酸化セシウム

酸化セシウム：特異な性質を持つアルカリ金属酸化物

酸化セシウム (Cs₂O) は、セシウムと酸素からなる化合物です。セシウムと酸素の組み合わせは多様で、過酸化セシウム (Cs₂O₂)、超酸化セシウム (CsO₂)、オゾン化セシウム (CsO₃) など、様々な酸化状態を持つ化合物が存在します。しかし、「酸化セシウム」と呼ぶ場合は通常、Cs₂O を指します。

製法

酸化セシウムの合成には主に2つの方法があります。1つは、金属セシウムを少量の酸素と反応させる方法です。この反応では、過剰な金属セシウムを蒸留によって除去することで純粋な酸化セシウムを得ます。この反応は次の化学式で表されます。

4Cs + O₂ → 2Cs₂O

もう1つの方法は、硝酸セシウムとアジ化セシウムを穏やかに加熱する方法です。この方法では、以下の反応が起こり、酸化セシウムが生成します。

CsNO₃ + 5CsN₃ → 3Cs₂O + 8N₂

性質

酸化セシウムは非常に反応性の高い物質です。水と激しく反応して熱を発生し、水酸化セシウムを生成します。無水エタノールとも反応し、水酸化セシウムとセシウムエトキシドを生成します。

真空中で加熱すると、350～400℃で不均化反応が起こり、過酸化セシウムとセシウムに分解します。

2Cs₂O → Cs₂O₂ + 2Cs

セシウムはイオン半径が大きいため、他のアルカリ金属とは異なり、超酸化物が熱力学的に安定です。そのため、空気中で加熱すると150℃付近から酸素を吸収し、超酸化セシウム (CsO₂) を生成します。この反応は発熱反応で、そのエンタルピー変化は-226.6 kJ/molです。

Cs₂O + (3/2)O₂ → 2CsO₂ (ΔH = -226.6 kJ/mol)

結晶構造

酸化セシウムの結晶構造は、他のアルカリ金属酸化物とは異なり、三方晶系の逆塩化カドミウム型構造をとります。これはセシウムイオンがほぼ面心立方格子を形成し、その八面体6配位の間隙の半分を酸化物イオンが占有する構造です。つまり、セシウムイオン層と酸化物イオン層が交互に積み重なった構造となっています。この逆塩化カドミウム型構造は、酸化セシウムが唯一知られている例です。格子定数はa = 6.79Å、α = 36.5°です。

用途

酸化セシウムは光電効果を示すため、銀コロイド粒子を分散させた酸化セシウムは光電子増倍管に使用されています。光電子増倍管は、微弱な光を電気信号に変換する装置で、様々な光計測機器に用いられています。

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