El francio es un elemento químico de 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 solo 22 minutos. [4] 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 desintegran rápidamente en astato, radio y radón . La estructura electrónica de un átomo de francio es [Rn] 7s 1 ; por lo tanto, el elemento se clasifica como un metal alcalino .
Debido a su extrema inestabilidad, nunca se ha visto francio en forma masiva. Debido a la apariencia general de los demás elementos en su columna de la tabla periódica, se presume que el francio aparecería como un metal altamente reactivo si se pudiera reunir una cantidad suficiente para poder verlo como un sólido o líquido masivo. Obtener una muestra de este tipo es altamente 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) el 7 de enero de 1939. [6] Antes de su descubrimiento, el francio era conocido como eka - cesio o ekacaesio debido a su supuesta existencia por debajo del cesio en la tabla periódica. 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 cantidades traza encontradas en minerales de uranio , donde el isótopo francio-223 (en la familia del uranio-235) se forma y desintegra continuamente. Tan solo existe una onza (28 g) en un momento dado 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 solo 22 minutos. El único elemento comparable es el astato , cuyo isótopo natural más estable, el astato-219 (el hijo alfa del francio-223), tiene una vida media de 56 segundos, aunque el astato-210 sintético tiene una vida media mucho más larga, con una vida media 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, el dubnio . [9]
El francio es un metal alcalino cuyas propiedades químicas se parecen en su mayoría a las del cesio. [9] Es un elemento pesado con un solo electrón de valencia , [10] tiene el peso equivalente más alto de todos los elementos. [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); [12] 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). [13] 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). [12] [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 ). [12]
Linus Pauling estimó la electronegatividad del francio en 0,7 en la escala de Pauling , la misma que la del cesio; [14] desde entonces el valor del cesio se ha refinado a 0,79, pero no hay datos experimentales que permitan un refinamiento del valor del francio. [15] El francio tiene una energía de ionización ligeramente superior a la del cesio, [16] 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 afinidad electrónica superior a la del cesio y el ion Fr − debería ser más polarizable que el ion Cs − . [17]
Como resultado de la inestabilidad del francio, sus sales solo 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 de 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 silicotúngstico y con ácido perclórico , sin otro metal alcalino como portador , lo que conduce a otros métodos de separación. [18] [19]
El perclorato de francio se produce por la reacción del cloruro de francio y el perclorato de sodio . El perclorato de francio coprecipita con el perclorato de cesio . [19] Esta coprecipitación se puede utilizar para aislar el francio, adaptando el método de coprecipitación de radiocesio de Lawrence E. Glendenin y CM Nelson. Sin embargo, este método no es confiable para separar el talio , que también coprecipita con el cesio. [19] Se espera que la entropía del perclorato de francio sea 42,7 eu [12] (178,7 J mol −1 K −1 ).
Los haluros de francio son solubles en agua y se espera que sean sólidos blancos. Se espera que se produzcan por la reacción de los halógenos correspondientes . Por ejemplo, el cloruro de francio se produciría por la reacción de francio y 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. [12]
El nitrato, sulfato, hidróxido, carbonato, acetato y oxalato de francio son solubles en agua, mientras que el yodato , picrato , tartrato , cloroplatinato y silicotungstato son insolubles. La insolubilidad de estos compuestos se utiliza para extraer francio de otros productos radiactivos, como circonio , niobio , molibdeno , estaño y antimonio , mediante el método mencionado en la sección anterior. [12] Se cree que el óxido de francio es desproporcionado con respecto al peróxido y al metal francio. [20] Se predice que la molécula de CsFr tiene francio en el extremo negativo del dipolo, a diferencia de todas las moléculas de metales alcalinos heterodiatómicos 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. [17] 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. [21]
Se conocen 37 isótopos de francio cuya masa atómica varía entre 197 y 233. [3] 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. [22]
El francio-223 es el isótopo más estable, con una vida media de 21,8 minutos, [9] y es muy poco probable que se descubra o sintetice algún isótopo de francio con una vida media más larga. [23] El francio-223 es un quinto producto de la serie de desintegración del uranio-235 como un isótopo hijo del actinio-227 ; el torio-227 es el hijo más común. [24] 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%) hacia el astato-219 (energía de desintegración de 5,4 MeV). [25]
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 . [24] El francio-221 luego se desintegra en astato-217 por 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 de forma natural en pequeñas trazas debido a las reacciones de eliminación (n,2n) en el 238 U natural. [26] El francio-222, con una vida media de 14 minutos, puede producirse como resultado de la desintegración beta del radón-222 natural ; este proceso, aunque energéticamente posible, no ha sido observado todavía. [27]
El isótopo en estado fundamental menos estable es el francio-215, con una vida media de 90 ns: [3] sufre una desintegración alfa de 9,54 MeV a astato-211. [9]
Debido a su inestabilidad y rareza, no existen aplicaciones comerciales para el francio. [28] [29] [30] [24] Se ha utilizado con fines de investigación en los campos de la química [31] y de la estructura atómica . También se ha explorado su uso como posible ayuda diagnóstica para varios tipos de cáncer , [8] pero esta aplicación se ha considerado poco práctica. [29]
La capacidad del francio para ser sintetizado, atrapado y enfriado, junto con su estructura atómica relativamente simple , lo han convertido en el tema de experimentos de espectroscopia especializados . Estos experimentos han llevado a información más específica sobre los niveles de energía y las constantes de acoplamiento entre partículas subatómicas . [32] Los estudios sobre la luz emitida por iones de francio-210 atrapados con láser han proporcionado datos precisos sobre las transiciones entre los niveles de energía atómica que son bastante similares a los predichos por la teoría cuántica . [33] El francio es un candidato potencial para la búsqueda de la violación de CP . [34]
Ya en 1870 los químicos pensaban que debía existir un metal alcalino más allá del cesio , con un número atómico de 87. [8] Entonces se le conocía con el nombre provisional de eka-cesio . [35]
En 1914, Stefan Meyer , Viktor F. Hess y Friedrich Paneth (que trabajaban en Viena) realizaron mediciones de la radiación alfa de varias 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 ni seguras como para anunciar el descubrimiento del elemento 87, aunque es probable que sí observaran la desintegración del 227 Ac en 223 Fr. [35]
El químico soviético Dmitri Dobroserdov fue el primer científico que afirmó haber descubierto 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 ). [36] Luego publicó una tesis sobre sus predicciones de las propiedades del eka-cesio, en la que nombró al elemento rusio en honor a su país de origen. [37] Poco después, Dobroserdov comenzó a centrarse en su carrera docente en el Instituto Politécnico de Odesa , y no siguió investigando el elemento. [36]
Al año siguiente, los químicos ingleses Gerald JF Druce y Frederick H. Loring analizaron fotografías de rayos X de sulfato de manganeso (II) [37] . 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. [36]
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 utilizando su máquina magnetoóptica . Allison solicitó que se le diera el nombre de virginio en honor a su estado natal, Virginia , junto con los símbolos Vi y Vm. [37] [38] En 1934, HG MacPherson, de la Universidad de California en Berkeley, refutó la eficacia del dispositivo de Allison y la validez de su descubrimiento. [39]
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. [36] Observaron varias líneas de emisión débiles, que presumieron que eran las del elemento 87. Hulubei y Cauchois informaron sobre su descubrimiento y propusieron el nombre moldavio , junto con el símbolo Ml, en honor a Moldavia , la provincia rumana donde nació Hulubei. [37] 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 Hulubei había observado en cambio líneas de rayos X de mercurio o bismuto . Hulubei insistió en que su aparato de rayos X y sus métodos eran demasiado precisos para cometer tal error. Por este motivo, Jean Baptiste Perrin , premio Nobel y mentor de Hulubei, respaldó al moldavio como el verdadero eka-cesio en lugar del francio, descubierto recientemente por Marguerite Perey . Perey se esforzó por ser precisa y detallada en su crítica del trabajo de Hulubei, y finalmente se le atribuyó el mérito de ser la única descubridora del elemento 87. [36] Todos los demás supuestos descubrimientos previos del elemento 87 fueron descartados debido a la vida media muy limitada del francio. [37]
El eka-cesio fue descubierto el 7 de enero de 1939 por Marguerite Perey del Instituto Curie de París, [35] cuando purificó una muestra de actinio -227 que se había informado que tenía una energía de desintegración de 220 keV. Perey notó partículas de desintegración con un nivel de energía por debajo de los 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 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 exhibió propiedades químicas de un metal alcalino (como coprecipitar con sales de cesio), lo que llevó a Perey a creer que era el elemento 87, producido por la desintegración alfa del actinio-227. [35] Perey intentó entonces determinar la proporción de desintegración beta y alfa en el actinio-227. Su primera prueba situó la ramificación alfa en el 0,6%, cifra que posteriormente revisó al 1%. [23]
Perey nombró al nuevo isótopo actinio-K (ahora se lo conoce como francio-223) [35] 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 cat en lugar de catión ; además, el símbolo coincidía con el que desde entonces se había asignado al curio . [35] Perey luego sugirió francio , en honor a 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 ser nombrado en honor a Francia. Se le asignó el símbolo Fa, pero fue revisado al actual Fr poco después. [40] El francio fue el último elemento descubierto en la naturaleza, en lugar de sintetizado, después del hafnio y el renio . [35] Sylvain Lieberman y su equipo, entre otros, llevaron a cabo investigaciones adicionales sobre la estructura del francio en el CERN en los años 1970 y 1980. [41]
El 223 Fr es el resultado de la desintegración alfa del 227 Ac y se puede encontrar en cantidades traza en minerales de uranio . [9] En una muestra dada de uranio, se estima que hay solo un átomo de francio por cada 1 × 10 18 átomos de uranio. [29] Solo alrededor de 1 onza (28 g) de francio está presente de forma natural en la corteza terrestre. [42]
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 desde 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. [44] 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 la colisión con itrio y luego se aíslan en una trampa magnetoóptica (MOT) en un estado gaseoso no consolidado. [43] Aunque los átomos solo permanecen en la trampa durante unos 30 segundos antes de escapar o sufrir una desintegración nuclear, el proceso proporciona un flujo continuo de átomos nuevos. El resultado es un estado estable que contiene un número bastante constante de átomos durante mucho más tiempo. [43] 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 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 mantenido más de 10 6 átomos de francio a la vez, incluidas grandes cantidades de 209 Fr además de 207 Fr y 221 Fr. [45] [46]
Otros métodos de síntesis incluyen bombardear el radio con neutrones y bombardear el torio con protones, deuterones o iones de helio . [23]
El 223 Fr también se puede aislar de muestras de su progenitor 227 Ac, extrayéndose el francio mediante elución con NH 4 Cl–CrO 3 de un intercambiador de cationes que contiene actinio y purificándose al pasar la solución a través de un compuesto de dióxido de silicio cargado con sulfato de bario . [47]
En 1996, el grupo de Stony Brook atrapó 3000 átomos en su MOT, lo que fue suficiente para que una cámara de vídeo captara la luz emitida por los átomos cuando fluorescen. [7] El francio no ha sido sintetizado en cantidades lo suficientemente grandes como para pesarlo. [8] [29] [48]
