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55Cs 세슘 C(a)esium* |
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| 분류 | 알칼리 금속 | 상태 | 고체 |
| 원자량 | 132.90545196 | 밀도 | 1.93 g/cm3 |
| 녹는점 | 28.5 °C | 끓는점 | 671 °C |
| 용융열 | 2.09 kJ/mol | 증발열 | 63.9 kJ/mol |
| 원자가 | 1 | 이온화에너지 | 375.7, 2234.3, 3400 kJ/mol |
| 전기음성도 | 0.79 | 전자친화도 | 45.5 kJ/mol |
| 발견 | R. Bunsen, G. Kirchhoff (1860) | ||
| CAS 등록번호 | 7440-46-2 | ||
| 이전 원소 | 제논(Xe) | 다음 원소 | 바륨(Ba) |
* a가 있으면 영국식, 없으면 미국식 표기이다. 발음은 둘 다 '씨지엄'이다.
1. 소개
앰풀에 봉인된 금속 세슘[1]
알칼리 금속 중 끝에서 두 번째 원소다. 다만 마지막 원소인 프랑슘이 아스타틴에 이어 지구에서 두 번째로 희귀한 데다가 제일 안정한 동위원소의 반감기가 22분에 불과한 방사성 원소라[2] 화학적 연구가 거의 없다시피 해서 사실상 세슘을 알칼리 금속 중 맨 마지막으로 치는 분위기다.
1859년, 분젠과 키르히호프는 금속의 불꽃 반응 등의 빛을 파장(스펙트럼)으로 나누는 것이 가능한 분광기라는 광학기기를 발명했다. 이것을 이용해 광천수의 불꽃 반응을 조사하자 두 가닥의 이상한 푸른 선을 발견했다. 그 후의 연구에 의해, 그 푸른 선이 나타내는 원소는 알칼리 금속이라는 것을 알아차리고 스펙트럼의 색에서 세슘[3]이라는 이름을 붙였다. 영어 발음은
[씨지엄]. 어째선지 영어 발음으로 모두 개정하던
대한화학회에서는 이를 간과한 듯 개정 용어로 포함하지 않았다.순수한 세슘은 위 사진에도 보이듯 여타 알칼리 금속들과 달리 연한 금색을 띤다. 이는 금의 노란색과 마찬가지로 상대론적 효과에 의한 것이다.
현재까지 특성이 밝혀진 원소 중 가장 작은 이온화 에너지를 가진 원소이다. 기존 법칙대로라면 주기율표상 세슘보다 밑에 있는 프랑슘이 더 낮은 이온화 에너지를 가져야 하지만 여기에도 상대론적 효과에 의한 왜곡이 일어나 세슘이 프랑슘보다 더 낮은 이온화 에너지를 가지게 되었다.
세슘과 그 합금은 이온화 에너지가 매우 낮다는 특성에 말미암아 군용 야간투시경이나 광전관처럼 미량의 빛을 검출하는 센서를 만드는데 사용된다.
2. 상세
공기 중에서도 쉽게 산화하며 가루 세슘도 자연발화한다. 게다가 물과도 폭발적으로 반응하기 때문에 소방법에서도 위험물로 지정하고 있다.[4] 나트륨이나 칼륨도 물에 넣으면 폭발하는데, 세슘은 이보다 훨씬 더 심하여 수조에 던져넣으면 더 강력한 반응성으로 인해 더 빠르게 전자를 잃어 전기적인 반발력으로 인해 폭발하며 아예 수조를 깨뜨린다. 세슘 덩어리를 물속에 던지면, 플라스틱 대야에 구멍이 뚫릴정도로 강한 폭발이 일어난다. 사실 물뿐만이 아니라 -116℃의 얼음과도 활발하게 반응한다.
2 Cs + 2 H2O → 2 CsOH + H2
알칼리 금속의 반응을 순서대로 나열해 봤다. 맨 마지막이 세슘.
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| 붉게 변하는 것은 반응 자체로 인한 것이 아니라 페놀프탈레인을 넣었기 때문이다. |
수산화물은 물에 잘 녹는다. 소금 용해도(359 g/L)의 10배(3000 g/L). 다른 세슘의 염(salt)도 물에 녹는다. 다만 겹염(double salt)는 잘 녹지 않는다.
해당 동영상에서 세슘덩어리를 던져넣은 직후에 반응이 없던 것은 기본적으로 모든 알칼리 금속이 반응성이 무지 좋다보니 공기 중에 산소나 수증기 등을 막기위해 석유에 담가놓고 보관하는 이유도 있다. 즉 석유가 막을 이루고 있기 때문에 던져넣은 직후에는 반응을 안하는 것처럼 보이는 것.
시간을 정의하는 기준을 세슘으로 하고 있다. 1967년 국제도량형총회(CGPM)에서 1초의 정의를 '세슘의 동위원소인 세슘-133 원자의 바닥상태에서의 두 초미세 에너지 준위 간의 전이에서 방출되는 복사선의 91억 9263만 1770주기'[5]로 정의하였기 때문.[6] 세슘 시계는 각종 표준시스템과 GPS 위성에서 사용한다.
세슘에는 약 30종의 동위원소가 있는데, 이 중 세슘-133 만이 안정한 형태이고 나머지는 다 자연 붕괴한다. 세슘은 칼륨과 비슷한 화학적 성질을 가지므로 생체 내로 마치 칼륨처럼 흡수된다.[7] 동위원소의 방사능이 약한 것도 있고 강한 것도 있는데, 문제는 설령 방사능이 약한 것이라도 생체 내에 흡수되면 위험하다는 것이다. 몸 안쪽에서 방사선을 내뿜기 때문이다. 다만 세슘은 신체로부터 배출되는 기간이 아주 길지는 않아 그나마 다행이다. 약 110일의 생물학적 반감기[8]를 가진다. 또한 응급약인 프러시안 블루를 먹으면 생물학적 반감기가 30일로 줄어들 수도 있다.
여러 방사성 동위원소 중 세슘-137은 감마선을 내기 때문에 더 위험하다. 피부를 뚫고 들어갈 수 있기 때문이다. 1987년에 이 물질에 멋모르고 손댔다가 4명이 죽고 200명 이상이 피폭당한 고이아니아 방사능 유출사고가 있었다. 세슘-137의 반감기는 약 30년이며, 핵분열 부산물로 생기는 물질이다. 세슘-137의 감마선은 살균이나 방사선 치료 등에 사용된다. 정확히는 세슘 상태에서 감마선이 나오는 것은 아니고, 일단 세슘-137이 준안정한 상태의 들뜬핵인 바륨(Ba)-137m으로 변하고 이 바륨이 붕괴하면서 감마선을 방출한다.
세슘-137은 자연계에서도 우라늄과 토륨의 자발핵분열을 통해 미량 생성되지만 워낙 극미량이라 사실상 무시해도 될 양이다. 따라서 유일한 대량 생산은 핵발전이나 핵무기의 폭발을 통해서나 가능하므로, 최초의 핵실험이 있었던 1945년 이전에는 세슘-137이란 원소는 자연 속에서 존재하지 않았다. 다시 말해, 1945년 7월 16일 인류 역사상 최초의 핵실험인 트리니티 핵실험으로 인해 지구 전체에 세슘-137이 널리 퍼졌다는 뜻이다. 이를 활용해 세슘-137은 포도주를 감별하는 데에도 쓰인다. 포도주를 검사했는데 그 포도주에 세슘-137이 발견된다면, 해당 포도주를 만드는데 사용된 포도는 세슘-137이 함유된 토양에서 자랐으므로 그 포도주는 1945년 이후에 만들어진 것이라는 뜻이 된다. # # 인류 탄생 훨씬 전부터 존재했을 가능성도 있다. 선캄브리아대의 오클로 원자로에서 나온 것인데, 십몇억 년 전에 끝난 일이다.
3. 그 외
원자력 사고시에 아이오딘과 더불어 식품의 오염 지표물질로 사용된다. 후쿠시마 원자력 발전소 사고와 같이 노심이 녹아내리는 사고가 발생하면 세슘-137과 아이오딘-131은 그 방출량이 많고 인체에 미치는 영향이 큰 것으로 평가된다. 특히 세슘은 반감기가 길어 장기간의 토양오염에 큰 영향을 미치기 때문에 그 방출량 자체를 낮추도록 법이 제정되어 있을 정도다. 즉, 방사능 아이오딘과 세슘을 조사하여 식품의 오염 정도를 추산하는데 사용된다. 다른 방사능 물질도 물론 위험하지만, 검사의 편의상 아이오딘과 세슘만 검사해서 어느 정도 오염되었는지 본다는 것이다. # 방사능 홍차가 아닌 다음에야 다른 오염물질은 있는데 세슘만 없을리가 없기 때문이다. 핵실험마다 꼭 방출되기도 하다.반면 보통의 세슘은 방사능과 무관하고 따라서 위험하지 않다.[9] '죽음의 재' 라고 불리기도 하나, 이는 방사성 동위원소, 특히 '세슘-134'
후쿠시마 원자력 사고 이후 7년이 지난 2018년 3월 6일, 일본에서 '세슘'이 유리와 결합된, 매우 작은 크기의 세슘볼이 대량으로 발견되었다는 보도가 최근 나왔으나 해당 보도는 얼마 안 가 ‘뒷북’ 논란에 휩싸였다. 세슘볼의 존재는 지난해 이미 알려졌고, 이에 대한 연구도 활발하게 진행중인 상황에서 느닷없는 보도로 불안감만 조성했다는 지적이 나온 것이다라는 기사가 나왔다. 그럼에도 수용성 물질인 일반 '세슘'과는 성질이 전혀 다른 체내 축적이 가능한 ‘변종 세슘’이 등장한 것 자체는 엄청 충격적인 사건이다. 세슘볼은 물에 말그대로 녹지 않는다. 규소가 방패역할을 해주는 바람에 물에 용해되지 않는다. 이말은 희석되지 못하고 오랫동안 덩어리째 큰 방사능을 줘 피해를 입힌다는 말이다. 세슘에서는 베타선과 감마선이 나오는데 이 베타선에 의해서 X선이 나올 수 있다.
당연하지만 가스실습 때 사용하는 CS가스와는 다른 물질이다.
[1]
세슘의 녹는점이 상당히 낮기 때문에 위의 사진처럼
수은과 비슷하게 보이는 경우도 있다.
[2]
기껏 구해놓은 프랑슘이 22분마다 남은 양의 절반이 붕괴하여 없어진다는 이야기다.
[3]
라틴어로 '청회색, 푸른 하늘색'을 의미하는 Caesius에서 유래하였다.
[4]
실제 유통을 할때에는 진공 상태 또는
앰풀에
아르곤과 함께 유통된다. 또한 연구기관이나 관련 기업에만 판매되며, 일반인은 구입할 수 없다.
[5]
간단히 이야기하자면, 세슘-133 원자에서 방출된 특정한 파장의 빛이 9,192,631,770번 진동하는 데 걸리는 시간
[6]
이 정의는 길이의 정의와도 연관이 되는데, 진공 속에서 광자가 1/(299,792,458) 초 동안 진행한 거리를 1m로 정의하기 때문이다.
[7]
흡수되면 칼륨과 동일한 작용을 한다. 방사성 동위원소가 아니라면 이것이 딱히 문제는 되지 않으며 정상적인 사람의 경우에도 체내의 칼륨 중 일부가 세슘으로 대체되어 있다.
카드뮴이 아연처럼 흡수되어서 병을 일으키는 것과는 대조적.
[8]
몸 안으로 들어온 어떤 물질의 반이 몸 밖으로 빠져나가는데 걸리는 시간
[9]
물론 금속이나 화합물을 반응시키지 않는다면 말이다.