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Enseignement scientifique (première) - Séries technologiques (option SL de seconde et première)

Concours Mendeleïev 2019
L'UdPPC organise un concours exceptionnel pendant l'année scolaire 2018/2019, avec le soutien de nombreux partenaires.
Le concours Mendeleïev 2019 entre dans le double cadre de l'« Année internationale du tableau périodique des éléments chimiques » et de l'« Année de la chimie de l'école à l'université 2018-2019 ».

Réforme du lycée et du baccalauréat 2021

Toutes les publications de l'UdPPC sur ce thème : communiqués de presse, compte-rendus d'entrevues, analyses, infographies...

Infographies : le cycle terminal d'après les annonces de J.-M. Blanquer

Césium : présentation

Elément Césium

Cs (Z=55)

La grande affaire du césium ne réside pas dans les explosions, mais dans le temps !   

Structure électronique, configuration de l’état fondamental

La configuration électronique de l’état fondamental est [Xe](6s1).

Place dans la classification périodique

Le césium appartient au bloc des éléments s, colonne 1 (colonne des éléments alcalins) et à la sixième période.

 Abondance dans la nature

Le césium est très peu répandu sur notre planète : il a une abondance de 1’ordre de 1 p.p.m dans la croûte terrestre et de l’ordre de 0,0005 dans les océans.

Le césium se trouve essentiellement dans le minerai  pollucite, un aluminocilicate Cs4Al4Si9O26.H2O et à l’état de trace dans la lépidolite.

La taille du césium rend difficile sa substitution dans les composés et les minéraux. Il reste à l'état liquide dans les roches magmatiques et cristallise séparément des autres alcalins d'où le caractère limité des endroits où l’on peut le trouver à l'état naturel.

Elément et isotopes

Le césium possède 39 isotopes (un record pour un élément !) avec un nombre de masse qui varie de 112 à 151, mais une seule variété isotopique naturelle, le 133Cs (78 neutrons). Ces isotopes sont produits dans des réactions nucléaires, soit naturellement (supernovae), soit artificiellement (explosions, réacteurs nucléaires).

Les isotopes 134Cs (2 ans de demi-vie) et 137Cs (émetteur gamma, 30 ans de demi-vie) sont des produits de fission de l’uranium dans les réacteurs nucléaires.

 Principaux degrés d’oxydation

Le césium présente deux degrés d’oxydation : 0 (métal) et  +I (composés ioniques).

Principaux composés

Les principaux composés sont le césium métallique, les halogénures (fluorure, chlorure, bromure, iodure), le carbonate et l’hydroxyde et des sels d’acides organiques (formiate).

Propriétés et utilisations du césium et de ses dérivés

Césium métal

Le césium a une température de fusion proche de l’ambiante, en dessous de la température du corps humain (comme le mercure et le gallium), 28,44°C.

Le césium, à l’état solide, se présente sous la forme d’un réseau cubique centré d’atomes Cs.

Le césium est un métal très mou, ductile et de couleur argentée.

De tous les métaux, le césium a l’électronégativité la plus faible, d’où son utilisation pour l’effet photoélectrique.

Il est particulièrement réactif avec l’air (et donne le superoxyde),  l’eau (une  explosion a  lieu à une température aussi basse que -116°C), du phosphore, du soufre et du dichlore.

Le métal césium est employé pour piéger les gaz résiduels dans les tubes à  vide. Il est utilisé dans les cellules photoélectriques (en particulier pour l’endoscopie) et comme propulseur dans les moteurs ioniques quand il est soumis à une ionisation.

Il intervient « dans le temps » avec les  horloges atomiques et c’est l’application la plus connue du césium.

En 1967, la 13ème  Conférence internationale des Poids et Mesures a défini l’unité de temps, la seconde s, comme la durée de défilement de 9 192 631 770 périodes de la radiation qui correspond à la transition entre deux niveaux de structure hyperfine de l’état fondamental de l’atome de 133Cs. La précision de cette mesure a notamment trouvé application dans le Système mondial de localisation (GPS), dont le système de navigation utilise les signaux transmis par l’horloge atomique des satellites en orbite autour du globe.

Les horloges les plus précises sont les horloges à fontaine de césium dans lesquelles un jet de quelques millions d’atomes de césium est propulsé vers le haut dans un espace sous vide, puis mesuré lors de sa retombée en chute libre, indépendamment de toute influence extérieure ou presque.

Isotopes du césium

Le césium 137 (137C) est utilisé dans les secteurs industriel et médical pour ses rayons gamma. Il est produit artificiellement par bombardement neutronique de césium stable (césium 133), puis est placé à l'intérieur d'une capsule scellée, où il est généralement mélangé avec une résine. L'activité de ces sources scellées de césium 137 peut varier de façon considérable (de 106 Bq à 1015 Bq).

La majeure partie de ces sources sont utilisées dans l'industrie dans les appareils de    gammagraphie pour le contrôle non destructif de pièces métalliques, de soudures ou d'ouvrages d'art, ainsi que dans les irradiateurs industriels pour la stérilisation des aliments.

En médecine, on utilise des sources de césium 137 d'activités assez faibles (environ 109 Bq) dans le traitement de tumeurs cancéreuses, en plaçant la source directement au contact de la tumeur à traiter.

Des sources d'activités plus élevées (de l'ordre de 1014 Bq) sont utilisées pour l'irradiation de produits sanguins, permettant ainsi d'inhiber la division lymphocytaire afin d'éviter les risques de maladie post-transfusionnelle chez les patients immunodéprimés.

Halogénures du césium

Le bromure de césium CsBr  intervient dans les écrans fluorescents pour rayons X, dans les prismes pour spectromètres infra-rouge et dans les fenêtres de cellules pour spectroscopie d’absorption infra-rouge.

Le chlorure de césium CsCl est un agent contrastant en radiographie.

Il se trouve dans les écrans fluorescents d’appareils aux rayons X et intervient aussi dans le piégeage de gaz résiduels de tubes à vide.

L’iodure de césium CsI est utilisé dans les prismes pour spectromètres infra-rouge et dans les compteurs à scintillation.

Il  intervient aussi dans les écrans fluorescents d’appareils à rayons X.

Le fluorure de césium CsF est une base utile en chimie organique, du fait de la faible nucléophilie des ions fluorures. Il permet d'obtenir de meilleurs rendements que le fluorure de potassium ou le fluorure de sodium au cours d'une condensation de Knoevenagel.

Une des applications principales du fluorure de césium en laboratoire est la désilylation, sa forme anhydre permettant la formation d'intermédiaires sensibles à l'eau. Dans le THF ou le DMS, il peut attaquer une grande variété de composés organosiliciés en produisant un fluorure et un carbanion, qui peut ensuite réagir avec un électrophile.

Il permet également d'éliminer des groupements protecteurs silyls.

CsF est également une source d'ions fluorure en chimie des organofluorés.

Utilisation d’autres composés du césium

L’hydroxyde de césium CsOH est employé comme électrolyte pour accumulateurs et comme catalyseur.

Il est aussi la base la plus forte connue et il attaque le verre.

Le carbonate de césium CsCO3 est une base utilisée en synthèse organique et il est plus soluble dans les solvants organiques que les autres carbonates comme le carbonate de potassium.

Le formiate de césium CsHCOO est employé dans les forages pétroliers. Son ajout à la boue de forage  rend celle-ci plus dense et facilite l’extraction.

Toxicité - importance biologique

Du fait de ses émissions de rayonnement gamma, le césium 137 est extrêmement dangereux pour tous les êtres vivants (végétaux, animaux, hommes).

De plus, sa toxicité est accrue par sa similarité chimique avec le potassium qu'il tend à remplacer dans les processus d'assimilation par les végétaux et par ingestion dans l'organisme.

Dans l'environnement terrestre, le césium 137 reste concentré dans les couches supérieures du sol où il est fixé par les minéraux.

Il est intercepté par le feuillage de la végétation et se retrouve ainsi dans la litière des forêts. Les champignons qui se développent en surface et à quelques centimètres sous la surface du sol, piègent le césium 137 (comme ils piègent, par ailleurs, les pesticides).

L'isotope radioactif peut ainsi se concentrer dans la chaîne alimentaire, notamment dans la chair du gibier (sangliers, etc.) ; mais il contamine tout aussi bien la chair des poissons du fait de sa présence dans des eaux courantes et les océans.

L’un des problèmes est la dissémination du césium sur de vastes surfaces (Essais nucléaires, Tchernobyl, Fukushima). L’une des solutions utilisées pour la concentration du césium dilué est l’utilisation de bleu de Prusse, où l’ion césium s’insère parfaitement dans les sites tétraédriques de la structure. Des pastilles de bleu de Prusse sont commercialisées à cette fin sous l’appellation « Radiogardase ».

Histoire, Date de la mise en évidence

Le césium a été découvert par Robert Wilhelm Bunsen et Gustav Robert Kirchhoff en 1860 grâce  à la présence, dans son spectre d’émission, de deux raies bleues (caesium = bleu ciel en latin) qui ont permis de l’identifier comme nouvel élément en 1860 grâce au spectroscope qu’ils avaient mis au point l’année précédente.

Origine du nom et du symbole

Étymologie du nom: vient du  latin caesium signifiant bleu ciel.

Le césium doit son nom à la présence, dans son spectre d’émission, de deux raies bleues qui ont permis à Bunsen et Kirchhoff de l’identifier.

Le césium en un clin d’œil

Il définit l’unité de temps, la seconde.

Il a été le premier élément à avoir été mis en évidence par voie spectroscopique.

Informations essentielles sur l'élément césium

     Nom : Césium

     Symbole : Cs

     Numéro atomique: 55

     Masse atomique : 132,90545

     Etat standard : solide

     Couleur : argenté et jaune or

     Dans la classification périodique

     Nom du groupe : alcalin

     Période : 6

     Bloc : s

     Classification : métaux

 Pour en savoir davantage

- Sitographie

- Bibliographie

- Dossier "les alcalins"

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