Nguyên tố hóa học Franxi
Franxi → Radi 55
Cs
↑
Fr
↓
Uue
Tổng quát
Tên, Ký hiệu, Số Franxi, Fr, 55
Phân loại kim loại kiềm
Nhóm, Chu kỳ, Khối 1, 7, s
Khối lượng riêng, Độ cứng 1.870 kg/m³, ?
Bề ngoài ánh kim
Tính chất nguyên tử
Khối lượng nguyên tử (223) đ.v.C
Bán kính nguyên tử (calc.) ? (?) pm
Bán kính cộng hoá trị ? pm
Bán kính van der Waals ? pm
Cấu hình electron [Rn]7s1
e- trên mức năng lượng 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1
Trạng thái ôxi hóa (Ôxít) 1 (bazơ rất mạnh)
Cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối
Tính chất vật lý
Trạng thái vật chất rắn
Điểm nóng chảy 300 K (80 °F)
Điểm sôi 950 K (1.250 °F)
Trạng thái trật tự từ không có dữ liệu
Thể tích phân tử ? ×10-6 m³/mol
Nhiệt bay hơi 65 kJ/mol
Nhiệt nóng chảy 2 kJ/mol
Áp suất hơi 100000 Pa tại 946 K
Vận tốc âm thanh m/s tại 293,15 K
Thông tin khác
Độ âm điện 0,7 (thang Pauling)
Nhiệt dung riêng ? J/(kg·K)
Độ dẫn điện 3.333x105 /Ω·m
Độ dẫn nhiệt 15 W/(m·K)
Năng lượng ion hóa 1. 380 kJ/mol
Chất đồng vị ổn định nhất
Bài chi tiết: Đồng vị của franxi
iso TN DM DE MeV DP t½
221Fr dấu vết
4,8 phút α 6,457
217At
222Fr tổng hợp 14,2 phút β-
2,033
222Ra
223Fr 100%
21,8 phút β- 1,149
223Ra
Đơn vị SI và STP được dùng trừ khi có ghi chú.
Franxi, trước đây còn gọi là eka-xêzi hay actini K[1], là một nguyên tố hóa học
trong bảng tuần hoàn có ký hiệu Fr và số nguyên tử bằng 87. Nó có độ âm điện
thấp nhất trong số các nguyên tố đã biết và là nguyên tố có độ phổ biến trong tự
nhiên thấp thứ hai, chỉ sau astatin. Franxi là một kim loại kiềm có tính phóng xạ
cao, phân rã thành astatin, radi và radon. Là một kim loại kiềm, nó có một điện tử
hóa trị.
Marguerite Perey phát hiện ra franxi năm 1939. Nó là nguyên tố cuối cùng được phát hiện trong tự nhiên chứ không phải bằng phương pháp tổng hợp[2]. Ngoài
phạm vi phòng thí nghiệm, franxi là cực hiếm, với khối lượng được tìm thấy ở dạng dấu vết trong quặng urani và thori, trong đó đồng vị Fr223 liên tục được tạo ra
và liên tục bị phân rã. Người ta ước tính có khoảng 1 aoxơ (28,35 g) đồng vị này
của franxi tồn tại ở bất kỳ thời điểm nào trong lớp vỏ Trái Đất; các đồng vị còn lại
hoàn toàn được tạo ra bằng tổng hợp. Số lượng lớn nhất của bất kỳ đồng vị nào của franxi đã thu thập được là một cụm 10.000 nguyên tử (của Fr210) được tạo ra như là plasma tại Stony Brook năm 1996[3].
Đặc trưng
Franxi là ít ổn định nhất trong số các nguyên tố nhẹ hơn nobeli (nguyên tố số 102)[3], đồng vị ổn định nhất của nó, Fr223, có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 22 phút.
Ngược lại, astatin, nguyên tố ít ổn định kế tiếp, có chu kỳ bán rã tối đa là 8,5 giờ [4]. Mọi đồng vị của franxi phân rã thành một trong các nguyên tố như astatin, radi hay radon[4].
Franxi có các tính chất hóa học tương tự như của xêzi[3]. Là nguyên tố nặng với chỉ một điện tử hóa trị[5], nó có trọng lượng tương đương cao nhất trong số các nguyên tố[3]. Tương tự, franxi có độ âm điện thấp nhất trong số các nguyên tố đã biết, bằng 0,7 trong thang Pauling[6], xêzi đứng thứ hai với giá trị 0,79[7]. Franxi
lỏng, nếu như trạng thái này có thể được tạo ra, sẽ có giá trị của ứng suất bề mặt bằng 0,05092 J/m² ở điểm nóng chảy của nó[8].
Franxi cùng kết tủa với một vài muối của xêzi, chẳng hạn như perclorat xêzi, tạo
ra một lượng nhỏ perclorat franxi. Quá trình đồng kết tủa này có thể được sử dụng
để cô lập franxi, bằng cách phỏng theo phương pháp đồng kết tủa xêzi phóng xạ
của Glendenin và Nelson. Nó cũng sẽ đồng kết tủa với nhiều muối khác của xêzi,
như iodat, picrat, tartrat (với cả tartrat rubidi), cloroplatinat, silicotungstat. Nó
cũng đồng kết tủa với axít silicotungstic, axít percloric, mà không cần các kim loại kiềm khác làm chất mang, điều này tạo ra một phương pháp cô lập franxi khác[9], [10]. Gần như tất cả các muối của franxi là hòa tan trong nước[11].
Ứng dụng
Hiện tại không có ứng dụng thương mại nào của franxi do tính không ổn định và độ khan hiếm của nó[12][13][14][15][16], và vì thế chỉ có ứng dụng trong các nghiên
cứu, trong cả các lĩnh vực của sinh học lẫn cấu trúc nguyên tử. Franxi đã từng được coi là phương tiện trợ giúp trong chẩn đoán các bệnh ung thư[4], nhưng ứng dụng này dường như là không khả thi trong thực tế[14].
Khả năng của franxi trong việc được tổng hợp, bắt giữ và làm mát, cùng với cấu
trúc nguyên tử tương đối đơn giản của nó đã làm cho nó trở thành đối tượng của
các thực nghiệm quang phổ học chuyên biệt. Các thực nghiệm này cung cấp các
thông tin cụ thể hơn liên quan tới các mức năng lượng và các hằng số bắt cặp giữa các hạt hạ nguyên tử[17]. Các nghiên cứu trên ánh sáng bức xạ bởi các ion franxi-
210 bị bắt giữ bằng laser đã cung cấp các dữ liệu chính xác về các trạng thái
chuyển tiếp giữa các mức năng lượng nguyên tử. Các kết quả thực nghiệm này là khá giống như các dự đoán của cơ học lượng tử[18].
Lịch sử
Vào khoảng thập niên 1870, một số nhà hóa học đã nghĩ rằng phải có một kim loại kiềm sau xêzi, với số nguyên tử bằng 87[4]. Sau đó nó đã được nhắc tới bằng tên gọi tạm thời là eka xêzi[19]. Các nhóm nghiên cứu đã cố gắng định vị và cô lập
nguyên tố còn thiếu này, và ít nhất có 4 tuyên bố nhầm rằng nguyên tố này đã
được phát hiện ra, trước khi việc phát hiện đích thực được thực hiện.
Các phát hiện sai sót hay không hoàn chỉnh
Nhà hóa học người Nga là D. K. Dobroserdov là nhà khoa học đầu tiên tuyên bố
đã tìm ra "eka-xêzi". Năm 1925, ông quan sát phân rã phóng xạ yếu trong một
mẫu kali, một kim loại kiềm khác, và kết luận rằng eka-xêzi đã lây nhiễm vào mẫu[20]. Sau đó ông cho công bố một luận đề với các dự đoán của ông về các tính
chất của eka-xêzi, trong đó ông đặt tên cho nguyên tố là russium theo tên tổ quốc ông[21]. Ngay sau đó, Dobroserdov đã tập trung vào công việc giảng dạy của ông tại Đại học Bách khoa Odessa, và ông không đeo đuổi nguyên tố này nữa[20].
Năm sau, các nhà hóa học người Anh là Gerald J. F. Druce và Frederick H. Loring phân tích các ảnh chụp bằng tia X của sulfat mangan (II)[21]. Họ quan sát thấy các
vạch quang phổ, được họ coi là của eka-xêzi. Họ đã thông báo về phát hiện ra
nguyên tố số 87 của mình và đề nghị đặt tên là alkalinium, do nó có lẽ là kim loại kiềm nặng nhất[20].
Năm 1930, giáo sư Fred Allison tại Đại học Bách khoa Alabama tuyên bố đã phát
hiện ra nguyên tố số 87 khi phân tích pollucit và lepidolit bằng cách sử dụng cỗ
máy từ -quang của mình. Allison đề nghị đặt tên cho nó là virginium theo tên bang quê hương ông là Virginia, cùng với các ký hiệu Vi và Vm[21][22]. Tuy nhiên, năm
1934, giáo sư MacPherson tại UC Berkeley đã bác bỏ tính hiệu quả của thiết bị do Allison chế tạo ra và giá trị của phát hiện sai lầm này[23].
Năm 1936, nhà hóa học người Romania là Horia Hulubei và đồng nghiệp người
Pháp của ông là Yvette Cauchois cũng phân tích pollucit, sử dụng thiết bị tia X có độ phân giải cao của họ[20]. Họ đã quan sát thấy vài vạch bức xạ yếu mà họ cho là
của nguyên tố số 87. Hulubei và Cauchois đã thông báo phát hiện của mình và đề
nghị tên gọi moldavium, với ký hiệu Ml, theo tên gọi của Moldavia, khi đó là một tỉnh của Romania và là nơi họ tiến hành công việc của mình[21]. Năm 1937, nhà vật
lý học người Mỹ là F. H. Hirsh Jr. đã phê phán công trình của Hulubei. Ông này
không chấp nhận các phương pháp nghiên cứu của Hulubei. Hirsh chắc chắn rằng
eka-xêzi không thể tìm thấy trong tự nhiên và rằng Hulubei thay vì thế đã quan sát
thấy các vạch phát xạ của thủy ngân hay bitmut. Tuy nhiên, Hulubei nhấn mạnh
rằng thiết bị tia X của ông và các phương pháp là rất chính xác, không thể tạo ra
sai sót như vậy. Do điều này, Jean Baptiste Perrin, người đoạt giải Nobel và đồng
thời là cố vấn cho Hulubei, đã xác nhận moldavium chính là eka-xêzi thật sự chứ
không phải là phát hiện ra franxi sau này của Marguerite Perey. Tuy nhiên, Perey
vẫn tiếp tục phê phán công trình của Hulubei cho đến khi bà này được coi là người phát hiện duy nhất ra nguyên tố số 87[20].
Phân tích Perey
Eka-xêzi được phát hiện một cách thực sự vào năm 1939 bởi Marguerite Perey của
Viện Curie tại Paris, Pháp, khi bà tinh chế một mẫu actini-227, được thông báo là
có năng lượng phân rã bằng 220 keV. Tuy nhiên, Perey nhận ra rằng các hạt phân
rã với mức năng lượng dưới 80 keV. Perey nghĩ rằng hoạt động phân rã này có thể
bị gây ra bởi một sản phẩm phân rã đã không được nhận dạng trước đó, là sản
phẩm đã bị tách ra trong quá trình tinh chế, nhưng lại xuất hiện một lần nữa từ
actini-227 tinh khiết. Các thử nghiệm khác nhau đã loại bỏ khả năng về sự có mặt
của thori, radi, chì, bitmut hay tali như là nguyên tố chưa rõ đó. Sản phẩm mới thể
hiện các tính chất hóa học của một kim loại kiềm (chẳng hạn như đồng kết tủa với
các muối của xêzi), điều này đã dẫn Perey tới niềm tin rằng nó chính là nguyên tố
số 87, được sinh ra từ phân rã alpha của actini-227[19]. Sau đó Perey đã cố gắng
xác định tỷ lệ giữa phân rã beta và phân rã alpha trong actini-227. Thử nghiệm đầu
tiên của bà đưa ra phân nhánh alpha ở mức 0,6%, mà sau này bà đã sửa lại thành 1%[24].
Perey đặt tên cho đồng vị mới là actinium-K, mà ngày nay người ta gọi là franxi- 223[19] và năm 1946 bà đã đề nghị tên gọi catium cho nguyên tố mới phát hiện này,
do bà tin rằng nó là cation có độ dương điện cao nhất trong số các nguyên tố. Irène
Joliot-Curie, một trong những người giám sát của Perey, đã chống lại tên gọi này do nghĩa rộng của nó là cattus (con mèo) chứ không phải cation[19]. Perey sau đó
đề nghị tên gọi francium để tỏ lòng kính trọng tới đất nước mà tại đó bà đã phát
hiện ra nó. Tên gọi này được Hiệp hội Quốc tế các nhà Hóa học (IUC) chính thức phê chuẩn năm 1949[4] và gán cho nó ký hiệu Fa; nhưng gần như là ngay sau đó đã sửa lại thành Fr[25]. Franxi là nguyên tố có trong tự nhiên cuối cùng đã được phát hiện ra, sau rheni năm 1925[19]. Các nghiên cứu tiếp theo về cấu trúc của franxi
được Sylvain Lieberman và nhóm của ông tại CERN thực hiện trong thập niên 1970 và 1980.[26]
Phổ biến
Tập tin:Franciumtrap.PNG
Trong bẫy từ-quang (MOT), từ trường được tạo ra từ các solenoit dây đồng. Các nguyên tử franxi trung hòa đi vào bầu thủy tinh từ bên trái và bị laser bắt giữ.[27]
Tự nhiên
Franxi-223 là kết quả của phân rã alpha của actini-227 và có thể tìm thấy ở dạng
dấu vết trong các khoáng vật của urani và thori. Trong mẫu đã cho của urani, người ta ước tính chỉ có 1 nguyên tử franxi trong mỗi 1×1018 nguyên tử urani.
Người ta cũng tính toán rằng chỉ có tối đa khoảng 30 gam franxi trong lớp vỏ Trái
Đất vào bất kỳ thời điểm nào[28]. Điều này làm cho nó trở thành nguyên tố hiếm thứ hai trong lớp vỏ Trái Đất sau astatin[4][14].
Tổng hợp
Franxi có thể được tổng hợp trong phản ứng hạt nhân 197Au + 18O → 210Fr + 5n.
Tiến trình này, do khoa lý Stony Brook thực hiện, sinh ra các đồng vị franxi với khối lượng 209, 210 và 211[29], và chúng sau đó bị cô lập bởi bẫy từ-quang (MOT)[27]. Các phương pháp tổng hợp khác bao gồm tấn công radi bằng nơtron, tấn công thori bằng proton, deuteron hay các ion heli[24]. Vào thời điểm năm 2006, franxi vẫn chưa tổng hợp đủ để có thể cân được[3][4][14][30].
[sửa] Đồng vị
Bài chi tiết: Đồng vị của franxi
Phân tử Franxi.
Hiện nay người ta biết 34 đồng vị của franxi, với nguyên tử lượng từ 199 tới 232[3]. Franxi có 7 đồng phân hạt nhân siêu ổn định[3]. Franxi-223 và franxi-221 là
các đồng vị duy nhất có trong tự nhiên, trong đó đồng vị đầu tiên là phổ biến hơn[31].
Franxi-223 là đồng vị ổn định nhất với chu kỳ bán rã là 21,8 phút[3] và khả năng
rất cao là sẽ không có đồng vị nào khác của franxi sẽ được phát hiện hay tổng hợp với chu kỳ bán rã lâu hơn[24]. Franxi-223 là sản phẩm thứ năm trong chuối phân rã của actini, từ đồng vị actini-227[16]. Franxi-223 sau đó phân rã thành radi-223 bằng
phân rã beta (1.149 keV năng lượng phân rã), với rất ít (0,006%) phân rã alpha thành astatin-219 (5,4 MeV năng lượng phân rã)[32].
Franxi-221 có chu kỳ bán rã 4,8 phút[3]. Nó là sản phẩm thứ chín của chuỗi phân rã của neptuni, từ đồng vị actini-225[16]. Franxi-221 sau đó phân rã thành astatin-217 theo phân rã alpha (6.457 MeV năng lượng phân rã)[3].
Đồng vị trạng thái tĩnh ít ổn định nhất là franxi-215, với chu kỳ bán rã 0,12 µs. (9,54 MeV phân rã alpha thành astatin-211)[3]. Đồng phân siêu ổn định của nó, franxi-215m, còn ít ổn định hơn, với chu kỳ bán rã chỉ có 3,5 ns[33].
Tham khảo
1. ^ Trên thực tế, đồng vị ổn định nhiều nhất, Fr223 được tạo ra từ phân rã
alpha của đồng vị ổn định nhất của Actini.
2. ^ Một số nguyên tố tổng hợp, như tecneti, sau này cũng đã được phát hiện
có trong tự nhiên.
3. ^ a b c d e f g h i j k CRC Handbook of Chemistry and Physics, 4, CRC, 2006,
tr. 12, 0-8493-0474-1
4. ^ a b c d e f g Price, Andy (20-12-2004). “Francium”. Truy cập 25-3-2007.
5. ^ Winter, Mark. “Electron Configuration”. Francium. Đại học Sheffield.
Truy cập 18-4-2007.
6. ^ Winter, Mark. “Electronegativies”. Francium. Đại học Sheffield. Truy
cập 25-3-2007.
7. ^ Winter, Mark. “Electronegativies”. Caesium. Đại học Sheffield. Truy cập
9-5-2007.
8. ^ Kozhitov, L. V.; Koltsov V. B. và Koltsov A. V. (21-2-2003).
“Evaluation of the Surface Tension of Liquid Francium”. Inorganic
Materials (Springer Science & Business Media B.V.) 39 (11): 1138–1141.
http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&db=aqh&AN=1682243
4&site=ehost-live. Truy cập 14-4-2007.
9. ^ E. K. Hyde. Radiochemical Methods for the Isolation of Element 87
(Francium). J. Am. Chem. Soc. 1952, 74, 4181-4184.[1].
10. ^ E. N K. Hyde Radiochemistry of Francium,Subcommittee on
Radiochemistry, National Academy of Sciences-National Research
Council; available from the Office of Technical Services, Dept. of
Commerce, 1960.
11. ^ A. G. Maddock. Radioactivity of the heavy elements. Q. Rev., Chem.
Soc., 1951, 3, 270–314. DOI:10.1039/QR9510500270
12. ^ Winter, Mark. “Uses”. Francium. Đại học Sheffield. Truy cập 25-3-2007.
13. ^ Bentor, Yinon. “Chemical Element.com - Francium”. Truy cập 25-3-
2007.
14. ^ a b c d Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford
University Press. 151–153. 0-19-850341-5.
15. ^ Gagnon, Steve. “Francium”. Hiệp hội Khoa học Jefferson, LLC. Truy cập
1-4-2007.
16. ^ a b c Considine, Glenn D., ed. (2005), “Chemical Elements”, Van
Nostrand's Encyclopedia of Chemistry, New York: Wylie-Interscience, tr.
332, 0-471-61525-0
17. ^ Gomez, E; Orozco L. A và Sprouse G. D (7-11-2005). “Spectroscopy
with trapped francium: advances and perspectives for weak interaction
studies”. Rep. Prog. Phys. 69 (1): 79–118. doi:10.1088/0034-
4885/69/1/R02. http://www.iop.org/EJ/abstract/0034-4885/69/1/R02/. Truy
cập 11-4-2007.
18. ^ Peterson, I. “Creating, cooling, trapping francium atoms”, Science News,
11-5-1996, trang 294. Truy cập 11-4-2007.
19. ^ a b c d e Adloff, Jean-Pierre; Kaufman, George B. (25-9-2005). Francium
(Atomic Number 87), the Last Discovered Natural Element. The Chemical
Educator 10 (5). Truy cập ngày 26-3-2007.
20. ^ a b c d e Fontani, Marco (10-9-2005). "The Twilight of the Naturally-
Occurring Elements: Moldavium (Ml), Sequanium (Sq) and Dor (Do)".
International Conference on the History of Chemistry: 1–8. Truy cập 8-4-
2007.
21. ^ a b c d Van der Krogt, Peter (10-1-2006). “Francium”. Elementymology &
Elements Multidict. Truy cập 8-4-2007.
22. ^ “Alabamine & Virginium”, TIME, 15-2-1932. Truy cập 1-4-2007.
23. ^ MacPherson, H. G. (21-12-1934). “An Investigation of the Magneto-
Optic Method of Chemical Analysis”. Physical Review (American Physical
Society) 47 (4): 310–315. doi:10.1103/PhysRev.47.310.
http://link.aps.org/abstract/PR/v47/p310. Truy cập 8-4-2007.
24. ^ a b c “Francium”, McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology, 7,
McGraw-Hill Professional, 2002, tr. 493–494, 0-07-913665-6
25. ^ Grant, Julius (1969), “Francium”, Hackh's Chemical Dictionary,
McGraw-Hill, tr. 279–280
26. ^ “History”. Francium. SUNY Stony Brook Physics & Astronomy (20-2-
2007). Truy cập 26-3-2007.
27. ^ a b “Cooling and Trapping”. Francium. State University of New York at
Stony Brook Physics & Astronomy (20-2-2007). Truy cập 1-5-2007.
28. ^ Winter, Mark. “Geological information”. Francium. Đại học Sheffield.
Truy cập 26-3-2007.
29. ^ “Production of Francium”. Francium. State University of New York at
Stony Brook Physics & Astronomy (20-2-2007). Truy cập 26-3-2007.
30. ^ “Francium”. Los Alamos Chemistry Division (15-12-2003). Truy cập 29-
3-2007.
31. ^ Considine, Glenn D., ed. (2005), “Francium”, Van Nostrand's
Encyclopedia of Chemistry, New York: Wylie-Interscience, tr. 679, 0-471-
61525-0
32. ^ National Nuclear Data Center (1990). “Table of Isotopes decay data”.
Brookhaven National Laboratory. Truy cập 4-4-2007.
33. ^ National Nuclear Data Center (2003). “Fr Isotopes”. Brookhaven
National Laboratory. Truy cập 4-4-2007.
