Was ist Caesiumcarbonat?
Caesiumcarbonat ist ein Carbonatsalz des Cäsiums mit der Zusammensetzung Cs2CO3 und dem Molekulargewicht 325,82.
Es ist eine kristalline feste Verbindung in Form eines weißen Pulvers oder einer weißen Masse und in polaren Lösungsmitteln wie Wasser, Alkoholen und DMF gut löslich. Es ist schwer löslich und muss an der Luft mit Vorsicht behandelt werden, da es Feuchtigkeit absorbiert und sich auflöst.
Es wird als starke anorganische Base oder Katalysator in der organischen Synthese und für regio- und stereoselektive Kupplungsreaktionen verwendet. Die Zersetzungstemperatur liegt bei 600 °C und beim Erhitzen auf hohe Temperaturen entstehen nichtflüchtige Zersetzungsprodukte.
Die Produkte dienen als leitfähige Abscheidungsmaterialien und werden in Anwendungen wie Solarzellen zur Erhöhung der Energieumwandlungseffizienz eingesetzt.
Anwendungen von Cäsiumcarbonat
Caesiumcarbonat wird hauptsächlich als anorganische Base und Katalysator in der organischen Synthese verwendet. Insbesondere ist es dafür bekannt, dass es bei Kopplungsreaktionen mit Carbonylierung und Carbamoylierung wie z. B. der Heck-Reaktion und der Sonogashira-Kupplung effizienter ist als andere Basen. Caesiumcarbonat ist eine ausgewogene starke Base, die sich für schwierige Synthesen eignet.
Eine weitere Anwendung, die in den letzten Jahren Aufmerksamkeit erregt hat, ist seine Verwendung als Kathode für organische elektronische Materialien. Bei Erreichen seiner Zersetzungstemperatur zerfällt Caesiumcarbonat in Cs2O und Cs2O2. Wenn sich diese beiden Molekülarten verbinden, entsteht eine n-Dotierung, die den n-Halbleitern negativ geladene freie Elektronen zuführt.
Auf diese Weise kann Caesiumcarbonat die Effizienz der Leistungsumwandlung von Geräten erhöhen, was voraussichtlich zu seiner Verwendung als Kathode für organische elektronische Materialien führen wird.
Eigenschaften von Cäsiumcarbonat
Caesiumcarbonat zeichnet sich durch eine höhere Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln aus als andere Alkalimetallcarbonate wie Kaliumcarbonat und Natriumcarbonat. Dies ist auf die Beschaffenheit des Cäsiums als Atom zurückzuführen. Cäsium hat einen großen Atomradius und lässt sich im Vergleich zu anderen Alkalimetallen sehr leicht kationisieren.
Selbst als Carbonat kann es aufgrund seiner geringen Ladungsdichte leicht mit Anionen dissoziieren und sich in organischen Lösungsmitteln lösen. Diese Eigenschaft wird häufig bei synthetischen Reaktionen in organischen Lösungsmitteln genutzt, bei denen andere Alkalicarbonate Schwierigkeiten haben, sich zu entwickeln. Andererseits ist es, wie andere Alkalimetalle auch, in niedrigpolaren Lösungsmitteln wie Toluol, p-Xylol und Chlorbenzol extrem unlöslich.
Es kann in ähnlichen Reaktionen wie andere Carbonatverbindungen, z. B. Natriumcarbonat, eingesetzt werden, wird aber wegen seines hohen Preises als Reagenz nur selten verwendet, z. B. bei Hydrolysereaktionen, wo es durch andere Basen ersetzt werden kann.
Struktur von Cäsiumcarbonat
Die Struktur von Caesiumcarbonat ist ein Salz, das aus Cäsium, einem Alkalimetall der ersten Gattung und einem Carbonat-Ion besteht. Neben der wasserfreien Form gibt es auch eine Trihydratform mit drei koordinierten Wassermolekülen.
Das Element Cäsium steht in der 6. Periode des Periodensystems und hat aufgrund seines sehr großen Atomradius die niedrigste Primärionisierungsenergie aller Elemente. Seine geringe Ladungsdichte bedeutet auch, dass es als Ion in Lösung leicht dissoziiert.
Da Cäsiummetall sehr reaktionsfreudig ist und sich an der Luft spontan entzündet und mit Wasser explosionsartig reagiert, ist es als Gefahrstoff aufgeführt.
Sonstige Informationen zu Caesiumcarbonat
Verfahren zur Herstellung von Cäsiumcarbonat
Cäsiumcarbonat wird durch eine Erhitzungsreaktion von Cäsiumoxalat gewonnen. Wenn Cäsiumoxalat an der Luft erhitzt wird, bildet sich Caesiumcarbonat unter Bildung von Kohlenmonoxid:
Cs2C2O4 → Cs2CO3 + CO
Die Synthese kann auch durch Reaktion von Cäsiumhydroxid mit Kohlendioxid erreicht werden. Da Cäsiumhydroxid mit Kohlendioxid sehr reaktionsfreudig ist, lässt sich Cäsiumcarbonat leicht gewinnen, indem man Kohlendioxidgas durch eine wässrige Lösung leitet. Nach der Reaktion wird die wässrige Lösung bis zur Trockene eingedampft, um einen Feststoff zu erhalten:
2CsOH + CO2 → Cs2CO3 + H2O