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Francio,  87 Fr
Francio
Pronunciación/ F r æ n s i ə m / ( FRAN -ver-əm )
Número de masa[223]
Francio en la tabla periódica
HidrógenoHelio
LitioBerilioBoroCarbónNitrógenoOxígenoFlúorNeón
SodioMagnesioAluminioSilicioFósforoAzufreCloroArgón
PotasioCalcioEscandioTitanioVanadioCromoManganesoHierroCobaltoNíquelCobreZincGalioGermanioArsénicoSelenioBromoCriptón
RubidioEstroncioItrioCirconioNiobioMolibdenoTecnecioRutenioRodioPaladioPlataCadmioIndioEstañoAntimonioTelurioYodoXenón
CesioBarioLantanoCerioPraseodimioNeodimioPrometeoSamarioEuropioGadolinioTerbioDisprosioHolmioErbioTulioIterbioLutecioHafnioTantalioTungstenoRenioOsmioIridioPlatinoOroMercurio (elemento)TalioDirigirBismutoPolonioAstatineRadón
FrancioRadioActinioTorioProtactinioUranioNeptunioPlutonioAmericioCurioBerkelioCalifornioEinstenioFermioMendelevioNobelioLawrencioRutherfordioDubniumSeaborgioBohriumHassiumMeitnerioDarmstadtiumRoentgenioCopérnicoNihoniumFlerovioMoscoviumLivermoriumTennessineOganesson
Cs
↑
Fr
↓
( Uue )
radón ← francio → radio
Número atómico ( Z )87
Grupogrupo 1 : H y metales alcalinos
Períodoperíodo 7
Cuadra  bloque s
Configuración electronica[ Rn ] 7 s 1
Electrones por capa2, 8, 18, 32, 18, 8, 1
Propiedades físicas
Fase en  STPsólido
Punto de fusion300  K (27 ° C, 81 ° F)
Punto de ebullición950 K (677 ° C, 1251 ° F)
Densidad (cerca de  rt )2,48 g / cm 3 (estimado) [1]
Presión de vapor (extrapolada)
P  (Pa)1101001 k10 k100 k
en  T  (K)404454519608738946
Propiedades atómicas
Estados de oxidación+1 (unóxidofuertemente básico )
ElectronegatividadEscala de Pauling:> 0,79
Energías de ionización
  • 1º: 393 kJ / mol [2]
Radio covalente260  pm (extrapolado)
Radio de Van der Waals348 pm (extrapolado)
Otras propiedades
Ocurrencia naturalde la descomposición
Estructura cristalinacentrada en el cuerpo cúbico (BCC)

(extrapolado)
Conductividad térmica15 W / (m⋅K) (extrapolado)
Resistividad electrica3 µΩ⋅m (calculado)
Orden magnéticoParamagnético
Número CAS7440-73-5
Historia
Nombrardespués de Francia, patria del descubridor
Descubrimiento y primer aislamientoMarguerite Perey (1939)
Isótopos principales del francio
IsótopoAbundanciaVida media ( t 1/2 )Modo de decaimientoProducto
212 Frsyn20,0 minβ +212 Rn
α208 en
221 Frrastro4.8 minα217 en
222 fransyn14,2 minβ -222 Ra
223 franrastro22.00 minβ -223 Ra
α219 en
Categoría Categoría: Francio
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El francio es un elemento químico con el símbolo  Fr y el número atómico  87. Antes de su descubrimiento, se le conocía como eka - cesio . Es extremadamente radiactivo ; su isótopo más estable, el francio-223 (originalmente llamado actinio K después de la cadena de desintegración natural en la que aparece), tiene una vida media de sólo 22 minutos. Es el segundo elemento más electropositivo , solo detrás del cesio, y es el segundo elemento natural más raro (después del astato ). Los isótopos del francio se descomponen rápidamente en astato ,radio y radón . La estructura electrónica de un átomo de francio es [Rn] 7s 1 , por lo que el elemento se clasifica como un metal alcalino .

El francio a granel nunca se ha visto. Debido a la apariencia general de los otros elementos en la columna de su tabla periódica, se supone que el francio aparecería como un metal altamente reactivo, si se pudiera recolectar lo suficiente para ser visto como un sólido o líquido a granel. Obtener una muestra de este tipo es muy improbable, ya que el calor extremo de descomposición causado por su corta vida media vaporizaría inmediatamente cualquier cantidad visible del elemento.

El francio fue descubierto por Marguerite Perey en Francia (de donde toma su nombre el elemento) en 1939. [3] Fue el último elemento descubierto por primera vez en la naturaleza, en lugar de por síntesis. [nota 1] Fuera del laboratorio, el francio es extremadamente raro, con trazas de minerales de uranio y torio , donde el isótopo francio-223 se forma y decae continuamente. Existen tan solo 20-30 g (una onza) en un momento dado en toda la corteza terrestre ; aparte del francio-221, sus otros isótopos son completamente sintéticos. La mayor cantidad producida en el laboratorio fue un grupo de más de 300.000 átomos. [4]

Características [ editar ]

El francio es uno de los elementos naturales más inestables: su isótopo de vida más larga, el francio-223, tiene una vida media de solo 22 minutos. El único elemento comparable es el astato , cuyo isótopo natural más estable, el astato-219 (la hija alfa del francio-223), tiene una vida media de 56 segundos, aunque el astato 210 sintético tiene una vida mucho más larga con una vida media. de 8,1 horas. [5] Todos los isótopos del francio se descomponen en astato, radio o radón . [5] El francio-223 también tiene una vida media más corta que el isótopo de vida más larga de cada elemento sintético hasta el elemento 105, el dubnio inclusive . [6]

El francio es un metal alcalino cuyas propiedades químicas se asemejan principalmente a las del cesio. [6] Un elemento pesado con un solo electrón de valencia , [7] tiene el peso equivalente más alto de cualquier elemento. [6] El francio líquido, si se crea, debe tener una tensión superficial de 0.05092  N / m en su punto de fusión. [8] El punto de fusión del francio se estimó en alrededor de 8.0 ° C (46.4 ° F); [1] También se suele encontrar un valor de 27 ° C (81 ° F). [6] El punto de fusión es incierto debido a la extrema rareza y radiactividad del elemento ; una extrapolación diferente basada enEl método de Dmitri Mendeleev dio 20 ± 1,5 ° C (68,0 ± 2,7 ° F). El punto de ebullición estimado de 620 ° C (1,148 ° F) también es incierto; también se han sugerido las estimaciones de 598 ° C (1.108 ° F) y 677 ° C (1.251 ° F), así como la extrapolación del método de Mendeleev de 640 ° C (1.184 ° F). [1] [8] Se espera que la densidad del francio sea de alrededor de 2,48 g / cm 3 (el método de Mendeleev extrapola 2,4 g / cm 3 ). [1]

Linus Pauling estimó la electronegatividad del francio en 0,7 en la escala de Pauling , lo mismo que el cesio; [9] el valor del cesio se ha refinado desde entonces a 0,79, pero no hay datos experimentales que permitan un refinamiento del valor del francio. [10] El francio tiene una energía de ionización ligeramente más alta que el cesio, [11] 392.811 (4) kJ / mol en comparación con 375.7041 (2) kJ / mol para el cesio, como se esperaría de los efectos relativistas , y esto implicaría que el cesio es el menos electronegativo de los dos. El francio también debería tener una mayor afinidad electrónica que el cesio y el Fr -El ion debería ser más polarizable que el ion Cs - . [12] Se predice que la molécula de CsFr tiene francio en el extremo negativo del dipolo, a diferencia de todas las moléculas heterodiatómicas de metales alcalinos conocidas. Se espera que el superóxido de francio (FrO 2 ) tenga un carácter más covalente que sus congéneres más ligeros ; esto se atribuye a que los electrones 6p del francio están más involucrados en el enlace francio-oxígeno. [12]

El francio se coprecipita con varias sales de cesio , como el perclorato de cesio , lo que da como resultado pequeñas cantidades de perclorato de francio. Esta coprecipitación se puede utilizar para aislar francio, adaptando el método de coprecipitación de cesio radiactivo de Lawrence E. Glendenin y CM Nelson. Además, coprecipitará con muchas otras sales de cesio, incluidos el yodato , el picrato , el tartrato (también tartrato de rubidio ), el cloroplatinato y el silicotungstato . También coprecipita con ácido silicotúngstico y con ácido perclórico., sin otro metal alcalino como vehículo , lo que proporciona otros métodos de separación. [13] [14] Casi todas las sales de francio son solubles en agua . [15]

Isótopos [ editar ]

Artículo principal: Isótopos de francio

Hay 34 isótopos conocidos de francio que varían en masa atómica de 199 a 232. [16] El francio tiene siete isómeros nucleares metaestables . [6] El francio-223 y el francio-221 son los únicos isótopos que se encuentran en la naturaleza, siendo el primero mucho más común. [17]

El francio-223 es el isótopo más estable, con una vida media de 21,8 minutos, [6] y es muy poco probable que se descubra o sintetice un isótopo de francio con una vida media más larga. [18] El francio-223 es un quinto producto de la serie de desintegración del uranio-235 como isótopo hijo del actinio-227 ; el torio-227 es la hija más común. [19] El francio-223 luego se desintegra en radio-223 por desintegración beta ( energía de desintegración de 1,149 MeV ), con una ruta de desintegración alfa menor (0,006%) a astato-219 (energía de desintegración de 5,4 MeV). [20]

El francio-221 tiene una vida media de 4,8 minutos. [6] Es el noveno producto de la serie de desintegración del neptunio como isótopo hijo del actinio-225 . [19] El francio-221 luego se desintegra en astato-217 por desintegración alfa (energía de desintegración de 6.457 MeV). [6]

El isótopo en estado fundamental menos estable es el francio-215, con una vida media de 0,12 μs: sufre una desintegración alfa de 9,54 MeV a astato-211. [6] Su isómero metaestable , el francio-215m, es aún menos estable, con una vida media de sólo 3,5 ns. [21]

Aplicaciones [ editar ]

Debido a su inestabilidad y rareza, no existen aplicaciones comerciales para el francio. [22] [23] [24] [19] Se ha utilizado con fines de investigación en los campos de la química [25] y de la estructura atómica . También se ha explorado su uso como posible ayuda para el diagnóstico de varios cánceres , [5] pero se ha considerado que esta aplicación no es práctica. [23]

La capacidad del francio para ser sintetizado, atrapado y enfriado, junto con su estructura atómica relativamente simple , lo ha convertido en objeto de experimentos espectroscópicos especializados . Estos experimentos han dado lugar a información más específica sobre los niveles de energía y las constantes de acoplamiento entre partículas subatómicas . [26] Los estudios sobre la luz emitida por los iones de francio 210 atrapados por láser han proporcionado datos precisos sobre las transiciones entre niveles de energía atómica que son bastante similares a las predichas por la teoría cuántica . [27]

Historia [ editar ]

Ya en 1870, los químicos pensaron que debería haber un metal alcalino más allá del cesio , con un número atómico de 87. [5] Luego se lo denominó con el nombre provisional eka-cesio . [28] Los equipos de investigación intentaron localizar y aislar este elemento perdido, y se hicieron al menos cuatro afirmaciones falsas de que el elemento se había encontrado antes de que se hiciera un descubrimiento auténtico.

Descubrimientos erróneos e incompletos [ editar ]

El químico soviético Dmitry Dobroserdov fue el primer científico en afirmar haber encontrado eka-cesio o francio. En 1925, observó una radiactividad débil en una muestra de potasio , otro metal alcalino, y concluyó incorrectamente que el eka-cesio estaba contaminando la muestra (la radiactividad de la muestra era del radioisótopo potásico natural, potasio-40 ). [29] Luego publicó una tesis sobre sus predicciones de las propiedades del eka-cesio, en la que nombró al elemento russium en honor a su país de origen. [30] Poco después, Dobroserdov comenzó a centrarse en su carrera docente en el Instituto Politécnico de Odessa., y no prosiguió con el elemento. [29]

Al año siguiente, los químicos ingleses Gerald JF Druce y Frederick H. Loring analizaron fotografías de rayos X de sulfato de manganeso (II) . [30] Observaron líneas espectrales que supusieron que eran de eka-cesio. Anunciaron su descubrimiento del elemento 87 y propusieron el nombre alcalinio , ya que sería el metal alcalino más pesado. [29]

En 1930, Fred Allison, del Instituto Politécnico de Alabama, afirmó haber descubierto el elemento 87 (además del 85) al analizar polucita y lepidolita usando su máquina magnetoóptica . Allison solicitó que se llamara virginium en honor a su estado natal de Virginia , junto con los símbolos Vi y Vm. [30] [31] En 1934, HG MacPherson de UC Berkeley refutó la efectividad del dispositivo de Allison y la validez de su descubrimiento. [32]

En 1936, el físico rumano Horia Hulubei y su colega francesa Yvette Cauchois también analizaron la polucita, esta vez utilizando su aparato de rayos X de alta resolución. [29] Observaron varias líneas de emisión débiles, que supusieron que eran las del elemento 87. Hulubei y Cauchois informaron de su descubrimiento y propusieron el nombre moldavium , junto con el símbolo Ml, en honor a Moldavia , la provincia rumana donde nació Hulubei. [30] En 1937, el trabajo de Hulubei fue criticado por el físico estadounidense FH Hirsh Jr. , quien rechazó los métodos de investigación de Hulubei. Hirsh estaba seguro de que el eka-cesio no se encontraría en la naturaleza y que, en cambio, Hulubei había observadolíneas de rayos X de mercurio o bismuto . Hulubei insistió en que su aparato y métodos de rayos X eran demasiado precisos para cometer tal error. Debido a esto, Jean Baptiste Perrin , ganador del Premio Nobel y mentor de Hulubei, respaldó al moldavio como el verdadero eka-cesio sobre el francio recientemente descubierto por Marguerite Perey . Perey se esforzó por ser precisa y detallada en su crítica del trabajo de Hulubei, y finalmente fue acreditada como la única descubiertora del elemento 87. [29] Todos los demás supuestos descubrimientos previos del elemento 87 fueron descartados debido a la muy limitada vida media del francio. . [30]

Análisis de Perey [ editar ]

El eka-cesio fue descubierto el 7 de enero de 1939 por Marguerite Perey del Instituto Curie de París, [33] cuando purificó una muestra de actinio -227 que, según se había informado, tenía una energía de desintegración de 220 keV. Perey notó partículas de descomposición con un nivel de energía por debajo de 80 keV. Perey pensó que esta actividad de descomposición podría haber sido causada por un producto de descomposición no identificado previamente, uno que se separó durante la purificación, pero que emergió nuevamente del actinio-227 puro. Varias pruebas eliminaron la posibilidad de que el elemento desconocido fuera torio , radio, plomo , bismuto o talio.. El nuevo producto exhibía propiedades químicas de un metal alcalino (como la coprecipitación con sales de cesio), lo que llevó a Perey a creer que era el elemento 87, producido por la desintegración alfa del actinio-227. [28] Perey luego intentó determinar la proporción de desintegración beta a desintegración alfa en actinio-227. Su primera prueba puso la ramificación alfa en 0,6%, una cifra que luego revisó al 1%. [18]

Perey nombró al nuevo isótopo actinio-K (ahora se lo conoce como francio-223) [28] y en 1946, propuso el nombre catium (Cm) para su elemento recién descubierto, ya que creía que era el catión más electropositivo. de los elementos. Irène Joliot-Curie , una de las supervisoras de Perey, se opuso al nombre debido a su connotación de gato en lugar de catión ; además, el símbolo coincidía con el que desde entonces se había asignado al curio . [28] Perey sugirió entonces el francio , después de Francia. Este nombre fue adoptado oficialmente por elUnión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) en 1949, [5] convirtiéndose en el segundo elemento después del galio que lleva el nombre de Francia. Se le asignó el símbolo Fa, pero esta abreviatura fue revisada al actual Fr poco después. [34] El francio fue el último elemento descubierto en la naturaleza, en lugar de sintetizado, después del hafnio y el renio . [28] Sylvain Lieberman y su equipo en el CERN llevaron a cabo más investigaciones sobre la estructura del francio en las décadas de 1970 y 1980 , entre otros . [35]

Ocurrencia [ editar ]

Esta muestra de uraninita contiene aproximadamente 100.000 átomos (3,3 × 10 - 20  g) de francio-223 en un momento dado. [23]

223 Fr es el resultado de la desintegración alfa de 227 Ac y se puede encontrar en cantidades mínimas en minerales de uranio . [6] En una muestra determinada de uranio, se estima que hay solo un átomo de francio por cada 1 × 10 18 átomos de uranio. [23] También se calcula que hay una masa total de como máximo 30 g de francio en la corteza terrestre en un momento dado. [36]

Producción [ editar ]

El francio se puede sintetizar mediante una reacción de fusión cuando un objetivo de oro-197 es bombardeado con un haz de átomos de oxígeno-18 procedente de un acelerador lineal en un proceso desarrollado originalmente en el departamento de física de la Universidad Estatal de Nueva York en Stony Brook en 1995. [37] Dependiendo de la energía del haz de oxígeno, la reacción puede producir isótopos de francio con masas de 209, 210 y 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
Una trampa magneto-óptica, que puede contener átomos de francio neutros durante cortos períodos de tiempo. [38]

Los átomos de francio dejan el objetivo de oro como iones, que son neutralizados por la colisión con el itrio y luego aislados en una trampa magneto-óptica (MOT) en un estado gaseoso no consolidado. [38] Aunque los átomos solo permanecen en la trampa durante unos 30 segundos antes de escapar o sufrir desintegración nuclear, el proceso proporciona una corriente continua de átomos frescos. El resultado es un estado estable que contiene un número bastante constante de átomos durante mucho más tiempo. [38] El aparato original podía atrapar hasta unos pocos miles de átomos, mientras que un diseño mejorado posterior podía atrapar más de 300.000 a la vez. [4]Las mediciones sensibles de la luz emitida y absorbida por los átomos atrapados proporcionaron los primeros resultados experimentales en varias transiciones entre los niveles de energía atómica en el francio. Las mediciones iniciales muestran una muy buena concordancia entre los valores experimentales y los cálculos basados ​​en la teoría cuántica. El proyecto de investigación que utiliza este método de producción se trasladó a TRIUMF en 2012, donde se han retenido más de 10 6 átomos de francio a la vez, incluidas grandes cantidades de 209 Fr, además de 207 Fr y 221 Fr. [39] [40]

Otros métodos de síntesis incluyen bombardear radio con neutrones y bombardear torio con protones, deuterones o iones de helio . [18]

223 Fr también se puede aislar de muestras de su 227 Ac original, ordeñándose el francio mediante elución con NH 4 Cl-CrO 3 de un intercambiador catiónico que contiene actinio y purificando pasando la solución a través de un compuesto de dióxido de silicio cargado con sulfato de bario . [41]

Imagen de calor de 300.000 átomos de francio en una trampa magnetoóptica

En 1996, el grupo de Stony Brook atrapó 3000 átomos en su MOT, lo que fue suficiente para que una cámara de video capturara la luz emitida por los átomos cuando emiten fluorescencia. [4] El francio no se ha sintetizado en cantidades suficientemente grandes para pesar. [5] [23] [42]

Notas [ editar ]

  1. ^ Algunos elementos sintéticos, como el tecnecio y el plutonio , se han encontrado más tarde en la naturaleza.

Referencias [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

  • Francio (Fr) (elemento químico) en la Encyclopædia Britannica
  • Francium en The Periodic Table of Videos (Universidad de Nottingham)
  • WebElements.com - Francio
  • Departamento de Física de la Universidad de Stony Brook.
  • 2013, ER Scerri, Una historia de siete elementos, Oxford University Press, Oxford, ISBN 9780195391312