સીઝિયમ (Caesium)

સીઝિયમ (Caesium) : આવર્તક કોષ્ટકના પહેલા (અગાઉના IA) સમૂહમાં આવેલું રાસાયણિક ધાતુ-તત્ત્વ. સંજ્ઞા Cs. ક્રૂઝનેખ અને દુર્ખીમના ઝરામાંના ખનિજદ્રવ્યયુક્ત પાણીના બાષ્પીભવનથી મળતા અવશેષના વર્ણપટને તપાસતાં બુન્સેન અને કિરચોફે 1860માં તેને શોધી કાઢ્યું હતું. વર્ણપટમાંની સૌથી પ્રભાવી (prominent) રેખાના વાદળી રંગ માટેના લૅટિન શબ્દ caesius (sky blue) પરથી તેને આ નામ આપવામાં આવેલું. 1881-82માં સેટરબર્ગે સીઝિયમ સાયનાઇડ અને બેરિયમ સાયનાઇડના પિગાળ(melt)નું વિદ્યુતવિભાજન કરી તત્ત્વને અલગ પાડ્યું હતું. ત્રીસીના દાયકામાં અને દ્વિતીય વિશ્વયુદ્ધના ગાળામાં પ્રકાશપરખક (photosensing) પ્રયુક્તિઓના વિકાસ સાથે આ વિરલ તત્ત્વની માંગમાં થોડો પણ સતત વધારો થતો ગયો છે.

ઉપસ્થિતિ (પ્રાપ્તિ, occurrence) : પૃથ્વીના પોપડામાં સીઝિયમ ઓછી માત્રામાં પણ વિસ્તૃતપણે વિતરિત થયેલું છે. સમુદ્રના પાણીમાં 0.002 ppm (parts per million), ગ્રૅનાઇટ તેમજ અવસાદી ખડકોમાં 5 ppm કરતાં ઓછું, જ્યારે ઝરાઓના ખનિજદ્રવ્યયુક્ત પાણીમાં તે 9 મિગ્રા./લિ. જેટલું હોય છે. અબરખ, બેરિલ (beryl), ફેલ્ડસ્પાર (feldspar) અને પીટેલાઇટ (petalite) જેવા પોટૅશિયમ-ખનિજોમાં તેની સાંદ્રતા વધુ જોવા મળે છે. રશિયાના ઇલ્મેન પર્વતોના ખડકોમાં 0.19 %, મેઈન(યુ.એસ.)માં મળી આવતા લેપિડોલાઇટ (lepidolite)માં 0.3 %. જ્યારે દક્ષિણ ડાકોટા(યુ.એસ.)માં મળી આવતા સીઝિયમ બાયોટાઇટ(biotite)માં 3.14 % જેટલો સીઝિયમ ઑક્સાઇડ (Cs₂O) હોય છે. મનીટોબા (કૅનેડા), એલ્બા ટાપુ તેમજ દક્ષિણ આફ્રિકામાં પણ તેના ખનિજો મળે છે. પોલ્યુસાઇટ તરીકે તે જલાન્વિત (hydrated) ઍલ્યુમિનોસિલિકેટ (Cs₄Al₄Si₉O₂₆H₂O) રૂપે મળી આવે છે. તેનો વ્યાપારી સ્રોત એ મનીટોબાનું બર્નિક સરોવર છે.

ધાતુકર્મીય (metallurgical) નિષ્કર્ષણ : લેપિડોલાઇટ અયસ્ક્ધનું લિથિયમ-રસાયણોમાં રૂપાંતરણ કરવા માટેની ચૂનાપથ્થર (limestone) પ્રવિધિમાં મોટાભાગનું લિથિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ રૂપે અલગ કર્યા પછી કાબૉર્નેશન (carbonation) દ્વારા મિશ્ર આલ્કલી કાર્બોનેટ લિકર (liquor) મળે છે. લિથિયમ કાર્બોનેટને ગાળી લીધા બાદ પોટૅશિયમ (K) રુબિડિયમ (Rb) અને સીઝિયમના કાર્બોનેટ ધરાવતું દ્રાવણ મળે છે. મિશ્ર આલ્કલી ધાતુઓના અલગન માટે સંકીર્ણોદભવન (complex formation) પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આલ્કલી ધાતુઓની સંકીર્ણ બનાવવાની સરળતાનો ક્રમ આ પ્રમાણે છે :

Cs > Rb > K > Na > Li. પ્રથમ મોટાભાગના પોટૅશિયમને બાઇકાર્બોનેટ તરીકે અવક્ષિપ્ત કરવામાં આવે છે. ત્યારબાદ સ્ટેનિક ક્લોરાઇડ ઉમેરવાથી Rb અને Cs બંને ક્લોરોસ્ટેનેટ રૂપે અવક્ષિપ્ત થાય છે, પણ સીઝિયમ લવણ સૌથી વધુ અદ્રાવ્ય હોઈ પ્રથમ અવક્ષેપન (precipitation) પામે છે. તેને ક્લોરાઇડમાં ફેરવતાં સ્ટેનિક ક્લોરાઇડ પાછો મળે છે. વૈકલ્પિક રીતે અલગન માટે જો સોડિયમ ઝિંક-ફેરોસાયનાઇડ વાપરવામાં આવે તો તેમાં પણ સીઝિયમ સંયોજનનું અવક્ષેપન પહેલું થાય છે. આ અવક્ષિપ્ત ફેરોસાયનાઇડનું ઉષ્મીય વિઘટન કરવાથી કાર્બોનેટ મળે છે, જેમાંથી ક્લોરાઇડ અને બાદમાં સીઝિયમ મેળવી શકાય છે.

પોલ્યુસાઇટમાંથી સીઝિયમનું નિષ્કર્ષણ કરવા માટે અયસ્કમાંના સીઝિયમને શુદ્ધ લવણ રૂપે મેળવવામાં આવે છે. આ માટેની ત્રણ પદ્ધતિઓ છે : (i) ઍસિડ-પક્વન (digestion). H₂SO₄, HCl, HBr કે HF વાપરીને. (ii) આલ્કલાઇન પ્રવાહકો (fluxes) વડે સંગલન (fusion) અથવા નિસાદન (sintering) અને (iii) સીઝિયમ અયસ્કનું સીધું અપચયન (reduction).

ઍસિડ-પક્વનની એક રીતમાં 200 જાળી(mesh)ની ચાળણી વડે મેળવેલા બારીક અયસ્ક અને 7.2 M સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ વચ્ચે 120° સે. તાપમાને 2થી 4 કલાક સુધી પ્રક્રિયા કરવાથી 90 % જેટલા સીઝિયમનું નિષ્કર્ષણ થઈ શકે છે. ગરમ ઍસિડી દ્રાવણને ગાળી લેવાથી પ્રક્રિયા ન પામેલ અયસ્ક દૂર થાય છે. દ્રાવણને ઠંડું પાડતાં સીઝિયમ-ફટકડી (caesium alum) મળે છે; જેનું વિભાગીય (fractional) સ્ફટિકીકરણ કરવાથી તેમાંથી K, Na, Rb અને Liની અશુદ્ધિઓ દૂર થાય છે. ત્યારબાદ તેમાંથી ઍલ્યુમિનિયમ તથા સલ્ફેટની અશુદ્ધિઓ દૂર કરતાં શુદ્ધ CsOH કે Cs₂CO₃નું દ્રાવણ મળે છે જેમાંથી અપચયન થઈ શકે તેવાં સીઝિયમ લવણો બનાવી શકાય છે.

વૈકલ્પિક રીતે સીઝિયમ-ફટકડીનું કાર્બન સાથે ભૂંજન (roasting) કરી તેનું વિઘટન કરવામાં આવે છે :

ભૂંજિત નીપજનું નિક્ષાલન (leaching) કરવાથી સીઝિયમ સલ્ફેટનું દ્રાવણ મળે છે, જેને ડૉવેક્સ (Dowex) – 50  – X – 8 જેવા ઋણાયન (anion) વિનિમયક(exchanger)માંથી પસાર કરવાથી સલ્ફેટનું ક્લોરાઇડમાં રૂપાંતર થાય છે. દ્રાવણનું સ્ફટિકીકરણ કરવાથી ક્લોરાઇડ સ્ફટિક રૂપે મળે છે.

પૉલ્યુસાઇટની ગરમ, સાંદ્ર હાઇડ્રૉક્લોરિક ઍસિડ સાથેની પ્રક્રિયાથી સીઝિયમનું ક્લોરાઇડ લવણમાં રૂપાંતર થાય છે. આલ્કલી ધાતુ અને ઍલ્યુમિનિયમ ક્લોરાઇડના મિશ્રણનું શુદ્ધીકરણ સીઝિયમ ઍન્ટિમની ક્લૉરાઇડ અથવા સીઝિયમ ક્લોરોસ્ટેનેટના પ્રભાજન (fractionation) વડે કરવામાં આવે છે. તેમાંથી ઍન્ટિમની અથવા ટિન દૂર કરવાથી શુદ્ધ સીઝિયમ ક્લોરાઇડ મળે છે.

200 જાળી(mesh)નું પૉલ્યુસાઇટ, સોડિયમ ક્લોરાઇડ અને સોડિયમ કાર્બોનેટ વજનથી 1/1.2/1ના ગુણોત્તરમાં લઈ તેમનું 600°થી 800° સે.એ એકથી બે કલાક માટે નિસાદન કરવાથી 95 % કરતાં વધુ સીઝિયમની પુન:પ્રાપ્તિ (recovery) શક્ય બને છે. નિસાદિત દળનું નિક્ષાલન કરવાથી આલ્કલાઇન સીઝિયમ ક્લોરાઇડનું દ્રાવણ મળે છે. દ્રાવણનું કેરોસીન-મંદિત BAMBP [4-sec-બ્યુટાઇલ-2-( -મિથાઇલ-બેન્ઝાઇલ) ફિનોલ] વડે દ્રાવક નિષ્કર્ષણ કરવાથી તેને શુદ્ધ કરી શકાય છે.

પૉલ્યુસાઇટમાંથી સીઝિયમના સીધા નિષ્કર્ષણ માટે અયસ્ક્નું સોડિયમ (અથવા લિથિયમ, પોટૅશિયમ કે સીરિયમ) વડે 600°થી 800° સે.એ અપચયન કરવામાં આવે છે. આ રીતે મળતી ધાતુમાં 3.5થી 7.5 % Na, 0.9થી 2.6 % K અને 1.0થી 4.1 % Rb હોય છે. અનેક સૈદ્ધાંતિક પ્લેટો (theoretical plates) ધરાવતા સ્ટેનલેસ સ્ટીલના સ્તંભમાં પ્રભાજન કરવાથી 99.9 % શુદ્ધ ધાતુ મળે છે.

વધુ શુદ્ધ સીઝિયમ મેળવવા માટે તેના શુદ્ધ ક્લોરાઇડ કે બ્રોમાઇડ જેવા લવણનું નિર્વાતિત પ્રણાલીમાં ઉચ્ચ તાપમાને કૅલ્શિયમ કે લિથિયમ વડે સ્ટેનલેસ સ્ટીલ કે નિકલની પ્રણાલીમાં અપચયન કરવામાં આવે છે.

2CsCl + Ca → 2Cs + CaCl₂

પ્રણાલીમાં ઑક્સિજન કે પાણીની વરાળ ન દાખલ થાય તેનું ખાસ ધ્યાન રાખવામાં આવે છે.

વાયુમુક્ત (gas free) સીઝિયમ મેળવવા માટે સીઝિયમ એઝાઇડનું ઉચ્ચ શૂન્યાવકાશે ઉષ્મીય વિઘટન કરવામાં આવે છે :

ગુણધર્મો : સીઝિયમ પોચી, હલકી અને સામાન્ય કરતાં સહેજ ઊંચા તાપમાને પીગળતી ધાતુ છે. બધાં તત્ત્વોમાં તે સૌથી ઓછો આયનીકરણ વિભવ (potential) અને સૌથી મોટી આયનિક ત્રિજ્યા ધરાવતી તેમજ બધી ધાતુઓમાં તે સૌથી વધુ વિદ્યુતધનાત્મક (ધનવિદ્યુતીય, electropositive) અને પ્રક્રિયાશીલ (reactive) ધાતુ છે. તેના કેટલાક ભૌતિક ગુણધર્મો સારણીમાં દર્શાવ્યા છે.

સારણી : સીઝિયમના કેટલાક ભૌતિક ગુણધર્મો

ગુણધર્મ	મૂલ્ય
પરમાણુક્રમાંક	55
પરમાણુભાર	132.90543
કુદરતી સમસ્થાનિકો	1
ઇલેક્ટ્રૉનીય સંરચના	[Xe]5s1
ધાતુ-ત્રિજ્યા (પિ.મિ.)	265
ઇલેક્ટ્રૉન બંધુતા (કિ.જૂ./મોલ)	45.5
આયનીકરણ ઊર્જા (કિ.જૂ./મોલ)	375.7
આયનિક ત્રિજ્યા (6-સવર્ગ) (પિ.મિ.)	167
ગલનબિંદુ (° સે.)	28.4
ઉત્કલનબિંદુ (° સે.)	671
ઘનતા (20° સે.) (ગ્રા./ઘ.સેમી.)	1.90
ગલન-ઉષ્મા ( H°fus) (કિ.જૂ./મોલ)	2.09
બાષ્પન-ઉષ્મા ( H°vap) (કિ.જૂ./મોલ)	67
સ્નિગ્ધતા (100° સે.) (મિ. પોઇઝ)	4.75
વિદ્યુતીય અવરોધ (25° સે.)  ઓહમ-સેમી.	20.8
કઠિનતા (મોજ માપક્રમ)	0.2

સીઝિયમ અત્યંત પ્રક્રિયાશીલ હોઈ પાણી સાથે તે પ્રચંડ રીતે પ્રક્રિયા કરી હાઇડ્રૉજન મુક્ત કરે છે, જે તરત જ સળગી ઊઠે છે. બરફ સાથે પણ તે – 116° સે. જેટલા તાપમાને પ્રક્રિયા કરી શકે છે. ઑક્સિજન અને હેલોજન તત્ત્વો સાથે પણ તે જોશભેર પ્રક્રિયા કરી સળગી ઊઠે છે. તત્ત્વમય (elemental) સલ્ફર અને ફૉસ્ફરસ સાથેની તેની પ્રક્રિયા વિસ્ફોટમાં પરિણમે છે. નાઇટ્રોજન સાથે ઊંચા તાપમાને તે એઝાઇડ (azide) આપે છે, જ્યારે હાઇડ્રોજન સાથે હાઇડ્રાઇડ ઉત્પન્ન કરે છે. એમોનિયા સાથેની પ્રક્રિયા એમાઇડ આપે છે. અન્ય આલ્કલી ધાતુઓની માફક તે કાર્બનિક સંયોજનો સાથે પ્રક્રિયા કરે છે. ઇથિલીન સાથે તે તપખીરિયા રંગનો ઘન પદાર્થ C₂H₄Cs₂ બનાવે છે.

સંયોજનો : સીઝિયમ ક્લોરાઇડ (CsCl) એ સીઝિયમનું સૌથી અગત્યનું સંયોજન છે. કારણ કે તેમાંથી સીઝિયમ ધાતુ મેળવી શકાય છે. જલીય દ્રાવણમાંથી તે રંગવિહીન, સમઘન (cubic) સ્ફટિકો રૂપે મળે છે. સીઝિયમનાં અન્ય સંયોજનો બનાવવા માટે તે પ્રાથમિક લવણ તરીકે કામ આપે છે.

સીઝિયમ કાર્બોનેટ રંગવિહીન, સ્ફટિકમય પાઉડર છે. સીઝિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડના દ્રાવણમાં કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ પસાર કરી દ્રાવણનું બાષ્પીભવન કરવાથી તે મેળવી શકાય છે. તે ઘણો સ્થાયી હોઈ ઊંચા તાપમાને ગરમ કરવા છતાં તેમાંથી કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ ગુમાવતો નથી. તે અત્યંત ભેજગ્રાહી (hygroscopic) છે. આલ્કોહૉલમાં દ્રાવ્ય છે.

સીઝિયમ ઍલ્યુમિનિયમ સલ્ફેટ [CsAl(SO₄)₂^.12H₂O] એ સીઝિયમના હાઇડ્રૉક્સાઇડ અને કાર્બોનેટ બનાવવા માટે ઉપયોગી છે. આ ફટકડીના ઊકળતા દ્રાવણમાંથી ઍલ્યુમિનિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડનું અવક્ષેપન કરવાથી સીઝિયમ સલ્ફેટનું દ્રાવણ મળે છે, જેનું બાષ્પીભવન કરવાથી સીઝિયમ સલ્ફેટના રંગવિહીન સ્ફટિકો પ્રાપ્ત થાય છે.

ઉપયોગો : સીઝિયમ શૂન્યાવકાશી નળીઓમાં વાયુગ્રાહી (gelter) તરીકે, હાઇડ્રોજનીકરણ (hydrogenation) માટે ઉદ્દીપક તરીકે, વીજ-સંયંત્રોમાં ઉષ્માવિનિમયક તરીકે તેમજ પારમાણ્વિક ઘડિયાળોમાં, ઉષ્મારાસાયણિક પ્રક્રિયાઓમાં, મૅગ્નેટો-હાઇડ્રૉડાયનેમિક જનિત્રોમાં દહનવાયુઓ(combustion gases)ના બીજારોપણ-(seeding)માં વપરાય છે. રૉકેટ-નોદક (propellant) તરીકે તેનો ઉપયોગ એ બાબત પર આધારિત છે કે સીઝિયમ ધાતુનું બાષ્પીભવન કરી તેને તપાવેલી છિદ્રિત (porous) પ્લેટમાંથી પસાર કરતાં તેના પરમાણુઓ આયનીકરણ પામે છે. વિદ્યુતક્ષેત્ર આ ધનવીજભારિત આયનોને પ્રવેગિક કરી લગભગ 5,00,000 કિમી./કલાકનો વેગ આપે છે; જે બહાર આવતાં ભારે પ્રણોદ (thrust) આપે છે.

જ. દા. તલાટી