Francium

Francium
87 Fr
Cs ↑ Fr ↓ Uue Tableau périodique radon ← → francium radium
Apparence
Inconnu, mais probablement métallique
Propriétés générales
Nom, symbole, nombre	francium, Fr, 87
Prononciation	/ fa r æ n s Je ə m / -Əm de FRAN
Élément Catégorie	métal alcalin
Groupe, période, bloc	(1) des métaux alcalins , 7, s
Poids atomique standard	(223)
Configuration électronique	[ Rn ] 7s 1 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1
Histoire
Découverte	Marguerite Perey (1939)
Premier isolement	Marguerite Perey (1939)
Propriétés physiques
Phase	solide vraisemblablement
Densité (à proximité rt)	? 1,87 (extrapolation) g · cm -3
Point de fusion	? 300 K ,? 27 ° C,? 80 ° F
Point d'ébullition	? 950 K,? 677 ° C,? 1250 ° F
La chaleur de fusion	ca. 2 kJ · mol -1
Chaleur de vaporisation	ca. 65 kJ · mol -1
Pression de vapeur (extrapolée)
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k à T (K) 404 454 519 608 738 946
Propriétés atomiques
États d'oxydation	1 (fortement oxyde de base)
Électronégativité	0,7 (échelle de Pauling)
énergies d'ionisation	1e: 380 kJ · mol -1
Rayon covalente	260 (extrapolée) h
Rayon de Van der Waals	348 (extrapolée) h
Miscellanées
Crystal structure	cubique centré (extrapolée)
Ordre magnétique	Paramagnétique
Résistivité électrique	3 μ (calculé) Ω · m
Conductivité thermique	15 (extrapolée) W · m -1 K -1
Numéro de registre CAS	7440-73-5
La plupart des isotopes stables
Article détaillé: Isotopes de francium
iso N / A demi-vie DM DE ( MeV) DP 221 Fr trace 4,8 min α 6,457 217 A 222 Fr syn 14,2 min β - 2,033 222 Ra 223 Fr trace 22,00 min β - 1,149 223 Ra α 5,430 219 A

Francium est un élément chimique avec le symbole Fr et de numéro atomique 87. Il était autrefois connu sous le nom eka- césium et l'actinium K. Ce est l'un des deux moins éléments électronégatifs, l'autre étant le césium . Francium est un très métal radioactif qui se désintègre en astatine , le radium et le radon . En tant que métal alcalin , elle a une électrons de valence.

Francium vrac n'a jamais été vu. En raison de l'aspect général des autres éléments dans sa colonne du tableau périodique, il est supposé que le francium semblerait comme un métal hautement réfléchissant, si suffisamment pourraient être collectées ensemble pour être considéré comme un solide ou liquide en vrac. Cependant la préparation d'un tel échantillon est impossible, car l'extrême chaleur de désintégration (sa plus longue demi-vie isotopique est à seulement 22 minutes) serait immédiatement vaporiser toute quantité visible de l'élément.

Francium a été découvert par Marguerite Perey en France (à partir de laquelle l'élément tire son nom) en 1939. Ce était le dernier élément découvert dans la nature , plutôt que par synthèse. En dehors du laboratoire, le francium est extrêmement rare, avec des quantités trouvées dans l'état de traces d'uranium et de thorium minerais, où le isotopes francium-223 formes sans cesse et se désintègre. Aussi peu que 20 à 30 g (un once) existe à un moment donné dans toute la croûte terrestre ; les autres isotopes sont entièrement synthétique. Le montant le plus important produit dans le laboratoire était un groupe de plus de 300 000 atomes.

Caractéristiques

Francium est la plus instable des éléments d'origine naturelle: son isotope le plus stable, le francium-223, a une demi-vie de seulement 22 minutes. En revanche, l'astate , le deuxième élément le moins stable d'origine naturelle, a une demi-vie de 8,5 heures. Tous les isotopes de francium se désintégrer en soit astatine, le radium, le radon ou. Francium est aussi moins stable que tous les éléments synthétiques jusqu'à élément 105 .

Francium est un métal alcalin dont les propriétés chimiques ressemblent à ceux de la plupart de césium . Un élément lourd avec un seul électrons de valence, il a le plus haut poids équivalent d'un élément quelconque. Francium, si une telle substance liquide venait à être créé par l'devrait avoir une tension de surface de 0,05092 N / m à son point de fusion. Le point de fusion de Francium a été prétendu avoir été calculée à environ 27 ° C (80 ° F, 300 K). Cependant, le point de fusion est incertain en raison de son extrême rareté et la radioactivité de l'élément. Ainsi, la valeur estimée d'ébullition de point de 677 ° C (1250 ° F, 950 K) est également incertain.

Linus Pauling a estimé le électronégativité de francium à 0,7 sur la échelle de Pauling, le même que le césium ; la valeur pour le césium a depuis été amélioré à 0,79, bien qu'il ne existe pas de données expérimentales pour permettre un raffinement de la valeur pour le francium. Francium a un peu plus élevé énergie d'ionisation de césium, 392,811 (4) kJ / mol, par opposition à 375,7041 (2) kJ / mol pour le césium, comme on pouvait s'y attendre à partir de effets relativistes, et cela impliquerait que le césium est le moins électro des deux.

Francium coprécipités avec plusieurs césium des sels, tels que perchlorate de césium, ce qui entraîne de faibles quantités de perchlorate francium. Cette co-précipitation peut être utilisé pour isoler le francium, en adaptant la méthode de co-précipitation de césium radioactif Glendenin et Nelson. Il sera en outre coprécipiter avec de nombreux autres sels de césium, y compris la iodate, le picrate, le tartrate (également rubidium tartrate), le chloroplatinate, et la silicotungstate. Il a également co-précipités avec l'acide silicotungstique, et avec l'acide perchlorique, sans un autre métal alcalin comme un support, qui comporte d'autres méthodes de séparation. Presque tous les sels de francium sont solubles dans l'eau .

Applications

En raison de son instabilité et la rareté, il n'y a pas des applications commerciales pour le francium. Il a été utilisé à des fins de recherche dans les domaines de la biologie et de la structure atomique . Son utilisation comme aide au diagnostic potentiel de divers cancers a également été explorée, mais cette demande a été jugée impraticable.

La capacité de Francium à synthétiser, piégé et refroidi, avec son relativement simple structure atomique ont fait l'objet d'spécialisés spectroscopie expériences. Ces expériences ont conduit à des informations plus spécifiques concernant les niveaux d'énergie et de la les constantes de couplage entre particules subatomiques. Les études sur la lumière émise par le francium-210 ions laser piégés ont fourni des données précises sur les transitions entre les niveaux d'énergie atomiques qui sont assez similaires à celles prédites par la théorie quantique .

Histoire

Dès 1870, les chimistes pensaient qu'il devrait y avoir un métal alcalin au-delà de césium , avec un numéro atomique 87. Il a ensuite été renvoyé par le nom provisoire eka-césium. Les équipes de recherche ont tenté de localiser et isoler cet élément manquant, et au moins quatre fausses déclarations ont été faites que l'élément a été trouvé devant une authentique découverte a été faite.

Découvertes erronées et incomplètes

Chimiste soviétique DK Dobroserdov était le premier scientifique à prétendre avoir trouvé eka-césium ou le francium. En 1925, il a observé faible radioactivité dans un échantillon de potassium , d'un autre métal alcalin, et a conclu à tort que eka-césium a été contaminer l'échantillon (la radioactivité de l'échantillon était en fait le radio-isotope de potassium d'origine naturelle, potassium-40). Il a ensuite publié une thèse sur ses prédictions des propriétés de eka-césium, dans laquelle il désigne l'élément russium après son pays d'origine. Peu de temps après, Dobroserdov a commencé à se concentrer sur sa carrière d'enseignant à l'Institut Polytechnique de Odessa, et il n'a pas poursuivi l'autre élément.

L'année suivante, en anglais chimistes Gerald JF Druce et Frederick H. Loring analysé Radiographies de manganèse (II) sulfate. Ils ont observé les raies spectrales dont ils présumées d'eka-césium. Ils ont annoncé leur découverte de l'élément 87 et a proposé le nom alkalinium, car il serait le métal alcalin plus lourd.

En 1930, Fred Allison du Alabama Polytechnic Institute affirmé avoir découvert l'élément 87 lors de l'analyse pollucite et lépidolite utilisant son Machine magnéto-optique. Allison a demandé à être nommé virginium après son état de maison Virginie, avec les symboles Vi et Vm. En 1934, cependant, HG MacPherson de UC Berkeley réfuté l'efficacité de l'appareil de Allison et la validité de cette fausse découverte.

En 1936, le physicien roumain Horia Hulubei et son collègue français Yvette Cauchois également analysé pollucite, cette fois en utilisant leur appareil à rayons X à haute résolution. Ils ont observé plusieurs lignes d'émissions faibles, qu'ils présumés être ceux de l'élément 87. Hulubei et Cauchois signalé leur découverte et a proposé le nom moldavium, avec le symbole Ml, après La Moldavie, la province de la Roumanie où Hulubei est né. En 1937, le travail de Hulubei a été critiqué par le physicien américain FH Hirsh Jr., qui a rejeté les méthodes de recherche de Hulubei. Hirsh était certain que eka-césium ne serait pas trouvé dans la nature, et que Hulubei avait plutôt observé mercure ou bismuth lignes X-ray. Hulubei, cependant, a insisté pour que son appareil et les méthodes de rayons X étaient trop précis pour faire une telle erreur. Pour cette raison, Jean Perrin, Lauréat du prix Nobel et le mentor de Hulubei, moldavium approuvé comme le véritable eka-césium plus Le francium récemment découvert de Marguerite Perey. Perey, cependant, continue critiqué le travail de Hulubei jusqu'à ce qu'elle a été crédité comme le seul découvreur de l'élément 87.

L'analyse de Perey

Eka-césium a été découvert en 1939 par Marguerite Perey de la Institut Curie à Paris, France quand elle purifie un échantillon de l'actinium -227 qui avait été signalé à avoir une énergie de désintégration de 220 keV. Cependant, Perey remarqué particules de désintégration avec un niveau d'énergie inférieur à 80 keV. Perey pensait cette activité de décroissance pourrait avoir été causé par un produit de désintégration non identifiés auparavant, celui qui a été séparé pendant la purification, mais a émergé à nouveau sur l'actinium-227 pur. Différents essais ont éliminé la possibilité de l'élément inconnu étant thorium , radium, le plomb , le bismuth ou de thallium . Le nouveau produit a montré des propriétés d'un métal alcalin chimiques (comme co-précipitation avec des sels de césium), qui ont conduit Perey à croire que ce était l'élément 87, causée par le désintégration alpha de l'actinium-227. Perey a ensuite tenté de déterminer la proportion de désintégration bêta désintégration alpha dans l'actinium-227. Son premier test mis l'alpha ramification à 0,6%, un chiffre qui elle a ensuite révisée à 1%.

Perey nommé le nouvel isotope actinium-K (maintenant dénommée francium-223) et en 1946, elle a proposé le nom catium pour son élément nouvellement découvert, comme elle croyait être le plus électropositif cation des éléments. Irène Joliot-Curie, un des superviseurs de Perey, oppose le nom en raison de sa connotation de chat plutôt que cation. Perey alors suggéré francium, après la France. Ce nom a été officiellement adopté par le Union internationale de chimie pure et appliquée en 1949, devenant ainsi le deuxième élément après gallium à être nommé après la France. Il a été attribué le symbole Fa, mais cette abréviation a été révisé pour le courant Fr peu de temps après. Francium était le dernier élément découvert dans la nature, plutôt que synthétisé, à la suite de rhénium en 1925. Des recherches supplémentaires dans la structure de francium a été réalisée par, entre autres, Sylvain Lieberman et son équipe CERN dans les années 1970 et 1980.

Occurrence

Cet échantillon de uraninite contient environ 100 000 atomes (3,3 × 10 ^-20 g) du francium-223 à un moment donné.

Naturel

Francium-223 est le résultat de la désintégration alpha de l'actinium-227 et peut être trouvé dans l'état de traces dans l'uranium et de thorium minéraux . Dans un échantillon donné de l'uranium, il est estimé à un seul atome d'francium pour chaque 1 × 10 ¹⁸ atomes d'uranium. Il est également calculé qu'il y ait au plus 30 g de francium dans la croûte terrestre à tout moment.

Synthèse

Francium peuvent être synthétisés dans la réaction nucléaire:

Au ¹⁹⁷ + ¹⁸ O → ²¹⁰ Fr + 5 n

Ce processus, mis au point par Stony Brook physique, les rendements francium isotopes avec des masses de 209, 210, et 211, qui sont ensuite isolées par la piège magnéto-optique (MOT). Le taux d'un isotope particulier de production dépend de l'énergie du faisceau d'oxygène. Un ¹⁸ O faisceau de la Stony Brook LINAC crée ²¹⁰ Fr dans la cible de l'or avec la réaction nucléaire ¹⁹⁷ Au ¹⁸ + O → ²¹⁰ Fr + 5n. La production requise certain temps pour développer et comprendre. Il était essentiel pour faire fonctionner la cible d'or très proche de son point de fusion et de se assurer que sa surface était très propre. La réaction nucléaire imbeds les atomes de francium profonde dans la cible de l'or, et ils doivent être retirés efficacement. Les atomes diffusent rapidement à la surface de la cible et de l'or sont libérés sous forme d'ions; Toutefois, cela ne se produit pas à chaque fois. Les ions francium sont guidés par lentilles électrostatiques jusqu'à ce qu'ils atterrissent dans une surface de l'yttrium chaud et deviennent neutres nouveau. Le francium est ensuite injectée dans une ampoule de verre. A faisceaux laser sur le terrain et magnétiques refroidir et limitent les atomes. Bien que les atomes restent dans le piège que pendant environ 20 secondes avant de se échapper (ou décomposition), un flux régulier d'atomes frais remplace ceux qui ont perdu, en gardant le nombre d'atomes piégés à peu près constants pendant quelques minutes ou plus. Dans un premier temps, à environ 1000 atomes de francium ont été piégés dans l'expérience. Ce était progressivement améliorée et la configuration est capable de piéger plus de 300 000 atomes neutres du francium un temps. Bien que ces atomes neutres "métalliques" ("métal francium"), ils sont dans un état non consolidée gazeux. Assez francium est piégé qu'une caméra vidéo peut capturer la lumière émise par les atomes tels qu'ils sont fluorescents. Les atomes apparaissent comme une sphère lumineuse d'environ 1 millimètre de diamètre. Ce était la première fois que tout le monde ait jamais vu le francium. Les chercheurs peuvent désormais effectuer des mesures très sensibles de la lumière émise et absorbée par les atomes piégés, fournissant les premiers résultats expérimentaux sur diverses transitions entre les niveaux d'énergie nucléaire dans le francium. Les mesures initiales montrent très bon accord entre les valeurs expérimentales et des calculs basés sur la théorie quantique. Autres méthodes de synthèse comprennent radium bombardant de neutrons, et bombardant avec des protons de thorium, deutérons, ou hélium ions . Francium n'a pas, à partir de 2012, été synthétisé en quantité suffisante pour peser.

Isotopes

Il ya 34 isotopes connus du francium allant dans masse atomique de 199 à 232. Francium a sept métastable isomères nucléaires. Francium-223 et le francium-221 sont les seuls isotopes qui se produisent dans la nature, même si le premier est beaucoup plus commun.

Francium-223 est l'isotope le plus stable avec une demi-vie de 21,8 minutes, et il est très peu probable qu'un isotope de francium avec une demi-vie plus longue sera jamais découvert ou synthétisé. Francium-223 est le cinquième produit de l' actinium série de désintégration de l'isotope fille de l'actinium-227. Francium-223 se désintègre en radium 223 par désintégration bêta (1149 keV énergie de désintégration), avec un mineur (0,006%) alpha chemin de la pourriture à l'astate-219 (5,4 MeV énergie de désintégration).

Francium-221 a une demi-vie de 4,8 minutes. Il est le neuvième produit de la neptunium série de désintégration comme un isotope fille de l'actinium-225. Francium-221 se désintègre en astate-217 par la désintégration alpha (6,457 MeV d'énergie de décroissance).

Le moins stable état fondamental isotope est francium-215, avec une demi-vie de 0,12 ps. (9,54 MeV désintégration alpha d'astate-211): Son isomère métastable, francium-215m, est encore moins stable, avec une demi-vie de seulement 3,5 ns.