فرانسیم

فرانسیم با نام قدیمی اکا-سزیم عنصری شیمیایی با نماد Fr و عدد اتمی ۸۷ است که در گروه IA (فلزهای قلیایی) و دوره هفتم قرار گرفته‌است. این عنصر، یک الکترون ظرفیتی دارد و در میان همه عناصر جدول تناوبی، دارای کمترین الکترونگاتیویته است.
دمای ذوب و جوش فرانسیم به ترتیب ۲۷ و ۶۷۷ درجه سانتی‌گراد، و شعاع اتمی آن ۲۷۰ پیکومتر است.
مارگریت پری، فرانسیم را در سال ۱۹۳۹ در فرانسه کشف کرد، به همین دلیل این عنصر فرانسیم نام گرفت. این عنصر آخرین عنصر کشف شده‌ای است که در طبیعت به طور آزاد وجود دارد و پس از آستاتین کمیاب‌ترین عنصر شناخته شده‌است.
فرانسیم در بیرون از آزمایشگاه، به طور بسیار ناچیزی در سنگ معدن اورانیم و توریم یافت می‌شود، جایی که ایزوتوپ ۲۲۳ آن به طور پی در پی تشکیل و متلاشی می‌شود. تخمین زده می‌شود که حدود ۳۰ گرم فرانسیم در پوسته زمین وجود داشته باشد. سایر ایزوتوپ‌های فرانسیم به طور مصنوعی و در آزمایشگاه ساخته می‌شوند. بیشترین مقداری که تاکنون از فرانسیم به طور مصنوعی ایجاد شده، یک خوشه ۱۰،۰۰۰ اتمی بوده‌است که از طریق ابر اتمی سرد و در دانشگاه استونی بروک و در سال ۱۹۹۷ ساخته شده‌است. فرانسیم پس از فروپاشیدن به آستاتین، رادیم و رادون تبدیل می‌شود.
تاریخچه
در حدود سال‌های دهه ۱۸۷۰ شیمی‌دان‌ها متوجه شدند که باید عنصری با عدد اتمی ۸۷ در گروه فلزات قلیایی زیر سزیم وجود داشته باشد. این عنصر با نام اکا سزیم پیش‌بینی شد. گروه‌های پژوهشی تلاششان را برای یافتن و خالص‌سازی این عنصر ناشناخته آغاز کردند و پس از ۴ تلاش ناموفق، این عنصر ساخته شد.
اکتشافات ناقص و ناتمام
دوبروسردوف شیمیدان روسی اولین شخصی بود که ادعای کشف عنصری به نام فرانسیم یا اکا سزیم را عنوان کرد.
در سال ۱۹۲۵ او متوجه وجود رادیواکتیویته ضعیفی در یک نمونه پتاسیم شده و پی برد که این نمونه ممکن است حاوی مقداری از عنصر جدید باشد. سپس او رساله‌ای در مورد خواص این عنصر نوشت و بخاطر نام کشورش آنرا روسیم نام گذاری کرد. اندکی پس از آن دوبروسردوف به تدریس در انستیتوی پلیمر اودسای اوکراین پرداخت و تحقیقات بیشتری در زمینه این عنصر به عمل نیاورد.
سال بعد، شیمیدانان انگلیسی جرالد دروس و فردریک لورینگ عکس‌های اشعه ایکس منگنز(II) سولفات را بررسی کردند. آنان در این مشاهده به خطوط طیفی برخورد کردند که گمان می‌بردند مربوط به اکا سزیم باشد. آنان این کشفیات را اعلام نموده و آنرا آلکالینیم نامگذاری کردند.
در سال ۱۹۳۰ فرد آلیسون در موسسه پلی‌تکنیک آلاباما مدعی شد که هنگام بررسی پلوسیت و لپیدولیت با ماشین نور-مغناطیس عنصر ۸۷ را کشف کرده‌اند. آلیسون پیشنهاد کرد که بخاطر زادگاهش یعنی ایالت ویرجینیا این عنصر ویرجینیم نامگذاری شود و نماد Vi یا Vm داشته باشد. البته در سال ۱۹۳۴ مک فرسون از دانشگاه برکلی این اکتشاف نادرست را رد کرد.
در سال ۱۹۳۶ هوریا هولوبی شیمیدان فرانسوی به همراه دوست فرانسوی‌اش ایوت کاچویس پولوسیت را با استفاده از دستگاه اشعه ایکس با دقت بالا آنالیز کردند. آنان متوجه وجود چندین خطوط نشر ضعیف شدند که به عنصر ۸۷ نسیت دادند. این عنصر به افتخار مولداوی که آزمایش‌ها در آنجا انجام شد مولداویم نام گرفت و نماد آن هم Ml تعیین گشت. در سال ۱۹۳۷ تحقیقات هولوبی بوسیله یک فیزیکدان آمریکایی بنام اف اچ هرش رد شد. هرش اطمینان داشت که اکا سزیم در طبیعت وجود ندارد و آنان به اشتباه خطوط نشر جیوه یا بیسموت را مشاهده کرده‌اند. اگرچه هولوبی تاکید می‌کرد که دستگاه‌های او آنچنان دقیق اند که چنین اشتباهی را مرتکب نمی‌شوند.
به همین خاطر ژان باتیست پرن برنده جایزه نوبل و استاد هولوبی به کمک مارگریت پری مولداویم را به عنوان فرانسیم مورد تایید قرار داد.
ویژگی‌ها
هسته اتم فرانسیم
به علت نایابی و ناپایداری امکان جدا کردن اتم‌های فرانسیم به حدی که قابل اندازه‌گیری باشند نیست به همین دلیل برای خواص آن بیشتر بر روی مکان آن در جدول تناوبی تکیه می‌کنند.
فرانسیم یکی از فلزهای قلیایی است که ویژگی‌های نزدیک به سزیم دارد.
فرانسیم ناپایدارتر از هر عنصر سبکتر از دابنیم (عنصر شماره ۱۰۵) است. پایدارترین ایزوتوپ آن فرانسیم ۲۲۳ با نیم عمر کمتر از ۲۲ دقیقه‌است. عنصر ناپایدار بعدی آستاتین نیم عمری حدود ۸٫۵ ساعت دارد. تمام ایزوتوپ‌های فرانسیم پس از فروپاشی به آستاتین، رادیم و رادون تبدیل می‌شوند.
با توجه به اینکه فرانسیم یکی از عناصر چگال جدول تناوبی است و اینکه تعداد الکترون لایه ظرفیت آن ۱ است، بنابراین وزن اکی والان آن از همه عناصر بیشتر است. به محاسبه لینوس پاولینگ مقدار الکترونگاتیوی فرانسیم باید با سزیم برابر و حدود ۰٫۷ باشد گرچه محاسبات جدیدتر مقدار آن را ۰٫۷۹ نشان می‌دهند اما این مقدار به طور تجربی تایید نشده‌است. به طور مشابه فرانسیم کمترین الکترونگاتیوی را در بین عناصر دارد.
فرانسیم مایع -در صورتی که تشکیل شود- در دمای ذوبش تنش سطحی برابر ۰٫۰۵۰۹۲ نیوتن بر متر خواهد داشت. فرانسیم همچنین می‌تواند با بسیاری از نمک‌های سزیم مانند پرکلرات، یدات، تارتارات، کلروپلاتینات و سیلیکوتنگستات سزیم (همچنین روبیدیم تاتارات) واکنش دهد. همچنین با سیلیسیم تنگستن و کلورپلاتینید واکنش داده و به ترتیب تولید سیلیکو تنگستن اسید و پرکلریک اسید می‌کند. نمک‌های فرانسیم عمدتا محلول در آب هستند.
کاربردها
فرانسیم به علت ناپایداری و کمیاب بودن، کاربرد تجاری ندارد.
پژوهش‌هایی درباره کاربرد فرانسیم در درمان سرطان انجام شده‌است، ولی انجام این عمل ناممکن به نظر می‌رسد. قابلیت‌های فرانسیم مانند سنتز شدن و همچنین ساختار اتمی ویژه‌اش باعث شده که از آن در آزمایش‌های طیف‌سنجی استفاده کنند. این آزمایش‌ها به درک اطلاعات بیشتری در زمینه پتانسیل شیمیایی و ذرات زیر اتمی انجامیده‌است. به نظر می‌رسد که می‌توان از فرانسیم در آزمایش‌های مربوط به نیروگاه‌های هسته‌ای و سیکلوترون‌ها استفاده کرد.
مطالعات بر روی نور گسیل شده توسط یون‌های فرانسیم-۲۱۰ به دام‌انداخته شده توسط لیزر، داده‌های دقیقی راجع به گذارهای بین ترازهای انرژی اتمی در اختیار گذاشته‌اند که شباهت زیادی به نتایج پیش‌بینی شده نظریه کوانتمی دارد.
فراوانی
یک سنگ −۲۰ g) از فرانسیم-۲۲۳.
در طبیعت
فرانسیم ۲۲۳ نتیجه فروپاشی آلفای آکتینیم ۲۲۷ است که در سنگ معدن توریم و اورانیم یافت می‌شود. در مقدار مشخصی از اورانیم، گمان می‌رود که به ازای یکصد میلیون اتم اورانیم یک اتم فرانسیم یافت شود. همچنین تخمین زده می‌شود که در تمام پوسته زمین حدود ۳۰ گرم فرانسیم موجود باشد. بنابراین فرانسیم بعد از آستاتین کمیاب‌ترین عنصر در روی زمین است.
حاصل از سنتز
فرانسیم می‌تواند از واکنش هسته‌ای Au(۱۹۷) + O(۱۸) → Fr(۲۱۰) + ۵n بدست آید و از این طریق دانشگاه استونی بروک توانست مقدار زیادی از ایزوتوپ‌های ۲۰۹،۲۱۰ و ۲۱۱ فرانسیم را تهیه کند. که روش مشتق شده تله مغناطونوری است. بجز این، روش‌های بمباران رادیم با نوترون و بمباران توریم با پروتون، دوتریم و یون‌های هلیم در سنتز فرانسیم بکار می‌رود. فرانسیم از سال ۲۰۰۸ تاکنون در مقیاس قابل توجه سنتز نشده‌است.
در روش تله مغناطونوری اتم‌های فرانسیم از طریق میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط مس جدا شده و توسط لیزر به دام انداخته می‌شوند.
ایزوتوپ‌ها
تاکنون ۳۴ ایزوتوپ فرانسیم از عدد جرمی ۱۹۹ تا ۲۳۲ شناخته شده‌اند. فرانسیم هفت ایزومر دارد. ۲۲۳ و ۲۲۱ تنها ایزوتوپهایی هستند که در طبیعت یافت می‌شوند، اگرچه ایزوتوپ بسیار دوم بیشتر یافت می‌شود.
فرانسیم ۲۲۳ پایدارترین ایزوتوپ فرانسیم با نیم عمر ۲۱٫۸ دقیقه‌است. بعد از آن فرانسیم ۲۱۲ با ۲۰ دقیقه نیمه عمر می‌باشد فرانسیم ۲۲۳ پنجمین محصول فروپاشی آکتینیم ۲۲۷ می‌باشد. سپس آن با واپاشی بتا به رادیم ۲۲۳ (با انرژی واپاشی ۱۱۴۹ کیلوالکترون ولت)و درصد جزئی از آن(۰٫۰۰۶٪) از مسیر دیگری با واپاشی آلفا به آستاتین ۲۱۹ تبدیل می‌شود.
فرانسیم ۲۲۱ نیم عمری حدود ۴٫۸ دقیقه دارد و نهمین محصول فروپاشی نپتونی آکتینیم ۲۲۵ است. سپس آن با فروپاشی آلفا به آستاتین ۲۱۷ تبدیل می‌شود (با انرژی واپاشی ۶٫۴۵۷ مگاالکترون ولت).
آخرین ایزوتوپ پایدار، فرانسیم ۲۱۵ با نیم عمر ۰٫۱۲ میکرو ثانیه‌است (انرژی واپاشی ۹٫۵۴ کیلوالکترون ولت). ایزومر ناپایدارتر آن، فرانسیم ۲۱۵m با نیم عمر ۳٫۵ نانو ثانیه می‌باشد.
فرانسیم ۲۱۸ نیز به طور تخمینی نیمه عمر ۵ ثانیه دارد و با واپاشی آلفا و با انرژی ۷٫۸۵ مگا الکترون ولت به آستاتین تبدیل می‌شود.