Francium - Francium

Francium,  87 Fr
Francium
Pronúncia / F r Æ n s i ə m / ( FRAN -ver-əm )
Número de massa [223]
Francium na tabela periódica
Hidrogênio Hélio
Lítio Berílio Boro Carbono Azoto Oxigênio Flúor Néon
Sódio Magnésio Alumínio Silício Fósforo Enxofre Cloro Argônio
Potássio Cálcio Escândio Titânio Vanádio Cromo Manganês Ferro Cobalto Níquel Cobre Zinco Gálio Germânio Arsênico Selênio Bromo Krypton
Rubídio Estrôncio Ítrio Zircônio Nióbio Molibdênio Tecnécio Rutênio Ródio Paládio Prata Cádmio Índio Lata Antimônio Telúrio Iodo Xenon
Césio Bário Lantânio Cério Praseodímio Neodímio Promécio Samário Europium Gadolínio Térbio Disprósio Holmium Erbium Túlio Itérbio Lutécio Háfnio Tântalo Tungstênio Rênio Ósmio Iridium Platina Ouro Mercúrio (elemento) Tálio Liderar Bismuto Polônio Astatine Radon
Francium Rádio Actínio Tório Protactínio Urânio Neptúnio Plutônio Americium Curium Berquélio Californium Einsteinium Fermium Mendelévio Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seabórgio Bohrium Hassium Meitnerium Darmstádio Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
Cs

Fr

( Uue )
rádonfrânciorádio
Número atômico ( Z ) 87
Grupo grupo 1: hidrogênio e metais alcalinos
Período período 7
Bloquear   bloco s
Configuração de elétron [ Rn ] 7s 1
Elétrons por camada 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1
Propriedades físicas
Fase em  STP sólido
Ponto de fusão 300  K (27 ° C, 81 ° F)
Ponto de ebulição 950 K (677 ° C, 1251 ° F)
Densidade (próximo à  rt ) 2,48 g / cm 3 (estimado)
Pressão de vapor (extrapolado)
P  (Pa) 1 10 100 1 mil 10 k 100 k
em  T  (K) 404 454 519 608 738 946
Propriedades atômicas
Estados de oxidação +1 (umóxidofortemente básico )
Eletro-negatividade Escala de Pauling:> 0,79
Energias de ionização
Raio covalente 260  pm (extrapolado)
Raio de Van der Waals 348 pm (extrapolado)
Outras propriedades
Ocorrência natural da decadência
Estrutura de cristal cúbica de corpo centrado (BCC)
Estrutura de cristal cúbico centrado no corpo para frâncio

(extrapolado)
Condutividade térmica 15 W / (m⋅K) (extrapolado)
Resistividade elétrica 3 µΩ⋅m (calculado)
Ordenação magnética Paramagnético
Número CAS 7440-73-5
História
Nomeação depois da França, pátria do descobridor
Descoberta e primeiro isolamento Marguerite Perey (1939)
Isótopos principais do frâncio
Isótopo Abundância Meia-vida ( t 1/2 ) Modo de decaimento produtos
212 Fr syn 20,0 min β + 212 Rn
α 208 em
221 Fr vestígio 4,8 min α 217 em
222 Fr syn 14,2 min β - 222 Ra
223 Fr vestígio 22,00 min β - 223 Ra
α 219 em
Categoria Categoria: Francium
| referências

Francium é um elemento químico com o símbolo  Fr e número atômico  87. Antes de sua descoberta, era conhecido como eka - césio . É extremamente radioativo ; seu isótopo mais estável, o frâncio-223 (originalmente chamado de actínio K devido à cadeia natural de decaimento em que aparece), tem meia-vida de apenas 22 minutos. É o segundo elemento mais eletropositivo , atrás apenas do césio, e é o segundo elemento mais raro de ocorrência natural (depois do astato ). Os isótopos do frâncio decaem rapidamente em astato , rádio e radônio . A estrutura eletrônica de um átomo de frâncio é [Rn] 7s 1 e, portanto, o elemento é classificado como um metal alcalino .

O frâncio a granel nunca foi visto. Por causa da aparência geral dos outros elementos em sua coluna da tabela periódica, presume-se que o frâncio apareceria como um metal altamente reativo, se o suficiente pudesse ser coletado para ser visto como um sólido ou líquido a granel. A obtenção de tal amostra é altamente improvável, uma vez que o extremo calor de decomposição resultante de sua meia-vida curta vaporizaria imediatamente qualquer quantidade visível do elemento.

Francium foi descoberto por Marguerite Perey na França (de onde o elemento leva seu nome) em 1939. Foi o último elemento descoberto pela primeira vez na natureza, e não por síntese. Fora do laboratório, o frâncio é extremamente raro, com vestígios encontrados nos minérios de urânio e tório , onde o isótopo frâncio-223 se forma e decai continuamente. Apenas 20-30 g (uma onça) existem a qualquer momento em toda a crosta terrestre ; além do frâncio-221, seus outros isótopos são inteiramente sintéticos. A maior quantidade produzida em laboratório foi um aglomerado de mais de 300.000 átomos.

Características

Francium é um dos elementos mais instáveis ​​de ocorrência natural: seu isótopo de vida mais longa, o frâncio-223, tem meia-vida de apenas 22 minutos. O único elemento comparável é astato , cujo isótopo natural mais estável, astato-219 (a filha alfa do frâncio-223), tem meia-vida de 56 segundos, embora astato-210 sintético tenha vida muito mais longa com meia-vida de 8,1 horas. Todos os isótopos do frâncio decaem em astato, rádio ou radônio . Francium-223 também tem uma meia-vida mais curta do que o isótopo de vida mais longa de cada elemento sintético até e incluindo o elemento 105, dubnium .

Francium é um metal alcalino cujas propriedades químicas se assemelham principalmente às do césio. Um elemento pesado com um único elétron de valência , tem o maior peso equivalente de qualquer elemento. O frâncio líquido - se criado - deve ter uma tensão superficial de 0,05092  N / m em seu ponto de fusão. O ponto de fusão de Francium foi estimado em cerca de 8,0 ° C (46,4 ° F); um valor de 27 ° C (81 ° F) também é freqüentemente encontrado. O ponto de fusão é incerto por causa da extrema raridade e radioatividade do elemento ; uma extrapolação diferente baseada no método de Dmitri Mendeleev deu 20 ± 1,5 ° C (68,0 ± 2,7 ° F). O ponto de ebulição estimado de 620 ° C (1.148 ° F) também é incerto; as estimativas de 598 ° C (1.108 ° F) e 677 ° C (1.251 ° F), bem como a extrapolação do método de Mendeleev de 640 ° C (1.184 ° F), também foram sugeridas. Espera-se que a densidade do frâncio seja em torno de 2,48 g / cm 3 (o método de Mendeleev extrapola 2,4 g / cm 3 ).

Linus Pauling estimou a eletronegatividade do frâncio em 0,7 na escala de Pauling , a mesma do césio; o valor do césio desde então foi refinado para 0,79, mas não há dados experimentais que permitam um refinamento do valor do frâncio. Francium tem uma energia de ionização ligeiramente maior do que o césio, 392,811 (4) kJ / mol em oposição a 375,7041 (2) kJ / mol para o césio, como seria de se esperar dos efeitos relativísticos , e isso implicaria que o césio é o menos eletronegativo do dois. Frâncio deve também ter uma maior afinidade de electrões do que o césio e o P. - ião deve ser mais polarizável do que o Cs - ião. Prevê-se que a molécula CsFr tenha frâncio na extremidade negativa do dipolo, ao contrário de todas as moléculas de metal alcalino heterodiatômicas conhecidas. Espera-se que o superóxido de francium (FrO 2 ) tenha um caráter mais covalente do que seus congêneres mais leves ; isso é atribuído aos elétrons 6p no frâncio sendo mais envolvidos na ligação frâncio-oxigênio.

O frâncio coprecipita com vários sais de césio , como o perclorato de césio , o que resulta em pequenas quantidades de perclorato de frâncio. Esta coprecipitação pode ser usada para isolar o frâncio, adaptando o método de coprecipitação com radiocaésio de Lawrence E. Glendenin e CM Nelson. Além disso, ele coprecipita com muitos outros sais de césio, incluindo o iodato , o picrato , o tartarato (também tartarato de rubídio ), o cloroplatinato e o silicotungstato . Também coprecipita com o ácido silicotúngstico e com o ácido perclórico , sem outro metal alcalino como portador , o que leva a outros métodos de separação. Quase todos os sais de frâncio são solúveis em água .

Isótopos

Existem 34 isótopos de frâncio conhecidos, variando em massa atômica de 199 a 232. O frâncio tem sete isômeros nucleares metaestáveis . Francium-223 e francium-221 são os únicos isótopos que ocorrem na natureza, sendo o primeiro muito mais comum.

Francium-223 é o isótopo mais estável, com meia-vida de 21,8 minutos, e é altamente improvável que um isótopo de frâncio com meia-vida mais longa seja descoberto ou sintetizado. Francium-223 é um quinto produto da série de decaimento do urânio-235 como um isótopo filho do actínio-227 ; tório-227 é a filha mais comum. Francium-223 então decai em rádio-223 por decaimento beta ( energia de decaimento de 1,149 MeV ), com um caminho de decaimento alfa menor (0,006%) para astatine-219 (energia de decaimento de 5,4 MeV).

Francium-221 tem meia-vida de 4,8 minutos. É o nono produto da série de decaimento do neptúnio como um isótopo filho do actínio-225 . Francium-221 então decai em astatine-217 por decaimento alfa (energia de decaimento de 6,457 MeV).

O isótopo menos estável do estado fundamental é o frâncio-215, com meia-vida de 0,12 μs: ele sofre um decaimento alfa de 9,54 MeV para astato-211. Seu isômero metaestável , frâncio-215m, é menos estável ainda, com meia-vida de apenas 3,5 ns.

Formulários

Devido à sua instabilidade e raridade, não existem aplicações comerciais para o frâncio. Tem sido usado para fins de pesquisa nos campos da química e da estrutura atômica . Seu uso como um potencial auxiliar de diagnóstico para vários tipos de câncer também foi explorado, mas esta aplicação foi considerada impraticável.

A capacidade de Francium de ser sintetizado, capturado e resfriado, junto com sua estrutura atômica relativamente simples , tornou-o objeto de experimentos de espectroscopia especializados . Esses experimentos levaram a informações mais específicas sobre os níveis de energia e as constantes de acoplamento entre as partículas subatômicas . Estudos sobre a luz emitida por íons francium-210 aprisionados a laser forneceram dados precisos sobre as transições entre os níveis de energia atômica que são bastante semelhantes aos previstos pela teoria quântica .

História

Já em 1870, os químicos pensavam que deveria haver um metal alcalino além do césio , com um número atômico de 87. Foi então referido pelo nome provisório eka-césio . As equipes de pesquisa tentaram localizar e isolar esse elemento ausente, e pelo menos quatro afirmações falsas foram feitas de que o elemento havia sido encontrado antes que uma descoberta autêntica fosse feita.

Descobertas errôneas e incompletas

O químico soviético Dmitry Dobroserdov foi o primeiro cientista a afirmar ter encontrado eka-césio, ou frâncio. Em 1925, ele observou radioatividade fraca em uma amostra de potássio , outro metal alcalino, e concluiu incorretamente que eka-césio estava contaminando a amostra (a radioatividade da amostra era do radioisótopo de potássio natural, potássio-40 ). Ele então publicou uma tese sobre suas previsões sobre as propriedades do eka-césio, na qual deu o nome de seu país ao elemento russium . Pouco tempo depois, Dobroserdov começou a se concentrar em sua carreira de professor no Instituto Politécnico de Odessa , e não prosseguiu com o elemento.

No ano seguinte, os químicos ingleses Gerald JF Druce e Frederick H. Loring analisaram fotografias de raios-X de sulfato de manganês (II) . Eles observaram linhas espectrais que presumiram ser de eka-césio. Eles anunciaram a descoberta do elemento 87 e propuseram o nome de alcalínio , pois seria o metal alcalino mais pesado.

Em 1930, Fred Allison, do Instituto Politécnico do Alabama, afirmou ter descoberto o elemento 87 (além do 85) ao analisar polucita e lepidolita usando sua máquina magneto-óptica . Allison solicitou que fosse nomeado virginium em homenagem a seu estado natal , Virgínia , junto com os símbolos Vi e Vm. Em 1934, HG MacPherson da UC Berkeley contestou a eficácia do dispositivo de Allison e a validade de sua descoberta.

Em 1936, o físico romeno Horia Hulubei e sua colega francesa Yvette Cauchois também analisaram a polucita, desta vez usando seu aparelho de raios-X de alta resolução. Eles observaram várias linhas de emissão fracas, que presumiram ser aquelas do elemento 87. Hulubei e Cauchois relataram sua descoberta e propuseram o nome moldavium , junto com o símbolo Ml, após a Moldávia , a província romena onde Hulubei nasceu. Em 1937, o trabalho de Hulubei foi criticado pelo físico americano FH Hirsh Jr. , que rejeitou os métodos de pesquisa de Hulubei. Hirsh tinha certeza de que o eka-césio não seria encontrado na natureza e que Hulubei, em vez disso, observara linhas de raios-X de mercúrio ou bismuto . Hulubei insistiu que seu aparelho de raios-X e métodos eram muito precisos para cometer tal erro. Por causa disso, Jean Baptiste Perrin , ganhador do Prêmio Nobel e mentor de Hulubei, endossou o moldavium como o verdadeiro eka-césio sobre o frâncio recém-descoberto de Marguerite Perey . Perey se esforçou para ser precisa e detalhada em sua crítica ao trabalho de Hulubei e, finalmente, ela foi considerada a única descobridora do elemento 87. Todas as outras supostas descobertas anteriores do elemento 87 foram descartadas devido à meia-vida muito limitada do frâncio.

Análise de Perey

Eka-césio foi descoberto em 7 de janeiro de 1939 por Marguerite Perey do Instituto Curie em Paris, quando ela purificou uma amostra de actínio -227 que havia sido relatado como tendo uma energia de decaimento de 220 keV. Perey notou partículas em decomposição com um nível de energia abaixo de 80 keV. Perey pensou que essa atividade de decomposição pode ter sido causada por um produto de decomposição não identificado anteriormente, que foi separado durante a purificação, mas emergiu novamente do actínio-227 puro. Vários testes eliminaram a possibilidade de o elemento desconhecido ser tório , rádio, chumbo , bismuto ou tálio . O novo produto exibia propriedades químicas de um metal alcalino (como a coprecipitação com sais de césio), o que levou Perey a acreditar que se tratava do elemento 87, produzido pela decomposição alfa do actínio-227. Perey então tentou determinar a proporção do decaimento beta para o decaimento alfa no actínio-227. Seu primeiro teste colocou a ramificação alfa em 0,6%, um valor que ela posteriormente revisou para 1%.

Perey nomeou o novo isótopo actínio-K (agora é conhecido como frâncio-223) e em 1946, ela propôs o nome catium (Cm) para seu elemento recém-descoberto, pois ela acreditava ser o cátion mais eletropositivo dos elementos . Irène Joliot-Curie , uma das supervisoras de Perey, opôs-se ao nome devido à sua conotação de gato em vez de cátion ; além disso, o símbolo coincidia com o que havia sido atribuído ao cúrio . Perey então sugeriu o frâncio , depois da França. Este nome foi oficialmente adotado pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) em 1949, tornando-se o segundo elemento após o gálio a receber o nome da França. Foi atribuído o símbolo Fa, mas essa abreviatura foi revisada para o Fr atual logo em seguida. Francium foi o último elemento descoberto na natureza, ao invés de sintetizado, seguindo o háfnio e o rênio . Pesquisas adicionais sobre a estrutura do frâncio foram realizadas por, entre outros, Sylvain Lieberman e sua equipe no CERN nas décadas de 1970 e 1980.

Ocorrência

Um pedaço de matéria cinza brilhante de 5 centímetros com uma superfície áspera.
Esta amostra de uraninita contém cerca de 100.000 átomos (3,3 × 10 - 20  g) de frâncio-223 em um determinado momento.

223 Fr é o resultado da decomposição alfa de 227 Ac e pode ser encontrado em pequenas quantidades em minerais de urânio . Em uma determinada amostra de urânio, estima-se que haja apenas um átomo de frâncio para cada 1 × 10 18 átomos de urânio. Também é calculado que existe uma massa total de no máximo 30 g de frâncio na crosta terrestre em um dado momento.

Produção

Francium pode ser sintetizado por uma reação de fusão quando um alvo de ouro-197 é bombardeado com um feixe de átomos de oxigênio-18 de um acelerador linear em um processo originalmente desenvolvido no departamento de física da Universidade Estadual de Nova York em Stony Brook em 1995. Dependendo da energia do feixe de oxigênio, a reação pode render isótopos de frâncio com massas de 209, 210 e 211.

197 Au + 18 O → 209 Fr + 6 n
197 Au + 18 O → 210 Fr + 5 n
197 Au + 18 O → 211 Fr + 4 n
Uma configuração experimental complexa com um tubo de vidro horizontal colocado entre duas bobinas de cobre.
Uma armadilha magneto-óptica, que pode conter átomos de frâncio neutros por curtos períodos de tempo.

Os átomos de frâncio deixam o alvo de ouro como íons, que são neutralizados por colisão com ítrio e então isolados em uma armadilha magneto-óptica (MOT) em um estado gasoso não consolidado. Embora os átomos permaneçam na armadilha apenas por cerca de 30 segundos antes de escapar ou sofrer decomposição nuclear, o processo fornece um fluxo contínuo de átomos novos. O resultado é um estado estacionário contendo um número razoavelmente constante de átomos por muito mais tempo. O aparato original pode prender até alguns milhares de átomos, enquanto um design aprimorado posterior pode prender mais de 300.000 de cada vez. Medições sensíveis da luz emitida e absorvida pelos átomos aprisionados forneceram os primeiros resultados experimentais em várias transições entre os níveis de energia atômica no frâncio. As medições iniciais mostram uma concordância muito boa entre os valores experimentais e os cálculos baseados na teoria quântica. O projeto de pesquisa usando este método de produção foi transferido para TRIUMF em 2012, onde mais de 10 6 átomos de frâncio foram mantidos ao mesmo tempo, incluindo grandes quantidades de 209 Fr, além de 207 Fr e 221 Fr.

Outros métodos de síntese incluem bombardear rádio com nêutrons e bombardear tório com prótons, deuterons ou íons de hélio .

223 Fr também pode ser isolado de amostras de seu pai 227 Ac, o frâncio sendo ordenhados por eluição com NH 4 Cl-CrO 3 de um trocador de cátions contendo actínio e purificado pela passagem da solução através de um composto de dióxido de silício carregado com sulfato de bário .

Uma bola redonda de luz vermelha cercada por um brilho verde
Imagem da luz emitida por uma amostra de 200.000 átomos de frâncio em uma armadilha magneto-óptica
Uma pequena mancha branca no meio rodeada por um círculo vermelho.  Há um anel amarelo fora do círculo vermelho, um círculo verde além do anel amarelo e um círculo azul circundando todos os outros círculos.
Imagem de calor de 300.000 átomos de frâncio em uma armadilha magneto-óptica

Em 1996, o grupo Stony Brook prendeu 3.000 átomos em seu MOT, o que foi o suficiente para uma câmera de vídeo capturar a luz emitida pelos átomos conforme eles fluorescem. Francium não foi sintetizado em quantidades grandes o suficiente para pesar.

Notas

Referências

links externos