Franxi

Đặc trưng

Franxi là nguyên tố ít ổn định nhất trong số các nguyên tố nhẹ hơn nobeli (nguyên tố số 102), đồng vị ổn định nhất của nó, Fr²²³, có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 22 phút. Ngược lại, astatin, nguyên tố ít ổn định kế tiếp, có chu kỳ bán rã tối đa là 8,5 giờ. Mọi đồng vị của franxi phân rã thành một trong các nguyên tố như astatin, radi hay radon. Franxi cũng kém ổn định hơn so với tất cả các nguyên tố có số khối đến 105.
Franxi có các tính chất hóa học tương tự như của xêzi. Là nguyên tố nặng với chỉ một điện tử hóa trị, nó có trọng lượng tương đương cao nhất trong số các nguyên tố. Tương tự, franxi có độ âm điện thấp nhất trong số các nguyên tố đã biết, bằng 0,7 trong thang Pauling, xêzi đứng thứ hai với giá trị 0,79. Franxi lỏng, nếu như trạng thái này có thể được tạo ra, sẽ có giá trị của ứng suất bề mặt bằng 0,05092 J/m² ở điểm nóng chảy của nó. Điểm nóng chảy của Franxi theo tính toán khoảng 27 °C (80 °F, 300 K). Điểm nóng chảy này không chắc chắn do nguyên tố này cực kỳ hiếm gặp và có tính phóng xạ. Do đó, điểm sôi ước tính ở khoảng 677 °C (1250 °F, 950 K) cũng không chắc chắn.
Linus Pauling ước tính độ âm điện của franxi khoảng 0,7 theo thang Pauling, giống với xêsi; là 0,79, nhưng không có dữ liệu thực nghiệm về giá trị này của fanxi. Franxi có năng lương ion hóa hơi cao hơn so với xêzi, 392,811(4) kJ/mol trong khi nặng lượng ion hóa của xêzi là 375,7041(2) kJ/mol. Điều này phù hợp với hiệu ứng tương đối, và cho thấy rằng xêzi có độ âm điện thấp hơn. Franxi có ái lực electron cao hơn so với xêzi và ion Fr⁻ có khả năng phân cực cao hơn ion Cs⁻. Phân tử CsFr được dự đoán rằng đầu franxi là âm, không giống như các phân tử kim loại kiềm heterodiatomic. Franxi superôxit (FrO₂) dự kiến mang tính đặc điểm liên kết cộng hóa trị hơn so với nhóm cùng loại nhẹ hơn nó; điều này là do các electron trong obitan 6p của franxi được tham gia nhiều hơn trong các liên kết franxi - oxy.
Franxi cùng kết tủa với một vài muối của xêzi, chẳng hạn như perclorat xêzi CsClO₄, tạo ra một lượng nhỏ perclorat franxi FrClO₄. Quá trình đồng kết tủa này có thể được sử dụng để cô lập franxi, bằng cách phỏng theo phương pháp đồng kết tủa xêzi phóng xạ của Glendenin và Nelson. Nó cũng sẽ đồng kết tủa với nhiều muối khác của xêzi, như iodat, picrat, tartrat (với cả tartrat rubidi), cloroplatinat Cs₂PtCl₆, silicotungstat. Nó cũng đồng kết tủa với axít silicotungstic, axít percloric, mà không cần các kim loại kiềm khác làm chất mang, điều này tạo ra một phương pháp cô lập franxi khác. Gần như tất cả các muối của franxi là hòa tan trong nước.

Ứng dụng

Hiện tại không có ứng dụng thương mại nào của franxi do tính không ổn định và độ khan hiếm của nó, vì thế chỉ có ứng dụng trong các nghiên cứu, trong cả các lĩnh vực của sinh học lẫn cấu trúc nguyên tử. Franxi đã từng được coi là phương tiện trợ giúp trong chẩn đoán các bệnh ung thư, nhưng ứng dụng này dường như là không khả thi trong thực tế.
Khả năng của franxi trong việc được tổng hợp, bắt giữ và làm mát, cùng với cấu trúc nguyên tử tương đối đơn giản của nó đã làm cho nó trở thành đối tượng của các thực nghiệm quang phổ học chuyên biệt. Các thực nghiệm này cung cấp các thông tin cụ thể hơn liên quan tới các mức năng lượng và các hằng số bắt cặp giữa các hạt hạ nguyên tử. Các nghiên cứu trên ánh sáng bức xạ bởi các ion franxi-210 bị bắt giữ bằng laser đã cung cấp các dữ liệu chính xác về các trạng thái chuyển tiếp giữa các mức năng lượng nguyên tử. Các kết quả thực nghiệm này là khá giống như các dự đoán của cơ học lượng tử.

Lịch sử

Vào khoảng thập niên 1870, một số nhà hóa học đã nghĩ rằng phải có một kim loại kiềm sau xêzi, với số nguyên tử bằng 87. Sau đó nó được nhắc tới bằng tên gọi tạm thời là eka xêzi. Các nhóm nghiên cứu đã cố gắng định vị và cô lập nguyên tố còn thiếu này, và ít nhất có 4 tuyên bố nhầm rằng nguyên tố này đã được phát hiện ra trước khi phát hiện thực sự được tiến hành.

Các phát hiện sai sót hay không hoàn chỉnh

Nhà hóa học người Nga là D. K. Dobroserdov là người đầu tiên tuyên bố đã tìm ra "eka-xêzi". Năm 1925, ông quan sát phân rã phóng xạ yếu trong một mẫu kali, một kim loại kiềm khác, và kết luận rằng eka-xêzi đã lây nhiễm vào mẫu. Sau đó ông cho công bố một luận đề với các dự đoán của ông về các tính chất của eka-xêzi, trong đó ông đặt tên cho nguyên tố là russium theo tên tổ quốc ông. Ngay sau đó, Dobroserdov đã tập trung vào công việc giảng dạy của ông tại Đại học Bách khoa Odessa, và ông không đeo đuổi nguyên tố này nữa.
Năm sau, các nhà hóa học người Anh là Gerald J. F. Druce và Frederick H. Loring phân tích các ảnh chụp bằng tia X của sulfat mangan (II). Họ quan sát thấy các vạch quang phổ, được họ coi là của eka-xêzi. Họ đã thông báo về phát hiện ra nguyên tố số 87 của mình và đề nghị đặt tên là alkalinium, do nó có lẽ là kim loại kiềm nặng nhất.
Năm 1930, giáo sư Fred Allison tại Đại học Bách khoa Alabama tuyên bố đã phát hiện ra nguyên tố số 87 khi phân tích pollucit và lepidolit bằng cách sử dụng cỗ máy từ -quang của mình. Allison đề nghị đặt tên cho nó là virginium theo tên bang quê hương ông là Virginia, cùng với các ký hiệu Vi và Vm. Tuy nhiên, năm 1934, giáo sư MacPherson tại UC Berkeley đã bác bỏ tính hiệu quả của thiết bị do Allison chế tạo ra và giá trị của phát hiện sai lầm này.
Năm 1936, nhà hóa học người România là Horia Hulubei và đồng nghiệp người Pháp của ông là Yvette Cauchois cũng phân tích pollucit, sử dụng thiết bị tia X có độ phân giải cao của họ. Họ đã quan sát thấy vài vạch bức xạ yếu mà họ cho là của nguyên tố số 87. Hulubei và Cauchois đã thông báo phát hiện của mình và đề nghị tên gọi moldavium, với ký hiệu Ml, theo tên gọi của Moldavia, khi đó là một tỉnh của Romania và là nơi họ tiến hành công việc của mình. Năm 1937, nhà vật lý học người Mỹ là F. H. Hirsh Jr. đã phê phán công trình của Hulubei. Ông này không chấp nhận các phương pháp nghiên cứu của Hulubei. Hirsh chắc chắn rằng eka-xêzi không thể tìm thấy trong tự nhiên và rằng Hulubei thay vì thế đã quan sát thấy các vạch phát xạ của thủy ngân hay bitmut. Tuy nhiên, Hulubei nhấn mạnh rằng thiết bị tia X của ông và các phương pháp là rất chính xác, không thể tạo ra sai sót như vậy. Do điều này, Jean Baptiste Perrin, người đoạt giải Nobel và đồng thời là cố vấn cho Hulubei, đã xác nhận moldavium chính là eka-xêzi thật sự chứ không phải là phát hiện ra franxi sau này của Marguerite Perey. Tuy nhiên, Perey vẫn tiếp tục phê phán công trình của Hulubei cho đến khi bà này được coi là người phát hiện duy nhất ra nguyên tố số 87 này.

Phân tích Perey

Eka-xêzi thực sự được Marguerite Perey của Viện Curie tại Paris, Pháp phát hiện vào năm 1939 khi bà tinh chế một mẫu actini-227, được thông báo là có năng lượng phân rã bằng 220 keV. Tuy nhiên, Perey nhận ra rằng các hạt phân rã với mức năng lượng dưới 80 keV. Perey nghĩ rằng hoạt động phân rã này có thể bị gây ra bởi một sản phẩm phân rã đã không được nhận dạng trước đó, là sản phẩm đã bị tách ra trong quá trình tinh chế, nhưng lại xuất hiện một lần nữa từ actini-227 tinh khiết. Các thử nghiệm khác nhau đã loại bỏ khả năng về sự có mặt của thori, radi, chì, bitmut hay tali như là nguyên tố chưa rõ đó. Sản phẩm mới thể hiện các tính chất hóa học của một kim loại kiềm (chẳng hạn như đồng kết tủa với các muối của xêzi), điều này đã dẫn Perey tới niềm tin rằng nó chính là nguyên tố số 87, được sinh ra từ phân rã alpha của actini-227. Sau đó Perey đã cố gắng xác định tỷ lệ giữa phân rã beta và phân rã alpha trong actini-227. Thử nghiệm đầu tiên của bà đưa ra phân nhánh alpha ở mức 0,6%, mà sau này bà đã sửa lại thành 1%.
Perey đặt tên cho đồng vị mới là actinium-K, mà ngày nay người ta gọi là franxi-223 và năm 1946 bà đã đề nghị tên gọi catium cho nguyên tố mới phát hiện này, do bà tin rằng nó là cation có độ dương điện cao nhất trong số các nguyên tố. Irène Joliot-Curie, một trong những người giám sát của Perey, đã chống lại tên gọi này do nghĩa rộng của nó là cattus (con mèo) chứ không phải cation. Perey sau đó đề nghị tên gọi francium để tỏ lòng kính trọng tới đất nước mà tại đó bà đã phát hiện ra nguyên tố. Tên gọi này được Hiệp hội Quốc tế các nhà Hóa học (IUC) chính thức phê chuẩn năm 1949 và gán cho nó ký hiệu Fa; nhưng gần như là ngay sau đó đã sửa lại thành Fr. Franxi là nguyên tố có trong tự nhiên cuối cùng đã được phát hiện ra, sau rheni năm 1925. Những nghiên cứu tiếp theo về cấu trúc của franxi được Sylvain Lieberman và nhóm của ông tại CERN thực hiện trong thập niên 1970 và 1980.

Tự nhiên

Franxi-223 là kết quả của phân rã alpha của actini-227 và có thể tìm thấy ở dạng dấu vết trong các khoáng vật của urani và thori. Trong mẫu đã cho của urani, người ta ước tính chỉ có 1 nguyên tử franxi trong mỗi 1×10¹⁸ nguyên tử urani. Những tính toán khác cũng chỉ ra rằng chỉ có tối đa khoảng 30 gam franxi trong lớp vỏ Trái Đất vào bất kỳ thời điểm nào. Điều này làm cho nó trở thành nguyên tố hiếm thứ hai trong lớp vỏ Trái Đất sau astatin.

Tổng hợp

Franxi có thể được tổng hợp trong phản ứng hạt nhân ¹⁹⁷Au + ¹⁸O → ²¹⁰Fr + 5n. Tiến trình này, do khoa lý Stony Brook thực hiện, sinh ra các đồng vị franxi với khối lượng 209, 210 và 211, và chúng sau đó bị cô lập bởi bẫy từ-quang (MOT). Tốc độ sản sinh một đồng vị cụ thể phụ thuộc vào năng lượng của chùm tia ôxy. Một chùm ¹⁸O từ Stony Brook LINAC tạo ra ²¹⁰Fr khi chiếu vào bảng làm từ vàng theo phản ứng hạt nhân ¹⁹⁷Au + ¹⁸O → ²¹⁰Fr + 5n. Sản phẩm cần thời gian để phát triển và hiểu rõ. Điều quan trọng để phương pháp này hiệu quả là mục tiêu vàng phải rất gần với điểm nóng chảy và chắc chắn rằng bề mặt của nó rất sạch. Phản ứng hạt nhân găm các nguyên tử franxi vào sâu bên trong vàng, và chúng phải được loại bỏ một cách có hiệu quả. Các nguyên tử khuếch tán nhanh lên bề mặt vàng và được giải phóng ở dạng các ion; điều này không xảy ra mỗi lần. Các ion franxi được dẫn đường bằng các kính tĩnh điện cho đến khi chúng đến được bề mặt của yttri nóng và trở nên trung hòa. Franxi sau đó được đưa vào một bong bóng thủy tinh. Từ trường và tia laser lạnh và giữ các nguyên tử ở đây. Mặc dù các nguyên tử được giữ trong một bẫy chủ khoảng 20 giây trước khi thoát ra (hay phân rã), các dòng nguyên tử ổn định vẫn tiếp tục sinh ra để bù vào phần bị mất đi nên số nguyên tử trong bẫy vẫn ổn định trong vài phút hoặc lâu hơn. Ban đầu, chỉ có khoảng 1000 nguyên tử franxi được bắt giữ trong thí nghiệm. Tuy nhiên các kỹ thuật đã dần được cải thiện đã có thể giúp bắt giữ hơn 300.000 nguyên tử franxi trung hòa cùng lúc. Mặc dù đây là các nguyên tử "kim loại" trung hòa ("kim loại franxi"), nhưng chúng tồn tại ở trạng thái không kết chặt ở thể khí. Với một lượng đủ franxi được bắt giữ, một camera có thể thu được ánh sáng phát ra từ các nguyên tử khi chúng phát huỳnh quang. Các nguyên tử xuất hiện như một quả cầu 1mm phát sáng và đây là lần đầu tiên các người ta có thể nhìn thấy franxi. Các nhà nghiên cứu hiện có thể thực hiện các phép đo cực kỳ nhạy cảm với ánh sáng phát ra và được hấp thụ bởi các nguyên tử bị bắt giữ, chứng minh các kết quả thí nghiệm đầu tiên về sự chuyển tiếp khác nhau giữa các mức năng lượng của nguyên tử franxi. Công tác đo đạc ban đầu thể hiện sự thống nhất giữa các giá trị trong thí nghiệm và tính toán theo học thuyết lượng tử. Các phương pháp tổng hợp khác bao gồm tấn công radi bằng nơtron, tấn công thori bằng proton, deuteron hay các ion heli. Franxi vẫn chưa tổng hợp đủ để có thể cân được.