Le césium (Z = 55)

Le césium est, après le francium, l'élément qui a le plus d' isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons. connus (à savoir 40), mais un seul d'entre eux, le césium 133 (¹³³Cs), est stable et présent dans la nature, les autres isotopes étant radioactifs. Il est peu abondant dans la croûte terrestre : son clarke n'est que de 3 ppm (parties par millions), soit une teneur moyenne de 3 g/tonne. Son principal minerai est un aluminosilicate, la pollucite, de formule (Cs,Na)₂Al₂Si₄O₁₂.2H₂O, appelée ainsi en référence au Pollux de la mythologie grecque, car elle est souvent associée à la pétalite, minerai autrefois connu sous le nom de castorite.

Origine du césium

Le césium est produit au coeur des étoiles peu massives, par capture de neutrons, lorsque ces dernière arrivent en fin de vie. Plusieurs réactions sont alors susceptibles de fournir des neutrons, comme par exemple :

¹²C + ¹²C ---> ²³Mg + ¹n (neutron)

¹³C + ⁴He ---> ¹⁶O + ¹n

²²Ne + ⁴He ---> ²⁵Mg + ¹n

Comme il s'agit d'un mode de capture lent, on appelle cela le processus s ("s" pour slow). On estime toutefois que ce processus ne rend compte que de 30% de tout le césium présent dans l'Univers, les 70% restants étant produits lors de la fusion de deux étoiles à neutrons. Le mécanisme qui intervient alors est appelé processus r, la lettre r signifiant qu'il s'agit d'un processus de capture rapide, nécessitant un flux de neutrons très élevé.

Un peu d'histoire

Le césium a été découvert en 1860 par les allemands Gustav Kirchhoff (physicien) et Robert Bunsen (chimiste).

Alors qu'ils effectuent l'analyse spectroscopiqueL'analyse spectroscopique d'une substance chimique inconnue consiste à chauffer cette dernière et à analyser les raies spectrales (rayonnements) qu'elle émet afin d'en déterminer la composition. de l'eau de Dürkheim (ville thermale allemande) afin d'en déterminer la composition, ils observent une multitude de raies spectrales inconnues, témoins de la présence de nouveaux éléments chimiques, qu'il nomment en fonction de la couleur desdites raies. C'est ainsi que l'un de ces éléments, caractérisé par des raies spectrales de couleur bleu clair, sera appelé "césium" (du latin "caesius" signifiant bleu ciel).

Propriétés du césium

Métal mou (c'est même le plus mou) et ductile (il peut être étiré sans se rompre), le césium présente un aspect brillant, légérement doré. Sa température de fusion n'est que de 28°C (il fond donc dans la main), et il peut être maintenu dans l'état liquide à température ambiante grâce au phénomène de surfusionUne substance est en état de surfusion lorsqu'elle reste à l'état liquide alors que sa température descend en dessous de sa température de solidification. C'est parfois le cas de l'eau quand elle est très pure (elle ne doit pas contenir de poussières), mais il suffit alors d'une petite perturbation (comme un léger choc) pour qu'elle gèle instantanément., à l'instar du rubidium et du gallium.

Le césium est l'élément le moins électronégatif connu (cela signifie qu'il cède très facilement ses électrons, en particulier celui de sa dernière couche), ce qui en fait le plus réactif des métaux alcalins : il réagit de façon vigoureuse avec l'air (il s'enflamme spontanément) et avec l'eau (il explose) (voir ici !). Dès qu'il entre au contact de l'eau, il se forme de l'hydroxyde de césium, avec dégagement de dihydrogène :

2 Cs + 2 H₂O ---> 2 CsOH + H₂

L'hydroxyde de césium est une base ("inverse" d'un acide) très réactive : elle est capable d'attaquer le verre.

Le césium 133 est considéré comme peu toxique, mais absorbé en excès, il peu provoquer perte d'appétit, nausées, vomissements et diarrhées. Il ne semble toutefois pas jouer de rôle particulier dans notre corps.

Quant au césium 137, il n'existe pas à l'état naturel car il est radioactif, avec une périodeLa période ou demi-vie d'un élément radioactif correspond à la durée au bout de laquelle la moitié des atomes de cet élément se sont désintégrés spontanément. de 30 ans. Essentiellement produit lors de la fission de l'uranium, il constitue la principale source de radioactivité des déchets des réacteurs nucléaires, avec le strontium-90 et les isotopes du plutonium. Les essais nucléaires et l'accident de Tchernobyl en ont envoyé des quantités non négligeables dans l'atmosphère, ce qui n'est pas une bonne nouvelle car il est considéré comme radiotoxique et s'avère dangereux s'il est ingéré ou inhalé.

Production industrielle du césium

Nous l'avons vu, le principal minéral contenant du césium est la pollucite, avec une teneur en oxyde de césium (Cs₂O) variant de 5 à 32 % selon les gisements. Le plus important au monde est celui de Bernic Lake, situé dans la province de Manitoba (Canada). Il renfermerait à lui seul près de 120 000 tonnes de Cs₂O, soit plus de la moitié des réserves mondiales (estimées à 220 000 tonnes en 2019). La production mondiale de césium est cependant très faible, puisqu'elle n'est que de 5 à 10 tonnes par an.

La pollucite est dans un premier temps dissoute dans de l'acide chlorhydrique chaud (ou dans de l'acide sulfurique, mais cela implique davantage d'étapes), ce qui permet d'obtenir du chlorure de césium. Ce dernier est ensuite réduit (vers 750°C) par du calcium ou du baryum, donnant ainsi du césium pur (métal).

Quelques exemples d'utilisation du césium

- Le formiate de césium, sel de formule Cs(CCOO), est employé depuis les années 1990 dans les puits de forage pétroliers et gaziers sous haute pression et haute température (jusqu'à 1 000 atmosphères et 200°C), notamment en Mer du Nord. Il donne en effet des boues extrêmement denses, qui permettent d'une part de faire remonter les débris de forage à la surface, d'autre part de contrebalancer la pression élevée qui règne au fond du puits.

- La définition de la seconde a longtemps reposé sur des phénomènes astronomiques : considérée dans un premier temps comme 1/86 400 du jour solaire moyen, elle est redéfinie en 1960, lors de la 11^ème Conférence générale des poids et mesures (CGPM), comme correspondant à 1/31 556 925,9747 de l'année tropique. La précision est certes meilleure, mais les phénomènes astronomiques étant par nature sujets à fluctuations, la 13^ème Conférence générale sur les poids et mesures décida en 1967 de se tourner vers l'infiniment petit : dorénavant, la la seconde correspond à la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les 2 niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium 133 au repos, à une température de 0 K.

- Le césium 137, émetteur gamma, est utilisé en médecine pour traiter certaines tumeurs cancéreuses. Il est également employé dans l'industrie pour contrôler les soudures de pièces métalliques.

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