No controle do tempo

O césio foi descoberto pelos químicos alemães Robert Wilhelm Bunsen e Gustav Robert Kirchhoff em 1860 em Heidelberg, Alemanha. Eles examinaram a água mineral de Durkheim por análise espectroscópica e observaram linhas azuis celestes, que não conseguiram identificar, o que significava a presença de um novo elemento. Seu nome vem do latim caesius, que significa cinza azulado, e segundo Bunsen e Kirchhoff “designava o azul da parte mais alta do firmamento”. Eles produziram cerca de 7 gramas de cloreto de césio, mas não conseguiram obter uma amostra do novo metal isolado. O crédito para esta façanha é de Carls Theodor Setterberg, da Universidade de Bonn, que vinte anos depois obteve césio metálico por meio da eletrólise de cianeto de césio fundido, CsCN. [1,2]

O césio pertence ao Grupo 1 da Tabela Periódica, o dos metais alcalinos. Todos os elementos desse grupo são metálicos, têm baixas densidades e são muito reativos. Eles conduzem eletricidade e calor, são macios e têm baixos pontos de fusão. A maciez e os baixos pontos de fusão vêm do fato de que sua ligação metálica é fraca, pois cada átomo contribui com somente um elétron para a banda de valência. Essa maciez é particularmente evidente para o césio, que funde a apenas 28,4°C. [3]

O césio tem símbolo químico Cs, número atômico 55 e número de massa 132.906 Da g/mol e sua cor é dourada clara. Só existe um isótopo de césio na natureza: ¹³³Cs. Ele explode em contato com a água e o ar e é o mais reativo dos metais alcalinos. O hidróxido CsOH, base fortíssima, ataca o vidro, assim como os demais hidróxidos dos metais alcalinos. O metal reage com o gelo até -116°C. [4]

O isótopo do césio mais conhecido é o césio-137, responsável pelo acidente radioativo ocorrido em Goiânia em 1987. Apesar da toxidez aos animais e pessoas, quando utilizado de forma adequada, os isótopos radioativos do césio trazem benefícios, podendo ser empregados principalmente na medicina, em áreas da física e na esterilização de alimentos e de lodos.

O césio é encontrado em vários minerais, mas em maior quantidade nos minerais polucita (CsAlSi₂O₆) e lepidolita. A polucita é abundante no Lago Bernic, no Canadá, e também nos Estados Unidos. No entanto, a maior parte da produção comercial do césio se dá como subproduto da produção de lítio. A obtenção do césio puro é difícil, já que os minérios de césio são frequentemente contaminados com rubídio, elemento quimicamente semelhante a ele. [4]

Para obter césio puro, os minérios de césio e rubídio são triturados e aquecidos com sódio metálico a 650°C, formando uma liga que depois é separada por meio de um processo chamado destilação fracionada. O césio metálico é muito reativo, e por isso não pode ser manuseado com facilidade. Por teste motivo ele normalmente é comercializado na forma do composto azida ou azoteto de césio (CsN₃). O césio é retirado desse composto por aquecimento. [4,1]

Relógios atômicos e células fotoelétricas

O uso mais amplo dos compostos de césio é como fluido para equipamentos de perfuração de poços de petróleo e gás natural. O formiato de césio (HCOOCs) utilizado nos equipamentos da indústria petroquímica pode ser reciclado para uso em novas operações de perfuração, com índice de reaproveitamento de 85%. Mas um dos usos mais importantes do césio se dá em relógios de altíssima precisão. [5]

O Tempo Atômico Internacional, que dá suporte ao Tempo Universal Coordenado, é mantido pela sincronização de 450 relógios atômicos em 80 laboratórios por todo o planeta. Os mais precisos são os relógios com fontes de césio. Nesses relógios, lasers lançam milhões de átomos de césio em uma câmara de vácuo e fazem sua medição em queda livre, quase isentos de influências externas. Se o relógio de fonte de césio do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos tivesse sido construído há 70 milhões de anos, hoje ele estaria com uma defasagem de menos de 1 segundo. [6,7]

A unidade de tempo utilizada pelo Comitê Consultivo de Tempo e Frequência do Comitê de Pesos e Medidas é 1 segundo. E este período de tempo é baseado no valor numérico da frequência do átomo de césio 133. [7]

Vídeo sobre o césio da Universidade de Notthingham explica em detalhes o funcionamento dos relógios de precisão.

A rede que controla a hora oficial do planeta é coordenada pela BIPM, sigla do Bureau Internacional de Pesos e Medidas, com sede na França. A velocidade da internet, a navegação para a aviação e o GPS, sigla em inglês para Sistema de Posicionamento Global, operado por satélites, dependem dos relógios atômicos que são referência para a medida do tempo. O Observatório Nacional, no Rio de Janeiro, possui dois relógios atômicos de césio 133 com precisão de 10−9 segundo por dia. O Brasil coopera com a rede mundial do Tempo Atômico Internacional por meio dos relógios atômicos de césio construídos e operados por especialistas do Instituto de Física e da Escola de Engenharia da USP de São Carlos. [8,9]

Texto de 2021 explica qual a importância e como funcionam os relógios atômicos desenvolvidos no Instituto de Física e na Escola de Engenharia da USP de São Carlos: https://www2.ifsc.usp.br/portal-ifsc/do-pendulo-ao-relogio-nuclear/

Devido à sua energia de ionização extremamente baixa, o césio pode ser ionizado pelo uso da luz visível. Isso faz com que o metal seja útil em células fotoelétricas, nas quais um feixe de luz produz uma corrente elétrica que pode ser usada para várias tarefas, como ativar um alarme ou fazer a leitura de informações impressas em cartões ou embalagens. [2]

O brometo de césio é usado em detectores infravermelhos, em aparelhos ópticos, contadores de cintilação e espectrofotômetros. O carbonato de césio é usado na alquilação de compostos orgânicos e em aparelhos de conversão de energia, como células de combustíveis, geradores magneto-hidrodinâmicos e polímeros para células solares. O cloreto de césio é usado em aplicações da química analítica como reagente, em soldas de alta temperatura e como um intermediário na produção de césio metálico, como um radioisótopo na medicina nuclear e como repelente de insetos em aplicações na agricultura, além de vidros especiais. [5]

O hidróxido de césio é usado como um eletrólito em baterias alcalinas. O iodeto de césio é usado em equipamentos de fluoroscopia, como espectrômetros infravermelhos e em cintiladores. O nitrato de césio é usado como colorante e oxidante na indústria de pirotecnia, no craqueamento do petróleo, em aparelhos de cintilografia e em aparelhos de raios-X. Os sulfatos de césio são solúveis em água e podem ser usados principalmente no tratamento da água, em células de combustíveis e para melhorar a qualidade óptica de instrumentos científicos. [5]

Foi numa das aplicações como radioisótopo em medicina nuclear que o césio causou, em setembro de 1987, o pior acidente do mundo com substância radiativa fora de uma usina nuclear. O acidente aconteceu em Goiânia, quando dois catadores de ferro velho encontraram nas ruínas de um antigo hospital um aparelho de radioterapia abandonado. Eles violaram a cápsula onde havia cloreto de césio-137, sal que emite uma bonita luz azul. O césio passou de mão em mão, e se espalhou pela cidade, contaminando centenas de pessoas, objetos e prédios. Quatro pessoas morreram dias depois. A Comissão Nacional de Energia Nuclear foi acionada e passou a examinar os moradores com detectores de radiatividade e a recolher toneladas de objetos, que foram descartados mais tarde em contêineres e locais apropriados. Os terrenos no centro da cidade onde houve os piores índices de contaminação até hoje estão isolados e recobertos por uma grossa camada de concreto. A associação das vítimas do acidente com o césio-137 estima que 6 mil pessoas foram atingidas pela radiação. Houve muitas mortes nos anos seguintes. [10]

Produção e reservas

De acordo com o Departamento de Geologia dos Estados Unidos, não existem dados oficiais sobre a produção mundial de césio em 2021. As reservas de césio são calculadas com base na ocorrência de polucita, mineral que contém lítio, césio e rubídio. Normalmente a polucita contém de 5% a 32% de óxido de césio. Não há informações disponíveis para determinar as reservas em países específicos, mas acredita-se que Austrália, Canadá, China e Namíbia devem possuir reservas totalizando menos de 200 mil toneladas. [5]

Referências

1-Caesium. Disponível em https://www.rsc.org/periodic-table/element/55/caesium . Acesso em 10/05/2022.

2-Rodgers G. Química inorgânica descritiva, de coordenação e do estado sólido.

3-WELLER, M.; OVERTON, T.; ROURKE, J.; ARMSTRONG, F.; Química Inorgânica, 6. ed, Porto Alegre, Bookman, 2017.

4-The Element Cesium. Disponível em https://education.jlab.org/itselemental/ele055.html . Acesso em 10/05/2022.

5-Cesium. Disponível em chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2022/mcs2022-cesium.pdf. Acesso em 10/05/2022.

6-Gray, T. (2011). Os elementos: uma exploração visual dos átomos conhecidos no universo. São Paulo: Edgard Blucher.

7-Mise en pratique for the definition of the second in the SI. BIPMhttps://www.bipm.org › SI-App2-second.pdf. Acesso em 12/05/2022.

8-Relógio atômico da Usp. Disponível em https://jornal.usp.br/universidade/relogio-atomico-da-usp-contribui-para-definicao-internacional-do-tempo/ Acesso em 10/05/2022.

9-Relógio atômico. Disponível em https://www.infoescola.com/curiosidades/relogio-atomico/. Acesso em 13/03/2022.

10-Acidente com césio 137. Disponível em https://www.manualdaquimica.com/fisico-quimica/acidente-com-cesio-137.htm. Acesso em 12/05/2022.

ATENÇÃO! Os experimentos com substâncias químicas mostrados nos vídeos aqui incluídos só devem ser reproduzidos na presença de um profissional ou professor de química, e em ambiente controlado. Não tente reproduzir esses experimentos por conta própria.

Artigo produzido pela Assessoria de Comunicação e Marketing do CRQ-IV, sob a orientação
de  Márcia Guekezian, da Faculdade de São Bernardo do Campo
Publicado em 28/07/2023