frans - Francium

Francium,  87 Fr
Francium
Wymowa / F r ć n y I ə m / ( FRAN -patrz-əm )
Liczba masowa [223]
Franc w układzie okresowym
Wodór Hel
Lit Beryl Bor Węgiel Azot Tlen Fluor Neon
Sód Magnez Aluminium Krzem Fosfor Siarka Chlor Argon
Potas Wapń Skand Tytan Wanad Chrom Mangan Żelazo Kobalt Nikiel Miedź Cynk Gal German Arsen Selen Brom Krypton
Rubid Stront Itr Cyrkon Niob molibden Technet Ruten Rod Paladium Srebro Kadm Ind Cyna Antymon Tellur Jod Ksenon
Cez Bar Lantan Cer Prazeodym Neodym promet Samar Europ Gadolin Terb Dysproz Holmium Erb Tul Iterb Lutet Hafn Tantal Wolfram Ren Osm Iryd Platyna Złoto Rtęć (pierwiastek) Tal Ołów Bizmut Polon Astatin Radon
Francium Rad Aktyn Tor Protaktyn Uran Neptun Pluton Ameryk Kiur Berkel Kaliforn Einsteina Ferm Mendelew Nobel Wawrzyńca Rutherford Dubnium Seaborgium Bohrium Hass Meitnerium Darmsztadt Rentgen Kopernik Nihon Flerow Moskwa Livermorium Tennessine Oganesson
Cs

Fr

( Uue )
radonfrankrad
Liczba atomowa ( Z ) 87
Grupa grupa 1: wodór i metale alkaliczne
Okres okres 7
Blok   s-blok
Konfiguracja elektronów [ Rn ] 7s 1
Elektrony na powłokę 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1
Właściwości fizyczne
Faza STP solidny
Temperatura topnienia 300  K (27 ° C, ​81 ° F)
Temperatura wrzenia 950 K (677 ° C, 1251 ° F)
Gęstość (w pobliżu  rt ) 2,48 g / cm 3 (w przybliżeniu)
Prężność pary (ekstrapolowana)
P  (Pa) 1 10 100 1 tys 10 tys 100 tys
T  (K) 404 454 519 608 738 946
Właściwości atomowe
Stany utleniania +1 (silnie zasadowy tlenek)
Elektroujemność Skala Paulinga: >0,79
Energie jonizacji
Promień kowalencyjny 260 po  południu (ekstrapolowana)
Promień Van der Waalsa 348 po południu (ekstrapolowana)
Inne właściwości
Naturalne występowanie od rozkładu
Struktura krystaliczna Ciało skoncentrowane sześcienny (BCC)
Body-centered cubic crystal structure for francium

(ekstrapolowane)
Przewodność cieplna 15 W/(m⋅K) (ekstrapolowane)
Rezystancja 3 µΩ⋅m (obliczone)
Zamawianie magnetyczne Paramagnetyczny
Numer CAS 7440-73-5
Historia
Nazewnictwo po Francji, ojczyźnie odkrywcy
Odkrycie i pierwsza izolacja Małgorzata Perey (1939)
Główne izotopy fransu
Izotop Obfitość Okres półtrwania ( t 1/2 ) Tryb zaniku Produkt
212 Fr syn 20,0 min β + 212 Rn
α 208 Ateny
221 Fr namierzać 4,8 min α 217 At
222 Fr syn 14,2 min β 222 Ra
223 Fr namierzać 22.00 min β 223 Ra
α 219 At
Category Kategoria: Francium
| Bibliografia

Frans jest pierwiastkiem o symbolu  Pt i liczbę atomową  87. Przed ich odkryciu było dalej EKA - cez . Jest niezwykle radioaktywny ; jego najbardziej stabilny izotop, frans-223 (pierwotnie nazywany aktyną K po naturalnym łańcuchu rozpadu, w którym się pojawia), ma okres półtrwania tylko 22 minuty. Jest to drugi najbardziej elektrododatni pierwiastek, zaraz za cezem, i jest drugim najrzadszym pierwiastkiem występującym w przyrodzie (po astatynie ). Izotopy fransu szybko rozpadają się na astat , rad i radon . Struktura elektronowa atomu fransu to [Rn] 7s 1 , a więc pierwiastek jest klasyfikowany jako metal alkaliczny .

Frank luzem nigdy nie był widziany. Ze względu na ogólny wygląd innych pierwiastków w jego kolumnie układu okresowego, zakłada się, że fran pojawiałby się jako wysoce reaktywny metal, gdyby można było zebrać wystarczająco dużo, aby można je było postrzegać jako masowe ciało stałe lub ciecz. Uzyskanie takiej próbki jest wysoce nieprawdopodobne, ponieważ ekstremalne ciepło rozpadu wynikające z jej krótkiego okresu półtrwania spowoduje natychmiastowe odparowanie każdej widocznej ilości pierwiastka.

Francium została odkryta przez Marguerite Perey we Francji (od której pierwiastek wziął swoją nazwę) w 1939 roku. Był to ostatni pierwiastek odkryty po raz pierwszy w naturze, a nie przez syntezę. Poza laboratorium fran jest niezwykle rzadki, w śladowych ilościach znalezionych w rudach uranu i toru , gdzie izotop franu-223 nieustannie tworzy się i rozpada. Tylko 20-30 g (jedna uncja) istnieje w dowolnym momencie w całej skorupie ziemskiej ; oprócz francium-221 jego inne izotopy są całkowicie syntetyczne. Największą ilością wytworzoną w laboratorium było skupisko ponad 300 000 atomów.

Charakterystyka

Francium jest jednym z najbardziej niestabilnych z naturalnie występujących pierwiastków: jego najdłużej żyjący izotop, frans-223, ma okres półtrwania tylko 22 minuty. Jedynym porównywalnym pierwiastkiem jest astatyna , której najbardziej stabilny naturalny izotop, astatyna-219 (córka alfa francium-223), ma okres półtrwania 56 sekund, chociaż syntetyczny astatyna-210 ma znacznie dłuższy okres półtrwania. 8,1 godziny. Wszystkie izotopy fransu rozpadają się na astat, rad lub radon . Francium-223 ma również krótszy okres półtrwania niż najdłużej żyjący izotop każdego syntetycznego pierwiastka aż do pierwiastka 105 włącznie, dubnium .

Franc to metal alkaliczny, którego właściwości chemiczne w większości przypominają właściwości cezu. Ciężki pierwiastek z pojedynczym elektronem walencyjnym , ma najwyższą masę równoważną ze wszystkich pierwiastków. Ciekły fran-jeśli jest wytwarzany-powinien mieć napięcie powierzchniowe 0,05092  N /mw swojej temperaturze topnienia. Temperatura topnienia Francium oszacowano na około 8,0 ° C (46,4 ° F); często spotykana jest również wartość 27 ° C (81 ° F). Temperatura topnienia jest niepewna ze względu na ekstremalną rzadkość i radioaktywność pierwiastka ; inna ekstrapolacja oparta na metodzie Dymitra Mendelejewa dała 20 ± 1,5 °C (68,0 ± 2,7 °F). Szacowana temperatura wrzenia 620 ° C (1148 ° F) jest również niepewna; szacunki 598 ° C (1108 ° F) i 677 ° C (1251 ° F), a także ekstrapolacja z metody Mendelejewa z 640 ° C (1184 ° F), zostały również zasugerowane. Oczekuje się, że gęstość fransu wyniesie około 2,48 g/cm 3 (metoda Mendelejewa ekstrapoluje 2,4 g/cm 3 ).

Linus Pauling oszacował elektroujemność franu na 0,7 w skali Paulinga , tak samo jak cez; wartość cezu została od tego czasu skorygowana do 0,79, ale nie ma danych eksperymentalnych, które pozwoliłyby na doprecyzowanie wartości dla franu. Franc ma nieco wyższą energię jonizacji niż cez, 392.811(4) kJ/mol w przeciwieństwie do 375.7041(2) kJ/mol dla cezu, jak można by się spodziewać po efektach relatywistycznych , a to sugerowałoby, że cez jest mniej elektroujemny dwa. Franc powinien również mieć wyższe powinowactwo do elektronów niż cez, a jon Fr powinien być bardziej polaryzowalny niż jon Cs . Przewiduje się, że cząsteczka CsFr ma frans na ujemnym końcu dipola, w przeciwieństwie do wszystkich znanych heterodiatomowych cząsteczek metali alkalicznych. Oczekuje się, że nadtlenek francu (FrO 2 ) będzie miał charakter bardziej kowalencyjny niż jego lżejsze kongenery ; przypisuje się to temu, że 6p elektrony we francie są bardziej zaangażowane w wiązanie fran-tlen.

Frans coprecipitates z kilkoma cezu soli , takich jak cezu nadchloran , co powoduje w niewielkich ilościach frans nadchloran. To współstrącanie można wykorzystać do wyizolowania fransu, przez przystosowanie metody współstrącania promieniotwórczego cezu Lawrence'a E. Glendenina i CM Nelsona. Będzie dodatkowo współstrącać z wieloma innymi solami cezu, w tym jodanem , pikrynianem , winianem (także winianem rubidu ), chloroplatynianem i krzemowolframianem . Współstrąca również z kwasem krzemowolframowym oraz z kwasem nadchlorowym bez innego metalu alkalicznego jako nośnika , co prowadzi do innych metod separacji. Prawie wszystkie sole francu są rozpuszczalne w wodzie .

Izotopy

Istnieją 34 znane izotopy fransu o masie atomowej od 199 do 232. frans ma siedem metastabilnych izomerów jądrowych . Francium-223 i francium-221 to jedyne izotopy występujące w przyrodzie, przy czym te pierwsze są znacznie bardziej powszechne.

Francium-223 jest najbardziej stabilnym izotopem, z okresem półtrwania wynoszącym 21,8 minuty, i jest wysoce nieprawdopodobne, aby izotop franu o dłuższym okresie półtrwania kiedykolwiek został odkryty lub zsyntetyzowany. Francium-223 jest piątym produktem z serii rozpadu uranu-235 jako izotop potomny aktynu-227 ; tor-227 jest bardziej powszechną córką. Franc-223 następnie rozpada się na rad-223 przez rozpad beta (1,149 MeV energia rozpadu ), z niewielką (0,006%) ścieżką rozpadu alfa do astatyny-219 (energia rozpadu 5,4 MeV).

Francium-221 ma okres półtrwania 4,8 minuty. Jest to dziewiąty produkt z serii rozpadu neptunu jako izotop potomny aktynu-225 . Francium-221 następnie rozpada się na astatynę-217 przez rozpad alfa (energia rozpadu 6,457 MeV).

Najmniej stabilnym izotopem stanu podstawowego jest fran-215, z okresem półtrwania 0,12 μs: ulega rozpadowi alfa 9,54 MeV do astatyny-211. Jego metastabilny izomer , francu-215m, jest jeszcze mniej stabilny, z okresem półtrwania wynoszącym tylko 3,5 ns.

Aplikacje

Ze względu na jego niestabilność i rzadkość nie ma komercyjnych zastosowań dla fransu. Wykorzystywany był do celów badawczych w dziedzinie chemii i budowy atomów . Zbadano również jego zastosowanie jako potencjalnej pomocy diagnostycznej w różnych nowotworach , ale ta aplikacja została uznana za niepraktyczną.

Zdolność Francium do syntezy, pułapkowania i chłodzenia, wraz z jego stosunkowo prostą strukturą atomową , uczyniła z niego przedmiot specjalistycznych eksperymentów spektroskopowych . Eksperymenty te doprowadziły do ​​bardziej szczegółowych informacji dotyczących poziomów energii i stałych sprzężenia między cząstkami subatomowymi . Badania nad światłem emitowanym przez uwięzione laserowo jony francu-210 dostarczyły dokładnych danych na temat przejść między poziomami energii atomowej, które są dość podobne do przewidywanych przez teorię kwantową .

Historia

Już w 1870 r. chemicy uważali, że poza cezem powinien istnieć metal alkaliczny o liczbie atomowej 87. Nazwano go wtedy prowizoryczną nazwą eka-cez . Zespoły badawcze próbowały zlokalizować i wyizolować ten brakujący element, a co najmniej cztery fałszywe twierdzenia, że ​​pierwiastek został znaleziony przed dokonaniem autentycznego odkrycia.

Błędne i niekompletne odkrycia

Radziecki chemik Dmitrij Dobroserdov był pierwszym naukowcem, który twierdził, że znalazł eka-cez lub frans. W 1925 r. zaobserwował słabą radioaktywność w próbce potasu , innego metalu alkalicznego, i błędnie wywnioskował, że eka-cez zanieczyszcza próbkę (promieniotwórczość próbki pochodziła z naturalnie występującego radioizotopu potasu , potasu-40 ). Następnie opublikował rozprawę na temat swoich przewidywań właściwości eka-cezu, w której nazwał pierwiastek russium po swoim ojczystym kraju. Wkrótce potem Dobroserdov zaczął koncentrować się na swojej karierze nauczycielskiej w Instytucie Politechnicznym w Odessie i nie kontynuował tego elementu.

W następnym roku po angielsku chemicy Gerald JF Druce i Frederick H. Loring analizie rentgenowskiej fotografie manganu (II), siarczan . Zaobserwowali linie widmowe, które, jak przypuszczali, pochodziły z eka-cezu. Ogłosili swoje odkrycie pierwiastka 87 i zaproponowali nazwę alkalin , ponieważ byłby to najcięższy metal alkaliczny.

W 1930 roku Fred Allison z Alabama Polytechnic Institute twierdził, że odkrył pierwiastek 87 (oprócz 85) podczas analizy pollucytu i lepidolitu za pomocą swojej maszyny magnetooptycznej . Allison poprosił o nazwanie go virginium od jego rodzinnego stanu Virginia , wraz z symbolami Vi i Vm. W 1934 roku HG MacPherson z UC Berkeley obalił skuteczność urządzenia Allison i słuszność jego odkrycia.

W 1936 roku rumuński fizyk Horia Hulubei i jego francuska koleżanka Yvette Cauchois również przeanalizowali pollucyt, tym razem używając aparatu rentgenowskiego o wysokiej rozdzielczości. Zaobserwowali kilka słabych linii emisyjnych, które, jak przypuszczali, były liniami pierwiastka 87. Hulubei i Cauchois zgłosili swoje odkrycie i zaproponowali nazwę mołdawia wraz z symbolem Ml, po Mołdawii , rumuńskiej prowincji, w której urodził się Hulubei. W 1937 praca Hulubei została skrytykowana przez amerykańskiego fizyka FH Hirsha Jr. , który odrzucił metody badawcze Hulubei. Hirsh był pewien, że eka-cez nie zostanie znaleziony w przyrodzie i że zamiast tego Hulubei zaobserwował linie rentgenowskie rtęci lub bizmutu . Hulubei upierał się, że jego aparat rentgenowski i metody były zbyt dokładne, aby popełnić taki błąd. Z tego powodu Jean Baptiste Perrin , zdobywca nagrody Nobla i mentor Hulubei, uznał mołdawię za prawdziwe eka-cez w stosunku do niedawno odkrytego fransu Marguerite Perey . Perey starała się być dokładna i szczegółowa w swojej krytyce pracy Hulubei, iw końcu została uznana za jedynego odkrywcę pierwiastka 87. Wszystkie inne poprzednie rzekome odkrycia pierwiastka 87 zostały wykluczone ze względu na bardzo ograniczony okres półtrwania francium.

Analiza Pereya

Eka-cez została odkryta 7 stycznia 1939 roku przez Marguerite Perey z Instytutu Curie w Paryżu, kiedy oczyściła próbkę aktynu -227 o energii rozpadu o energii 220 keV. Perey zauważył cząstki rozpadu o poziomie energii poniżej 80 keV. Perey sądził, że ta aktywność rozpadu mogła być spowodowana przez wcześniej niezidentyfikowany produkt rozpadu, który został oddzielony podczas oczyszczania, ale wyłonił się ponownie z czystego aktynu-227. Różne testy wyeliminowały możliwość, że nieznanym pierwiastkiem jest tor , rad, ołów , bizmut lub tal . Nowy produkt wykazywał właściwości chemiczne metalu alkalicznego (takie jak współstrącanie z solami cezu), co skłoniło Pereya do przekonania, że ​​jest to pierwiastek 87, wytwarzany przez rozpad alfa aktynu-227. Perey następnie spróbował określić stosunek rozpadu beta do rozpadu alfa w aktynie-227. Jej pierwszy test wykazał, że rozgałęzienie alfa wynosi 0,6%, co później poprawiła do 1%.

Perey nazwał nowy izotop aktynem-K (obecnie określany jako francium-223), a w 1946 zaproponowała nazwę kation (Cm) dla swojego nowo odkrytego pierwiastka, ponieważ uważała, że ​​jest to najbardziej elektrododatni kation pierwiastków. . Irène Joliot-Curie , jedna z przełożonych Pereya, sprzeciwiła się nazwie ze względu na konotację kota, a nie kationu ; co więcej, symbol ten pokrywał się z tym, który od tego czasu był przypisany do kurium . Perey następnie zasugerował frank , po Francji. Nazwa ta została oficjalnie przyjęta przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) w 1949 roku, stając się drugim pierwiastkiem po galu, który ma być nazwany na cześć Francji. Przypisano mu symbol Fa, ale skrót ten został wkrótce potem zmieniony na obecny Fr. Frank był ostatnim pierwiastkiem odkrytym w przyrodzie, a nie zsyntetyzowanym, po hafnie i renie . Dalsze badania nad strukturą fransu prowadził m.in. Sylvain Lieberman i jego zespół w CERN w latach 70. i 80. XX wieku.

Występowanie

A shiny gray 5-centimeter piece of matter with a rough surface.
Ta próbka uraninit zawiera około 100000 węgla (3,3 × 10 - 20  g) frans-223 w danym momencie.

223 Fr jest wynikiem rozpadu alfa 227 Ac i można go znaleźć w śladowych ilościach w minerałach uranu . Szacuje się, że w danej próbce uranu przypada tylko jeden atom franu na każdy 1 × 10 18 atomów uranu. Oblicza się również, że w danej chwili w skorupie ziemskiej znajduje się co najwyżej 30 g fransu .

Produkcja

Frank można zsyntetyzować w reakcji fuzji , gdy tarcza złota 197 jest bombardowana wiązką 18 atomów tlenu z akceleratora liniowego w procesie pierwotnie opracowanym na wydziale fizyki Uniwersytetu Stanowego Nowego Jorku w Stony Brook w 1995 roku. W zależności od energii wiązki tlenu reakcja może dać izotopy fransu o masach 209, 210 i 211.

197 Au + 18 O → 209 Fr + 6 n
197 Au + 18 O → 210 Fr + 5 n
197 Au + 18 O → 211 Fr + 4 n
A complex experimental setup featuring a horizontal glass tube placed between two copper coils.
Pułapka magnetooptyczna, która może przez krótki czas utrzymywać neutralne atomy franu.

Atomy franu opuszczają złoty cel w postaci jonów, które są neutralizowane przez zderzenie z itrem, a następnie izolowane w pułapce magnetooptycznej (MOT) w nieskonsolidowanym stanie gazowym. Chociaż atomy pozostają w pułapce tylko przez około 30 sekund, zanim uciekną lub ulegną rozpadowi jądrowemu, proces ten dostarcza ciągły strumień świeżych atomów. Rezultatem jest stan ustalony zawierający dość stałą liczbę atomów przez znacznie dłuższy czas. Oryginalna aparatura mogła uwięzić do kilku tysięcy atomów, podczas gdy później ulepszona konstrukcja mogła uwięzić ponad 300 000 atomów na raz. Dokładne pomiary światła emitowanego i pochłanianego przez uwięzione atomy dostarczyły pierwszych wyników eksperymentalnych dotyczących różnych przejść między poziomami energii atomowej we fransach. Wstępne pomiary wykazują bardzo dobrą zgodność między wartościami eksperymentalnymi a obliczeniami opartymi na teorii kwantowej. Projekt badania przy użyciu tej metody produkcji przeniosła do Triumf w roku 2012, gdzie ponad 10 6 atomów francium zostały która odbyła się w czasie, w tym duże ilości 209 Fr oprócz 207 FR i 221 O.

Inne metody syntezy obejmują bombardowanie radu neutronami i bombardowanie toru protonami, deuteronami lub jonami helu .

223 Pt mogą być także izolowane z próbek nadrzędnego 227 sieciowego, frans dojone przez eluowanie NH 4 Cl-CrO 3 z wymieniacza kationowego zawierający aktynu-i oczyszczono przez przepuszczenie roztworu przez dwutlenek krzemu, związku załadowanego do siarczanu baru .

A round ball of red light surrounded by a green glow
Obraz światła emitowanego przez próbkę 200 000 atomów franu w pułapce magnetooptycznej
A small white spot in the middle surrounded by a red circle. There is a yellow ring outside the red circle, a green circle beyond the yellow ring and a blue circle surrounding all the other circles.
Obraz cieplny 300 000 atomów franka w pułapce magnetooptycznej

W 1996 roku grupa Stony Brook uwięziła 3000 atomów w swoim MOT, co wystarczyło, aby kamera wideo uchwyciła światło emitowane przez atomy podczas ich fluorescencji. Francium nie zostało zsyntetyzowane w ilościach wystarczająco dużych, aby zważyć.

Uwagi

Bibliografia

Zewnętrzne linki