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세슘

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목차

1. 개요

세슘(Caesium)은 원자 번호 55번의 은백색 금속 원소로, 1860년 독일 화학자 로베르트 분젠과 구스타프 키르히호프에 의해 발견되었다. '하늘색'을 의미하는 라틴어 'caesius'에서 유래된 세슘은 자연계에 극미량 존재하며, 알칼리 금속과 함께 산출된다. 세슘은 녹는점이 낮고 반응성이 높아, 석유 시추 유체, 원자 시계, 광전 소자, 화학 촉매 등 다양한 산업 분야에서 활용된다. 특히 세슘-137은 방사성 동위원소로, 산업 및 의학 분야에서 사용되지만, 환경 오염과 건강 위험을 초래할 수 있다.

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세슘
기본 정보
세슘
세슘
일본어 이름セシウム
원자 번호55
원소 기호Cs
왼쪽 원소제논
오른쪽 원소바륨
위쪽 원소Rb
아래쪽 원소Fr
계열알칼리 금속
족1
주기6
구역s
겉모습노란색을 띤 은백색
물리적 성질
원자 질량132.9054519(2)
전자 배치Xe 6s1
껍질당 전자 수2, 8, 18, 18, 8, 1
상고체
밀도 (g/cm3)1.93
액체 밀도 (녹는점) (g/cm3)1.843
녹는점 (K)301.59
녹는점 (섭씨)28.44
녹는점 (화씨)83.19
끓는점 (K)944
끓는점 (섭씨)671
끓는점 (화씨)1240
임계 온도 (K)1938
임계 압력 (MPa)9.4
융해열 (kJ/mol)2.09
기화열 (kJ/mol)63.9
열용량 (J/(mol·K))32.210
증기압 (Pa)418: "418"
469: "469"
534: "534"
623: "623"
750: "750"
940: "940"
결정 구조체심 입방 구조
일본어 결정 구조体心立方構造 (たいしんりっぽうこうぞう)
산화 상태1 (강염기성 산화물)
전기 음성도0.79
이온화 에너지 (kJ/mol)첫 번째: "375.7"
두 번째: "2234.3"
세 번째: "3400"
원자 반지름 (pm)265
계산된 원자 반지름 (pm)298
공유 반지름 (pm)244±11
반데르발스 반지름 (pm)343
자기 정렬상자성
전기 저항 (µΩ·m) (20°C)205
열 전도율 (W/(m·K))35.9
열팽창 계수 (µm/(m·K)) (25°C)97
영률 (GPa)1.7
겉보기 경도0.2
브리넬 경도0.14
기타 정보
CAS 등록 번호7440-46-2
동위 원소
주요 동위 원소세슘-133 (133Cs): 100% (안정)
세슘-134 (134Cs): 인공 방사성 동위 원소, 반감기 2.0648년
세슘-135 (135Cs): 미량 방사성 동위 원소, 반감기 2.3×106년
세슘-137 (137Cs): 미량 방사성 동위 원소, 반감기 30.17년
위험성
신호어위험
NFPA 704건강: "3"
화재: "4"
반응성: "3"
특수: w

2. 역사

1860년, 독일의 화학자 로베르트 분젠과 구스타프 키르히호프는 바트 뒤르크하임의 광천수를 분광기로 분석하던 중 세슘을 발견했다.[221][222][223] 분광 스펙트럼에서 밝은 청색 선을 발견하고, '하늘색'을 뜻하는 라틴어 카이시우스/caesiusla를 따서 세슘(caesium)으로 명명했다.[64][65][67][66] 세슘은 분젠과 키르히호프가 개발한 분광기를 이용하여 발견된 최초의 원소이다.[9]

세슘을 분광기로 발견한 구스타프 키르히호프(왼쪽)와 로베르트 분젠(가운데)


세슘의 발광 스펙트럼. 이 청색의 휘선에서 세슘이라는 이름이 붙여졌다.


44,000L의 광천수를 증발시켜 농축된 염 용액 240kg을 얻은후, 여러화학반응을 거쳐 염화세슘 7.3g과 염화루비듐 9.2g을 얻었다.[131] 분젠과 키르히호프는 염화세슘으로부터 세슘의 원자량을 123.35로 추정했지만, 현재 받아들여지는 값은 132.9이다.[131] 그들은 용융된 염화세슘을 전기분해하여 금속 세슘을 얻으려 했으나, 금속 대신 "아염화물"(Cs2Cl)로 추정되는 푸른색 균질 물질을 얻었다. 이는 금속과 염화세슘의 콜로이드 혼합물이었을 것으로 추정된다.[224] 이후 1882년 카를 제터베르크가 시안화세슘을 전기분해하여 순수한 세슘 금속을 분리하는 데 성공했다.[225]

2. 1. 발견

1860년, 독일의 화학자 로베르트 분젠과 구스타프 키르히호프는 바트 뒤르크하임의 광천수를 분광기로 분석하던 중 세슘을 발견했다.[221][222][223] 분광 스펙트럼에서 밝은 청색 선을 발견하고, '하늘색'을 뜻하는 라틴어 카이시우스/caesiusla를 따서 세슘(caesium)으로 명명했다.[64][65][67][66] 세슘은 분젠과 키르히호프가 개발한 분광기를 이용하여 발견된 최초의 원소이다.[9]

44,000L의 광천수를 증발시켜 농축된 염 용액 240kg을 얻은후, 여러화학반응을 거쳐 염화세슘 7.3g과 염화루비듐 9.2g을 얻었다.[67] 분젠과 키르히호프는 염화세슘으로부터 세슘의 원자량을 123.35로 추정했지만, 현재 받아들여지는 값은 132.9이다.[67] 그들은 용융된 염화세슘을 전기분해하여 금속 세슘을 얻으려 했으나, 금속 대신 "아염화물"(Cs2Cl)로 추정되는 푸른색 균질 물질을 얻었다. 이는 금속과 염화세슘의 콜로이드 혼합물이었을 것으로 추정된다.[68] 이후 1882년 카를 제터베르크가 시안화세슘을 전기분해하여 순수한 세슘 금속을 분리하는 데 성공했다.[69]

2. 2. 명칭 및 표기

국제순수·응용화학연합(IUPAC)에서 권장하는 철자는 'caesium'이다.[2] 미국화학회(ACS)는 1921년부터 'cesium'이라는 철자를 사용해 왔으며,[3][4] 이는 '웹스터 새 국제 사전'을 따른 것이다. 이 원소는 "푸른빛이 도는 회색"을 의미하는 라틴어 caesius/caesiusla에서 이름이 유래되었다.[5] 중세 및 근세 문헌에서는 ''caesius''를 합자 ''æ''를 사용하여 ''cæsius''로 철자하였다. 따라서, 현재는 구식이지만 대안적인 철자는 ''cæsium''이다. 철자에 대한 자세한 설명은 ae/oe와 e를 참조하십시오.

1860년, 독일의 화학자 구스타프 키르히호프(Gustav Kirchhoff)와 로베르트 분젠(Robert Wilhelm Bunsen)이 발광 스펙트럼의 휘선(輝線)이 푸른색을 띠는 것을 보고 라틴어 caesius(푸른색)에서 따서 명명했다.[130][131][132] 대한민국에서는 '세슘'과 '세시움' 표기가 혼용되어 쓰인다.[133]

3. 존재

자연계에 널리 분포하는데 양이 극히 적다. 알칼리 금속과 함께 산출된다.

흰색 광물, 흰색과 연분홍색 결정이 돌출되어 있음
세슘 광석 폴루사이트


세슘은 지각에 약 3ppm 정도의 농도로 존재하는 희귀 원소이며,[55][229] 지구상에서 45번째로 풍부한 원소이다.[56] 알칼리 금속과 함께 산출되며, 주로 페그마타이트 광체에서 발견된다.[57]

세슘은 큰 이온 반지름으로 인해 비호환 원소에 속하며,[57][230] 마그마 결정화 과정에서 액상에 농축되어 가장 마지막에 결정화된다. 이러한 이유로 세슘은 폴루사이트(Cs(AlSi₂O₆)), 로지사이트, 홍운모, 녹주석(Be₃Al₂(SiO₃)₆), 카널라이트(KMgCl₃•6H₂O) 등의 광물에 소량 함유되어 있다.[6][134]

경제적으로 중요한 세슘 광물은 폴루사이트이며, 캐나다 매니토바 주 버닉 호수의 탄코 광산에 전 세계 매장량의 2/3 이상인 35만 톤이 매장된 것으로 추정된다.[58][59][231][232] 짐바브웨 비키타 지역과 나미비아 에롱고 지역의 페그마타이트 광상에서도 폴루사이트가 산출된다.[59][232] 현재 세슘의 세계 광산 생산량은 연간 5~10톤이며, 매장량은 수천 년 동안 채굴이 가능할 것으로 예상된다.[6][134]

3. 1. 자연계에서의 존재

세슘은 지각에 약 3ppm 정도의 농도로 존재하는 희귀 원소이며,[55][229] 지구상에서 45번째로 풍부한 원소이다.[56] 알칼리 금속과 함께 산출되며, 주로 페그마타이트 광체에서 발견된다.[57]

세슘은 큰 이온 반지름으로 인해 비호환 원소에 속하며,[57][230] 마그마 결정화 과정에서 액상에 농축되어 가장 마지막에 결정화된다. 이러한 이유로 세슘은 폴루사이트(Cs(AlSi₂O₆)), 로지사이트, 홍운모, 녹주석(Be₃Al₂(SiO₃)₆), 카널라이트(KMgCl₃•6H₂O) 등의 광물에 소량 함유되어 있다.[6][134]

경제적으로 중요한 세슘 광물은 폴루사이트이며, 캐나다 매니토바 주 버닉 호수의 탄코 광산에 전 세계 매장량의 2/3 이상인 35만 톤이 매장된 것으로 추정된다.[58][59][231][232] 짐바브웨 비키타 지역과 나미비아 에롱고 지역의 페그마타이트 광상에서도 폴루사이트가 산출된다.[59][232] 현재 세슘의 세계 광산 생산량은 연간 5~10톤이며, 매장량은 수천 년 동안 채굴이 가능할 것으로 예상된다.[6][134]

3. 2. 주요 광물



세슘은 지각에 평균 약 3ppm의 농도로 존재하는 비교적 희귀한 원소이다.[55][229] 모든 원소 중 45번째, 모든 금속 중에서는 36번째로 풍부하다.[56][229] 세슘은 안티몬(Sb), 카드뮴(Cd), 주석(Sn), 텅스텐(W)과 같은 원소보다 풍부하며, 수은(Hg)이나 은(Ag)보다 두 자릿수 더 많이 존재하지만, 루비듐(Rb)은 세슘보다 30배 이상 더 많다.[6][134]

큰 이온 반지름 때문에 세슘은 "비정합 원소" 중 하나이다.[57][230] 마그마 결정화 과정에서 세슘은 액상에 농축되어 가장 마지막에 결정화된다. 따라서 세슘의 가장 큰 매장지는 페그마타이트 광체이다. 세슘은 루비듐처럼 쉽게 칼륨을 대체하지 않기 때문에, 알칼리 증발광물인 실바이트(sylvite, KCl)와 카널라이트(carnallite, KMgCl₃•6H₂O)에는 세슘이 0.002%만 함유되어 있다. 결과적으로 세슘은 소수의 광물에서만 발견된다.[6]

녹주석(Be₃Al₂(SiO₃)₆) 및 아보가드로석((K,Cs)BF₄)에는 상당량의 세슘이 함유되어 있다. 밀접하게 관련된 광물인 페조타이트(pezzottaite, Cs(Be₂Li)Al₂Si₆O₁₈)에는 최대 15 wt%의 Cs₂O가, 희귀 광물인 런던나이트(londonite, (Cs,K)Al₄Be₄(B,Be)₁₂O₂₈)에는 최대 8.4 wt%의 Cs₂O가, 그리고 더 널리 분포하는 로지사이트에는 그보다 적은 양의 세슘이 함유되어 있다.[6][134]

세슘의 유일한 경제적으로 중요한 광석은 폴루사이트(Cs(AlSi₂O₆))이며,[6] 전 세계의 몇몇 지역의 페그마타이트에서 발견되며, 더 상업적으로 중요한 리튬 광물인 홍운모(lepidolite)와 페탈라이트(petalite)와 함께 산출된다. 페그마타이트 내에서 큰 입자 크기와 광물의 강한 분리가 고품위 광석 채굴을 가능하게 한다.[58][231]

세계에서 가장 중요하고 풍부한 알려진 세슘 광원은 캐나다 매니토바주(Manitoba) 버닉 호수(Bernic Lake)의 탄코 광산(Tanco Mine)으로, 35만 톤(metric tons)의 폴루사이트 광석이 매장되어 있으며, 이는 세계 매장량의 3분의 2 이상을 차지한다고 추정된다.[58][59][231][232] 폴루사이트의 화학량론적 세슘 함량은 42.6%이지만, 이 매장지의 순수한 폴루사이트 시료에는 약 34%의 세슘만 함유되어 있으며, 평균 함량은 24 wt%이다.[59][232] 상업용 폴루사이트는 19% 이상의 세슘을 함유하고 있다.[60][233] 짐바브웨(Zimbabwe) 비키타 지역(Bikita District)의 페그마타이트 광상은 페탈라이트를 채굴하지만 상당량의 폴루사이트도 함유하고 있다. 또 다른 주목할 만한 폴루사이트 광원은 나미비아(Namibia) 에롱고 지역(Erongo Region) 카리빕 사막(Karibib Desert)에 있다.[59][232] 현재 세계 광산 생산량이 연간 5~10톤인 것을 고려하면, 매장량은 수천 년 동안 지속될 것이다.[6][134]

4. 성질

세슘은 은백색의 무른 금속으로, 모스 경도는 0.2이다.[134][135] 전성과 연성이 매우 뛰어나 쉽게 잘리고 늘어난다.[6][7][8] 미량의 산소가 존재하면 금색을 띤다.[134][135]

녹는점은 28.5°C로 매우 낮아, 상온에서 액체 상태로 존재할 수 있는 몇 안 되는 금속 중 하나이다.[9] 금속 중에서 수은 다음으로 녹는점이 낮다.[137] 끓는점은 641°C로, 수은을 제외한 안정된 금속 중 가장 낮다.[113][138]

유리 앰풀에 담긴 Y자 모양의 황색 결정, 소나무 가지처럼 보임
아르곤에 보관된 고순도 세슘-133


세슘은 다른 알칼리 금속, 금 및 수은(아말감)과 합금을 형성한다. 650°C 이하의 온도에서는 코발트, 철, 몰리브덴, 니켈, 백금, 탄탈륨 또는 텅스텐과 합금을 형성하지 않는다. 안티모니, 갈륨, 인듐 및 토륨과 잘 정의된 금속간 화합물을 형성하며, 이들은 감광성이다.[6] 리튬을 제외한 다른 모든 알칼리 금속과 섞인다. 세슘 41%, 칼륨 47%, 나트륨 12%의 몰 농도를 갖는 합금은 알려진 모든 금속 합금 중 가장 낮은 녹는점(−78°C)을 갖는다.[9][12] 는 자주색 금속 광택을 띠는 검은색인 반면, CsHg는 금색이며 금속 광택을 띤다.

세슘의 황금색은 알칼리 금속의 전자를 여기시키는 데 필요한 빛의 주파수가 주기율표에서 아래로 내려갈수록 감소하기 때문이다. 리튬에서 루비듐까지는 이 주파수가 자외선 영역에 있지만, 세슘에서는 청자색 영역으로 들어온다. 따라서 세슘은 다른 색(주파수가 낮음)이 반사되는 동안 자색광을 우선적으로 투과하고 부분적으로 흡수하므로 황색으로 보인다.[14] 세슘 화합물은 불꽃 반응에서 청자색[15][16] 또는 자색[16]을 나타낸다. 세슘의 불꽃 반응은 주로 들뜬 세슘의 최외각 전자가 바닥 상태로 돌아올 때 방출되는 파장 455.5 nm, 459.3 nm의 청색을 나타내는 한 쌍의 스펙트럼선과 697.3 nm, 672.3 nm의 적색을 나타내는 한 쌍의 스펙트럼선 때문이다.[142]

|섬네일|왼쪽|앰플에 들어 있는 액체 상태의 세슘]]

불꽃 반응에서 청자색을 보이므로 쉽게 구분할 수 있다. 액체 암모니아수에 쉽게 녹는다.

세슘은 안정하게 존재하는 알칼리 금속 중에서 가장 반응성이 크며, 많은 비금속 원소와 폭발적인 반응을 일으킨다.[6] 건조한 공기 속에서도 격하게 산화되어 불이 붙을 수 있으며, 습한 공기 속에서는 더욱 격렬하게 반응한다.[6] 물과는 즉시 폭발적으로 반응하며,[6] -116°C의 낮은 온도에서도 얼음과 반응한다.[9] 세슘-물 폭발은 종종 비슷한 양의 나트륨을 사용한 나트륨-물 폭발보다 덜 강력한데, 이는 세슘이 물과 접촉하는 순간 즉시 폭발하여 수소가 축적될 시간이 거의 없기 때문이다.[18] 이러한 높은 반응성 때문에 세슘 금속은 위험물로 분류되며, 미네랄 오일과 같은 건조한 포화 탄화수소 속에 보관하거나, 아르곤과 같은 불활성 기체 환경에서 취급해야 한다.[6]

차가운 물에 소량의 금속 세슘을 첨가하면 폭발한다.


세슘의 화학적 성질은 다른 알칼리 금속, 특히 주기율표에서 바로 위에 있는 루비듐과 유사하다.[88] 일반적인 산화 상태는 +1이지만,[88] Cs- 음이온을 포함하는 세슘화물에서는 -1의 산화 상태를 갖기도 한다. 세슘은 가장 전기 양성적인 화학 원소이며,[9] 세슘 이온은 가벼운 알칼리 금속 이온보다 크고 덜 "딱딱하다".[9]

대부분의 세슘 화합물은 세슘을 양이온(Cs+)으로 포함하며, 다양한 음이온과 이온 결합을 한다. Cs+의 염은 음이온 자체가 색을 띠지 않는 한 일반적으로 무색이며, 많은 단순 염은 흡습성이 있지만 가벼운 알칼리 금속의 해당 염보다는 덜하다. 인산염,[24] 아세트산염, 탄산염, 할로겐화물, 산화물, 질산염 및 황산염 염은 물에 잘 녹는다. 안티몬(예: CsSbCl4), 비스무트, 카드뮴, 구리, 철 및 납과의 복염은 용해도가 낮다.[6]

수산화세슘(CsOH)은 흡습성이 있으며 강한 염기이다.[88] 실리콘과 같은 반도체 표면을 빠르게 부식시킨다.[25] CsOH는 큰 Cs+ 이온과 OH- 사이의 상대적으로 약한 인력을 반영하여, 한때 화학자들에 의해 "가장 강한 염기"로 여겨졌었다.[15]

세슘과 금의 화학량론적 혼합물은 가열하면 노란색 아우리드세슘(Cs+Au-)을 생성하며, 여기서 아우리드 음이온은 유사할로겐으로 작용한다. 이 화합물은 물과 격렬하게 반응하여 수산화세슘, 금속 금 및 수소 가스를 생성한다.

CsCl에서 Cs와 Cl의 입방 배위의 구슬막대 모형


세슘은 다른 알칼리 금속보다 더 다양한 이원 화합물을 산소와 형성한다. 세슘이 공기 중에서 연소될 때, 초과산화물(超酸化物) CsO2가 주요 생성물이다.[31] "정상적인" 산화세슘 (Cs2O)은 노란색-주황색의 육방정계 결정을 형성하며,[32] 염화카드뮴 반대형(CdCl2)의 유일한 산화물이다.[33]

Cs11O3 덩어리


초과산화물과 오존화물 CsO3 외에도,[34][35] Cs7O, Cs4O, Cs11O3, Cs3O (진한 녹색[37]), CsO, Cs3O2,[38] 및 Cs7O2를 포함하여 여러 가지 밝은 색의 산화물도 연구되었다.[36] 황, 셀레늄, 텔루륨과의 이원 화합물도 존재한다.[6]

금속 세슘은 다른 알칼리 금속이나 금과 합금을 만들며, 수은과 아말감을 만든다. 리튬을 제외한 다른 알칼리 금속과 섞여, 몰농도로 41%의 세슘, 47%의 칼륨, 12%의 나트륨으로 이루어진 합금은 모든 합금 중에서 가장 낮은 녹는점(-78 ℃)을 갖는다.[137][165]

4. 1. 물리적 성질

세슘은 은백색의 무른 금속으로, 모스 경도는 0.2이다.[134][135] 전성과 연성이 매우 뛰어나 쉽게 잘리고 늘어난다.[6][7][8] 미량의 산소가 존재하면 금색을 띤다.[134][135]

녹는점은 28.5°C로 매우 낮아, 상온에서 액체 상태로 존재할 수 있는 몇 안 되는 금속 중 하나이다.[9] 금속 중에서 수은 다음으로 녹는점이 낮다.[137] 끓는점은 641°C로, 수은을 제외한 안정된 금속 중 가장 낮다.[113][138]

세슘은 다른 알칼리 금속, 금 및 수은(아말감)과 합금을 형성한다. 650°C 이하의 온도에서는 코발트, 철, 몰리브덴, 니켈, 백금, 탄탈륨 또는 텅스텐과 합금을 형성하지 않는다. 안티모니, 갈륨, 인듐 및 토륨과 잘 정의된 금속간 화합물을 형성하며, 이들은 감광성이다.[6] 리튬을 제외한 다른 모든 알칼리 금속과 섞인다. 세슘 41%, 칼륨 47%, 나트륨 12%의 몰 농도를 갖는 합금은 알려진 모든 금속 합금 중 가장 낮은 녹는점(−78°C)을 갖는다.[9][12] 는 자주색 금속 광택을 띠는 검은색인 반면, CsHg는 금색이며 금속 광택을 띤다.[13]

세슘의 황금색은 알칼리 금속의 전자를 여기시키는 데 필요한 빛의 주파수가 주기율표에서 아래로 내려갈수록 감소하기 때문이다. 리튬에서 루비듐까지는 이 주파수가 자외선 영역에 있지만, 세슘에서는 청자색 영역으로 들어온다. 따라서 세슘은 다른 색(주파수가 낮음)이 반사되는 동안 자색광을 우선적으로 투과하고 부분적으로 흡수하므로 황색으로 보인다.[14] 세슘 화합물은 불꽃 반응에서 청자색[15][16] 또는 자색[16]을 나타낸다. 세슘의 불꽃 반응은 주로 들뜬 세슘의 최외각 전자가 바닥 상태로 돌아올 때 방출되는 파장 455.5 nm, 459.3 nm의 청색을 나타내는 한 쌍의 스펙트럼선과 697.3 nm, 672.3 nm의 적색을 나타내는 한 쌍의 스펙트럼선 때문이다.[142]

4. 2. 화학적 성질

세슘은 안정하게 존재하는 알칼리 금속 중에서 가장 반응성이 크며, 많은 비금속 원소와 폭발적인 반응을 일으킨다.[6] 건조한 공기 속에서도 격하게 산화되어 불이 붙을 수 있으며, 습한 공기 속에서는 더욱 격렬하게 반응한다.[6] 물과는 즉시 폭발적으로 반응하며,[6] -116°C의 낮은 온도에서도 얼음과 반응한다.[9] 세슘-물 폭발은 종종 비슷한 양의 나트륨을 사용한 나트륨-물 폭발보다 덜 강력한데, 이는 세슘이 물과 접촉하는 순간 즉시 폭발하여 수소가 축적될 시간이 거의 없기 때문이다.[18] 이러한 높은 반응성 때문에 세슘 금속은 위험물로 분류되며, 미네랄 오일과 같은 건조한 포화 탄화수소 속에 보관하거나, 아르곤과 같은 불활성 기체 환경에서 취급해야 한다.[6]

세슘의 화학적 성질은 다른 알칼리 금속, 특히 주기율표에서 바로 위에 있는 루비듐과 유사하다.[88] 일반적인 산화 상태는 +1이지만,[88] Cs- 음이온을 포함하는 세슘화물에서는 -1의 산화 상태를 갖기도 한다. 세슘은 가장 전기 양성적인 화학 원소이며,[9] 세슘 이온은 가벼운 알칼리 금속 이온보다 크고 덜 "딱딱하다".[9]

대부분의 세슘 화합물은 세슘을 양이온(Cs+)으로 포함하며, 다양한 음이온과 이온 결합을 한다. Cs+의 염은 음이온 자체가 색을 띠지 않는 한 일반적으로 무색이며, 많은 단순 염은 흡습성이 있지만 가벼운 알칼리 금속의 해당 염보다는 덜하다. 인산염,[24] 아세트산염, 탄산염, 할로겐화물, 산화물, 질산염 및 황산염 염은 물에 잘 녹는다. 안티몬(예: CsSbCl4), 비스무트, 카드뮴, 구리, 철 및 납과의 복염은 용해도가 낮다.[6]

수산화세슘(CsOH)은 흡습성이 있으며 강한 염기이다.[88] 실리콘과 같은 반도체 표면을 빠르게 부식시킨다.[25] CsOH는 큰 Cs+ 이온과 OH- 사이의 상대적으로 약한 인력을 반영하여, 한때 화학자들에 의해 "가장 강한 염기"로 여겨졌었다.[15]

세슘과 금의 화학량론적 혼합물은 가열하면 노란색 아우리드세슘(Cs+Au-)을 생성하며, 여기서 아우리드 음이온은 유사할로겐으로 작용한다. 이 화합물은 물과 격렬하게 반응하여 수산화세슘, 금속 금 및 수소 가스를 생성한다.

세슘은 다른 알칼리 금속보다 더 다양한 이원 화합물을 산소와 형성한다. 세슘이 공기 중에서 연소될 때, 초과산화물(超酸化物) CsO2가 주요 생성물이다.[31] "정상적인" 산화세슘 (Cs2O)은 노란색-주황색의 육방정계 결정을 형성하며,[32] 염화카드뮴 반대형(CdCl2)의 유일한 산화물이다.[33]

초과산화물과 오존화물 CsO3 외에도,[34][35] Cs7O, Cs4O, Cs11O3, Cs3O (진한 녹색[37]), CsO, Cs3O2,[38] 및 Cs7O2를 포함하여 여러 가지 밝은 색의 산화물도 연구되었다.[36] 황, 셀레늄, 텔루륨과의 이원 화합물도 존재한다.[6]

금속 세슘은 다른 알칼리 금속이나 금과 합금을 만들며, 수은과 아말감을 만든다. 리튬을 제외한 다른 알칼리 금속과 섞여, 몰농도로 41%의 세슘, 47%의 칼륨, 12%의 나트륨으로 이루어진 합금은 모든 합금 중에서 가장 낮은 녹는점(-78 ℃)을 갖는다.[137][165]

5. 동위원소

세슘은 원자핵 내 핵자 수가 112에서 152 사이에 있는 41개의 동위원소가 알려져 있다. 이들은 오래된 별 내부의 느린 중성자 포획 과정(s-과정)[41]과 초신성 폭발에서의 r-과정[42]을 통해 가벼운 원소로부터 합성된다. 안정 동위원소는 중성자 78개를 가진 133Cs 하나뿐이며, 큰 핵 스핀(+)을 가지고 있지만, 핵자기 공명 연구에 사용될 수 있다.[43]

세슘-137(핵스핀: I
세슘-137의 붕괴


방사성 동위원소인 135Cs는 약 230만 년의 매우 긴 반감기를 가지고 있다.[44][45] 135Cs는 원자로에서 생성되는 우라늄의 장수명 핵분열 생성물 중 하나이지만,[46] 대부분의 원자로에서 전구체인 135Xe가 강력한 중성자 독이며, 종종 135Cs로 붕괴되기 전에 안정한 136Xe로 전이되기 때문에 핵분열 생성물 수율이 감소한다.[47][48]137Cs와 134Cs의 반감기는 각각 30년과 2년이다. 137Cs는 베타 붕괴를 통해 수명이 짧은 137mBa로 붕괴한 다음 비방사성 바륨으로 붕괴하는 반면, 134Cs는 134Ba로 직접 변환된다.[44] 137Cs에서 137mBa로의 베타 붕괴는 137mBa가 바닥 상태 137Ba로 이완될 때 감마선을 생성하며, 방출되는 광자의 에너지는 0.6617 MeV이다.[49] 137Cs와 90Sr는 핵분열의 주요 중수명 핵분열 생성물이며, 냉각 후 수년 동안 수백 년 동안 지속되는 사용후핵연료의 방사능의 주요 원천이다.[50] 이 두 동위원소는 체르노빌 참사 지역의 잔류 방사능의 가장 큰 원천이다.[51]

핵분열에서 생성되는 거의 모든 세슘은 원래 더 중성자가 풍부한 핵분열 생성물의 베타 붕괴에서 유래하며, 다양한 아이오딘 동위원소와 크세논 동위원소를 통과한다.[53] 아이오딘과 크세논은 휘발성이 있고 핵연료나 공기를 통해 확산될 수 있기 때문에 방사성 세슘은 종종 원래 핵분열 지점에서 멀리 생성된다.[54] 1950년대부터 1980년대까지의 핵무기 실험으로 137Cs가 대기로 방출되어 방사성 낙진의 구성 요소로 지구 표면으로 돌아왔다.[6]

세슘-137은 산업용으로 널리 사용되는 방사성 동위원소로, 주로 감마선 방출체로 이용된다. 약 30년의 반감기, 핵연료주기를 통한 이용 가능성, 그리고 안정적인 최종 생성물인 137Ba가 장점이다. 하지만 높은 수용성은 단점으로, 식품 및 의료 용품을 위한 대형 풀 이르라디에이터와는 호환되지 않는다.[90] 세슘-137은 농업, 암 치료, 그리고 식품, 하수 슬러지, 외과 수술 장비의 멸균에 사용되어 왔다.[6][91] 방사선 기기에서의 방사성 세슘 동위원소는 특정 유형의 암 치료에 사용되었으나,[92] 더 나은 대안의 등장과 수용성 염화세슘을 사용한 방사선원으로 인해 이러한 세슘 방사선원 중 일부는 점차 사용되지 않게 되었다.[93][94] 세슘-137은 수분, 밀도, 레벨링, 두께 측정 등 다양한 산업용 측정 게이지에 사용되어 왔다.[95] 또한 암석층의 전자밀도 (암석층의 벌크 밀도와 유사)를 측정하는 시추공 측정 장치에도 사용되었다.[96]

세슘-137은 삼중수소와 유사한 수문학적 연구에 사용되었다. 1950년대부터 1980년대 중반까지의 핵무기 실험의 핵분열 생성물로서 세슘-137은 대기 중으로 방출되어 용액에 쉽게 흡수되었다. 당시 연도별 변화량을 알고 있으면 토양 및 퇴적층과의 상관관계를 파악할 수 있다. 세슘-134와 다소 적은 양의 세슘-135도 원자력 산업에서의 세슘 배출량을 측정하는 수문학 연구에 사용되었다.[97]

6. 생산

세슘은 주로 폴루사이트 광석에서 추출되며, 산 분해, 알칼리 분해, 직접 환원 등의 방법을 사용한다.[6][61][134][234] 산 분해는 염산(HCl), 황산(), 브롬화수소산(HBr) 또는 불화수소산(HF)과 같은 강산을 이용해 폴루사이트 암석을 용해하는 방식이다.[6] 염산을 사용하면 가용성 염화물 혼합물이 생성되고, 세슘의 불용성 염화물 이중염이 침전된다.[6] 황산법은 세슘 명반()을 생성하며, 이를 탄소로 로스팅하여 황산세슘() 용액을 얻는다.[6] 알칼리 분해는 탄산칼슘과 염화칼슘으로 폴루사이트를 로스팅하여 불용성 규산칼슘과 가용성 염화세슘을 생성하는 방식이다.[6]

채굴된 세슘의 대부분은 석유 시추에 사용되는 포름산 세슘(HCOO−Cs+)으로 직접 전환된다.[62] 캐벗 코퍼레이션은 1997년 매니토바주 버닉 호 근처 탄코 광산에 포름산 세슘 용액 생산 공장을 건설했다.[62][235] 세슘의 주요 소규모 상업적 화합물은 염화세슘과 질산염이다.[63][236]

순수한 세슘 금속은 염화세슘을 칼슘 또는 바륨으로 환원하거나,[6] 아지드화세슘()을 열분해하여 얻을 수 있다.[61][234] 진공 응용 분야에서는 세슘 중크롬산염을 지르코늄과 반응시켜 순수한 세슘 금속을 생성할 수 있다.[63][236] 2009년 기준 순도 99.8%의 세슘 가격은 1g당 약 10달러였다.[59][232]

7. 용도

7. 1. 석유 시추

1990년대 중반부터 석유 채굴 산업에서 포름산 세슘이 석유 시추 유체로 사용된다.[6] 포름산 세슘(HCOO−Cs+) 수용액은 수산화세슘과 포름산을 반응시켜 만들며, 드릴 비트를 윤활하고, 암석 쇄석물을 지표면으로 운반하며, 유정 시추 중 지층에 압력을 유지하는 기능을 한다.[6]

포름산 세슘 브라인은 밀도가 최대 2.3 g/cm3로 높고,[72] 상대적으로 환경 친화적이다.[72] 독성이 있는 고밀도 현탁 고형물의 필요성을 줄여주며, 포름산칼륨 및 포름산나트륨과 혼합하여 밀도를 조절할 수 있다.[187] 또한 생분해성이며 재활용이 가능하여, 높은 비용(2001년 기준 배럴당 약 4,000달러)을[73] 일부 상쇄한다. 알칼리 포르메이트는 브롬화아연 (ZnBr2) 용액과 같은 부식성 고밀도 브라인과 달리, 생산 지층이나 지하 금속을 손상시키지 않아 청소 및 폐기 비용을 줄여준다.[6]

7. 2. 원자 시계

국제원자시는 세슘 원자 시계를 기준으로 사용하고 있는데, 세슘원자가 1초 동안 진동하는 횟수는 9,192,631,771번으로 30년 만에 1초의 오차를 보인다.[77] 세슘 기반 원자 시계는 세슘-133 원자의 초미세 구조에서 전자기 전이를 기준점으로 사용한다.[74] 1955년 영국의 국립물리연구소에서 루이 에센에 의해 최초의 정확한 세슘 시계가 제작되었다.[74] 세슘 시계는 지난 반세기 동안 개선되어 "인류가 아직 달성한 단위의 가장 정확한 구현"으로 여겨진다.[71] 이 시계는 1014개 중 2~3개의 오차로 주파수를 측정하며, 이는 하루에 2나노초의 정확도 또는 140만 년에 1초의 정확도에 해당한다. 최신 버전은 1015개 중 1개 미만의 정확도를 가지며, 약 2천만 년에 1초이다.[6] 세슘 표준은 표준 준수 시간 및 주파수 측정의 기본 표준이며,[75] 세슘 시계는 휴대전화 네트워크와 인터넷의 시간을 조절한다.[76]

전경에 검은 상자가 있고 각각 5~6개의 랙을 설치할 수 있는 6개의 제어 캐비닛이 있는 방. 대부분의 캐비닛에는 흰색 상자가 채워져 있지만, 일부는 그렇지 않다.
미국 해군 천문대의 세슘 원자 시계 군집

7. 3. 전력 및 전자

세슘 증기는 열에너지를 전기에너지로 변환하는 저전력 장치인 열전자 발전기의 작동 유체로 사용될 수 있다. 2극 진공관 변환기에서 세슘은 음극 근처의 공간 전하를 중화시켜 전류 흐름을 향상시킨다.[78][191]

세슘은 빛을 전자 흐름으로 변환하는 광전 효과가 뛰어나 광전지에 활용된다. 금속간 화합물 K2CsSb와 같은 세슘 기반 음극은 전자 방출에 대한 문턱 전압이 낮기 때문이다.[79][192] 세슘을 이용하는 광전 소자에는 광학 문자 인식 장치, 광전자 증배관, 영상 카메라관 등이 있다.[80][81][193][194] 그러나 게르마늄, 루비듐, 셀렌, 실리콘, 텔루륨 등 다른 여러 원소가 광감성 물질에서 세슘을 대체할 수 있다.[6][134]

요오드화세슘(CsI), 브롬화세슘(CsBr) 및 불화세슘(CsF) 결정은 광물 탐사 및 입자 물리학 연구에서 감마선 및 X선을 검출하는 데 널리 사용되는 신틸레이션 계수기의 신틸레이터로 사용된다. 무거운 원소인 세슘은 우수한 정지 능력을 제공하여 더 나은 검출을 가능하게 한다. 세슘 화합물은 더 빠른 응답(CsF)을 제공하고 흡습성이 적을 수 있다(CsI).

세슘 증기는 많은 일반적인 자기 센서에 사용된다.[82][195] 이 원소는 분광 광도법에서 내부 표준으로 사용된다.[83][196] 다른 알칼리 금속과 마찬가지로 세슘은 산소에 대한 친화력이 매우 높아 진공관에서 "게터"로 사용된다.[84][197] 금속의 다른 용도로는 고에너지 레이저, 증기 방전 램프 및 증기 정류기가 있다.[6][134]

7. 4. 화학 및 의학

세슘 화합물은 아크릴산, 안트라퀴논, 에틸렌 옥사이드, 메탄올, 프탈산 무수물, 스티렌, 메틸 메타크릴레이트 단량체 및 다양한 올레핀과 같은 여러 금속 이온 촉매의 효과를 향상시킨다.[87] 또한 황산 생산에서 이산화황을 삼산화황으로 촉매 전환하는 데에도 사용된다.[6] 플루오르화세슘은 유기 화학에서 염기[88] 및 무수 플루오르화물 이온의 공급원[89]으로 특수한 용도로 사용된다. 세슘 염은 유기 합성에서 고리화, 에스터화, 및 중합에서 때때로 칼륨 또는 나트륨 염을 대체한다.

염화세슘 분말

7. 5. 기타 용도

질산세슘은 근적외선 스펙트럼에서 강한 빛을 발하기 때문에,[215] LUU-19 조명탄[216]과 같은 적외선 플레어에서 규소를 연소시키기 위한 산화제 및 발염 발광제로 사용된다.[101][217] 세슘은 SR-71 군용기[218] 와 A-12 CIA 정찰기의[104] 배기가스 레이더 반사 단면적을 줄이기 위해 사용된다. 세슘과 루비듐은 전기 전도도를 감소시키므로, 광섬유와 야시경의 안정성과 내구성을 향상시키기 위해 탄산염 형태로 유리에 첨가된다.[134] 플루오르화세슘과 플루오르화세슘알루미늄은 마그네슘을 함유한 알루미늄 합금을 납땜하기 위해 혼합된 융제에 사용된다.[6]

초기 이온 엔진에서는 세슘과 수은을 추진제로 사용하여 매우 긴 행성 간 또는 행성 외부 임무를 위한 우주선 추진에 활용했지만, 우주선 부품에 대한 세슘의 부식 문제로 인해 크세논과 같은 불활성 기체 추진제로 개발 방향이 바뀌었다.[6] 1998년에 발사된 실험용 우주선 딥 스페이스 1에는 크세논이 사용되었다.[98][99] 그럼에도 불구하고, 세슘과 같은 액체 금속 이온을 가속하는 전계 방출 전기 추진 추진기가 제작되었다.[100]

자기유체역학(MHD) 발전 시스템이 연구되었지만 널리 사용되지는 못했다.[105] 세슘 금속은 고온 랭킨 사이클 터보 전기 발전기의 작동 유체로도 고려되었다.[106]

세슘 염은 비소 약물 투여 후 항쇼크제로 평가되었으나 심장 리듬에 미치는 영향으로 인해 칼륨이나 루비듐 염보다 사용 가능성이 낮다. 또한 간질 치료에도 사용되었다.[6]

세슘-133은 레이저 냉각될 수 있으며 양자 물리학 분야의 기본적이고 기술적인 문제를 조사하는 데 사용된다. 특히 편리한 페슈바흐 스펙트럼을 가지고 있어 조정 가능한 상호 작용이 필요한 초저온 원자 연구에 적합하다.[107]

8. 생물학적 영향

8. 1. 생물 농축

세슘은 칼륨(K)과 유사한 화학적 거동을 보이지만, 동물과 식물에서의 거동은 다르다. 관찰되는 "농축"은 환경과 세포 내 전해질 농도의 차이에 기인하며, 칼륨에 비해 세슘을 현저하게 농축하는 생물종은 관찰되지 않았다. 신진대사에 따라 생체 내 알칼리 금속은 항상 세포를 출입하며, 중금속처럼 축적에 기인하는 "농축"은 발생하지 않는다고 여겨진다.

식물의 종류 및 핵종에 따라 이동 계수는 다르다. 벼, 감자, 배추를 시료로 한 연구에 따르면, 안정 동위원소인 세슘-133과 비교했을 때 방사성 세슘-137은 식물로의 이동이 용이하다. 벼에서는 이동한 세슘 원소의 대부분이 짚 등에 포함되며, 배추에서는 비가식부인 외엽의 세슘 및 스트론튬의 농도가 높아진다.

낙하한 방사성 물질이 토양 표층에 많이 존재하기 때문에, 표층의 물질을 주요 영양원으로 하는 균류 종에서는 식물과 비교했을 때 특이적으로 높은 농축도를 보이는 경우가 있다. 야외에서 인공 재배되는 표고버섯이나 잎새버섯에서도 농도가 높아지는 경향을 보인다.

세슘은 주로 연조직에 널리 흡수되어 분포하며, 생물농축에 의해 고등어, 참치, 대구, 농어 등과 같이 어식성이 높은 어종에서 높은 농축도를 보인다. 반면 가자미, 빙어, 갑각류, 두족류, 조개류 등과 같이 저서생물을 주된 먹이로 하는 어종에서는 비교적 농축도가 낮다. 또한 대형 어종일수록 농축도가 높아지는 경향이 있다. 어린 물고기나 고수온대에 서식하는 물고기일수록 대사가 좋고 배출량이 많아 축적량은 적다. 체내에 흡수되는 경로는 먹이가 대부분이지만, 아가미를 통해 직접 흡수되는 경로도 있다. 암컷 흉상어의 체중과 체내에 포함된 137Cs/134Cs의 비율 사이에 상관관계가 있다는 보고가 있다.

8. 2. 건강 및 안전 위험

비방사성 세슘 화합물은 경미한 독성을 띤다.[110][111] 생화학적 과정에서 세슘이 칼륨과 혼동되거나 대체될 수 있기 때문에 과량의 세슘은 저칼륨혈증, 부정맥, 급성 심장 정지를 유발할 수 있다.[110][111] 쥐를 대상으로 한 실험에서 염화세슘의 중간 치사량(LD50)은 킬로그램당 2.3g으로, 염화칼륨 및 염화나트륨과 유사한 수준이다.[112]

금속 세슘은 반응성이 매우 커 물과 접촉하면 폭발할 위험이 있다.[6] 세슘은 물과 반응하여 수소 가스를 생성하는데, 이 가스는 반응열에 의해 가열되어 발화되고 폭발을 일으킨다. 세슘은 다른 알칼리 금속보다 반응성이 커서 차가운 물에서도 폭발을 일으킬 수 있다.[6] 세슘은 자연 발화 온도가 로 매우 낮아 공기 중에서 자연 발화하여 수산화세슘과 다양한 산화물을 형성한다. 수산화세슘은 유리를 빠르게 부식시킬 수 있는 강염기이다.[113]

방사성 세슘, 특히 세슘-137은 핵실험 및 체르노빌 원자력 발전소 사고와 같은 핵사고로 인해 환경에 누출될 수 있다.[97][119][120]

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세슘-137은 인체에 흡수될 경우 내부 피폭을 일으킬 수 있다. 방사성 세슘은 칼륨과 유사하게 작용하여 식물 조직에 축적되는 경향이 있으며,[115][116][117] 오염된 숲의 버섯은 방사성 세슘을 자실체에 축적하는 것으로 알려져 있다.[118] 인체에 흡수된 방사성 세슘의 약 10%는 땀과 소변으로 비교적 빠르게 배출되지만, 나머지 90%는 체내에 남아 50일에서 150일 사이의 생물학적 반감기를 가진다.[114] 개를 대상으로 한 실험에서 킬로그램당 3.8 밀리퀴리(140 MBq, 4.1 μg의 세슘-137)의 단일 용량은 3주 이내에 치명적이었다.[121]

국제원자력기구를 비롯한 여러 기관에서는 세슘-137과 같은 방사성 물질이 더티 봄과 같은 방사능 무기에 사용될 수 있다고 경고한다.[123]

9. 각주

참조

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