El francio es un elemento químico ; tiene símbolo Fr y número atómico 87. Es extremadamente radiactivo ; su isótopo más estable, el francio-223 (originalmente llamado actinio K por la cadena de desintegración natural en la que aparece), tiene una vida media de sólo 22 minutos. Es el segundo elemento más electropositivo , sólo 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 tanto, el elemento se clasifica como metal alcalino .
Nunca se ha visto francio a granel. Debido a la apariencia general de los demás elementos en la columna de su tabla periódica, se supone que el francio aparecería como un metal altamente reactivo si se pudieran reunir suficientes cantidades para verlo como un sólido o líquido a granel. Obtener una muestra de este tipo es muy improbable ya que el calor extremo de desintegración resultante de su corta vida media vaporizaría inmediatamente cualquier cantidad visible del elemento.
El francio fue descubierto por Marguerite Perey [5] en Francia (de donde el elemento toma su nombre) en 1939. [6] Antes de su descubrimiento, el francio se conocía como eka - cesio o ekacaesio debido a su conjetura de existencia debajo del cesio en el período periódico. mesa. Fue el último elemento descubierto por primera vez en la naturaleza, y no por síntesis. [nota 1] Fuera del laboratorio, el francio es extremadamente raro, con trazas encontradas en minerales de uranio , donde el isótopo francio-223 (en la familia del uranio-235) se forma y desintegra continuamente. En un momento dado existe tan solo 1 onza (28 g) en toda la corteza terrestre ; Aparte del francio-223 y el francio-221, sus otros isótopos son completamente sintéticos. La mayor cantidad producida en el laboratorio fue un grupo de más de 300.000 átomos. [7]
El francio es uno de los elementos naturales más inestables: su isótopo de vida más larga, el francio-223, tiene una vida media de sólo 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 media mucho más larga. de 8,1 horas. [8] Todos los isótopos del francio se desintegran en astato, radio o radón . [8] 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 inclusive, el dubnio . [9]
El francio es un metal alcalino cuyas propiedades químicas se parecen en gran medida a las del cesio. [9] Un elemento pesado con un solo electrón de valencia , [10] tiene el peso equivalente más alto de cualquier elemento. [9] El francio líquido, si se crea, debería tener una tensión superficial de 0,05092 N /m en su punto de fusión. [11] Se estimó que el punto de fusión del francio era de alrededor de 8,0 °C (46,4 °F); [1] También se encuentra a menudo un valor de 27 °C (81 °F). [9] El punto de fusión es incierto debido a la extrema rareza y radiactividad del elemento ; una extrapolación diferente basada en el método de Dmitri Mendeleev dio 20 ± 1,5 °C (68,0 ± 2,7 °F). Un cálculo basado en las temperaturas de fusión de cristales iónicos binarios da 24,861 ± 0,517 °C (76,750 ± 0,931 °F). [12] El punto de ebullición estimado de 620 °C (1148 °F) también es incierto; También se han sugerido las estimaciones de 598 °C (1108 °F) y 677 °C (1251 °F), así como la extrapolación del método de Mendeleev de 640 °C (1184 °F). [1] [11] 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 , la misma que la del cesio; [13] Desde entonces, el valor del cesio se ha refinado a 0,79, pero no hay datos experimentales que permitan refinar el valor del francio. [14] El francio tiene una energía de ionización ligeramente mayor que el cesio, [15] 392,811(4) kJ/mol frente a 375,7041(2) kJ/mol del 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 ion Fr − debería ser más polarizable que el ion Cs − . [dieciséis]
Como el francio es muy inestable, sus sales sólo se conocen en pequeña medida. El francio 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 el francio, adaptando el método de coprecipitación con radiocesio de Lawrence E. Glendenin y CM Nelson. Además, coprecipitará con muchas otras sales de cesio, incluido el yodato , el picrato , el tartrato (también tartrato de rubidio ), el cloroplatinato y el silicotungstato . También coprecipita con ácido silicotungstico y con ácido perclórico , sin otro metal alcalino como vehículo , lo que conduce a otros métodos de separación. [17] [18]
El perclorato de francio se produce mediante la reacción de cloruro de francio y perclorato de sodio . El perclorato de francio coprecipita con perclorato de cesio . [18] Esta coprecipitación se puede utilizar para aislar el francio, adaptando el método de coprecipitación con radiocesio de Lawrence E. Glendenin y CM Nelson. Sin embargo, este método no es fiable para separar el talio , que también coprecipita con el cesio. [18] Se espera que la entropía del perclorato de francio sea 42,7 eu [1] (178,7 J mol −1 K −1 ).
Los haluros de francio son todos solubles en agua y se espera que sean sólidos blancos. Se espera que sean producidos por la reacción de los halógenos correspondientes . Por ejemplo, el cloruro de francio se produciría mediante la reacción del francio y el cloro . El cloruro de francio se ha estudiado como una vía para separar el francio de otros elementos, utilizando la alta presión de vapor del compuesto, aunque el fluoruro de francio tendría una presión de vapor más alta. [1]
El nitrato, sulfato, hidróxido, carbonato, acetato y oxalato de francio son todos solubles en agua, mientras que el yodato , picrato , tartrato , cloroplatinato y silicotungstato son insolubles. La insolubilidad de estos compuestos se utiliza para extraer el francio de otros productos radiactivos, como circonio , niobio , molibdeno , estaño , antimonio , mediante el método mencionado en el apartado anterior. [1] Se predice que la molécula de CsFr tendrá 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. [16] La desestabilización relativista del espinor 6p 3/2 puede hacer posibles compuestos de francio en estados de oxidación superiores a +1, como [Fr V F 6 ] − ; pero esto no ha sido confirmado experimentalmente. [19]
Hay 37 isótopos conocidos de francio cuya masa atómica varía de 197 a 233. [4] El francio tiene siete isómeros nucleares metaestables . [9] El francio-223 y el francio-221 son los únicos isótopos que se encuentran en la naturaleza, siendo el primero mucho más común. [20]
El francio-223 es el isótopo más estable, con una vida media de 21,8 minutos, [9] y es muy poco probable que algún día se descubra o sintetice un isótopo de francio con una vida media más larga. [21] 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. [22] El francio-223 luego se desintegra en radio-223 mediante desintegración beta ( energía de desintegración de 1,149 MeV ), con una ruta de desintegración alfa menor (0,006%) hasta astato-219 (energía de desintegración de 5,4 MeV). [23]
El francio-221 tiene una vida media de 4,8 minutos. [9] Es el noveno producto de la serie de desintegración del neptunio como isótopo hijo del actinio-225 . [22] El francio-221 luego se desintegra en astato-217 mediante desintegración alfa (energía de desintegración de 6,457 MeV). [9] Aunque todo el 237 Np primordial está extinto , la serie de desintegración del neptunio continúa existiendo naturalmente en pequeños rastros debido a reacciones de eliminación (n,2n) en el 238 U natural . [24]
El isótopo en estado fundamental menos estable es el francio-215, con una vida media de 90 ns: [4] sufre una desintegración alfa de 9,54 MeV hasta astato-211. [9]
Debido a su inestabilidad y rareza, el francio no tiene aplicaciones comerciales. [25] [26] [27] [22] Se ha utilizado con fines de investigación en los campos de la química [28] y de la estructura atómica . También se ha explorado su uso como posible ayuda para el diagnóstico de diversos tipos de cáncer , [8] pero esta aplicación se ha considerado poco práctica. [26]
La capacidad del francio para sintetizarse, atraparse y enfriarse, junto con su estructura atómica relativamente simple , lo ha convertido en objeto de experimentos de espectroscopía especializados . Estos experimentos han permitido obtener información más específica sobre los niveles de energía y las constantes de acoplamiento entre partículas subatómicas . [29] Los estudios sobre la luz emitida por iones de francio-210 atrapados con láser han proporcionado datos precisos sobre las transiciones entre niveles de energía atómica que son bastante similares a los predichos por la teoría cuántica . [30]
Ya en 1870, los químicos pensaban que debería haber un metal alcalino más allá del cesio , con un número atómico de 87. [8] Luego se lo denominó provisionalmente eka-cesio . [31]
En 1914, Stefan Meyer , Viktor F. Hess y Friedrich Paneth (que trabajaban en Viena) midieron la radiación alfa de diversas sustancias, entre ellas el 227 Ac. Observaron la posibilidad de una rama alfa menor de este nucleido, aunque no se pudo realizar un trabajo de seguimiento debido al estallido de la Primera Guerra Mundial . Sus observaciones no fueron lo suficientemente precisas y seguras como para anunciar el descubrimiento del elemento 87, aunque es probable que efectivamente observaran la desintegración de 227 Ac a 223 Fr. [31]
El químico soviético Dmitry Dobroserdov fue el primer científico que afirmó haber encontrado el 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 provenía del radioisótopo de potasio natural, potasio-40 ). [32] Luego publicó una tesis sobre sus predicciones de las propiedades del eka-cesio, en la que nombró al elemento Rusia en honor a su país de origen. [33] Poco después, Dobroserdov comenzó a centrarse en su carrera docente en el Instituto Politécnico de Odesa , y no continuó con el elemento. [32]
Al año siguiente, los químicos ingleses Gerald JF Druce y Frederick H. Loring analizaron fotografías de rayos X de sulfato de manganeso (II) . [33] Observaron líneas espectrales que supusieron que eran de eka-cesio. Anunciaron su descubrimiento del elemento 87 y propusieron el nombre de alcalinio , ya que sería el metal alcalino más pesado. [32]
En 1930, Fred Allison del Instituto Politécnico de Alabama afirmó haber descubierto el elemento 87 (además del 85) al analizar la polucita y la lepidolita con su máquina magnetoóptica . Allison solicitó que se le llamara virginium en honor a su estado natal, Virginia , junto con los símbolos Vi y Vm. [33] [34] En 1934, HG MacPherson de UC Berkeley refutó la eficacia del dispositivo de Allison y la validez de su descubrimiento. [35]
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. [32] 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. [33] 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 observado líneas de rayos X de mercurio o bismuto . Hulubei insistió en que su aparato y sus 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 el moldavo como el verdadero eka-cesio frente al 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 descubridora del elemento 87. [32] Todos los demás supuestos descubrimientos anteriores del elemento 87 fueron descartados debido a la vida media muy limitada del francio. . [33]
El eka-cesio fue descubierto el 7 de enero de 1939 por Marguerite Perey del Instituto Curie de París, [31] cuando purificó una muestra de actinio -227 que, según se había informado, tenía una energía de desintegración de 220 keV. Perey notó partículas en descomposición con un nivel de energía inferior a 80 keV. Perey pensó que esta actividad de desintegración podría haber sido causada por un producto de desintegración no identificado previamente, uno que se separó durante la purificación, pero que emergió nuevamente del actinio-227 puro. Diversas pruebas eliminaron la posibilidad de que el elemento desconocido fuera torio , radio, plomo , bismuto o talio . El nuevo producto presentaba propiedades químicas de un metal alcalino (como la coprecipitación con sales de cesio), lo que llevó a Perey a creer que se trataba del elemento 87, producido por la desintegración alfa del actinio-227. [31] Perey luego intentó determinar la proporción de desintegración beta respecto a desintegración alfa en actinio-227. Su primera prueba situó la ramificación alfa en un 0,6%, cifra que luego revisó al 1%. [21]
Perey nombró al nuevo isótopo actinio-K (ahora se lo conoce como francio-223) [31] y en 1946 propuso el nombre catio (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 . [31] Perey sugirió entonces el francio , después de Francia. Este nombre fue adoptado oficialmente por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) en 1949, [8] convirtiéndose en el segundo elemento después del galio en llevar el nombre de Francia. Se le asignó el símbolo Fa, pero poco después fue revisado al actual Fr. [36] El francio fue el último elemento descubierto en la naturaleza, en lugar de sintetizado, después del hafnio y el renio . [31] 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. [37]
El 223 Fr es el resultado de la desintegración alfa del 227 Ac y se puede encontrar en pequeñas cantidades en minerales de uranio . [9] En una muestra dada de uranio, se estima que hay sólo un átomo de francio por cada 1 × 10 18 átomos de uranio. [26] Sólo alrededor de 1 onza (28 g) de francio está presente de forma natural en la corteza terrestre. [38]
El francio puede sintetizarse mediante una reacción de fusión cuando un objetivo de oro-197 es bombardeado con un haz de átomos de oxígeno-18 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. [40] Dependiendo de la energía del haz de oxígeno, la reacción puede producir isótopos de francio con masas de 209, 210 y 211.
Los átomos de francio abandonan el objetivo de oro en forma de iones, que se neutralizan mediante colisión con itrio y luego se aíslan en una trampa magnetoóptica (MOT) en estado gaseoso no consolidado. [39] Aunque los átomos sólo permanecen en la trampa durante unos 30 segundos antes de escapar o sufrir una desintegración nuclear, el proceso proporciona una corriente continua de átomos nuevos. El resultado es un estado estacionario que contiene un número bastante constante de átomos durante un tiempo mucho más largo. [39] 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. [7] Las mediciones sensibles de la luz emitida y absorbida por los átomos atrapados proporcionaron los primeros resultados experimentales sobre diversas transiciones entre 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 conservaban más de 10 6 átomos de francio a la vez, incluidas grandes cantidades de 209 Fr, además de 207 Fr y 221 Fr. [41] [42]
Otros métodos de síntesis incluyen bombardear radio con neutrones y bombardear torio con protones, deuterones o iones de helio . [21]
El 223 Fr también se puede aislar a partir de muestras de su padre 227 Ac; el francio se ordeña mediante elución con NH 4 Cl-CrO 3 de un intercambiador de cationes que contiene actinio y se purifica haciendo pasar la solución a través de un compuesto de dióxido de silicio cargado con sulfato de bario . [43]
En 1996, el grupo Stony Brook atrapó 3.000 átomos en su MOT, lo que fue suficiente para que una cámara de vídeo captara la luz emitida por los átomos cuando emiten fluorescencia. [7] El francio no se ha sintetizado en cantidades lo suficientemente grandes como para pesar. [8] [26] [44]
