt giữ trong ống chân không và tế bào quang điện.

Lịch sử phát triển nguyên tố Caesium

Năm 1967, ${}^{133}C s$ được sử dụng để đồng định nghĩa giây và mét trong hệ SI. Sau đó, Caesium được sử dụng rộng rãi trong các đồng hồ nguyên tử độ chính xác cao. Ứng dụng lớn nhất của Caesium trong thập kỷ 1990 là trong dung dịch khoan.

Sau đó đã có nhiều nghiên cứu hơn về nguyên tố Caesium và những ứng dụng được phát triển gồm: Caesium-137 là một đồng vị phóng xạ, nó được sử dụng trong y học, thiết bị đo công nghiệp và thủy văn. Caesium có độ độc tính trung bình, nhưng trong dạng kim loại và đồng vị phóng xạ, nó có thể gây hại cho sức khỏe và môi trường.

Các tính chất vật lý đặc trưng của nguyên tố Caesium (Cs) gồm có:

Các tính chất vật lý đặc trưng của Caesium (Cs)

Màu sắc: Caesium là một kim loại có màu nhạt, và chuyển sang màu tối khi tiếp xúc với oxygen.
Độ cứng và độ mềm: Caesium có độ cứng rất thấp và rất mềm, là nguyên tố mềm nhất.
Trạng thái chất: Caesium có điểm nóng chảy ở $28, 4^{0} C$ , là một trong số ít các kim loại có trạng thái lỏng ở điều kiện gần nhiệt độ phòng. Điểm sôi của Caesium là $641^{0} C$ , thấp thứ hai trong tất cả các kim loại, sau Mercury.
Tính chất cháy: Các hợp chất của Caesium khi cháy tạo ra ngọn lửa màu xanh dương hoặc tím.
Tạo hợp kim: Caesium tạo hợp kim với các kim loại kiềm khác và Gold. Nó cũng tạo hỗn hợp với Mercury. Dưới $650^{0} C$ , Caesium không tạo hợp kim với các kim loại như: Cobalt, Iron, Molypden, Nickel, Platinum, Tantal và Tungsten.
Tạo hỗn hợp: Caesium tạo hỗn hợp với hầu hết các kim loại kiềm, trừ Lithium. Hợp kim có tỉ lệ mol Caesium, Potassium và Sodium là 41%, 47% và 12% có điểm nóng chảy thấp nhất trong các hợp kim kim loại đã biết.
Hợp chất đa kim: Caesium tạo thành các hợp chất đa kim với Antimon, Galium, Iridium và Thorium, có tính cảm quang.
Hợp chất đặc biệt: Các hợp chất như $C s H g_{2}$ có màu đen và tạo ra ánh kim màu tía, trong khi CsHg có màu vàng ánh bạc.

Caesium là nguyên tố hoạt động hóa học mạnh và có hiện tượng tự bốc cháy. Nó có thể tạo ra phản ứng nổ mạnh mẽ với nước cả ở điều kiện nhiệt độ thấp. So với nhiều kim loại khác trong nhóm IA thì Caesium phản ứng hóa học mạnh nhất. Vì vậy mà Xesi là kim loại được xếp vào nhóm vật liệu nguy hại.

Các tính chất hóa học nổi bật của nguyên tố Caesium

Caesium cũng có tính khử rất mạnh và độ mạnh của nó chỉ sau nguyên tố Francium. Nó tác dụng với phi kim và nước. Phản ứng hóa học xảy ra chi tiết như sau:

Tác dụng với phi kim

Caesium là kim loại tác dụng trực tiếp với hầu hết các phi kim, nhưng nó không tác dụng với Nitrogen.

$2 C s + H_{2} \to 2 C s H$
$C s + O_{2} (k k) \to C s O_{2}$

Tác dụng với nước

Như đã chia sẻ Caesium tác dụng mãnh liệt với nước và có thể tạo ra phản ứng nổ.

$2 C s + 2 H_{2} O \to 2 C s O H + H_{2}$

Một số hợp chất quan trọng của Caesium (Cs) mà các em nên tìm hiểu để biết gồm có:

Muối: Các muối của Caesium ( $C s^{+}$ ) thường không màu, trừ khi có mặt anion có màu. Các muối phổ biến bao gồm muối Phosphate, Acetate, Carbonate, Halide, Oxide, Nitrate và Sunfate. Các muối kép có tính tan ít hơn. Một số muối như Caesium aluminium sulfate, có tính tan thấp được sử dụng để tách Caesium từ quặng.
Hydroxide: Caesium Hydroxide (CsOH) là một base cực mạnh và có khả năng ăn mòn bề mặt của bán dẫn như Silicon. Nó được coi là "base mạnh nhất", nhưng có nhiều hợp chất khác không tan trong dung dịch như n-butyl Lithium ( $C_{4} H_{9} L i$ ) hoặc amit sodium ( $N a N H_{2}$ ) có thể là các base mạnh hơn.
Hợp chất vàng và platin: Caesium phản ứng với vàng để tạo ra Caesium Auride gold ( $C s^{+} A u^{-}$ ) và phản ứng với platin để tạo ra Caesium Platinum đỏ ( $C s_{2} P t$ ). Cả hai hợp chất này có tính chất tương tự giả Chalcogen và giả Halogen.
Phức: Caesium tạo phức với các base Lewis trong dung dịch. Do kích thước lớn, $C s^{+}$ thường có số phối trí lớn hơn 6. Cấu trúc phức có số phối trí cao và mềm là điểm cơ bản để tách $C s^{+}$ ra khỏi các cation khác, ví dụ như trong xử lý chất thải hạt nhân.
Halide: Caesium fluoride (CsF) và Caesium chloride (CsCl) là hai hợp chất Halide phổ biến. Caesium fluoride có cấu trúc giống halit, trong khi Caesium chloride có cấu trúc lập phương.
Oxide: Caesium tạo nhiều hợp chất oxide, bao gồm superoxide $C s O_{2}$ , Caesium oxide ( $C s_{2} O$ ), peroxide $C s_{2} O_{2}$ và nhiều suboxide khác. Một số hợp chất oxide của Caesium có màu vàng cam hoặc sáng.

Trạng thái tự nhiên và sự phân bố Caesium

Caesium (Cs) là một nguyên tố hiếm có trên Trái Đất, chiếm khoảng 3 ppm trong vỏ Trái Đất. Nó phổ biến hơn nhiều so với các nguyên tố khác như: Antimony, Cadmium, Tin và Tungsten, nhưng ít hơn so với Rubidium. Caesium không tương hợp với các nguyên tố khác trong tinh thể. Mỏ Caesium lớn nhất là các thân quặng Pegmatit.

Caesium được tìm thấy trong một số khoáng vật như: Beryl, Avogadrit, Pezzottait và londonit. Khoáng vật quan trọng nhất chứa Caesium là Polluxit, được tìm thấy ở mỏ Tanco ở Canada và mỏ pegmatit Bikita ở Zimbabwe. Việc khai thác mỏ Caesium có thể kéo dài hàng ngàn năm với tốc độ khai thác hiện tại.

Có 3 phương pháp chính được sử dụng nhằm điều chế Caesium (Cs) tinh khiết từ quặng Polluxit. Chi tiết như sau:

Cách điều chế nguyên tố Caesium (Cs)

Phương pháp 1: Hòa tan quặng Polluxit của Caesium (Cs) hoặc đá Polluxit Silicate trong acid mạnh như: HCl, $H_{2} S O_{4}$ , HBr hoặc HF. Khi đó, muối kép của Cs được kết tủa CsCl tinh khiết. Sau đó dùng Potassium hoặc Sodium, hay Calcium để khử CsCl sẽ thu được kim loại Cs tinh khiết.

$C s A l (S i_{2} O_{6}) + H C l \to C s C l + C s_{4} S b C l_{7}$ + Kết tủa khác

Phương pháp 2: Khử Caesium Chloride (CsCl) bằng Calcium (Ca) hoặc Barium (Ba). Khi đó ta sẽ thu được Caesium (Cs) tinh khiết.

$2 C s C l + C a \to 2 C s + C a C l_{2}$

$2 C s C l + B a \to 2 C s + B a C l_{2}$

Phương pháp 3: Khử trực tiếp Caesium dicromate bằng Potassium, Sodium, hoặc Calcium trong môi trường chân không để tạo ra kim loại Caesium tinh khiết.

$C s_{2} C r_{2} O_{7} + 2 Z r \to 2 C s + 2 Z r O_{2} + C r_{2} O_{3}$

Caesium (Cs) là nguyên tố kim loại được đưa vào ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau. Từ thăm dò dầu khí, đồng hồ nguyên tử cho đến dung dịch ly tâm, y học, hạt nhân và nhiều ứng dụng khác. Chi tiết như sau:

Ứng dụng trong thăm dò dầu khí

Ứng dụng chính của Caesium hiện nay là trong công nghiệp khai thác dầu mỏ, đặc biệt là trong dung dịch khoan dựa trên Caesium formate. Dung dịch này có tính chất tốt như tỷ trọng cao, lành tính và có khả năng tái sử dụng. Nó an toàn trong vận chuyển, không gây hư hỏng và dễ dàng vệ sinh hơn các dung dịch khác, giúp giảm chi phí xử lý chất thải.

Ứng dụng vào đồng hồ nguyên tử

Ứng dụng vào đồng hồ nguyên tử

Caesium được sử dụng trong đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cực cao. Nó làm nền tảng cho đơn vị thời gian giây trong hệ đo lường quốc tế và được coi là đơn vị chính xác nhất mà con người từng đạt được. Các đồng hồ Caesium có độ chính xác đến phần 1014 và được sử dụng trong viễn thông di động và truyền thông internet.

Ứng dụng trong năng lượng điện và điện tử

Một số ứng dụng của kim loại Caesium trong lĩnh vực năng lượng điện và điện tử gồm có:

Máy phát điện ion nhiệt: Hơi Caesium được sử dụng trong máy phát điện ion nhiệt để chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện.
Thiết bị quang điện: Caesium có tính quang điện, cho phép chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành dòng điện. Nó được sử dụng trong tế bào quang điện, các thiết bị nhận dạng ký tự quang học, đèn nhân quang điện và ống video camera.
Scintillator: Các tinh thể Caesium iodide (CsI), Caesium bromide (CsBr) và Caesium fluoride (CsF) được sử dụng làm scintillator trong máy điềm scintillation trong nghiên cứu khoáng sản và vật lý hạt để nhận dạng tia phóng xạ gamma và tia X.
Từ kế: Hơi Caesium được sử dụng phổ biến trong từ kế.
Chuẩn nội trong quang phổ học: Caesium được sử dụng làm chuẩn nội trong các ứng dụng quang phổ học.
Ống chân không: Caesium được sử dụng làm "thắng" trong ống chân không do ái lực mạnh với oxygen.
Các ứng dụng khác: Caesium còn được sử dụng trong các thiết bị như tia laser năng lượng cao, đèn huỳnh quang và chỉnh lưu.

Ứng dụng vào dung dịch ly tâm

Caesium (Cs) được sử dụng trong dung dịch ly tâm trong lĩnh vực sinh học phân tử để tách lọc các chất có tỉ trọng khác nhau. Các dung dịch Caesium chlorite, Caesium sunfate và Caesium trifluoroacetate ( $C_{2} C s F_{3} O_{2}$ ) được sử dụng rộng rãi trong công nghệ này.

Ứng dụng chính của dung dịch ly tâm là tách lọc các hạt virus, bào quan và các phần phân đoạn của tế bào, cũng như tách chiết acid nucleic từ các mẫu sinh học. Quá trình ly tâm giúp phân tách các thành phần dựa trên khả năng của chúng di chuyển theo tỉ trọng trong môi trường dung dịch ly tâm.

Ứng dụng hóa học và y học

Caesium (Cs) có ít ứng dụng trong lĩnh vực hóa học so với các nguyên tố khác. Tuy nhiên, nó được sử dụng như chất phụ gia để cải thiện hiệu suất của một số chất xúc tác trong sản xuất chất hóa học, bao gồm: các Monome acid acrylic, Anthraquinone, Ethylene oxide, Methanol, Anhydride phthalic, Styrene, Methyl Methacrylate và các Olefin khác. Caesium cũng được sử dụng trong quá trình chuyển đổi xúc tác sulfur dioxide thành sulfur trioxide trong sản xuất acid Sulfuric.

Ứng dụng hóa học và y học

Caesium fluoride được sử dụng rộng rãi trong hóa vô cơ làm chất cơ sở, hoặc như nguồn fluoride không nước.Các muối Caesium đôi khi được sử dụng thay thế cho muối sodium và potassium trong các quá trình tổng hợp hữu cơ, bao gồm việc tạo vòng hóa, Ester hóa và Polyme hóa. Ngoài ra, nó cũng được sử dụng trong Dosimetry bức xạ Thermoluminescent (TLD), trong đó khi tiếp xúc với bức xạ, tinh thể Caesium thu nhận các khuyết tật. Khi được nung nóng, tinh thể này phát ra ánh sáng tương ứng với liều xạ nhận được. Việc đo lường ánh sáng này bằng các thiết bị nhân quang điện giúp xác định liều xạ đã tích tụ, từ đó giúp quy đổi thành lượng chính xác của bức xạ đã nhận

Caesium-137 (Cs-137) được sử dụng như nguồn phát tia gamma trong công nghiệp và y học. Nó được dùng trong lĩnh vực nông nghiệp, điều trị ung thư, khử trùng vi sinh và các thiết bị đo đạc. Cs-137 cũng được sử dụng trong nghiên cứu thủy văn và trong quá trình phân hạch hạt nhân.

Ứng dụng khác của Xesi

Ngoài những ứng dụng như đã chia sẻ ở trên, Caesium và Mercury đã được sử dụng làm nhiên liệu trong động cơ ion trên tàu không gian. Tuy nhiên, do vấn đề về ăn mòn và can thiệp trên phi thuyền, sự chú ý đã chuyển sang sử dụng nhiên liệu khí trơ như xenon. Caesium nitrate được sử dụng trong pháo sáng hồng ngoại và giảm dấu vết khí thải trên máy bay quân sự. Caesium cũng được sử dụng trong các ứng dụng quang học và trong chất hỗ trợ cấu trúc hàn hợp kim nhôm.

Ngoài ra, kim loại Caesium đã được nghiên cứu trong các hệ thống phát điện MHD và các chu trình Rankine nhiệt độ cao. Các muối Caesium cũng có ứng dụng trong trị liệu y tế, bao gồm trị động kinh và chống sốc.

Có một số cảnh báo liên quan đến kim loại Caesium khi sử dụng mà các em cần biết như sau:

Một số cảnh báo liên quan đến nguyên tố Caesium (Cs)

Tính phóng xạ: Caesium-137 trở thành một nguồn phóng xạ lớn trong khoảng 200 ngày sau thảm họa Chernobyl. Các đồng vị $C s^{134}$ và $C s^{137}$ có khả năng tích lũy trong môi trường sinh quyển và gây nguy hiểm cho sức khỏe. Cs-137 có khả năng gây tử vong, vô sinh và ung thư. Vật liệu phóng xạ như Cs-137 có thể được sử dụng trong các thiết bị phân tán phóng xạ hoặc "bom bẩn", và đòi hỏi cảnh báo và quản lý cẩn thận.
Độ độc và tính chất hóa học: Caesium không phóng xạ có độ độc trung bình. Tiếp xúc với lượng lớn có thể gây khó chịu và co thắt, tương tự như kali. Ngoài ra, Caesium là một kim loại kiềm mạnh và có khả năng gây nổ mạnh khi tiếp xúc với nước.
Tích lũy trong cơ thể và môi trường: Caesium phóng xạ không tích lũy trong cơ thể như nhiều sản phẩm phân rã hạt nhân khác, nhưng có khả năng tích lũy trong tế bào thực vật. Thực vật có thể hấp thụ và tích tụ Caesium từ môi trường. Nấm và các hồ cũng có thể chứa Caesium phóng xạ.

Như vậy, bài viết trên Admin đã cung cấp và tổng hợp cho các em rất nhiều các kiến thức bổ ích về nguyên tố Xesi hay Caesi/Caesium trong bảng tuần hoàn hóa học. Hy vọng chúng sẽ giúp các em thêm hiểu biết về nguyên tố nguy hiểm này và nắm rõ những ứng dụng, cũng như tính chất của chúng. Chúc các em luôn đạt kết quả cao với môn hóa và thêm yêu môn tự nhiên này.