Le césium est l'élément chimique de numéro atomique 55, de symbole Cs.
Dans les conditions standard, le corps simple césium est un métal mou et ductile, blanc ou argenté à doré. Son point de fusion () est proche de la température ambiante et du corps humain (CNTP), à laquelle il peut demeurer à l'état liquide par surfusion ; le césium partage cette propriété avec le gallium et le rubidium, le mercure étant le seul métal pur liquide et s'évaporant à température ambiante.
Le césium est le plus alcalin des métaux alcalins (base la plus forte connue ; assez pour attaquer le verre). Ses propriétés chimiques sont proches de celles du rubidium et du potassium, qui appartiennent à la même famille. Il réagit violemment avec l'eau et l'air (réaction explosive). Il est extrêmement réactif et pyrophorique, et réagit avec l'eau même à une température aussi basse que .
On l'extrait de la pollucite (aluminosilicate ) mais il est aussi présent à l’état de traces dans la lépidolite.
Histoire et étymologie gauche| vignette| redresse=0.7| Raies spectrales du césium.
Le césium a été décelé pour la première fois en 1860 par Robert Wilhelm Bunsen et Gustav Robert Kirchhoff, lors d'une spectroscopie de l'eau minérale de Dürkheimhttp://pubs.usgs.gov/of/2004/1432/2004-1432.pdf, faite grâce au spectroscope qu’ils avaient inventé en 1859 (quelques mois après ils découvrirent le rubidium de la même façon).
Le nom a été formé sur le latin , en raison de la couleur bleu clair des deux lignes caractéristiques de son spectre d'émission.
Physicochimie gauche|vignette|redresse=0.7|Césium-métal, dans une ampoule de verre. Le césium est le moins électronégatif (le plus électropositif) des métaux (à part le francium, mais ce dernier est radioactif de courte demi-vie), ce qui le rend intéressant pour l’effet photoélectrique.
Il présente deux degrés d’oxydation : 0 (métal) et +I (composés ioniques).
Ses trois principaux types de composés sont : les halogénures (fluorure, chlorure, bromure, iodure) ; le carbonate et l’hydroxyde ; les sels d’acides organiques (dont le formiate).
Réactivité : le césium réagit violemment avec l’air (production de superoxyde), avec l’eau même gelée (explosion, qui n'est inhibée qu'à partir de ), avec le phosphore, le soufre et le dichlore.
Isotopes du césium
On connaît 40 isotopes du césium, de nombre de masse variant entre 112 et 151, plus 17 isomères. Ce nombre d'isotopes est l'un des records pour un élément chimique.
Le seul isotope stable est Cs (78 neutrons), ce qui fait du césium un élément monoisotopique. Cet isotope étant le seul présent dans la nature, le césium est aussi un élément mononucléidique.
Les autres isotopes sont radioactifs et radiotoxiques. Ils sont produits dans les supernovas, et sur Terre sont issus des retombées d'essais nucléaires atmosphériques ou d'accidents nucléaires (catastrophe de Tchernobyl, par exemple) et des déchets nucléaires, notamment le . Deux isotopes, Cs (demi-vie de deux ans) et Cs (émetteur gamma, demi-vie de 30 ans) sont des produits de fission de l'uranium, traceurs éventuels de fuites ou d'accidents de réacteurs nucléaires.
L'isotope radiogénique Cs est le plus connu. Il a en effet été très utilisé dans les études hydrologiques et écologiques mises en œuvre pour évaluer les effets de plusieurs contaminations générales de l'atmosphère induites à partir de 1945 par l'utilisation des bombes atomiques, puis par les essais nucléaires, puis (dans l'hémisphère nord principalement) par l'accident de Tchernobyl) et enfin dans une moindre mesure, à cause des rejets de centrales nucléaires ou de sites de retraitement, stockage Sa signature et son suivi ont par exemple permis de mesurer à quelle vitesse l'eau des nappes se renouvelait ou à démontrer qu'une grotte était ou non isolée du monde extérieur. Il a aussi servi à étudier la cinétique environnementale du césium (notamment dans la chaîne alimentaire). Il a une période radioactive de . Il se désintègre en , un isomère de courte période () qui se désintègre lui-même en baryum 137 stable. Sa masse atomique standard est de 132,9054519(2) u.
Les déchets radioactifs, les retombées d'essais nucléaires atmosphériques ou de l'accident de Tchernobyl peuvent contenir du à très longue période radioactive, du (période de 2 ans), et du (période de 30 ans). Le césium 135 a une période radioactive de 2,3 millions d’années et fait partie des déchets radioactifs à vie longue.
Toxicité Toxicité du césium stable Le césium stable est considéré comme chimiquement peu toxique (DL50 variant de selon sa forme chimique).
Néanmoins, au-delà d'une certaine dose et par exemple sous forme de chlorure de césium absorbé par voie orale, il provoque une perte d'appétit, des nausées ou des vomissements, des diarrhées, voire une arythmie cardiaque. En contact avec l’œil, l'hydroxyde de césium est source de sévères irritationsCDC (2011) Cesium hydroxid Atlanta : Centers for Disease Control and Prevention; ; mis à jour le 28/09/2011|URL:https://www.cdc.gov/niosh/pel88/21351- 79.htmlCDC (2011) NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards cesium hydroxide | Atlanta : Centers for Disease Control and Prevention | mise à jour : 13/02/2015 | URL:https://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0111.html.
Toxicité du césium 137
Les isotopes radioactifs sont bien plus dangereux que le césium stable. Parce qu'il est à la fois émissif de rayonnement gamma extrêmement dangereux pour tous les êtres vivants (végétaux, animaux) s'il est intégré dans l'organisme, et parce qu'il est l'homologue chimique du potassium (il tend à le remplacer dans les processus d'assimilation par les végétaux et par ingestion dans l'organisme), le césium 137 est radiotoxique, toxique et écotoxique pour toutes les espèces qui ont besoin de potassium.
De plus il se fixe sur les composants de la couche organique supérieure du sol. Il n'en disparait ensuite que très lentement, notamment dans la litière forestière où il a le temps de se concentrer dans les champignons et les baies sauvages. En 1998 ces deux aliments représentaient 95 % du Cs total ingéré en Ukraine, et l'ingestion de radiocésium y augmentait en 1998 de 200 fois environ pour les gros consommateurs de champignons : environ pour un consommateur normal et jusqu'à pour les consommateurs réguliers, sachant que l'Ukraine a été bien moins touchée sur le Bélarus (70 % des retombées). Le gibier et le réseau trophique sont donc également contaminésNelin P & Palo T.R (1989) Factors influencing caesium-137 levels in moose (Alces Alces) and small game in northern Sweden. In The radioecology of natural and artificial radionuclides|résumé.Zach R & Mayoh K.R.(1982). The transfer of fallout cesium-137 from browse to moose. Part 1 (No. AECL--6832). Atomic Energy of Canada Ltd. |résumé.Bergman, R., Nylen, T., Appelblad, P., Bergman, I., Granstroem, M., Lidstroem, K., ... & Ramebaeck, H. (2005). Radioactivity levels in forests after the Chernobyl accident. What happens in berries, mushrooms and game ? (No. FOI-R--1587). Swedish Defence Research Agency|résuméRantavaara, A., Nygren, T., Nygren, K., & Hyvönen, T. (1987). Radioactivity of game meat in Finland after the Chernobyl accident in 1986 (No. STUK-A--62). Finnish Centre for Radiation and Nuclear Safety.Marovic G, Lokobauer N & Bauman A (1992) Risk estimation of radioactive contamination after the Chernobyl accident using bioindicators. Health physics, 62(4), 332-337..
Les effets des fortes doses de Cs ont été étudiés (et ils sont comparables à ceux d'autres sources d'irradiation grave : nausées, vomissements et diarrhées, hémorragies, coma et possiblement la mort. Si l'exposition n'est que cutanée, elle peut causer un érythème, des ulcères puis des nécroses tissulaires). Par contre ceux des faibles doses et des expositions chroniques ont longtemps été mal documentés. L'étude des conséquences de Tchernobyl a permis de montrer ou confirmer que : La charge corporelle en Cs est corrélée avec celle de l'alimentationHandl, J., D. Beltz, W. Botsch, S. Harb, D. Jakob, R. Michel, and L. D. Romantschuk. 2003. Evaluation of radioactive exposure from 137Cs in contaminated areas of Northern Ukraine. Health Phys 84:502-17. En zone contaminée, le lait maternel contient du Cs, et celui-ci passe dans le sang et l'organisme du nouveau-néJohansson, L., A. Björeland, and G. Agren. 1998. Tranfer of 137Cs to infants via human breast milk. Radiat Prot Dosimetry 79:165-67.Thornberg, C., and S. Mattsson. 2000. Increased 137Cs metabolism during pregnancy. Health Phys 78:502-6.. En zone contaminée de Biélorussie, la part du Cs ingéré par une mère transférée au bébé allaité est d'environ 15 %Johansson, L., A. Björeland, and G. Agren. 1998. Tranfer of 137Cs to infants via human breast milk. Radiat Prot Dosimetry 79:165-67.. Il existe une corrélation entre charge corporelle en césium et dérèglement de l'immunité humorale et cellulaire, selon une étude portant sur des enfants vivant en zone contaminéeTitov, L. P., G. D. Kharitonic, I. E. Gourmanchuk, and S. I. Ignatenko. 1995. Effects of radiation on the production of immunoglobulins in children subsequent to the Chernobyl disaster. Allergy Proc 16:185-93.. Le césium peut contaminer le lait maternel et avoir des effets délétères chez l'enfantDocument de 6 pages intitulé "Effets du césium 137 sur le métabolisme de la Vitamine D3 (ou Cholécalciférol) après une contamination chronique via le lait maternel", Émilie Tissandié, de thèse (Thèse : Effets des radionucléides sur le métabolisme de la vitamine D3 chez le rat). Y. I. Bandazhevsky et d'autres ont plusieurs années après l'accident détecté une augmentation des pathologies cardiovasculairesBandazhevskaya, G. S., V. B. Nesterenko, V. I. Babenko, T. V. Yerkovich, and Y. I. Bandazhevsky. 2004. Relationship between caesium (137Cs) load, cardiovascular symptoms, and source of food in 'Chernobyl' children -- preliminary observations after intake of oral apple pectin. Swiss Med Wkly 134:725-9.. Une radiotoxicité est démontrée pour le foieStojadinovic, S., and M. Jovanovic. 1966. Activity of transaminases in the rat serum after internal contamination with 137Cs and 90Sr. Strahlentherapie 131:633-6. et le reinNikula, K. J., B. A. Muggenburg, W. C. Griffith, W. W. Carlton, T. E. Fritz, and B. B. Boecker. 1996. Biological effects of 137CsCl injected in beagle dogs of different ages. Radiat Res 146:536-47., ce qui explique probablement les troubles du métabolisme de la vitamine D associés à de faibles doses de Cs (également observé chez le rat exposé au Cs en laboratoire). Ces troubles pourraient augmenter le risque de rachitisme et de défaut de la minéralisation (problèmes osseux, dentaires...)Tissandié, E., Y. Gueguen, J. M. Lobaccaro, J. Aigueperse, P. Gourmelon, F. Paquet, and M. Souidi. 2006a. Chronic contamination with 137Cesium affects Vitamin D3 metabolism in rats. Toxicology 225:75-80.. Chez le rat, alors que les faibles doses semblent sans effet sur le squelette de l'adulte, une contamination in utero des embryons, via une exposition chronique de la mère (à de faibles doses) durant la grossesse semble perturber le métabolisme de la vitamine D, tant au niveau hormonal que moléculaire et contrairement à ce qui avait été observé chez le modèle adulte, des troubles de la calcification du squelette sont observésDocument déjà cité d'Emilie Tissandié, intitulé "Effets du césium 137 sur le métabolisme de la Vitamine D3 après une contamination chronique via le lait maternel", page 5-6.. Le Cs est aussi source d'anomalies congénitales (en particulier duplication des reins et des uretères, polydactylie, défauts du tube neural signalés en Bélarus dans les zones où les mères vivaient dans des zones exposées à plus de 555 Bq/mLazjuk GI, Nikolaev DL, Novikova (1997) IV. Changes in registered congenital anomalies in the Republic of Belarus after the Chernobyl accident. Stem Cells ; 15 (Suppl. 2) : 255-60..