แฟรนเซียม

ลักษณะ

แฟรนเซียมเป็นธาตุที่ไม่เสถียรที่สุดที่เกิดตามธรรมชาติ เนื่องจากไอโซโทปที่เสถียรที่สุดคือ แฟรนเซียม-223 มีครึ่งชีวิตแค่ 22 นาทีเท่านั้น เทียบกับแอสทาทีนซึ่งเป็นธาตุที่ไม่เสถียรเป็นอันดับที่ 2 ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ มีครึ่งชีวิต 8.5 ชั่วโมงไอโซโทปของแฟรนเซียมทั้งหมดสลายตัวไปเป็นแอสทาทีน เรดอน หรือ เรเดียม อย่างใดอย่างหนึ่ง แฟรนเซียมยังเสถียรน้อยกว่าธาตุสังเคราะห์ทุกธาตุนับจนถึงธาตุที่ 105 ขึ้นไป
แฟรนเซียมเป็นธาตุในหมู่โลหะแอลคาไลซึ่งมีคุณสมบัติทางเคมีคล้ายกับซีเซียม แฟรนเซียมเป็นธาตุหนักที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอนเดียวมันมีน้ำหนักสมมูลสูงกว่าธาตุอื่นใด แฟรนเซียมเหลว ถ้าสร้างขึ้นได้แล้วควรจะมีแรงตึงผิว 0.05092 นิวตัน/เมตร ที่จุดหลอมเหลว มีการคำนวณว่า จุดหลอมเหลวของแฟรนเซียมมีค่าใกล้เคียงกับ 27 °C (80 ° F, 300 K)  จุดหลอมเหลวของแฟรนเซียมนั้นไม่แน่นอน เนื่องจากแฟรนเซียมเป็นธาตุหายากและเป็นกัมมันตรังสีสูง ดังนั้นค่าประมาณของจุดเดือดคืออุณหภูมิที่ 677 °C (1250 °F, 950 K) ก็ไม่แน่นอนเช่นกัน
ไลนัส พอลิงได้ประมาณค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของแฟรนเซียมไว้คือ 0.7 ในพอลิงสเกล เหมือนกับอิเล็กโทรเนกาติวิตีของซีเซียม จากนั้นมีการคำนวณค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของซีเซียมได้เท่ากับ 0.79 แม้ว่าจะไม่มีข้อมูลการทดลองใด ๆ ที่จะมาเป็นค่าของแฟรนเซียม แฟรนเซียมมีพลังงานไอออไนเซชันสูงกว่าซีเซียมเล็กน้อย แฟรนเซียมมีพลังงานไอออไนเซชั่นอยู่ 392.811 (4) กิโลจูล/โมล ส่วยซีเซียมมีค่า 375.7041 กิโลจูล/โมล ดังที่คาดการณ์จากปรากฏการณ์สัมพัทธภาพ และสามารถบอกได้ว่าซีเซียมมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีน้อยกว่าแฟรนเซียม แฟรนเซียมควรจะมีค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนมากกว่าซีเซียมและ Fr⁻ ควรจะเป็นขั้วได้มากกว่า Cs⁻ มีการทำนายว่าโมเลกุลของ CsFr มีปลายขั้วลบเป็นแฟรนเซียม ต่างจากโมเลกุลโลหะแอลคาไลที่อะตอมคู่ต่างกัน แฟรนเซียมซูเปอร์ออกไซด์ (FrO₂) คาดว่าจะมีพันธะโคเวเลนต์ มากกว่าสารในตระกูลเดียวกัน เกิดจากอิเล็กตรอน 6p ในแฟรนเซียมเกี่ยวพันกับพันธะระหว่างแฟรนเซียมและออกซิเจนมากกว่า
แฟรนเซียมตกตะกอนร่วมกับเกลือซีเซียมหลายชนิด เช่น ซีเซียมเปอร์คลอเรต ได้เป็นแฟรนเซียมเปอร์คลอเรตปริมาณเล็กน้อย การตกตะกอนร่วมนี้สามารถใช้แยกแฟรนเซียม โดยปรับใช้วิธีการตกตะกอนร่วมรังสีซีเซียมของเกล็นเดนิน และเนลสัน มันจะตกตะกอนร่วมกับเกลือซีเซียมชนิดอื่น ๆ เพิ่มอีก เช่น ไอโอเดต พิเครต ทาร์เทรต (รูบิเดียมทาร์เทรต เช่นกัน) คลอโรพลาทิเนต และซิลิโคทังสเตต มันยังตกตะกอนร่วมกับกรดซิลิโคทังสติก และกรดเปอร์คลอริก โดยไม่ต้องใช้โลหะแอลคาไลอื่นเป็นตัวพา ทำให้มีวิธีการแยกสารแบบอื่นด้วย เกลือแฟรนเซียมเกือบทุกชนิดละลายน้ำได้

การนำไปใช้

เนื่องจากความไม่เสถียรและหายาก แฟรนเซียมจึงไม่ได้ถูกนำไปใช้งานเชิงพาณิชย์ แต่ส่วนใหญ่จะถูกใช้ไปกับการวิจัยทางชีววิทยา และโครงสร้างอะตอม มีการค้นพบการใช้แฟรนเซียมเป็นตัวช่วยในการวินิจฉัยโรคมะเร็งหลายชนิดแล้วด้วย แต่การกระทำเช่นนี้ยังปฏิบัติจริงไม่ได้
ความสามารถของแฟรนเซียมที่จะสังเคราะห์ ตรวจสอบ และทำให้เย็นลง พร้อมกับโครงสร้างอะตอมที่เรียบง่าย ได้ทำให้มันเป็นเป้าหมายการทดลองสเปกโทรสโกปี การทดลองเหล่านี้ได้นำไปสู่การเพิ่มเติมของข้อมูลเกี่ยวกับระดับพลังงานและค่าคงที่คู่ควบ (Coupling constant) ระหว่างอนุภาคมูลฐานด้วยกัน การศึกษาบนพื้นฐานของแสงที่ปล่อยออกมาโดยการจับด้วยเลเซอร์ของไอออนแฟรนเซียม-210 ได้ให้ข้อมูลที่ถูกต้องเกี่ยวกับการเปลี่ยนระหว่างระดับพลังงานของอะตอมซึ่งคล้ายกับผลที่ได้จากการทำนายของกลศาสตร์ควอนตัม

ประวัติ

เมื่อปี พ.ศ. 2413 นักเคมีคิดว่าควรจะมีโลหะแอลคาไลที่เกินซีเซียมที่มีเลขอะตอม 87 ในขณะนั้นเรียกกันว่า เอคา-ซีเซียม ทีมวิจัยพยายามที่จะหาตำแหน่งและแยกธาตุที่หายไปนี้ และมีคำกล่าวอ้างอย่างน้อย 4 คำกล่าวเกิดขึ้นก่อนจะเกิดการค้นพบที่แท้จริง

การค้นพบพลาดและไม่สำเร็จ

นักเคมีของสหภาพโซเวียต ดีเค เดอโบรเซอร์ดอฟ เป็นนักวิทยาศาสตร์คนเแรกที่อ้างว่าได้ค้นพบเอคา-ซีเซียม ใน พ.ศ. 2468 เขาสังเกตเห็นกัมมันตรังสีอย่างอ่อนในสารตัวอย่างโพแทสเซียม ซึ่งเป็นโลหะแอลคาไลอีกชนิดหนึ่ง และเขาจึงสรุปว่า เอคา-ซีเซียมปนเปื้อนอยู่ในตัวอย่าง (ส่วนกัมมันตรังสีที่ปนเปื้อนในตัวอย่างนั้น ภายหลังได้ตรวจสอบแล้วพบว่าเป็นโพแทสเซียม-40) ซึ่งไม่ถูกต้อง หลังจากนั้นก็ได้ตีพิมพ์บทความที่เล่าถึงการพยากรณ์คุณสมบัติของธาตุเอคา-ซีเซียม ให้ชื่อว่า รัสเซียม ซึ่งตั้งชื่อตามประเทศบ้านเกิดของเขา หลังจากนั้นไม่นาน เดอโบรเซอร์ดอฟเริ่มให้ความสำคัญกับอาชีพครูในวิทยาลัยโพลีเทคนิคโอเดสซา และไม่ได้ศึกษาธาตุเอคา-ซีเซียมอีก
ปีถัดมา นักเคมีอังกฤษ เจอรัลด์ เจ. เอฟ. ดรูซ และเฟรดเดอริก เอช. ลอริง ได้วิเคราะห์ภาพถ่ายรังสีเอกซ์ของแมงกานีส (II) ซัลเฟต พวกเขาสังเกตเห็นเส้นสเปกตรัมซึ่งสันนิษฐานว่าเป็นของเอคา-ซีเซียม พวกเขาได้ประกาศการค้นพบธาตุที่ 87 นี้และเสนอชื่อว่า แอลคาไลเนียม เนื่องจากมันจะเป็นโลหะแอลคาไลที่หนักที่สุด
ในปี พ.ศ. 2473 เฟรด แอลลิสัน จากสถาบันโพลีเทคนิคแอละแบมา อ้างว่าได้ค้นพบธาตุที่ 87 เมื่อวิเคราะห์แร่โพลูไซต์และเลพิโดไลต์ โดยใช่อุปกรณ์ magneto-optical แอลลิสันขอให้ตั้งชื่อมันว่า เวอร์จิเนียม ตามชื่อรัฐบ้านเกิดของเขา เวอร์จิเนีย และให้สัญลักษณ์ว่า Vi หรือ Vm. แต่ใน ค.ศ. 1934 เอช. จี. แมกเฟอร์สัน จากมหาวิทยาลัยเบอร์คีเลย์ได้พิสูจน์แย้งประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่แอลลิสันใช้ และพิสูจน์ว่าสิ่งที่แอลลิสันค้นพบนั้นเป็นเท็จ
ในปี พ.ศ. 2479 นักฟิสิกส์ชาวโรมาเนีย โฮเรีย ฮูลูไบ และเพื่อนร่วมงานชาวฝรั่งเศส อีเวตต์ คาวชอยส์ ได้วิเคราะห์แร่โพลูไซต์อีกครั้ง แต่ในครั้งนี้ได้ใช้เครื่องมือรังสีเอกซ์คุณภาพสูง เขาสังเกตเห็นเส้นที่คล้ายกับแก๊สถูกปล่อยออกมาอย่างอ่อน ทำให้ทั้งคู่สันนิษฐานว่าคือธาตุที่ 87 ฮูลูไบตีพิมพ์รายงานการค้นพบดังกล่าวและเสนอชื่อว่า โมลดาเวียม ตามชื่อของโมลดาเวีย พร้อมด้วยสัญลักษณ์ Ml จังหวัดหนึ่งในโรมาเนียที่ฮูลูไบเกิด ปีถัดมา นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน เอฟ. เอช. เฮิร์ช จูเนียร์ ได้วิจารณ์การค้นพบของฮูลูไบ ไม่ยอมรับวิธีการวิจัยของฮูลูไบ เฮิร์ชแน่ใจว่าเอคา-ซีเซียมไม่มีทางพบได้ในธรรมชาติ และสิ่งที่ฮูลูไบค้นพบจริง ๆ นั้น คือรังสีเอกซ์ของปรอท หรือบิสมัท ฮูลูไบยืนหยัดว่าเครื่องมือรังสีเอกซ์และวิธีการของเขาแม่นยำเกินที่จะผิดพลาดได้ ด้วยเหตุนี้ ฌ็อง-บัพติท แปแร็ง ผู้ได้รับรางวัลโนเบลและผู้ช่วยของฮูลูไบ ให้การรับรองว่าโมลดาเวียมเป็นเอคา-ซีเซียมจริง มิใช่แฟรนเซียมอย่างที่มาร์เกอริต เปอแรเพิ่งค้นพบ เปอแรวิจารณ์งานของฮูลูไบจนกระทั่งเธอได้รับเครดิตว่าเป็นผู้ค้นพบธาตุที่ 87 ได้เพียงคนเดียว

การวิเคราะห์ของเปอแร

เอคา-ซีเซียม ถูกค้นพบใน พ.ศ. 2482 โดยมาร์เกอริต เปอแร จากสถาบันคูรี ในปารีส ประเทศฝรั่งเศส เมื่อเธอทำให้ตัวอย่างของแอกทิเนียม-227 บริสุทธิ์ ซึ่งเธอได้รับรายงานว่ามีพลังงานสลายกัมมันตรังสี 220 KeV เปอแรเห็นว่าอนุภาคสลายตัวที่ระดับพลังงานต่ำกว่า 80 KeV เปอแรคิดว่ากิจกรรมการสลายตัวนี้อาจเกิดจากการสลายตัวของผลิตภัณฑ์อีกตัวหนึ่ง ซึ่งไม่ทราบแน่ชัด ผลิตภัณฑ์ตัวหนึ่งถูกแยกออกระหว่างกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ แต่ปรากฏออกมาอีกครั้งเป็นธาตุอื่นที่ไม่ใช่แอกทิเนียม-227 การทดลองหลายครั้งได้ตัดความเป็นไปได้ว่าธาตุดังกล่าวจะเป็นทอเรียม เรเดียม ตะกั่ว บิสมัท หรือแทลเลียม ผลิตภัณฑ์ใหม่แสดงคุณสมบัติทางเคมีของโลหะแอลคาไล (เช่น การตกตะกอนร่วมกับเกลือซีเซียม) ทำให้เปอแรเชื่อว่ามันคือธาตุที่ 87 เกิดจากการสลายให้อนุภาคแอลฟา ของไอโซโทปแอกทิเนียม-227 แล้วเปอแรก็พยายามกำหนดสัดส่วนของการสลายให้อนุภาคบีตา ต่อการสลายตัวให้อนุภาคแอลฟา ในแอกทิเนียม-227 การทดลองครั้งแรกของเธอให้ผลออกมาว่ามีโอกาสเกิดการสลายตัวแอลฟา 0.6 % ซึ่งต่อมาเธอแก้ไขให้เป็น 1 %
เปอแรได้ให้ชื่อไอโซโทปใหม่นี้ว่า แอกทิเนียม-เค (ในภายหลังได้พิสูจน์ว่าคือ แฟรนเซียม-223)  และในปี พ.ศ. 2489 เปอแรได้ให้ชื่อว่า คาเทียม สำหรับธาตุที่ค้นพบใหม่ เนื่องจากเธอเชื่อว่าธาตุนี้จะเป็นไอออนประจุบวกที่มีอิเล็กโตรโพซิติวิตีมากที่สุด แต่อีเรน ฌูลีโอ-กูรี หนึ่งในผู้ดูแลของเปอแร ได้แย้งว่าคำว่า cat จะหมายถึงแมว มากกว่า cation (ไอออนประจุบวก)  ต่อมาเปอแรเสนอแนะชื่อธาตุใหม่นี้ว่า แฟรนเซียม ตามประเทศฝรั่งเศส เป็นชื่อทางการที่ได้รับการยืนยันโดยสหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ เมื่อปี พ.ศ. 2492 กลายเป็นธาตุตัวที่สองที่ตั้งชื่อตามประเทศฝรั่งเศส ถัดจากแกลเลียม มีการเสนอสัญลักษณ์ให้ธาตุนี้ว่า Fa แต่ภายหลังก็ถูกเปลี่ยนเป็น Fr หลังจากนั้นไม่นาน แฟรนเซียมเป็นธาตุสุดท้ายที่พบในธรรมชาติ มิได้สังเคราะห์ขึ้น ถัดจากรีเนียมที่ค้นพบเมื่อ พ.ศ. 2468 ซิลเวน ไลเบอร์แมน และทีมของเขาได้งานวิจัยเกี่ยวกับโครงสร้างของแฟรนเซียมต่อไปอีกที่องค์การวิจัยนิวเคลียร์ยุโรป ในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1970 และ 1980

ธรรมชาติ

แฟรนเซียม-223 เป็นผลผลิตที่ได้จากการสลายตัวแอลฟาของแอกทิเนียม-227 และพบได้ในแร่ยูเรเนียมและทอเรียม ในตัวอย่างยูเรเนียมตัวอย่างหนึ่ง จะมีแฟรนเซียมที่ถูกผลิตขึ้นอยู่ทุก ๆ 1 × 10¹⁸ อะตอมของยูเรเนียม และยังมีการคำนวณว่า ที่เวลาใด ๆ จะพบแฟรนเซียมในเปลือกโลกอย่างมาก 30 กรัม

ไอโซโทป

แฟรนเซียมมี 34 ไอโซโทป มีมวลอะตอมตั้งแต่ 199-232 แฟรนเซียมมี 7 ไอโซเมอร์นิวเคลียร์กึ่งเสถียร แฟรนเซียม-221 และแฟรนเซียม-223 เป็นเพียงสองไอโซโทปที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ โดยจะพบแฟรนเซียม-221 ได้ง่ายกว่า
แฟรนเซียม-223 เป็นไอโซโทปที่เสถียรที่สุดด้วยครึ่งชีวิต 21.8 นาที และไอโซโทปแฟรนเซียมที่มีครึ่งชีวิตนานกว่านี้จะไม่อาจพบหรือสังเคราะห์ขึ้นได้อีก แฟรนเซียม-223 เป็นผลิตภัณฑ์ลำดับที่ห้าของกระบวนการสลายตัวของแอกทิเนียม โดยได้จากการสลายตัวของแอกทิเนียม-227  จากนั้นแฟรนเซียม-223 จะสลายตัวไปเป็นเรเดียม-223 โดยการสลายให้อนุภาคบีตา (พลังงานสลายตัว 1149 keV) และยังมีโอกาสเล็กน้อน (0.006 %) ที่มันจะสลายตัวให้อนุภาคแอลฟาไปเป็นแอสทาทีน-219
แฟรนเซียม-221 มีครึ่งชีวิต 4.8 นาที ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ลำดับที่ 9 ของกระบวนการการสลายตัวของเนปทูเนียม โดยได้จากการสลายตัวของแอกทิเนียม-225 จากนั้น แฟรนเซียม-221 สลายตัวเป็นแอสทาทีน-217 โดยการสลายตัวให้อนุภาคแอลฟา (พลังงานสลายตัว 6.457 MeV)
ไอโซโทปที่เสถียรน้อยที่สุดในสถานะพื้นคือแฟรนเซียม-215 ซึ่งมีครึ่งชีวิตอยู่ 0.12 ไมโครวินาที (ใช้พลังงาน 9.54 MeV สลายให้อนุภาคแอลฟาไปเป็นแอสทาทีน-211) ไอโซเมอร์กึ่งเสถียร แฟรนเซียม-215m ก็ยังเสถียรน้อยกว่า มีครึ่งชีวิตอยู่ที่ 3.5 นาโนวินาทีเท่านั้น