Le césium est un élément chimique de symbole Cs et de numéro atomique 55. C’est un métal alcalin mou, de couleur argentée tirant sur l’or, dont le point de fusion est d’environ 28 °C. Il fait ainsi partie des cinq éléments métalliques qui sont liquides à température ambiante ou à proximité de celle-ci. Ses propriétés physiques et chimiques sont similaires à celles du rubidium et du potassium.
Le césium possède un seul électron sur l'orbitale 6s ([Xe] 6s¹), retenu avec une énergie électrostatique infinitésimale en raison du rayon atomique volumineux et de l'effet d'écran des 54 électrons internes. Il cède instantanément cet électron pour former le cation Cs⁺ avec la configuration électronique de gaz noble (xénon). C'est le métal le plus électropositif, réactif et basique de tous les éléments stables du tableau périodique. Il forme des liaisons de caractère presque purement ionique. C'est un métal extrêmement mou de teinte gris-doré qui fond à 28,5 °C, se liquéfiant avec la chaleur de la main.
2 Cs + 2 H₂O → 2 CsOH + H₂
Réagit de manière violente et explosive avec l'eau liquide et la glace même à −116 °C, brisant le récipient en verre et enflammant l'hydrogène généré instantanément.
Cs + O₂ → CsO₂
Brûle spontanément au contact de l'air ou de l'oxygène formant le superoxide de césium orange foncé.
2 Cs + 2 H⁺ → 2 Cs⁺ + H₂
Attaque les acides avec une violence indue et instantanée, libérant de l'hydrogène dans une réaction incontrôlable.
2 Cs + Cl₂ → 2 CsCl
Se combine de manière vive et explosive avec le chlore et les autres halogènes donnant des sels ioniques avec structure cristalline cubique centrée.
| Composé | Formule | Utilisation ou importance |
|---|---|---|
| Formiate de césium | HCOOCs | Sel organique d'une solubility indicible utilisé pour préparer des fluides de forage pétrolier hyperdenses et non toxiques |
| Chlorure de césium | CsCl | Sel de référence de structure cristalline cubique ; utilisé dans l'ultracentrifugation en gradient de densité pour séparer l'ADN et les virus |
| Hydroxyde de césium | CsOH | La base inorganique la plus forte connue, capable d'attaquer et de dissoudre le verre de laboratoire avec une grande vitesse |
| Iodure de césium | CsI | Cristal scintillant dans les détecteurs de rayons gamma, la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et la physique médicale |
Le césium naturel est exclusivement mono-isotopique, composé à 100 % de l'isotope stable césium-133 (¹³³Cs, avec 78 neutrons). Parmi ses près de quarante radioisotopes artificiels, le césium-137 (¹³⁷Cs, demi-vie de 30,17 ans) est l'un des produits de fission nucléaire les plus notoires : il émet des rayonnements bêta et gamma pénétrants, étant un contaminant environnemental persistant dans les accidents nucléaires et une source puissante de curiethérapie et de radiothérapie industrielle.
C'est un élément rare dans la croûte terrestre (environ 3 ppm). Le principal minerai dont il est exploité est la pollucite (un aluminosilicate de césium hydraté, Cs(Si₂Al)O₆·nH₂O), dont les plus grands gisements mondiaux se trouvent à Bernic Lake au Manitoba (Canada), au Zimbabwe et en Chine. Il est obtenu par digestion acide de la pollucite avec de l'acide chlorhydrique ou sulfurique, suivie d'une précipitation sous forme d'alun de césium et d'une réduction thermique sous vide du chlorure de césium fondu avec du calcium métallique à 750 °C.
Il fut découvert en 1860 par les chimistes allemands Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff dans une eau minérale de Bad Dürkheim en utilisant le spectroscope à flamme récemment inventé par eux, constituant le premier élément chimique découvert par spectroscopie. Dans le spectre optique, ils observèrent deux lignes céleste bleu extraordinairement lumineuses et bien définies. Ils l'appelèrent « caesius » (céleste) en raison de la couleur bleue du ciel. Son annonce fut faite en 1860, et il fut isolé sous forme métallique peu après.
Le césium métallique est utilisé dans les horloges atomiques, les cellules photoélectriques, les propulseurs ioniques spatiaux et comme getteur dans les tubes à vide. Son isotope radioactif Cm-244 (erreur, Cf-244? non, césium) — le césium-137 est utilisé en radiothérapie et en étalonnage.
Le formiate de césium entre dans les fluides de forage pétrolier haute densité ; le chlorure de césium sert à l'ultracentrifugation de l'ADN ; l'hydroxyde de césium est une base extrêmement forte ; l'iodure de césium équipe les détecteurs de rayons gamma et les spectromètres infrarouges.
Le césium n'a aucune fonction biologique connue et est toxique. Il se comporte chimiquement comme le potassium et peut s'accumuler dans les tissus. Le césium-137 radioactif est hautement radiotoxique et peut causer des brûlures, des cancers et des dommages génétiques en cas d'exposition.
Le métal césium est extrêmement réactif et doit être manipulé sous atmosphère inerte ou sous huile. Il s'enflamme au contact de l'air et réagit violemment avec l'eau. L'hydroxyde de césium est une base extrêmement corrosive. Les sources radioactives de césium-137 nécessitent un blindage et un contrôle radiologique strict.
Le césium-137 est un contaminant environnemental persistant résultant des accidents nucléaires et des essais atmosphériques. Il se fixe dans les sols et peut entrer dans la chaîne alimentaire, représentant un risque radiologique à long terme.
Depuis 1967, la seconde officielle est définie en mesurant la vibration interne de l'atome de césium-133. Lorsque cet atome reçoit des micro-ondes spécifiques, ses électrons sautent entre deux niveaux d'énergie exactement 9 192 631 770 fois par seconde, servant de modèle maître pour le temps sur toute la planète.
Lorsqu'une solution concentrée de chlorure de césium est soumise à des centaines de milliers de gravités dans une ultracentrifugeuse, les ions césium migrent vers le fond, créant un gradient de densité physique continu et stable le long du tube. Les macromolécules d'ADN en suspension se déplacent jusqu'à être placées exactement dans la bande où leur propre densité de flottabilité correspond à celle de la solution saline, permettant de distinguer les brins d'ADN lourds et légers en biologie moléculaire.
En 1987, deux récupérateurs pillèrent une clinique de radiothérapie abandonnée à Goiânia (Brésil) et démantelèrent une unité de télécobalt contenant une capsule de poudre de chlorure de césium-137. Fascinés par la poudre qui brillait d'une faible lueur bleue dans l'obscurité en raison de l'effet Tcherenkov, ils la montrèrent à leur famille et leurs voisins. La dispersion de la poudre radioactive contamina des centaines de personnes, causa quatre décès immédiats et força la démolition de maisons et l'enfouissement de tonnes de débris nucléaires.
Le césium fut le propergol pionnier des moteurs ioniques spatiaux en raison de posséder la plus faible énergie d'ionisation des éléments stables (3,89 électronvolts) et une masse atomique considérable. En mettant la vapeur de césium en contact avec une grille de tungstène poreuse chaude, les atomes de césium cèdent spontanément leur électron au métal et se transforment en ions positifs. Des champs électrostatiques accélèrent ces ions à des vitesses considérables vers l'espace extérieur, générant une poussée continue hyper-efficace.
Le césium a un point de fusion exceptionnellement bas, seulement 28,5 °C. Cela signifie que par une chaude journée d'été ou en tenant une ampoule de verre scellée dans la paume de la main, la chaleur corporelle fait fondre le métal en quelques minutes. De plus, c'est l'un des rares métaux avec un bel éclat doré pâle, bien qu'il ne doive jamais être touché directement en raison de sa réactivité extrême.
Le formiate de césium est un sel organique monovalent avec une solubilité dans l'eau colossale, générant des saumures claires avec des densités allant jusqu'à 2,3 grammes par centimètre cube sans avoir besoin de particules solides en suspension. Dans les puits de pétrole et de gaz offshore soumis à des pressions et températures extrêmes (HPHT), ce fluide lubrique le foret, équilibre la pression colossale du réservoir pour prévenir les éruptions et n'endommage pas les parois poreuses de la roche productrice d'hydrocarbures.
L'hydroxyde de césium (CsOH) combine le cation métallique le plus volumineux et le plus électropositif du tableau périodique avec l'anion hydroxyde. La liaison Cs-O est presque purement ionique, donc dans l'eau elle se dissocie à 100 % libérant des ions hydroxyde sans aucune restriction électrostatique. Cette basicité excessive lui permet d'attaquer les verres borosilicatés, de corroder les céramiques réfractaires et de dissoudre les tissus biologiques avec une agressivité thermique et chimique bien supérieure à la soude caustique ou à la potasse caustique.
Principales sources consultées : PubChem, Royal Society of Chemistry, NIST, IUPAC. Dernière révision : novembre 2026.