Cäsiumchlorid zur Analyse

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Cäsiumchlorid oder Cäsiumchlorid ist eine anorganische Verbindung mit der Formel CsCl. Dieses farblose Salz ist eine wichtige Quelle von Cäsiumionen für eine Vielzahl von Nischenanwendungen. Seine Kristallstruktur bildet einen Hauptstrukturtyp, bei dem jedes Cäsium-Ion von 8 Chlorid-Ionen koordiniert wird. Cäsiumchlorid löst sich in Wasser auf. CsCl verwandelt sich beim Erhitzen in die NaCl-Struktur. Cäsiumchlorid kommt in der Natur als Verunreinigung in Carnallit (bis zu 0,002 %), Sylvit und Kainit vor. Jährlich werden weltweit weniger als 20 Tonnen CsCl hergestellt, meist aus dem cäsiumhaltigen Mineral Pollucit.
Cäsiumchlorid wird in der isopyknischen Zentrifugation zur Abtrennung verschiedener Arten von DNA als Medizinstruktur verwendet. Es ist ein Reagenz in der analytischen Chemie, wo es zur Identifizierung von Ionen anhand der Farbe und Morphologie des Niederschlags verwendet wird. Wenn es mit Radioisotopen wie 137CsCl oder 131CsCl angereichert ist, wird Cäsiumchlorid in der Nuklearmedizin zur Behandlung von Krebs und zur Diagnose von Herzinfarkten eingesetzt. Eine andere Form der Krebsbehandlung wurde mit herkömmlichem, nicht radioaktivem CsCl untersucht. Während herkömmliches Cäsiumchlorid eine eher geringe Toxizität für Mensch und Tier aufweist, kontaminiert die radioaktive Form aufgrund der hohen Löslichkeit von CsCl in Wasser leicht die Umwelt. Die Ausbreitung von 137CsCl-Pulver aus einem 93-Gramm-Behälter führte 1987 in Goiânia, Brasilien, zu einem der schlimmsten Strahlenunfälle aller Zeiten, bei dem vier Menschen starben und 249 Menschen direkt betroffen waren.

Kristallstruktur
Die Struktur von Cäsiumchlorid ist ein primitives kubisches Gitter mit einer zweiatomigen Basis, in der beide Atome eine achtfache Koordination aufweisen. Die Chloridatome liegen auf den Gitterpunkten an den Ecken des Würfels, während die Cäsiumatome in den Löchern in der Mitte der Würfel liegen; bei einer alternativen und genau gleichwertigen "Einstellung" liegen die Cäsiumionen an den Ecken und das Chloridion in der Mitte. Diese Struktur haben auch CsBr und CsI sowie viele binäre metallische Legierungen. Im Gegensatz dazu haben die anderen Alkalihalogenide die Natriumchloridstruktur (Steinsalz). Wenn beide Ionen ähnlich groß sind (Cs+-Ionenradius 174 pm für diese Koordinationszahl, Cl- 181 pm), wird die CsCl-Struktur angenommen, wenn sie unterschiedlich sind (Na+-Ionenradius 102 pm, Cl- 181 pm), wird die Natriumchloridstruktur angenommen. Beim Erhitzen auf über 445 °C wandelt sich die normale Cäsiumchloridstruktur (α-CsCl) in die β-CsCl-Form mit der Steinsalzstruktur (Raumgruppe Fm3m) um. Die Steinsalzstruktur wird auch bei Umgebungsbedingungen in nanometerdünnen CsCl-Filmen beobachtet, die auf Glimmer-, LiF-, KBr- und NaCl-Substraten gewachsen sind.

Physikalische Eigenschaften
Cäsiumchlorid ist in Form von großen Kristallen farblos und in Pulverform weiß. Es löst sich leicht in Wasser, wobei die maximale Löslichkeit von 1865 g/L bei 20 °C auf 2705 g/L bei 100 °C ansteigt. Die Kristalle sind sehr hygroskopisch und zerfallen allmählich bei Umgebungsbedingungen. Cäsiumchlorid bildet keine Hydrate.
Im Gegensatz zu Natriumchlorid und Kaliumchlorid löst sich Cäsiumchlorid leicht in konzentrierter Salzsäure. Cäsiumchlorid hat auch eine relativ hohe Löslichkeit in Ameisensäure (1077 g/L bei 18 °C) und Hydrazin; mittlere Löslichkeit in Methanol (31,7 g/L bei 25 °C) und geringe Löslichkeit in Ethanol (7,6 g/L bei 25 °C), Schwefeldioxid (2,95 g/L bei 25 °C), Ammoniak (3,8 g/L bei 0 °C), Aceton (0,004% bei 18 °C), Acetonitril (0,083 g/L bei 18 °C), Ethylacetat und andere komplexe Ether, Butanon, Acetophenon, Pyridin und Chlorbenzol.
Trotz seiner großen Bandlücke von etwa 8,35 eV bei 80 K leitet Cäsiumchlorid den elektrischen Strom nur schwach, und die Leitfähigkeit ist nicht elektronisch, sondern ionisch. Die Leitfähigkeit hat einen Wert in der Größenordnung von 10-7 S/cm bei 300 °C. Die Leitfähigkeit entsteht durch Sprünge zwischen den nächsten Nachbarn der Gitterlücken, und die Beweglichkeit ist bei den Cl- -Leerstellen viel höher als bei den Cs+ -Leerstellen. Die Leitfähigkeit nimmt mit der Temperatur bis zu etwa 450 °C zu, wobei sich die Aktivierungsenergie bei etwa 260 °C von 0,6 auf 1,3 eV ändert. Danach fällt sie aufgrund des Phasenübergangs von der α-CsCl- zur β-CsCl-Phase um zwei Größenordnungen ab. Die Leitfähigkeit wird auch durch die Anwendung von Druck unterdrückt (etwa 10-fache Abnahme bei 0,4 GPa), was die Mobilität der Gitterleerstellen verringert.

Reaktionen
Cäsiumchlorid dissoziiert beim Auflösen in Wasser vollständig, und die Cs+-Kationen werden in verdünnter Lösung gelöst. CsCl wandelt sich beim Erhitzen in konzentrierter Schwefelsäure oder beim Erhitzen mit Cäsiumhydrogensulfat bei 550-700 °C in Cäsiumsulfat um:

2 CsCl + H2SO4 → Cs2SO4 + 2 HCl

CsCl + CsHSO4 → Cs2SO4 + HCl

Cäsiumchlorid bildet eine Vielzahl von Doppelsalzen mit anderen Chloriden. Beispiele sind 2CsCl-BaCl2, 2CsCl-CuCl2, CsCl-2CuCl und CsCl-LiCl, und mit Interhalogenverbindungen:

CsCl + ICl3 → Cs[ICl4]

Vorkommen und Herstellung
Cäsiumchlorid kommt in der Natur als Verunreinigung in den Halogenidmineralen Carnallit (KMgCl3·6H2O mit bis zu 0,002 % CsCl), Sylvit (KCl) und Kainit (MgSO4·KCl·3H2O), sowie in Mineralwässern vor. So enthielt das Wasser des Bad Dürkheimer Kurortes, das zur Isolierung von Cäsium verwendet wurde, etwa 0,17 mg/L CsCl. Keines dieser Mineralien ist kommerziell von Bedeutung.
In industriellem Maßstab wird CsCl aus dem Mineral Pollucit hergestellt, das pulverisiert und mit Salzsäure bei erhöhter Temperatur behandelt wird. Der Extrakt wird mit Antimonchlorid, Jodmonochlorid oder Cer(IV)-chlorid behandelt, um das schwer lösliche Doppelsalz zu erhalten, z. B.:

CsCl + SbCl3 → CsSbCl4

Die Behandlung des Doppelsalzes mit Schwefelwasserstoff ergibt CsCl:

2 CsSbCl4 + 3 H2S → 2 CsCl + Sb2S3 + 8 HCl

Hochreines CsCl wird auch aus umkristallisiertem Cs[ICl2] (und Cs[ICl4]) durch thermische Zersetzung hergestellt:

Cs[ICl2] → CsCl + ICl

In den 1970er und 2000er Jahren wurden weltweit jährlich nur etwa 20 Tonnen Cäsiumverbindungen hergestellt, wobei CsCl den Hauptanteil ausmachte. Mit Cäsium-137 angereichertes Cäsiumchlorid für strahlentherapeutische Anwendungen wird in einer einzigen Anlage in Majak in der Uralregion Russlands hergestellt und international über einen britischen Händler verkauft. Das Salz wird bei 200 °C synthetisiert, da es hygroskopisch ist, und in einem fingerhutförmigen Stahlbehälter versiegelt, der anschließend in eine weitere Stahlhülle eingeschlossen wird. Die Versiegelung ist erforderlich, um das Salz vor Feuchtigkeit zu schützen.

Methoden im Labor
Im Labor kann CsCl durch Behandlung von Cäsiumhydroxid, -carbonat, -bicarbonat oder -sulfid mit Salzsäure gewonnen werden:

CsOH + HCl → CsCl + H2O

Cs2CO3 + 2 HCl → 2 CsCl + 2 H2O + CO2

Verwendet

Vorstufe zu Cs-Metall
Cäsiumchlorid ist der wichtigste Vorläufer für die Herstellung von Cäsiummetall durch Hochtemperaturreduktion:

2 CsCl (l) + Mg (l) → MgCl2 (s) + 2 Cs (g)

Eine ähnliche Reaktion - das Erhitzen von CsCl mit Calcium im Vakuum in Gegenwart von Phosphor - wurde erstmals 1905 von dem französischen Chemiker M. L. Hackspill beschrieben und wird immer noch industriell genutzt.
Cäsiumhydroxid wird durch Elektrolyse von wässriger Cäsiumchloridlösung gewonnen:

2 CsCl + 2 H2O → 2 CsOH + Cl2 + H2

Lösungsmittel für die Ultrazentrifugation
Cäsiumchlorid wird häufig bei der Zentrifugation in einer Technik verwendet, die als isopyknische Zentrifugation bekannt ist. Zentripetale und diffusive Kräfte schaffen einen Dichtegradienten, der die Trennung von Gemischen auf der Grundlage ihrer molekularen Dichte ermöglicht. Diese Technik ermöglicht die Trennung von DNA unterschiedlicher Dichte (z. B. DNA-Fragmente mit unterschiedlichem A-T- oder G-C-Gehalt). Für diese Anwendung ist eine Lösung mit hoher Dichte und dennoch relativ niedriger Viskosität erforderlich, und CsCl eignet sich aufgrund seiner hohen Löslichkeit in Wasser, der hohen Dichte aufgrund der großen Masse von Cs sowie der niedrigen Viskosität und hohen Stabilität von CsCl-Lösungen.

Analytische Chemie
Cäsiumchlorid ist ein Reagenz in der traditionellen analytischen Chemie, das zum Nachweis anorganischer Ionen anhand der Farbe und Morphologie der Ausfällungen verwendet wird. Die quantitative Konzentrationsmessung einiger dieser Ionen, z. B. Mg2+, mit der Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma wird zur Bewertung der Wasserhärte verwendet.

Medizin
Die American Cancer Society stellt fest, dass "die verfügbaren wissenschaftlichen Beweise die Behauptung nicht stützen, dass nicht-radioaktive Cäsiumchlorid-Präparate irgendeine Wirkung auf Tumore haben". Die Food and Drug Administration hat vor Sicherheitsrisiken, einschließlich erheblicher Herztoxizität und Todesfällen, im Zusammenhang mit der Verwendung von Cäsiumchlorid in der Naturheilkunde gewarnt.

Nuklearmedizin und Radiographie
Cäsiumchlorid, das aus Radioisotopen wie 137CsCl und 131CsCl besteht, wird in der Nuklearmedizin verwendet, u. a. zur Behandlung von Krebs (Brachytherapie) und zur Diagnose von Herzinfarkten. Bei der Herstellung radioaktiver Quellen ist es üblich, eine chemische Form des Radioisotops zu wählen, die sich bei einem Unfall nicht ohne weiteres in der Umwelt verteilen würde. So wird in Radiothermie-Generatoren (RTG) häufig Strontiumtitanat verwendet, das in Wasser unlöslich ist. Für Teletherapiequellen muss die radioaktive Dichte (Ci in einem bestimmten Volumen) jedoch sehr hoch sein, was mit den bekannten unlöslichen Cäsiumverbindungen nicht möglich ist. Ein fingerhutförmiger Behälter mit radioaktivem Cäsiumchlorid stellt die aktive Quelle dar.

Verschiedene Anwendungen
Cäsiumchlorid wird zur Herstellung von elektrisch leitenden Gläsern und Bildschirmen von Kathodenstrahlröhren verwendet. In Verbindung mit Edelgasen wird CsCl in Excimer-Lampen und Excimer-Lasern eingesetzt. Weitere Verwendungszwecke sind die Aktivierung von Schweißelektroden, die Herstellung von Mineralwasser, Bier und Bohrschlämmen sowie Hochtemperaturlote. Hochwertige CsCl-Einkristalle haben einen breiten Transparenzbereich vom UV bis zum Infrarot und wurden daher für Küvetten, Prismen und Fenster in optischen Spektrometern verwendet; diese Verwendung wurde mit der Entwicklung weniger hygroskopischer Materialien eingestellt.
CsCl ist ein starker Inhibitor von HCN-Kanälen, die den h-Strom in erregbaren Zellen wie Neuronen leiten; daher kann es bei elektrophysiologischen Experimenten in den Neurowissenschaften nützlich sein.

Toxizität
Cäsiumchlorid hat eine geringe Toxizität für Mensch und Tier. Die mittlere tödliche Dosis (LD50) bei Mäusen beträgt 2300 mg pro Kilogramm Körpergewicht bei oraler Verabreichung und 910 mg/kg bei intravenöser Injektion. Die geringe Toxizität von CsCl hängt mit seiner Fähigkeit zusammen, die Kaliumkonzentration im Körper zu senken und es bei biochemischen Prozessen teilweise zu ersetzen. Bei Einnahme großer Mengen kann es jedoch zu einem erheblichen Kaliumungleichgewicht und zu Hypokaliämie, Herzrhythmusstörungen und akutem Herzstillstand führen. Cäsiumchloridpulver kann jedoch die Schleimhäute reizen und Asthma auslösen.
Aufgrund seiner hohen Löslichkeit in Wasser ist Cäsiumchlorid sehr mobil und kann sogar durch Beton diffundieren. Dies ist ein Nachteil für seine radioaktive Form, was die Suche nach weniger chemisch mobilen Radioisotopenmaterialien nahelegt. Kommerzielle Quellen von radioaktivem Cäsiumchlorid sind in einem doppelten Stahlgehäuse gut verschlossen. Beim Unfall in Goiânia in Brasilien wurde jedoch eine solche Quelle, die etwa 93 Gramm 137CsCl enthielt, aus einem verlassenen Krankenhaus gestohlen und von zwei Plünderern aufgebrochen. Das blaue Leuchten, das das radioaktive Cäsiumchlorid in der Dunkelheit abgab, lockte die Diebe und ihre Verwandten an, die sich der damit verbundenen Gefahren nicht bewusst waren und das Pulver verteilten. Dies führte zu einem der schlimmsten Strahlenunfälle, bei dem vier Menschen innerhalb eines Monats an der Strahlenbelastung starben, 20 Anzeichen einer Strahlenkrankheit aufwiesen, 249 Menschen mit radioaktivem Cäsiumchlorid kontaminiert wurden und etwa tausend Menschen eine Dosis erhielten, die über der jährlichen Hintergrundstrahlung lag. Mehr als 110.000 Menschen überlasteten die örtlichen Krankenhäuser, und bei den Aufräumarbeiten mussten mehrere Stadtviertel abgerissen werden. In den ersten Tagen der Kontamination traten bei mehreren Personen Magenbeschwerden und Übelkeit infolge der Strahlenkrankheit auf, aber erst nach mehreren Tagen brachte eine Person die Symptome mit dem Pulver in Verbindung und brachte eine Probe zu den Behörden.

In Referenz 1 wird u.a. die isopygnische CsCl-Gradientenzentrifugation beschrieben, in Referenz 2 ein Protokoll zur Isolierung von Plasmid-DNA mittels diskontinuierlicher Gradienten in der präparativen Ultrazentrifuge in nur 20 Minuten bei 90.000 Upm. Anders als in Ref. 1 beschrieben kann für die Gewinnung 'normaler' Plasmid-DNA die CsCl-Menge auf 0,94 g/ml für den 1. Gradienten und auf 0,85 g/ml für den 2. Gradienten reduziert werden. Für den 1. Gradienten wird kristallines CsCl zur DNA- Lösung gegeben, für den 2.Gradienten wird eine Lösung mit 0,85 g/ml verwendet, die nach dem Ansetzen filtriert werden sollte. Eine weitere Änderung wird für das Entfernen des Ethidiumbromids empfohlen. Statt mit dem teuren CsCl sollte der Isopropanol mit 5 M NaCl-Lösung gesättigt werden. Es bilden sich 2 Phasen, wobei die obere Phase den gewünschten gesättigten Isopropanol enthält. Wird nicht Salz-/Wasser-gesättigter Isopropanol verwendet, fällt CsCl beim Ausschütteln des Ethidiumbromids aus. Durch Einführung einer zusätzlichen DNA-Fällung aus dem Überstand der 1. Fällung, konnte die DNA-Ausbeute an Plasmid-DNA vervielfacht werden (3).

FAQs

Wie lautet die CAS-Nummer von Cäsiumchlorid?

Die CAS-Nummer von Cäsiumchlorid ist 7647-17-8.

CAS Cäsiumchlorid?

Die CAS-Nummer von Cäsiumchlorid ist 7647-17-8.

CAS 7647-17-8?

Die CAS-Nummer 7647-17-8 ist Cäsiumchlorid zugeordnet.

Literature

(1) Miller, H. (1987) Methods Enzymol. 152, 145-179. Praktische Aspekte der Herstellung von Phagen- und Plasmid-DNA. (2) Dorin, M. & Bornecque, C.A. (1995) BioTechniques 18, 90-92Schnelle Trennung von Plasmid-DNA mit diskontinuierlicher Gradienten-Zentrifugation. (3) Hildeman, D.A. & Muller, D. (1997) BioTechniques 22, 878-879. Erhöhte Plasmid-DNA-Ausbeute bei der Entfernung von CsCl bei der Ethanol-Präzipitation.