Césio (Cs)

O césio é um elemento metálico pertencente ao grupo 1 da Tabela Periódica. Possui aparência prateada, é reativo com água e possui uma série de isótopos. Alguns desses isótopos são radioativos e possuem tempo de meia-vida na escala de anos a milhões de anos. A fonte natural de césio é o mineral polucita, encontrado em grande quantidade em uma determinada região do Canadá.

O isótopo do césio mais conhecido é o césio-137, o qual foi responsável pelo acidente radioativo ocorrido em Goiânia em 1987.

Apesar de ser tóxico aos animais e pessoas, quando manipulado da forma correta, os isótopos radioativos do césio trazem benefícios, podendo ser empregados na área médica, na Física e até mesmo na esterilização de lodos e de alimentos.

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Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre o césio
• 2 - Propriedades do césio
• 3 - Características do césio
• 4 - Onde se encontra o césio?
• 5 - Obtenção do césio
• 6 - Aplicações do césio
• 7 - Precauções com o césio
• 8 - Césio-137 e o acidente em Goiânia
  • Videoaula Césio-137: o maior acidente radiológico do mundo
• 9 - História do césio

Resumo sobre o césio

• O césio é um elemento metálico raro, pertencente ao grupo 1 da Tabela Periódica.

• O césio possui ponto de fusão relativamente baixo, podendo passar de sólido para líquido em 28 °C.

• O césio é altamente reativo com água e prontamente oxidado pelo oxigênio.

• O césio-133 é o único isótopo estável do césio, sendo os demais 39 isótopos radioativos.

• O principal mineral fonte de césio é a polucita, cujas minas de extração se concentram no Canadá.

• A principal aplicação do césio é em relógios atômicos, que são equipamentos de medição de tempo de altíssima precisão.

• O césio também encontra aplicação em dispositivos de fotoemissão, em sistemas de propulsão de naves espaciais, na composição dos fluidos de perfuração de poços de petróleo e em equipamentos médicos e terapias medicinais.

Propriedades do césio

• Símbolo: Cs.

• Número atômico: 55.

• Massa atômica: 132,905 u.

• Configuração eletrônica: [Xe] 6s¹.

• Estado físico: sólido (a 20 °C) e líquido (a 28 °C).

• Ponto de fusão: 28,5 °C.

• Ponto de ebulição: 671 °C.

• Densidade: 1,93 g cm^-3.

• Eletronegatividade: 0,79 (eletronegatividade de Pauling).

• Série química: elementos representativos.

• Localização na Tabela Periódica: grupo 1, período 6, bloco s.

• Isótopos: ¹³³Cs (100%).

Características do césio

O césio é um metal de rara ocorrência pertencente ao grupo 1 da Tabela Periódica, conhecido como grupo dos metais alcalinos. O césio possui aparência prateada-dourada, é um metal macio, dúctil e apresenta ponto de fusão em aproximadamente 28 °C. Em razão da temperatura de fusão ser relativamente baixa, esse elemento pode ser encontrado em seu estado líquido, a depender da temperatura ambiente.

Assim como os demais metais alcalinos, o césio reage violentamente com água e é tão reativo que pode até mesmo reagir com o gelo em temperatura superior a -116 °C. Em contato com o ar atmosférico, o césio é prontamente oxidado. Por essa natureza bastante reativa, sua forma de manipulação mais comum é em associação ao nitrogênio, sob a forma de azida de césio (CsN). O armazenamento do césio sob a forma metálica se dá pela imersão em solventes apolares ou na presença de gases inertes.

O césio possui 39 isótopos conhecidos. Destes, apenas o césio-133 (¹³³Cs) é estável naturalmente. Os demais possuem massas atômicas que se estendem de 112 a 151 u, e a maior parte deles possui tempos de meia-vida reduzidos, que variam de frações de segundo a até poucos dias.

Alguns isótopos radioativos de césio podem ser encontrados na natureza, pois são derivados de mecanismos de fissão nuclear de outros elementos. O radioisótopo césio-135 (¹³⁵Cs) possui longo tempo de meia-vida, na escala de 2,3 milhões de anos. O tempo de meia-vida do césio-137 (¹³⁷Cs) é de cerca de 30 anos e do césio-134 (¹³⁴Cs) é de pouco mais de dois anos.

As propriedades físico-químicas do césio se assemelham às do potássio e do rubídio, sendo esse último elemento um dos contaminantes de minérios contendo césio.

Na Tabela Periódica, o césio está localizado na extremidade inferior esquerda, sendo o elemento químico de menor eletronegatividade.

O composto hidróxido de césio (CsOH) é a base mais forte conhecida, sendo capaz de atacar o vidro. Outros compostos de césio mais comuns são o nitrato de césio (CsNO₃) e o cloreto de césio (CsCl), ambos empregados industrialmente para a obtenção de outros produtos químicos.

O césio é considerado um elemento raro, pois ocupa a 45ª posição entre os elementos mais abundantes na crosta terrestre, com quantidade estimada em 2,6 ppm. O césio é um metal tóxico e radioativo.

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Onde se encontra o césio?

O principal mineral conhecido como fonte de césio é a polucita, um silicato hidratado de césio e alumínio, cuja fórmula molecular é CsAlSi₂O₆. A polucita contém entre 5% e 32% de óxido de césio. A lepidolita também pode ser um minério fonte de césio, a depender do local de extração.

A região do lago Bernic, localizado em Manitoba, no Canadá, é uma das principais fontes de césio do planeta, concentrando cerca de 82% de toda a polucita existente no mundo, quantidade equivalente a 300 mil toneladas do minério. Estima-se que a polucita existente nessa região possui composição aproximada de 20% em césio.

Há ocorrência de outras reservas contendo polucita na Zâmbia e Namíbia, localizadas no continente africano. Minerais contendo césio já foram registrados no Afeganistão, na China, na Itália, no Tibete e no Chile.

Outros minérios que contêm césio são o berilo (Be₃Al₂(SiO₃)₆), com cerca de 9% de césio, a avogadrita ((K,Cs)BF₄), com quantidades variáveis de césio, e a rodizita (borato hidratado de alumínio, berílio, sódio e césio de composição variada), contendo o teor máximo de 3% de césio. Mesmo assim, o único mineral viável economicamente para a extração do césio é a polucita.

Obtenção do césio

O césio está presente em alguns minerais, como a polucita, sendo normalmente obtido em sua forma impura. A principal contaminação no césio obtido de fontes naturais se deve à presença do elemento rubídio, em razão das similaridades químicas entre essas duas espécies.

A extração do césio advindo da polucita pode ser executada por três principais métodos: digestão ácida, digestão alcalina ou redução direta.

A digestão ácida é o método mais utilizado e é realizado em alta temperatura, podendo ser utilizados os ácidos bromídrico, clorídrico, sulfúrico ou fluorídrico. Nesse processo é formada uma solução contendo césio e impurezas, a qual é purificada por hidrólise, obtendo-se um sal de césio de elevada pureza.

Na digestão alcalina, o mineral polucita é levado à torrefação com uma mistura de sais de sódio ou de cálcio. Ao lavar o sólido resultante com água ou amônia diluída, obtém-se uma solução de sais de césio de maior pureza.

No método de redução direta, o isolamento do césio ocorre pela trituração e aquecimento dos minérios contendo césio e rubídio, na presença de sódio metálico em temperatura de 650 °C. Nesse processo, é formada uma liga metálica que é submetida a um processo de separação conhecido como destilação fracionada. Na destilação, a temperatura da liga é aumentada gradativamente, e, em razão das diferentes temperaturas de ebulição dos metais, é possível separá-los da mistura e isolá-los de forma individual.

O césio em sua forma metálica é altamente reativo, por isso é mais comum sua comercialização e manipulação sob a forma de azida de césio (CsN₃), por meio da qual o césio pode ser recuperado por simples aquecimento a aproximadamente 390 °C. A azida de césio é preparada pela reação entre uma solução de sulfato de césio e a azida de bário.

Aplicações do césio

As aplicações do césio são limitadas, em razão do seu baixo ponto de fusão e, por isso, ele possui usos bastante específicos.

Um dos principais usos do elemento césio é em relógios atômicos, que são relógios de alta precisão utilizados em sistemas de cronometragem. Esse tipo de equipamento utiliza a transição de elétrons entre dois níveis diferentes e bem conhecidos do estado fundamental do átomo de césio para definir a unidade de tempo de segundo. A utilização desse tipo de transição para medir o tempo se deve à sua estabilidade, ao fato de não ser alterada de átomo para átomo e não se desgastar ao longo do tempo.

Em razão das propriedades fotoemissivas, o césio é empregado em células fotoelétricas e solares, dispositivos de imagem em televisores e em equipamentos de visão noturna. Esse elemento ainda compõe alguns tipos de vidros em lentes especiais e fibra ótica.

Na indústria química, o césio é empregado como catalisador em reações orgânicas de hidrogenação e em métodos de purificação do petróleo.

Atualmente, uma das mais importantes aplicações desse elemento é na composição dos fluidos de perfuração para as indústrias de gás natural e petróleo.

Em combinação com o oxigênio, forma um composto utilizado para a remoção de gases residuais em tubos de vácuo.

Os íons césio, em razão da alta massa molecular, são utilizados em sistemas de propulsão iônica em motores de naves espaciais.

O isótopo radioativo césio-137 encontra aplicação na medicina e na indústria, como emissor de radiação gama.

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Precauções com o césio

O césio é um elemento extremamente reativo na presença de água, por isso é classificado como perigoso, e seu transporte e armazenamento devem ser realizados de forma isolada de outros reagentes.

Em contato com a água, o césio dá origem ao hidróxido de césio. Esse composto é uma base muito forte capaz de atacar o vidro.

O césio possui alguns radioisótopos que são extremamente perigosos à saúde humana e animal. O ¹³⁷Cs é causador de infertilidade, câncer, lesões na medula óssea e na pele e pode levar à morte.

Os íons césio, em razão da similaridade química com o potássio, pode se ligar a receptores de potássio nos organismos vivos, inibindo o funcionamento da bomba de sódio-potássio, mecanismo envolvido em diversas funções biológicas.

Césio-137 e o acidente em Goiânia

O césio-137 (¹³⁷Cs) é um dos radioisótopos do elemento césio, possuindo tempo de meia-vida de cerca de 30 anos. Sendo um isótopo do césio, a espécie ¹³⁷Cs possui o mesmo número de prótons (Z = 55) e diferente número de nêutrons. O valor “137” descreve a soma de prótons e nêutrons (55 + 82 = 137).

O ¹³⁷Cs é uma espécie instável e radioativa. Isso significa que seu núcleo emite radiação do tipo beta, transformando-se no elemento químico bário-137 (¹³⁷Ba). Esse processo é representado pela reação nuclear:

\({_{55}^{137}}Cs⟶{_{-1}^{0}}β+{_{56}^{137}}Ba\)

A radiação emitida pelo ¹³⁷Cs é altamente prejudicial à saúde humana, pois é formada por partículas ionizantes e radiação eletromagnética, as quais penetram nos tecidos, levando a uma série de complicações, inclusive possíveis alterações no DNA.

O produto da desintegração radioativa do ¹³⁷Cs ― o ¹³⁷Ba ― libera radiação do tipo gama, a qual possui poder de penetração ainda mais profundo do que a radiação beta.

O dano causado pela radiação se deve à sua capacidade de deslocar elétrons dos átomos, formando cátions (espécies com carga positiva), os quais são altamente reativos e capazes de promover alterações severas nas células dos tecidos e até mesmo no DNA.

Contudo, quando manipulada com os devidos cuidados, a radiação emitida pelo ¹³⁷Cs pode ser vantajosa e, por isso, essa espécie química é utilizada em terapias contra o câncer, em algumas indústrias, na esterilização de alimentos, no tratamento de esgoto e em equipamentos cirúrgicos.

Porém, a falta de instrução adequada pode levar a sérios acidentes ambientais, como o ocorrido em Goiânia em 1987. Nessa ocasião, dois trabalhadores da reciclagem encontraram um equipamento de radioterapia abandonado, o qual continha uma cápsula com césio-137, sob a forma do sal cloreto de césio (CsCl).

Ao revender o equipamento metálico para um ferro velho, a cápsula foi aberta pelo proprietário do local, que encontrou um pó branco que se tornava azul brilhante no escuro. Em razão da beleza do material encontrado, ele o distribuiu às pessoas da região. Após alguns dias, o sistema de saúde da cidade identificou o atendimento às dezenas de pessoas com sintomas de contaminação pelo elemento radioativo.

À época, quatro pessoas faleceram, e outras centenas tiveram ou têm que viver com os sintomas da intoxicação pelo material radioativo. Como o cloreto de césio é solúvel em água e higroscópico, facilmente se espalhou pela região, contaminado solos, água, animais e alimentos.

Nesse episódio, cerca de sete toneladas de lixo atômico foram isoladas em construções específicas para conter a radiação e lá deverão ficar por pelo menos 180 anos, tempo necessário para que a concentração do material radioativo diminua significativamente.

O césio-137 também pode ser liberado à atmosfera por meio da ativação de armas nucleares e usinas nucleares. Uma outra fonte de contaminação do ambiente por césio-137 foi o evento ocorrido em Chernobyl, em 1986, uma vez que esse elemento radioativo é derivado dos mecanismos decaimento radioativo do urânio.

• Videoaula Césio-137: o maior acidente radiológico do mundo

História do césio

O elemento césio foi descoberto em 1860 pelos cientistas alemães Robert Wilhelm Bunsen e Gustav Robert Kirchhoff por meio de análises espectroscópicas de amostras de água. O césio foi o primeiro elemento químico a ser descoberto por espectroscopia.

O resultado dessas análises apresentou duas linhas azuis brilhantes, acompanhadas de outras linhas em outros comprimentos de onda, associadas às cores vermelha, verde e amarela. Por causa das linhas azuis identificadas no espectro, os cientistas empregaram o termo “césio”, palavra que significa “céu azul”.

Créditos das imagens

[1] geogif / Shutterstock

[2] Wikimedia Commons (reprodução)

Por Ana Luiza Lorenzen Lima
Professora de Química