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Steckbrief: Caesium

Informationen zum Element:

Bezeichnung

132,905

Symbol: Cs

Internationale Bezeichung (IUPAC): Caesium

Ursprung: Caesium (nach IUPAC), standardsprachlich Cäsium oder Zäsium (im amerikanischen Englisch Cesium), ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Cs und der Ordnungszahl 55. Im Periodensystem steht es in der 1. Hauptgruppe und gehört zu den Alkalimetallen. Caesium ist das schwerste stabile Alkalimetall.
Caesium wurde 1861 von Robert Wilhelm Bunsen und Gustav Robert Kirchhoff in Dürkheimer Mineralwasser entdeckt. Aufgrund der zwei blauen Spektrallinien, mit denen das Element nachgewiesen wurde, nannten sie es nach dem lateinischen caesius für himmelblau. Das Reinelement konnte erstmals 1881 von Carl Setterberg dargestellt werden.
Caesium ist ein extrem reaktives, sehr weiches, goldfarbenes, in hochreinem Zustand silbrig glänzendes Metall. Da es sofort und sehr heftig mit Luft reagiert, wird es in abgeschmolzenen Glasampullen aufbewahrt. Eine biologische Bedeutung des Elements ist nicht bekannt, es kommt normalerweise nicht im Körper vor und ist nicht toxisch.
Das radioaktive Isotop ¹³⁷Cs, ein Produkt der Kernspaltung, fand in der Öffentlichkeit besondere Beachtung, als es infolge der Katastrophe von Tschernobyl am 26. April 1986 in größeren Mengen in die Umwelt gelangte.

Bedeutung: caesius = himmelblau

Daten Periodensystem

Periode: 6

Gruppe: 1 (I A)

Gruppenname: Alkalimetalle

Oxidationszahl: 1

Atommasse [u]: 132,905

Elektronegativität

Elektronegativität (nach Allred): 0,9

Elektronegativität (nach Pauling): 0,79

Physikalische Daten

Aggregatzustand (20°C): fest

Dichte [g/cm²]: 1,873

Radioativ: n

Schmelztemperatur [°C]: 28,55

Siedetemperatur [°C]: 671

Kristallstruktur: kubisch raumzentriert

Verwendung im Alltag

Geschichte: Caesium wurde erstmals 1861 von Gustav Robert Kirchhoff und Robert Wilhelm Bunsen beschrieben. Sie untersuchten Mineralwasser aus Dürkheim und entdeckten nach der Abtrennung von Calcium, Strontium, Magnesium und Lithium zwei bisher unbekannte Linien im blauen Spektralbereich. Sie schlossen aus ihren Beobachtungen, dass es im untersuchten Mineralwasser ein weiteres, bisher unbekanntes Element geben müsse, das sie wegen der blauen Farbe der Spektrallinien Caesium, nach dem lateinischen caesius für himmelblau, nannten.
Bunsen versuchte ebenfalls Caesium von den anderen Alkalimetallen zu trennen, um weitere Eigenschaften des Elements zu erforschen. Dazu versetzte er die Lösung mit einer Platinchlorid-Lösung, um Kalium und die neuen schwereren Alkalimetalle Rubidium und Caesium als unlösliches Hexachloridoplatinat auszufällen. Das Kalium konnte durch mehrmaliges Aufkochen in wenig Wasser entfernt werden. Zur Gewinnung der reinen Chloride wurde das Platin mit Wasserstoff zum Element reduziert, so dass die nun wasserlöslichen Caesium- und Rubidiumchloride ausgelaugt werden konnten. Die Trennung von Caesium und Rubidium erfolgte unter Ausnutzung der unterschiedlichen Löslichkeit der Carbonate in absolutem Ethanol, worin Caesiumcarbonat im Gegensatz zur entsprechenden Rubidiumverbindung löslich ist. Caesiumchlorid diente Bunsen und Kirchhoff auch für eine erste Bestimmung der molaren Masse des neuen Elements, wofür sie den Wert von 123,35 g/mol fanden.
Die beiden Forscher konnten kein elementares Caesium gewinnen, denn bei der Elektrolyse von geschmolzenem Caesiumchlorid entstand anstelle des Metalls eine blaue Verbindung, die sie als Subchlorid bezeichneten, bei der es sich aber wahrscheinlich um eine kolloide Mischung von Caesium und Caesiumchlorid handelte. Bei der Elektrolyse einer wässrigen Lösung mit einer Quecksilberanode bildete sich das sich leicht zersetzende Caesiumamalgam.
Die Darstellung des elementaren Caesiums gelang schließlich 1881 Carl Setterberg, der die Probleme mit dem Chlorid vermied, indem er für die Schmelzflusselektrolyse Caesiumcyanid verwendete. Dabei störte zunächst die zum Schmelzen des Caesiumcyanids nötige relativ hohe Temperatur, die er jedoch durch Zugabe von Bariumcyanid (siehe Eutektikum) herabsetzen konnte.
Eigenschaften: Caesium ist in seinem reinsten Zustand ein silberweißes Leichtmetall mit einer Dichte von 1,873 g/cm³, das schon durch geringe Verunreinigungen goldgelb erscheint. In vielen Eigenschaften steht es zwischen denen des Rubidiums und ? soweit bekannt ? denen des instabilen Franciums. Es besitzt mit 28,7 °C mit Ausnahme von Francium den niedrigsten Schmelzpunkt aller Alkalimetalle und hat zugleich nach Quecksilber und vergleichbar mit Gallium einen der niedrigsten Schmelzpunkte für Metalle überhaupt. Caesium ist sehr weich (Mohs-Härte: 0,2) und sehr dehnbar.
Mit Ausnahme von Lithium lässt sich Caesium mit anderen Alkalimetallen beliebig mischen. Bei einem Verhältnis von 41 % Caesium, 12 % Natrium und 47 % Kalium entsteht eine Legierung mit dem bisher niedrigsten bekannten Schmelzpunkt von ?78 °C.
Das Caesiumatom und auch das Ion Cs⁺ besitzen einen großen Radius, sie sind ? wiederum mit Ausnahme von Francium ? die größten einzelnen Atome beziehungsweise Ionen. Dies hängt mit der besonders niedrigen effektiven Kernladung zusammen, wodurch vor allem das äußerste s-Elektron nur in geringem Maß an den Kern gebunden ist. Dies bewirkt neben dem großen Atomradius auch die geringe Ionisierungsenergie des Caesiumatoms und damit die hohe Reaktivität des Elements.
Gasförmiges Caesium hat einen ungewöhnlichen Brechungsindex kleiner als eins. Das bedeutet, dass die Phasengeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle ? in diesem Fall Licht ? größer als im Vakuum ist. Da hierbei jedoch keine Informationen oder Materie übertragen werden, steht dieses im Einklang mit der speziellen Relativitätstheorie.
Nach Francium ist Caesium das Element mit der niedrigsten Ionisierungsenergie. Für die Abspaltung des äußersten Elektrons weist es die niedrigste Elektronegativität auf. Caesium gibt dieses bei Kontakt mit anderen Elementen sehr leicht ab und bildet einwertige Caesiumsalze. Da durch die Abspaltung dieses einen Elektrons die Edelgaskonfiguration erreicht ist, bildet es keine zwei- oder höherwertigen Ionen.
Reaktionen mit Caesium verlaufen in der Regel sehr heftig, so entzündet es sich beim Kontakt mit Sauerstoff sofort und bildet wie Kalium und Rubidium das entsprechende Hyperoxid.
Verwendung: Aufgrund der komplizierten Herstellung und hohen Reaktivität wird elementares Caesium nur in geringem Maß eingesetzt. Es hat vorwiegend in der Forschung seine Einsatzgebiete. Da Caesium eine kleine Austrittsarbeit hat, kann es als Glühkathode etwa zur Gewinnung freier Elektronen verwendet werden. Auch magnetohydrodynamische Generatoren werden mit Caesium als möglichem Plasmamaterial untersucht. In der Raumfahrt wird Caesium neben Quecksilber und Xenon auf Grund seiner hohen molaren Masse, die einen größeren Rückstoß als leichtere Elemente bewirkt, als Antriebsmittel in Ionenantrieben eingesetzt.
Die Sekunde als Maßeinheit der Zeit ist seit 1967 als das 9.192.631.770-fache der Periode eines bestimmten atomaren Übergangs in Caesium definiert. Dazu passend ist Caesium das die Frequenz bestimmende Element in den Atomuhren, die die Basis für die koordinierte Weltzeit bilden. Caesium wurde für diese Anwendung gewählt, weil der Übergang zwischen den beiden Grundzuständen mit 9,1 GHz noch mit elektronischen Mitteln erreichbar ist. Die Breite dieses Übergangs und damit die Unsicherheit der Messung ist nicht durch Eigenschaften des Atoms bestimmt. Durch die niedrige Verdampfungstemperatur kann mit wenig Aufwand ein Atomstrahl mit geringer Geschwindigkeitsunsicherheit erzeugt werden.
Eine Wolke von Caesiumatomen kann in magneto-optischen Fallen in der Schwebe gehalten und mit Hilfe von Lasern bis auf einige μK an den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Mit dieser Technik war es möglich, die Frequenzstabilität und damit die Genauigkeit der Caesium-Atomuhr deutlich zu verbessern.
Daneben wird Caesium in Vakuumröhren verwendet; dieses reagiert mit geringen Restspuren an Gasen und sorgt so für ein besseres Vakuum (Getter). Dabei wird das Caesium in situ durch die Reaktion von Caesiumchromat mit Zirconium erzeugt. Caesium ist ? legiert mit Antimon und anderen Alkalimetallen ? ein Material für Photokathoden, die etwa in Photomultipliern eingesetzt werden.
Biologische Bedeutung: Caesium kommt normalerweise nicht im Körper vor. Mit der Nahrung aufgenommenes Caesium wird auf Grund der Ähnlichkeit zu Kalium im Magen-Darm-Trakt resorbiert und analog zu Kalium vorwiegend im Muskelgewebe gespeichert. Die biologische Halbwertszeit, mit der Caesium vom menschlichen Körper wieder ausgeschieden wird, ist abhängig von Alter und Geschlecht und beträgt im Durchschnitt 110 Tage.
Caesium ist chemisch nur in sehr geringem Maß giftig. Typische LD50-Werte für Caesiumsalze liegen bei 1000 mg/kg (Ratte, oral). Von Bedeutung ist jedoch die toxische Wirkung der ionisierenden Strahlung aufgenommener radioaktiver Caesiumisotope, die je nach Dosis die Strahlenkrankheit verursachen können. Wegen der guten Wasserlöslichkeit der meisten Caesiumsalze werden diese im Magen-Darm-Trakt vollständig resorbiert und vorwiegend im Muskelgewebe verteilt. Durch die Aufnahme von radioaktivem ¹³⁷Cs nach dem Reaktorunglück von Tschernobyl ergab sich in den ersten drei Monaten eine durchschnittliche effektive Strahlendosis von 0,6 μSv pro Bundesbürger.

Vorkommen und Häufigkeit

Vorkommen: Mit einem Gehalt von 3 ppm in der kontinentalen Erdkruste ist Caesium ein seltenes Element auf der Erde. Es ist nach dem instabilen Francium das seltenste Alkalimetall. Auf Grund seiner hohen Reaktivität kommt es nicht elementar, sondern nur in Form von Verbindungen vor. Meist ist Caesium ein seltenes Begleitelement in Kalium- oder anderen Alkalimetallsalzen wie Lepidolith, es sind jedoch auch einige Caesiumminerale bekannt. Das häufigste Caesiummineral ist Pollucit, (Cs,Na)₂Al₂Si₄O₁₂ ⋅ H₂O, das in größeren Vorkommen vor allem am Bernic Lake in der Nähe von Lac du Bonnet im kanadischen Bundesstaat Manitoba vorkommt. Weitere größere Vorkommen liegen in Bikita, Simbabwe und in Namibia. Die Vorkommen in der Tanco Mine bei Lac du Bonnet sind die einzigen, in denen Caesium abgebaut wird. Seltenere Caesiumminerale sind beispielsweise Cesstibtantit (Cs,Na)SbTa₄O₁₂ und Pautovit CsFe₂S₃.
Auf Grund der Wasserlöslichkeit der meisten Caesiumverbindungen ist das Element im Meerwasser gelöst; ein Liter enthält dabei durchschnittlich 0,0003 g Caesium. In vergleichbaren Mengen finden sich dort auch häufigere, aber schlechter lösliche Elemente wie Nickel, Chrom oder Kupfer.

Häufigkeit: 6,00 ⋅ 10^-4 % (prozentualer Massenanteil der Erdhülle, d.h. der Erdkruste/Ozeane bis 16 km Tiefe)