Francij: Hemijski element sa simbolom Fr i atomskim brojem 87

U prošlosti bio je poznat kao eka-cezij i aktinij K. Po Paulingovoj skali, on je najmanje elektronegativni element. Međutim, po drugim skalama kao naprimjer Allenovoj, manje elektronegativan od francija je samo cezij. Francij je veoma radioaktivan metal koji se raspada na astat, radij i radon. Pošto je alkalni metal, ima jedan valentni elektron.

Francij,  ₈₇Fr

Francij u periodnom sistemu
↓                                                                     ↓                                                             →                                                             →
Hemijski element, Simbol, Atomski broj	Francij, Fr, 87
Serija	Alkalni metali
Grupa, Perioda, Blok	1, 7, s
Izgled	-
Zastupljenost	1,3 · 10-21 %
Atomske osobine
Atomska masa	223,0197 u
Atomski radijus (izračunat)	( -) pm
Kovalentni radijus	260 pm
Van der Waalsov radijus	348 pm
Elektronska konfiguracija	[Rn] 7s1
Broj elektrona u energetskom nivou	2, 8, 18, 32, 18, 8, 1
1. energija ionizacije	393 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje	čvrsto
Kristalna struktura	kubična prostorno centrirana
Gustoća	nepoznata (oko 1870-2500) kg/m3
Tačka topljenja	oko 300 K (27 °C)
Tačka ključanja	oko 950 K (677 °C)
Molarni volumen	m3/mol
Toplota isparavanja	oko 65 kJ/mol
Toplota topljenja	oko 2 kJ/mol
Brzina zvuka	m/s
Specifična električna provodljivost	oko 3 · 106 S/m
Toplotna provodljivost	oko 15 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacioni broj	1
Elektrodni potencijal	oko −2,92 V (Fr+ + e− → Fr)
Elektronegativnost	0,7 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR 222Fr sin 14,2 min β- 2,033 222Ra 223Fr sin 21,8 min β- 2,033 222Ra α 5,43 219At
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja Oznaka upozorenja nepoznata
Obavještenja o riziku i sigurnosti	R: / S: /
Ostala upozorenja
Radioaktivnost
Radioaktivni element
Ako je moguće i u upotrebi, koriste se osnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.

Francij u većim komadima ne postoji. Na osnovu općeg izgleda drugih elementa u istoj koloni periodnog sistema, moguće je pretpostaviti da bi francij također mogao biti metal visokog odsjaja, kada bi pošlo za rukom sakupiti ga u dovoljnoj količini da bi se mogao posmatrati u čvrstom stanju ili kao tečnost. Međutim, dobijanje takvog uzorka je gotovo nemoguće, jer bi ogromna toplota raspada (vrijeme poluraspada njegovog najduže živućeg izotopa je 22 minute) gotovo odmah isparila bilo koju vidljivu količinu elementa.

Ovaj element je otkrila Marguerite Perey 1939. u Francuskoj po kojoj je element i dobio ime. Francij je bio posljednji element koji je otkriven u prirodi prije nego što je sintetiziran. Izvan laboratorije, francij je ekstremno rijedak, a samo u tragovima se može pronaći u rudama uranija i torija, gdje se izotop francij-223 neprestano formira i raspada. U svakom trenutku u cjelokupnoj Zemljinoj kori nalazi se samo 20 do 30 g francij; drugi izotopi (osim francij-221) su potpuno sintetički. Najveća količina proizvedena u laboratoriji bio je klaster sa više od 300 hiljada atoma francija.

Već oko 1870. hemičari su pretpostavljali da bi trebao postojati još neki alkalni metal iza cezija sa atomskim brojem 87. Prema Mendeljejevom načinu imenovanja previđenih elemenata nazivali su ga eka-cezij. Istraživački timovi su pokušavali pronaći i izdvojiti nedostajući element, a u historiji je poznato najmanje četiri slučaja lažnih otkrića ovog elementa, prije nego je element zaista otkrila francuska fizičarka Marguerite Perey.

Jedan od takvih slučajeva bio je sovjetski hemičar D.K. Dobroserdov, koji je bio prvi naučnik koji je objavio otkriće eka-cezija odnosno današnjeg francija. Godine 1925. on je uočio slabu radioaktivnost u uzorku kalija, također alkalnog metala, te netačno zaključio da je nečistoća u uzorku zapravo eka-cezij. Međutim, radioaktivnost u uzorku potjecala je od prirodnog izotopa kalija koji je neznatno radioaktivan, kalij-40. Svoje pretpostavke u vezi ovog otkrića je objavio kao i osobine eka-cezija, kojem je predložio naziv rusij prema svojoj domovini Rusiji. Ipak, nedugo nakon toga, Dobroserdov je posvetio profesorskoj karijeri na Politehničkom institutu u Odesi te se nije više bavio istraživanjem ovog elementa.

Sljedećih godina, engleski hemičari Druce i Loring analizirali su fotografije mangan(II) sulfata načinjene x-zrakama. Uočili su spektralne linije za koje su pretpostavili da su zbog prisustva eka-cezija. Svoje otkriće elementa 87 su i objavili te predložili mu ime alkalinij, pošto bi to bio najteži alkalni metal.

Francij je najnestabilniji element koji se javlja u prirodi. Njegov najstabilniji izotop, francij-223, ima vrijeme poluraspada od samo 22 minute. U usporedbi s njim, astat kao drugi najnestabilniji prirodni element ima vrijeme poluraspada od 8,5 sati. Svi izotopi francija raspadaju se na neki od tri elementa: astat, radij ili radon. Francij je također manje stabilan od svih težih sintetičkih elemenata sve do elementa 105 (dubnij).

Francij je alkalni metal čije hemijske osobine najvećim dijelom sliče ceziju. On je teški element sa samo jednim valentnim elektronom, te ima najveću ekvivalentnu težinu među svim elementima. Tečni francij, ako se dobije, trebao bi imati površinsku napetost od 0,05092 N/m pri temperaturi svog topljenja. Za francij je izračunato da mu se tačka topljenja nalazi oko 27 °C (80 °F, 300 K). Međutim, ona nije sa sigurnošću određena zbog velike rijetkosti ovog elementa i njegove radioaktivnosti. Također, njegova tačka ključanja od 677 °C (1250 °F, 950 K) nije sa sigurnošću utvrđena.

Linus Pauling je procijenio elektronegativnost francija na 0,7 na Paulingovoj skali, što je isto kao i cezij; ali je vrijednost za cezij kasnije promijenjena na 0,79. Ipak ne postoje eksperimentalni podaci koji bi omogućili da se vrijednosti za francij dodatno provjere. Francij ima neznatno višu ionizacijsku energiju od cezija, 392,811(4) kJ/mol u odnosu na 375,7041(2) kJ/mol kod cezija, što bi se očekivalo prema relativističkim efektima, te bi prema ovom cezij bio manje elektronegativan od francija. Fracij bi također trebao imati i veći afinitet prema elektronu od cezija, a ion Fr⁻ bi trebao biti više polaribilan od iona cezija Cs⁻. Za molekulu CsFr previđa se da bi imala francij na negativnom kraju dipola, za razliku od svih poznati heterodiatomnih molekula alkalnih metala. Francij-superoksid (FrO₂) bi mogao imati mnogo više izražen kovalentni karakter od njegovih lakših kongenera; ova osobina mu se pripisuje zbog 6p elektrona u atomu francija koji su više uključeni u formiranje veze francij-kisik.

Francij se kotaloži sa nekoliko soli cezija, kao što je cezij-perhlorat, čime nastaje mala količina francij-perhlorata. Ovaj proces kotaloženja se može koristiti za izdvajanje francija, putem adaptacije metode radiocezijskog kotaloženja koju su 1950ih razvili naučnici L.E. Glendenin i C.M. Nelson. Francij će se kotaložiti sa mnogim drugim solima cezija, uključujući jodate, pikrate, tartrate (također i rubidij-tartrat), hloroplatinate i volframosilikate. Također se kotaloži i sa volframosilicijskom i perhlornom kiselinom, gdje ne mora biti prisutan drugi alkalni metal kao nosilac (engleski: carrier), čime se omogućavaju i druge metode njegovog izdvajanja. Gotovo sve soli francija su rastvorljive u vodi.

Izotopi

Poznata su 34 izotopa francija, čije se atomske mase kreću od 199 do 232. Francij ima i sedam metastabilnih nuklearnih izomera. Francij-223 i francij-221 su jedini izotopi koji se javljaju u prirodi, mada je prvi daleko više rasprostranjen.

Francij-223 je najstabilniji izotop ovog elementa, ima vrijeme poluraspada od 21,8 minuta, a veoma je izgledno da izotop francija sa dužim vremenom poluraspada neće nikada biti otkriven niti sintetiziran. Francij-223 je peti proizvod serije raspada aktinija kao "kćerinski" izotop aktinija-227. Francij-223 se raspada u radij-223 beta-raspadom (energija raspada 1149 keV), dok se vrlo mala količina (0,006%) raspada alfa-raspadom na astat-219 (energija raspada 5,4 MeV).

Francij-221 ima vrijeme poluraspada od 4,8 minuta. On je deveti proizvod serije raspada neptunija, kao "kćerinski" izotop aktinija-225. Francij-221 se dalje raspada u astat-217 putem alfa-raspada (energija raspada 6,457 MeV).

Najmanje stabilni izotop osnovog stanja je francij-215, sa vremenom poluraspada od samo 0,12 μs. (alfa-raspadom energije 9,54 MeV prelazi u astat-211): njegov metastabilni izomer, francij-215m je još nestabilniji sa vremenom poluraspada od samo 3,5 ns.

Prirodna

Izotop ²²³Fr je rezultat alfa-raspada izotopa aktinija ²²⁷Ac i može se naći u tragovima u mineralima uranija i torija. U nekom uzorku uranija, procjenjuje se da u svakom trenutku postoji samo jedan atom francija na svakih 1 × 10¹⁸ atoma uranija. Također je izračunato da u svakom trenutku postoji najviše 30 g francija u Zemljinoj kori.

Sinteza

 

Francij se može sintetizirati u nuklearnoj reakciji:

¹⁹⁷Au + ¹⁸O → ²¹⁰Fr + 5 n

Ovaj proces, razvijen na katedri za fiziku Državnog univerziteta New Yorka u Stony Brooku, daje izotope francija sa masama 209, 210 i 211, koji su dalje izolirani pomoću magnetno-optičke "zamke" (MOT). Stopa proizvodnje određenog izotopa zavisi od energije zrake kisika. Zraka kisika izotopa ¹⁸O iz uređaja LINAC na Univerzitetu Stony Brook ispaljena kreira ²¹⁰Fr udarom o metu od zlata gdje se odvija nuklearna reakcija ¹⁹⁷Au + ¹⁸O → ²¹⁰Fr + 5n. Proizvodnja zahtijeva određeno vrijeme za razvoj i razumijevanje. Kritični postupak je metu od zlata dovesti vrlo blizu njene tačke topljenja te osigurati da je njena površina izrazito čista. Nuklearnom reakcijom nastaju atomi francija dosta duboko u meti, pa se oni moraju vrlo efikasno ukloniti. Ti atomi vrlo brzo dolaze na površinu zlatne mete te se otpuštaju u vidu iona, mada se to ne dešava uvijek. Ioni francija se vode pomoću elektrostatičnih sočiva sve dok ne dospiju na površinu vrelog itrija nakon čega ponovno postaju neutralni. Tada se francij ubrizgava u staklenu kuglu. Magnetno polje i laserske zrake hlade i održavaju atome. Iako atomi ostaju u "zamci" samo oko 20 sekundi prije nego što odlete (ili se raspadnu), stalan tok svježih atoma zamjenjuje one koji su nestali, održavajući broj "zarobljenih" atoma ugrubo stalnim nekoliko minuta ili duže. Prvobitno, u eksperimentu je zarobljeno oko hiljadu atoma francija. To je postepeno poboljšano pa je aparatura kasnije mogla zarobiti preko 300 hiljada neutralnih atoma francija odjednom. To su neutralni metalni atomi u gasovitom nekonsolidiranom stanju. Zarobljeno je dovoljno francija da posebna video kamera može uhvatiti svjetlost koju odaju atomi dok fluoresciraju. Atomi francija imaju izgled svjetleće kugle prečnika oko 1 mm. To je bilo prvi put da je bilo ko uspio ikada "vidjeti" francij. Nakon toga, naučnici su proveli neka izuzetno osjetljiva mjerenja svjetla kojeg emitiraju i apsorbiraju zarobljeni atomi, dobijajući prve eksperimentalne rezultate od raznim tranzicijama između energetskih nivoa u atomima francija. Prva mjerenja su pokazala dobru korelaciju između eksperimentalnih vrijednosti i izračuna zasnovanih na kvantnoj teoriji. Druge sintetičke metode uključuju bombardiranje radija neutronima i bombardiranje torija protonima, deuteronima ili ionima helija. Međutim, francij se do danas nije proizveo u dovoljnim količinama da bi mu se izmjerila gustoća.

Zbog svoje stabilnosti i rijetkosti, ne postoji komercijalni način upotrebe francija. Uglavnom se koristi za istraživačke svrhe u oblastima hemije i strukture atoma. Istraživan je i njegov potencijal kao dijagnostička pomoć za razne vrste raka, ali je ta aplikacija proglašena nepraktičnom.

Sposobnost da se francij sintetizira, zarobi i ohladi, zajedno sa njegovom relativno jednostavnom atomskom strukturom, učinila ga je subjektom specijaliziranih spektroskopskih eksperimenata. Takvi eksperimenti doveli su do dosta određenijih podataka u vezi energetskih nivoa i konstanti vezivanja između subatomskih čestica. Izučavanja svjetlosti emitirane pomoću lasera sa zarobljenim ionima izotopa francija-210 dala su pouzdane podatke o tranzicijama između atomskih energetskih nivoa, koji su poprilično slične onima koje su previđene teorijom kvantne mehanike.