Франций

Франций
Франций
	← Радон \| Радий →
Внешний вид простого вещества
	Около 200 000 атомов франция в магнитно-оптической ловушке
Свойства атома
Название, символ, номер	Франций / Francium (Fr), 87
Атомная масса ; (молярная масса)	223,0197 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Rn] 7s1
Радиус атома	290 пм
Химические свойства
Радиус Ван-дер-Ваальса	348 пм
Радиус иона	(+1e) 179 пм
Электроотрицательность	0,7 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	Fr←Fr+ −2,92 В
Степени окисления	0, +1
Энергия ионизации ; (первый электрон)	392,96 (4,0727) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	2,3—2,5 г/см³
Температура плавления	18—21 °C; 291—294 K
Температура кипения	640—660 °C (910—930 К); расчётная: 598 °C, 871 K
Критическая точка	(расчётная) 1980 ± 50 К, ? МПа
Уд. теплота плавления	~2 кДж/моль
Уд. теплота испарения	~65 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	31,6 Дж/(K·моль)
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая; объёмноцентрированая
Номер CAS	7440-73-5

Фра́нций (химический символ — Fr, от лат. Francium) — химический элемент 1-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы первой группы, IA), седьмого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 87. Наиболее химически активный из щелочных (и вообще из всех) металлов, самый тяжёлый известный щелочной металл. В природе практически отсутствует, стабильных изотопов не имеет, все изотопы чрезвычайно радиоактивны.

87	Франций
Fr (223)
[Rn]7s¹

ИсторияПравить

Этот элемент был предсказан Д. И. Менделеевым (как «эка-цезий»), и был открыт (по его радиоактивности) в 1939 году Маргаритой Перей, сотрудницей Института радия в Париже. Она же дала ему в 1946 году название в честь своей родины — Франции.

Нахождение в природеПравить

Франций — один из редчайших элементов. Среди элементов, постоянно существующих в земной коре, только астат имеет меньшее содержание. Весь природный франций является радиогенным, его радиоактивный распад компенсируется одновременным возникновением новых атомов франция в качестве промежуточных продуктов распада урана-235 и тория-232. Общее содержание франция в земной коре оценивается в 340 граммов.

ИзотопыПравить

На 2022 год известно 36 изотопов франция с массовыми числами 197—233 и 7 метастабильных ядерных изомеров^[5]. В природе (в качестве продукта радиоактивного распада урана-235) содержится один изотоп, ²²³Fr. Франций-223 (самый долгоживущий из изотопов франция, период полураспада 22,3 минуты) входит в одну из побочных ветвей природного радиоактивного ряда урана-235 и содержится в крайне малых количествах в урановых минералах. Исследования свойств франция проводят с индикаторными количествами нуклида ²²³Fr (менее 10⁻¹⁵ г), так как из-за отсутствия долгоживущих изотопов франций невозможно получить в весовых количествах^[1]. Образуется при альфа-распаде актиния-227:

²²⁷Ac → ²²³Fr (сопровождается α-излучением, вероятность распада приблизительно 1,4 %),

²²⁷Ac → ²²⁷Th (сопровождается β-излучением, вероятность распада около 98,6 %).

Старое название франция-223 — «актиний К» (AcK). По оценкам, его равновесное содержание в земной коре равно 340 г.

ПолучениеПравить

Микроскопические количества франция-223 могут быть химически выделены из минералов урана. Другие изотопы франция получают искусственным путём с помощью ядерных реакций.

Одна из наиболее распространённых ядерных реакций для получения франция:

\text{[math]}

{}_{79}^{197}{\textrm {Au}}+{}_{8}^{18}{\textrm {O}}\rightarrow {}_{87}^{210}{\textrm {Fr}}+{5}_{0}^{1}{\textrm {n}}

Интересно, что в данной реакции используется золото. С помощью этой реакции могут быть также синтезированы изотопы с массовыми числами 209 и 211 (с вылетом соответственно шести и четырёх нейтронов). Однако все эти изотопы распадаются быстро (период полураспада ²¹⁰Fr и ²¹¹Fr — три минуты, а ²⁰⁹Fr — 50 секунд).

Физические и химические свойстваПравить

Полная электронная конфигурация атома франция: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶7s¹.

Франций похож по свойствам на цезий. Всегда сокристаллизуется с его соединениями^[6]. Практически все соединения франция растворимы в воде. Релятивистские эффекты 6p-оболочки делают связь франция с кислородом в супероксидах, например, состава FrO₂, более ковалентной, по сравнению с супероксидами других щелочных металлов^[7].

Так как в распоряжении исследователей имеются лишь мельчайшие образцы, содержащие не более 10⁻⁷ г франция, то сведения о его физических свойствах могут быть определены только путём расчёта, основываясь на данных для стабильных щелочных металлов. Согласно таким расчётам, плотность франция при комнатной температуре составляет 1,87 г/см³, температура плавления 27 °C, температура кипения 677 °C, удельная теплота плавления 9,385 кДж/кг^[4].

Потенциал ионизации атома франция-212 из основного состояния был экспериментально измерен^[3] с высокой точностью на масс-сепараторе радиоактивных ядер ISOLDE в ЦЕРНе, где этот изотоп производится путём облучения протонами карбидно-урановой мишени с интенсивностью до 10¹⁰ атомов в секунду (ток пучка 2 пикоампера). В терминах обратной длины волны ионизационный потенциал равен 32 848,872(9) см⁻¹^[3], что соответствует 4,0727409(11) эВ/атом, или 392,95976(11) кДж/моль.

Франций имеет самую низкую электроотрицательность из всех элементов, известных в настоящее время. Соответственно, франций является и самым химически активным щелочным металлом.

Бурно реагирует с водой, образуя самую сильную щёлочь — гидроксид франция FrOH. Гидрид FrH и оксид франция Fr₂O ведут себя подобно аналогичным соединениям цезия, то есть бурно реагируют с водой, образуя гидроксид.

Хлорид, нитрат, сульфат, фторид, сульфид, гидроксид, карбонат, ацетат и оксалат франция хорошо растворимы в воде^[1]. Плохо растворимы перхлорат, пикрат, иодат, хлороплатинат, хлоровисмутат, хлороантимонат, хлоростаннат, нитрокобальтат франция^[1]. Франций экстрагируется нитробензолом в присутствии тетрафенилбората натрия. Соосаждается с простыми и двойными солями цезия и с солями гетерополикислот (кремневольфрамовой, фосфорновольфрамовой и др.)^[1].

ПрименениеПравить

В настоящее время франций и его соединения имеют мало практических применений в связи с малым периодом полураспада и высокой радиоактивностью. Франций-223 используется для быстрого определения актиния-227 в природных объектах^[8].

Биологическая роль и воздействиеПравить

Франций, подобно рубидию и цезию накапливается в почках, печени, слюнных железах и ткани саркомы, поэтому изотопы ²²³Fr и ²¹²Fr используются в биологических исследованиях и для диагностики рака^[8].

ПримечанияПравить

↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ Мясоедов Б. Ф. Франций // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. Н. С. Зефиров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5: Триптофан — Ятрохимия. — С. 187. — 783 с. — 10 000 экз. — ISBN 5-85270-310-9.
↑ Francium (неопр.). Los Alamos National Laboratory (2011). Дата обращения: 26 июля 2012. Архивировано 28 ноября 2016 года.
↑ ¹ ² ³ Arnold E. et al. (ISOLDE collaboration). Optical laser spectroscopy and hyperfine structure investigation of the 10²S, 11²S, 8²D, and 9²D excited levels in francium (англ.) // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. — 1990. — 28 October (vol. 23, no. 20). — P. 3511—3520. — ISSN 0953-4075. — doi:10.1088/0953-4075/23/20/014. Архивировано 14 июля 2021 года.
↑ ¹ ² ³ Kozhitov L. V., Kol'tsov V. B., Kol'tsov A. V. Evaluation of the Surface Tension of Liquid Francium (англ.) // Inorganic Materials. — Vol. 39, iss. 11. — P. 1138—1141. — doi:10.1023/A:1027389223381.
↑ Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S., Audi G. The Nubase2020 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 45, iss. 3. — P. 030001-1—030001-180. — doi:10.1088/1674-1137/abddae.
↑ Winter, Mark Electron Configuration (неопр.). Francium. The University of Sheffield. Дата обращения: 18 апреля 2007. Архивировано 9 марта 2005 года.
↑ Thayer, John S. Chemistry of heavier main group elements (неопр.). — 2010. — С. 81. — doi:10.1007/9781402099755_2.
↑ ¹ ² Лаврухина, 1966, с. 266.

ЛитератураПравить

Лаврухина А. К., Поздняков А. А. Аналитическая химия технеция, прометия, астатина и франция. — М.: Наука, 1966. — С. 260—301. — 308 с. — 3200 экз.

СсылкиПравить

[ХЭ-1] ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ Мясоедов Б. Ф. Франций // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. Н. С. Зефиров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5: Триптофан — Ятрохимия. — С. 187. — 783 с. — 10 000 экз. — ISBN 5-85270-310-9.

[losalamos-2] Francium (неопр.). Los Alamos National Laboratory (2011). Дата обращения: 26 июля 2012. Архивировано 28 ноября 2016 года.

[ISO90-3] ¹ ² ³ Arnold E. et al. (ISOLDE collaboration). Optical laser spectroscopy and hyperfine structure investigation of the 10²S, 11²S, 8²D, and 9²D excited levels in francium (англ.) // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. — 1990. — 28 October (vol. 23, no. 20). — P. 3511—3520. — ISSN 0953-4075. — doi:10.1088/0953-4075/23/20/014. Архивировано 14 июля 2021 года.

[koz03-4] ¹ ² ³ Kozhitov L. V., Kol'tsov V. B., Kol'tsov A. V. Evaluation of the Surface Tension of Liquid Francium (англ.) // Inorganic Materials. — Vol. 39, iss. 11. — P. 1138—1141. — doi:10.1023/A:1027389223381.

[Nubase2020-5] Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S., Audi G. The Nubase2020 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 45, iss. 3. — P. 030001-1—030001-180. — doi:10.1088/1674-1137/abddae.

[6] Winter, Mark Electron Configuration (неопр.). Francium. The University of Sheffield. Дата обращения: 18 апреля 2007. Архивировано 9 марта 2005 года.

[Thayer-7] Thayer, John S. Chemistry of heavier main group elements (неопр.). — 2010. — С. 81. — doi:10.1007/9781402099755_2.

[_64ea4daac2473b0a-8] ¹ ² Лаврухина, 1966, с. 266.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]