Sciences · Éléments chimiques
Césium
Le césium (Cs, numéro atomique 55) est un métal alcalin doré qui fond à 28,5 °C et explose au contact de l’eau. Son atome sert à définir la seconde ; son isotope 137 est un polluant majeur des accidents nucléaires.
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Le césium est l’élément de la précision : depuis 1967, la seconde est définie à partir d’une transition de son atome. C’est aussi le plus réactif des métaux stables, et le premier élément découvert grâce à la spectroscopie. Son isotope radioactif césium 137 contamine encore les sols autour de Tchernobyl et de Fukushima.
Fiche d’identité
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Symbole | Cs |
| Numéro atomique | 55 |
| Masse atomique | 132,91 u |
| Famille | Métal alcalin (groupe 1, période 6) |
| État à 20 °C | Solide (liquide au-dessus de 28,5 °C) |
| Fusion | 28,5 °C |
| Ébullition | 671 °C |
| Découverte | 1860, Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff |
| Abondance | environ 3 ppm dans la croûte terrestre |
Propriétés
Le césium est un métal mou, de couleur dorée pâle, l’un des rares métaux colorés avec l’or et le cuivre. Il fond à 28,5 °C : un jour d’été suffit à le liquéfier.
C’est l’élément stable dont l’électron externe est le plus facile à arracher : il a l'électronégativité la plus faible des éléments stables (0,79 sur l’échelle de Pauling). Il s’enflamme spontanément à l’air et réagit de façon explosive avec l’eau, même froide, plus violemment que le sodium et le potassium. On le conserve en ampoules scellées sous vide ou sous argon. Sa sensibilité à la lumière en fait un émetteur d’électrons efficace dans les cellules photoélectriques.
Isotopes
| Isotope | Période | Remarque |
|---|---|---|
| Césium 133 | stable | seul isotope naturel ; définit la seconde |
| Césium 137 | environ 30 ans | produit de fission majeur, émetteur bêta et gamma |
| Césium 134 | environ 2 ans | produit en réacteur |
Le césium et la seconde
Depuis 1967, la seconde est définie comme la durée de 9 192 631 770 périodes du rayonnement correspondant à la transition entre deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium 133. Les horloges atomiques au césium, dont les plus précises dérivent d’à peine une seconde en des dizaines de millions d’années, servent de référence au temps universel coordonné et aux systèmes de positionnement par satellite comme le GPS et Galileo (voir unités du système international). Des horloges optiques encore plus précises pourraient conduire à une nouvelle définition.
Le césium 137, un polluant durable
Avec sa période d’environ 30 ans, le césium 137 reste le principal contaminant à long terme des sols après un accident nucléaire. Chimiquement proche du potassium, il est absorbé par les plantes et circule dans la chaîne alimentaire ; les champignons et le gibier des forêts contaminées en concentrent encore beaucoup autour de Tchernobyl (1986). L’accident de Fukushima (2011) en a aussi dispersé (voir radioactivité).
En 1987, à Goiânia, au Brésil, une source de radiothérapie au chlorure de césium 137, récupérée dans une clinique abandonnée, a été ouverte par des ferrailleurs fascinés par sa lueur bleue. Quatre personnes sont mortes et des centaines ont été contaminées, l’un des pires accidents radiologiques de l’histoire.
Où le trouve-t-on ?
Le principal minerai est la pollucite, un silicate de césium et d’aluminium, présent dans des pegmatites. Le gisement de la mine Tanco, au Manitoba (Canada), a longtemps fourni l’essentiel de la production mondiale ; d’autres existent en Namibie, au Zimbabwe et en Australie.
Production
La production est faible, de l’ordre de quelques dizaines de tonnes par an de composés. Le minerai est attaqué par des acides, puis le césium est purifié sous forme de sels. Le métal est obtenu par réduction du chlorure de césium par le calcium.
Usages
- Forage pétrolier : le formiate de césium, en solution très dense, sert de fluide de forage à haute pression et haute température ; c’est le premier débouché.
- Horloges atomiques et métrologie.
- Chimie : catalyseurs, sels pour la chimie organique.
- Photoélectricité : photocathodes, cellules photoélectriques, tubes photomultiplicateurs.
- Médecine : sources de césium 137 en radiothérapie et pour l’irradiation des poches de sang, progressivement remplacées par des générateurs de rayons X.
- Recherche : atomes refroidis par laser, gravimètres atomiques.
Rôle biologique et toxicité
Le césium n’a pas de rôle biologique. Le césium stable est peu toxique aux doses environnementales. Le césium 137 radioactif, ingéré, se répartit dans tous les tissus mous comme le potassium et irradie l’organisme jusqu’à son élimination, avec une demi-vie biologique d’environ 100 jours chez l’adulte. Le bleu de Prusse, administré par voie orale, accélère cette élimination. Le métal pur est dangereux en raison de sa réactivité.
Histoire du nom
En 1860, à Heidelberg, Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff, inventeurs de la spectroscopie, analysent l’eau minérale de Dürkheim. Ils observent deux raies bleues inconnues dans son spectre et en déduisent l’existence d’un nouvel élément, qu’ils nomment césium, du latin caesius, « bleu ciel ». C’est le premier élément découvert par analyse spectrale (voir spectre électromagnétique). Ils durent faire évaporer environ 40 000 litres d’eau pour en obtenir quelques grammes de sels. Le métal fut isolé en 1882 par Carl Setterberg, par électrolyse.
Questions fréquentes
Pourquoi le césium définit-il la seconde ?
La fréquence de sa transition hyperfine est très stable, facile à mesurer et identique pour tous les atomes de césium 133 : c’est une référence universelle et reproductible.
Le césium 137 est-il encore présent en France ?
Oui, en faibles quantités, déposé par les essais nucléaires atmosphériques et par Tchernobyl. Les niveaux actuels ne posent pas de problème sanitaire pour la population générale.
Quel est le métal le plus réactif ?
Parmi les éléments stables, le césium. Le francium, situé en dessous, serait encore plus réactif, mais il est si radioactif qu’on n’en a jamais observé plus de quelques milliers d’atomes à la fois.