Francij

Francij () jest hemijski element sa simbolom Fr i atomskim brojem 87. U prošlosti je bio poznat kao ekacezij i aktinij K. Prema Paulingovoj skali, on je najmanje elektronegativni element. Međutim, prema drugim skalama, kao, naprimjer, Allenovoj, samo je cezij manje elektronegativan od francija. Francij je veoma radioaktivan metal koji se raspada na astat, radij i radon. Budući da je alkalni metal, ima jedan valentni elektron.

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

Ovaj element otkrila je Marguerite Perey 1939. u Francuskoj, po kojoj je i nazvan. Bio je posljednji element koji je otkriven u prirodi prije nego što je sintetiziran. Izvan laboratorije francij je ekstremno rijedak, a samo u tragovima može se naći u rudama uranija i torija, gdje se izotop francij-223 neprestano formira i raspada. U svakom trenutku u cjelokupnoj Zemljinoj kori postoji samo 20 do 30 grama francija; drugi izotopi (osim francij-221) potpuno su sintetički. Najveća količina proizvedena u laboratoriji bio je skup s više od 300.000 atoma francija.

 Historija 
Već oko 1870. hemičari su pretpostavljali da bi trebao postojati još neki alkalni metal iza cezija s atomskim brojem 87. Prema Mendeljejevljevom načinu imenovanja previđenih elemenata nazivali su ga ekacezij. Istraživački timovi pokušavali su naći i izdvojiti nedostajući element, a poznata su najmanje četiri slučaja lažnih otkrića ovog elementa prije nego što ga je zaista otkrila Perey.

Jedan od takvih slučajeva bio je sovjetski hemičar D. K. Dobroserdov, koji je bio prvi naučnik koji je objavio otkriće ekacezija, odnosno današnjeg francija. Godine 1925. uočio je slabu radioaktivnost u uzorku kalija, također alkalnog metala te netačno zaključio da je nečistoća u uzorku zapravo ekacezij. Međutim, radioaktivnost u uzorku potjecala je od prirodnog izotopa kalija koji je neznatno radioaktivan, kalij-40. Pretpostavke u vezi s tim otkrićem objavio je, kao i osobine ekacezija, za koji je predložio naziv rusij, prema svojoj domovini Rusiji. Ipak, nedugo nakon toga posvetio se 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 tu zbog prisustva ekacezija. Otkriće elementa 87 objavili su te predložili ime alkalinij, jer bi to bio najteži alkalni metal.

 Osobine 
Francij je najnestabilniji element koji se pojavljuje 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 procijenio je 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 može se koristiti za izdvajanje francija posredstvom adaptacije metode radiocezijskog kotaloženja, koju su u 1950-ima razvili L. E. Glendenin i C. M. Nelson. Francij će se kotaložiti s mnogim drugim solima cezija, uključujući jodate, pikrate, tartrate (također i rubidij-tartrat), hloroplatinate i volframosilikate. Također se kotaloži i s volframosilicijskom i perhlornom kiselinom, gdje ne mora biti prisutan drugi alkalni metal kao nosilac (), čime se omogućuju 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 jedini su izotopi koji se pojavljuju u prirodi mada je prvi daleko rasprostranjeniji.

Francij-223 najstabilniji je 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 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, s vremenom poluraspada samo 0,12 μs (alfa-raspadom energije 9,54 MeV prelazi u astat-211): njegov metastabilni izomer, francij-215m je još nestabilniji s vremenom poluraspada samo 3,5 ns.

 Rasprostranjenost 
 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.

 Upotreba 
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.

 Napomene 

 Reference 

 Vanjski linkovi 



Kategorija:Hemijski elementi
Kategorija:Alkalni metali
Kategorija:Eponimi
Kategorija:Nauka i tehnologija u Francuskoj