El cesio es un elemento raro en el universo, producido principalmente por nucleosíntesis estelar durante las fases avanzadas de la evolución estelar. Como elemento pesado con número atómico 55, el cesio requiere procesos de captura de neutrones para ser sintetizado, lo que lo hace mucho menos abundante que los elementos ligeros como el hidrógeno, el helio, el carbono o el oxígeno.
El cesio se produce principalmente por dos procesos de nucleosíntesis: el proceso s (captura lenta de neutrones) en estrellas de la rama asintótica de las gigantes (AGB) y el proceso r (captura rápida de neutrones) durante las explosiones de supernovas y las fusiones de estrellas de neutrones. En el proceso s, los núcleos de bario y lantano capturan gradualmente neutrones para formar cesio en las capas externas de las estrellas AGB, donde los pulsos térmicos crean las condiciones favorables. El proceso r, que ocurre en entornos cataclísmicos con un flujo de neutrones extremadamente alto, produce rápidamente isótopos ricos en neutrones que luego se desintegran en \(\,^{133}\mathrm{Cs}\) estable. Estas estrellas enriquecen el medio interestelar con cesio a través de sus intensos vientos estelares y los eyectos de supernovas.
En el medio interestelar, el cesio existe principalmente en forma atómica neutra o ionizada (Cs, Cs⁺). Debido a su bajo potencial de ionización (el más bajo de todos los elementos estables), el cesio se ioniza fácilmente por la radiación ultravioleta ambiental en regiones de baja densidad. El cesio atómico ha sido detectado en algunas estrellas frías y en los espectros de algunas nubes interestelares densas a través de sus líneas de absorción características. A diferencia de los elementos más ligeros, el cesio no forma moléculas estables en las condiciones interestelares típicas, aunque los hidruros de cesio (CsH) podrían existir teóricamente en entornos muy fríos y densos.
El cesio tiene un solo isótopo estable natural, el \(\,^{133}\mathrm{Cs}\), que representa el 100% del cesio natural. Sin embargo, varios isótopos radiactivos del cesio se producen naturalmente por procesos de fisión nuclear y la desintegración de elementos más pesados. El \(\,^{137}\mathrm{Cs}\) (vida media de 30,17 años) y el \(\,^{134}\mathrm{Cs}\) (vida media de 2,06 años) son productos importantes de fisión que sirven como trazadores para datar sedimentos, estudiar la erosión del suelo y detectar la contaminación radiactiva de origen antropogénico (pruebas nucleares, accidentes nucleares). La presencia de estos isótopos en el medio ambiente proporciona una firma temporal precisa de los eventos nucleares de los siglos XX y XXI.
En los sistemas planetarios, el cesio está presente en cantidades traza en rocas y minerales. En la Tierra, el cesio se concentra en ciertos minerales como la polucita (un silicato de aluminio y cesio), que constituye la principal fuente comercial de cesio. Debido a su gran radio iónico y carga única, el cesio se comporta como un elemento incompatible en geoquímica, enriqueciéndose preferentemente en líquidos magmáticos durante la diferenciación y concentrándose en pegmatitas graníticas. El estudio de la distribución del cesio en rocas terrestres y meteoríticas ayuda a comprender los procesos de diferenciación planetaria y la evolución de la corteza continental.
El cesio fue descubierto en 1860 por los químicos alemanes Robert Bunsen (1811-1899) y Gustav Kirchhoff (1824-1887) en la Universidad de Heidelberg. Este notable descubrimiento fue posible gracias a la nueva técnica de espectroscopia que acababan de desarrollar, permitiendo identificar los elementos químicos por sus líneas espectrales características. Al analizar con un espectroscopio el agua mineral de Dürkheim, observaron dos líneas azules brillantes e intensas (a 455,5 nm y 459,3 nm) que no correspondían a ningún elemento conocido. Estas líneas azules distintivas les permitieron aislar un nuevo elemento alcalino al que llamaron cesio, del latín caesius que significa "azul cielo", en referencia al color característico de sus líneas espectrales.
Bunsen aisló el cesio metálico puro en 1881 mediante electrólisis del cianuro de cesio fundido, revelando un metal extremadamente blando, de color plateado dorado, que se funde a solo 28,5 °C (justo por encima de la temperatura ambiente). El descubrimiento del cesio marcó un triunfo de la espectroscopia analítica y demostró el poder de este nuevo método para identificar elementos presentes en cantidades mínimas. Al año siguiente, en 1861, Bunsen y Kirchhoff también descubrieron el rubidio utilizando la misma técnica espectroscópica.
N.B.:
El cesio-133 desempeña un papel fundamental en la definición moderna del tiempo. Desde 1967, el segundo, la unidad básica de tiempo en el Sistema Internacional de Unidades (SI), se define por la frecuencia de la transición hiperfina del átomo de cesio-133: un segundo corresponde exactamente a 9 192 631 770 períodos de la radiación emitida durante esta transición. Los relojes atómicos de cesio, desarrollados en la década de 1950, explotan esta transición extremadamente estable para medir el tiempo con una precisión extraordinaria (unos segundos de error en millones de años). Estos relojes constituyen la referencia mundial para el Tiempo Atómico Internacional (TAI) y el Tiempo Universal Coordinado (UTC), sincronizando los sistemas de navegación GPS, las telecomunicaciones, las redes eléctricas y las transacciones financieras. Los relojes atómicos de cesio más avanzados (fuentes atómicas) alcanzan hoy incertidumbres inferiores a un segundo en 300 millones de años, haciendo del cesio el guardián definitivo de nuestra medición del tiempo.
El cesio (símbolo Cs, número atómico 55) es un metal alcalino del grupo 1 de la tabla periódica, compuesto por cincuenta y cinco protones, generalmente setenta y ocho neutrones (para el único isótopo estable) y cincuenta y cinco electrones. El único isótopo estable natural es el cesio-133 \(\,^{133}\mathrm{Cs}\) (100% de abundancia natural).
A temperatura ambiente, el cesio se presenta como un metal blando de color plateado dorado, lo suficientemente blando como para cortarse con un cuchillo como mantequilla. El cesio tiene el punto de fusión más bajo de todos los metales, excepto el mercurio y el galio, fundiéndose a solo 28,5 °C. En clima cálido, el cesio puede ser líquido a temperatura ambiente. Es también el metal alcalino más reactivo y electropositivo de todos los elementos estables, reaccionando violentamente y explotando en contacto con el agua fría e incluso el hielo. El cesio metálico tiene una densidad de aproximadamente 1,93 g/cm³, lo que lo convierte en un metal relativamente ligero a pesar de su alto número atómico. La temperatura a la que los estados líquido y sólido pueden coexistir (punto de fusión): 301,59 K (28,44 °C). La temperatura a la que pasa del estado líquido al gaseoso (punto de ebullición): 944 K (671 °C).
| Isótopo / Notación | Protones (Z) | Neutrones (N) | Masa atómica (u) | Abundancia natural | Vida media / Estabilidad | Decaimiento / Observaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Cesio-133 — \(\,^{133}\mathrm{Cs}\,\) | 55 | 78 | 132.905452 u | 100% | Estable | Único isótopo estable; utilizado en relojes atómicos para definir el segundo (9 192 631 770 Hz). |
| Cesio-134 — \(\,^{134}\mathrm{Cs}\,\) | 55 | 79 | 133.906718 u | No natural | 2,0648 años | Radiactivo ß\(^-\) y γ; producto de fisión y activación neutrónica; emisor gamma utilizado en medicina nuclear y para rastrear accidentes nucleares. |
| Cesio-135 — \(\,^{135}\mathrm{Cs}\,\) | 55 | 80 | 134.905977 u | No natural | 2,3 millones de años | Radiactivo ß\(^-\); producto de fisión de larga vida; importante en la gestión de residuos nucleares. |
| Cesio-137 — \(\,^{137}\mathrm{Cs}\,\) | 55 | 82 | 136.907089 u | No natural | 30,17 años | Radiactivo ß\(^-\) y γ; principal producto de fisión (˜6%); trazador ambiental importante; utilizado en radioterapia y datación de sedimentos; preocupación significativa en accidentes nucleares (Chernóbil, Fukushima). |
| Otros isótopos — \(\,^{112}\mathrm{Cs}-\,^{132}\mathrm{Cs},\,^{136}\mathrm{Cs},\,^{138}\mathrm{Cs}-\,^{151}\mathrm{Cs}\) | 55 | 57-77, 81, 83-96 | — | No naturales | microsegundos — 13 días | Isótopos radiactivos producidos artificialmente; utilizados en investigación nuclear; algunos se producen en reactores y explosiones nucleares. |
N.B.:
Capas electrónicas: Cómo se organizan los electrones alrededor del núcleo.
El cesio tiene 55 electrones distribuidos en seis capas electrónicas. Su configuración electrónica completa es: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 6s¹, o de manera simplificada: [Xe] 6s¹. Esta configuración también puede escribirse como: K(2) L(8) M(18) N(18) O(8) P(1).
Capa K (n=1): contiene 2 electrones en la subcapa 1s. Esta capa interna está completa y es muy estable.
Capa L (n=2): contiene 8 electrones distribuidos como 2s² 2p⁶, formando una capa completa y estable.
Capa M (n=3): contiene 18 electrones distribuidos como 3s² 3p⁶ 3d¹⁰, formando una capa completa.
Capa N (n=4): contiene 18 electrones distribuidos como 4s² 4p⁶ 4d¹⁰, formando una capa completa.
Capa O (n=5): contiene 8 electrones distribuidos como 5s² 5p⁶, formando una capa completa.
Capa P (n=6): contiene solo 1 electrón en la subcapa 6s. Este único electrón de valencia, muy alejado del núcleo y fuertemente apantallado por las capas internas, está extremadamente débilmente unido y se pierde fácilmente, explicando la reactividad excepcional del cesio.
El cesio, miembro del grupo 1 (metales alcalinos), tiene 1 solo electrón de valencia (6s¹) en su capa externa. Este electrón está más alejado del núcleo que cualquier otro elemento estable, con el radio atómico más grande (aproximadamente 265 pm) y el potencial de ionización más bajo (3,89 eV), lo que hace que el cesio sea el más electropositivo y reactivo de todos los metales estables. El electrón 6s está tan débilmente unido que se elimina fácilmente, formando el ion Cs⁺ con una configuración electrónica estable de tipo xenón. Esta propiedad explica la reactividad extrema del cesio con el agua, el oxígeno e incluso el hielo.
El cesio tiene aplicaciones altamente especializadas y estratégicas. Su uso más importante es en relojes atómicos de cesio-133, donde la transición hiperfina del \(\,^{133}\mathrm{Cs}\) define el segundo y constituye la base del Tiempo Atómico Internacional. Las celdas fotoeléctricas de cesio explotan su bajo potencial de ionización para detectar luz infrarroja. El cesio se utiliza en sistemas de propulsión iónica espacial, como catalizador en química orgánica, en fluidos de perforación petrolera de alta densidad (formiato de cesio) y en vidrios especiales. El \(\,^{137}\mathrm{Cs}\) radiactivo se usa en radioterapia, esterilización industrial y como trazador ambiental para estudiar la erosión y la sedimentación.
El cesio tiene un solo electrón de valencia (6s¹) que es el más débilmente unido de todos los elementos estables debido a su gran radio atómico (el más grande de todos los elementos) y al significativo efecto de apantallamiento de muchas capas electrónicas internas. Su primera energía de ionización (3,89 eV) es la más baja de todos los elementos estables, lo que hace que el cesio sea el elemento más electropositivo y químicamente reactivo. El cesio pierde fácilmente su electrón de valencia para formar el ion Cs⁺ con una configuración electrónica estable de tipo xenón. Esta extrema facilidad para perder un electrón explica su reactividad explosiva con el agua, incluso con hielo a -116 °C.
El cesio reacciona violentamente y espontáneamente con el agua y la humedad del aire, produciendo hidróxido de cesio (CsOH) y gas hidrógeno con suficiente calor para encender el gas y causar una explosión. La reacción es tan violenta que el cesio metálico debe almacenarse bajo aceite mineral o en una ampolla sellada bajo atmósfera inerte (argón). El cesio también reacciona rápidamente con el oxígeno para formar varios óxidos: óxido de cesio Cs₂O, peróxido Cs₂O₂ y especialmente superóxido CsO₂. El cesio forma compuestos iónicos con casi todos los no metales: haluros de cesio (CsF, CsCl, CsBr, CsI), sulfuro Cs₂S, nitruro Cs₃N, carburo Cs₂C₂. El hidróxido de cesio (CsOH) es la base más fuerte conocida, superando incluso al hidróxido de sodio y potasio en basicidad.
El cesio metálico presenta propiedades físicas excepcionales. Es el metal estable con el punto de fusión más bajo después del mercurio (28,44 °C), fundiéndose casi a temperatura ambiente. Es extremadamente blando, se corta fácilmente con un cuchillo y tiene un color plateado con reflejos dorados característicos. Su densidad relativamente baja (1,93 g/cm³) para un elemento tan pesado se debe a su gran tamaño atómico y su estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo poco compacta. El cesio tiene una alta conductividad eléctrica y uno de los coeficientes de expansión térmica más altos de todos los metales.
