Строение атома франция. Франций элемент. Свойства, добыча и применение франция Франций цвет металла

Среди элементов, стоящих в конце периодической системы Д. И. Менделеева, есть такие, о которых много слышали и знают неспециалисты, но есть и такие, о которых мало что сможет рассказать даже химик. К числу первых относятся, например, радон (№ 86) и радий (№ 88). К числу вторых - их сосед по периодической системе элемент № 87 - Франции.

Франции интересен по двум причинам: во-первых, это самый тяжелый и самый активный щелочной металл;

во-вторых, Франции можно считать самым неустойчивым из первых ста элементов периодической системы. У самого долгоживущего изотопа Франция - 223 Fr - период полураспада составляет всего 22 минуты. Такое редкое сочетание в одном элементе высокой химической активности с низкой ядерной устойчивостью определило трудности в открытии и изучении этого элемента.

Как искало Франции

На долю женщин-ученых не часто выпадает счастье открытия новых элементов. Всем известно имя Марии Склодовской-Кюри, которая открыла радий и полоний. Менее известна Ида Ноддак (Такке), обнаружившая рений. Открытие элемента № 87 связано с именем еще одной женщины - француженки Маргариты Пере, кстати, ученицы Марии Склодовской-Кюри. 9 января 1939 года она;

заявила об открытии элемента № 87. Вернемся, однако, назад почти на 70 лет и рассмотрим историю открытия этого элемента более подробно.

Возможность существования и основные свойства элемента № 87 была. предсказаны Д. И. Менделеевым. В 1871 году в статье «Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов», опубликованной в журнале Русского физико-химического общества, он писал: «Затем в десятом ряду можно ждать еще основных элементов, принадлежащих к I, II и III группам. Первый из них должен образовывать окисел R2O, второй - RO, а третий - R2О3; первый будет сходен с цезием, второй - с барием, а все их окиси должны обладать, конечно, характером самых энергичных оснований».

Исходя из местоположения экацезия в периодической системе, следовало ожидать, что сам металл будет жидким при комнатной температуре, так как цезий плавится при 28° С. Из-за высокой реакционной способности весь земной экацезий должен бы встречаться только в виде солей, которые по своей растворимости должны превосходить соли остальных щелочных металлов, поскольку при переходе от лития к цезию растворимость солей возрастает. Однако открыть этот интересный элемент ученым XIX столетия не удалось.

После открытия радиоактивных соседей элемента № 87 стало очевидно, что он тоже должен быть радиоактивным. Но и это не прояснило ситуацию.

Ученых, занимавшихся поисками 87-го элемента, условно можно разделить на две большие группы. Первая предполагала существование в природе стабильных или долгоживущих изотопов этого элемента и потому вела поиски его в минералах и концентратах щелочных металлов, в воде морей и океанов, в золе сена и грибов, в патоке и пепле сигар. Вторая группа ученых, ориентируясь на радиоактивность элемента № 87, искала его среди продуктов распада соседних с ним элементов.

При поисках экацезия в воде морей и океанов особый интерес представляла вода Мертвого моря, омывающего земли Палестины. В результате экспедиций было установлено, что в воде этого моря в значительных количествах содержатся ионы- щелочных металлов, галогенов и других, элементов. «В воде Мертвого моря невозможно утонуть», - сообщали популярные журналы. Английского ученого И. Фриенда, который в июле 1925 году отправился в эти края, интересовало нечто иное. «Уже несколько лет назад, - писал он, - мне пришло в голову, что если экацезий способен к постоянному существованию, то его можно будет найти в Мертвом море».

Из проб воды удаляли все элементы, кроме щелочных. Хлориды же щелочных металлов разделяли путем дробного осаждения. Хлорид экацезия должен был быть самым растворимым. Однако и проводимый на последнем этапе рентгеноспектральный анализ не. позволил обнаружить экацезий.

Тем не менее в литературе вскоре появилось несколько сообщений об открытии 87-го элемента, но все они впоследствии не подтвердились. В 1926 году английские химики Дж. Дрюс и Ф. Лоринг сообщили, что наблюдали линии экацезия на рентгенограммах сульфата марганца, и предложили для вновь открытого элемента название «алкалиний». В 1929 году американский физик Ф. Аллисон с помощью в основе своей ошибочного метода магнитооптического анализа обнаружил следы 87-го элемента в редких минералах щелочных металлов - самарските, поллуците и лепидолите. Он назвал «свой» элемент виргинием. В 1931 году американские ученые Дж. Пэпиш и Э. Вайнер вроде бы даже выделили экацезий из минерала самарскита, а в 1937 году румынский химик Г. Хулубей обнаружил экацезий в минерале поллуците и назвал его молдавием. Но все эти открытия не удалось подтвердить, ибо открыватели алкалиния, Виргиния и Молдавия ни в малой степени не учитывали важного свойства экацезия - его радиоактивности.

Однако неудачи преследовали и вторую группу ученых, занимавшихся поисками 87-го элемента среди продуктов распада радиоактивных семейств. Ни в одном из известных в то время радиоактивных семейств - урана-238 (4n + 2), урана-235 (4n + 3) и тория-232 (4n ) - линии радиоактивных превращений не проходили через изотопы 87-го элемента. Это могло быть по двум причинам: либо элемент № 87 - член отсутствующего ряда (4n + 1),

либо недостаточно тщательно изучен процесс радиоактивного распада урана-238 или урана-235 на участке радий-полоний. Действительно, уже в самом начале более тщательного изучения ряда урана-238 было обнаружено, что изотоп 214 Bi может распадаться двумя путями: испытывать альфа-распад, превращаясь в 210 Tl, или бета-распад, переходя в изотоп 214 Ро. Такое явление получило название разветвленного распада или радиоактивной вилки. Можно было ожидать существования подобных вилок и на участке радий-полоний.

Первое сообщение об открытии 87-го элемента как продукта радиоактивного распада появилось еще в 1913 году и принадлежало английскому химику Дж. Крэнстону. Работая с препаратом 227 Ас, он обнаружил наличие у этого изотопа слабого альфа-излучения (помимо известного и ранее бета-излучения). В результате альфа-распада 227 Ас превращается в изотоп 87-го элемента - 224 87. К сожалению, сообщение Крэнстона осталось незамеченным.

Через год сразу три австрийских радиохимика - Мейер, Гесс и Панет - наблюдали явление разветвленного распада изотопа 227 Ас, принадлежащего к ряду урана-235 (4n + 3). Они обнаружили альфа-частицы с длиной пробега в воздухе 3,5 см. «Эти частицы образуются при альфа-распаде обычно бета-активного 227 Ас, - рассуждали они, - ...продуктом распада должен быть изотоп элемента 87».

Однако к выводам этих ученых многие отнеслись с недоверием. Оно было вызвано в основном тем, что наблюдаемая альфа-активность была очень слабой, а это таило в себе возможность ошибки, тем более что препарат актиния-227 мог содержать примесь протактиния, а протактиний способен испускать подобные альфа-частицы.

Наряду с этими экспериментальными работами представляет интерес теоретическое исследование одесского химика Д. Добросердова. В 1925 году в «Украинском химическом журнале» он опубликовал сообщение, в котором высказал интересные соображения о величине атомного веса, физических и химических свойствах 87-го элемента и о том, где и какими методами следует его искать. В частности, он подчеркнул, что экацезий «непременно должен быть весьма радиоактивным элементом». Однако Добросердов допустил досадную ошибку, предполагая, что известная радиоактивность калия и рубидий объясняется присутствием в них экацезия.

В случае открытия элемента со столь интересными свойствами русскими учеными Добросердов предполагал назвать его руссием.

В следующем году появились сразу две работы: выдающиеся радиохимики О. Ган (Германия) и Д. Хевеши (Венгрия) предприняли попытки доказать присутствие экацезия в радиоактивных рядах. Хевеши изучил альфа-распад 228 Ас и 227 Ас, а также бета-распад эманаций - изотопов радона и показал, что при бета-распаде эманаций изотопьг 87-го элемента не образуются, а при распаде ак-тиния-228 если и образуется изотоп 224 87, то его количество должно составлять менее 1 / 200000 доли исходного количества ядер 228 Ас.

Прошло 12 лет, и в конце 1938 года к поискам 87-го элемента приступила французский химик Маргарита Пере, сотрудница парижского Института радия. Повторив опыты Мейера, Гесса и Панета, она, естественно, также обнаружила альфа-частицы с пробегом 3,5 см. Чтобы доказать, что эти загадочные частицы испускаются актинием, а не протактинием, Пере очень тщательно очистила актиний от примесей и дочерних продуктов. Соосаждением с гидроокисью четырехвалентного церия она удалила из раствора радиоактиний - изотоп тория; с карбонатом бария были выведены изотопы радия, а с гидроокисью лантана - актиний.

Оставшийся после такой обработки маточный раствор мог содержать только щелочные и аммонийные соли и, как казалось, не должен был быть радиоактивным. Однако в остатке после выпаривания отчетливо регистрировалась бета-активность с периодом полураспада 22 минуты. Стало ясно, что эта активность связана с каким-то щелочным элементом. Можно было предположить, что она возникает в результате альфа-распада актиния и, согласно правилу смещения, принадлежит ядру элемента № 87. Чтобы доказать это. Пере перевела активность в осадок вместе с перхлоратом цезия. Активность полученных кристаллов перхлората цезия также убывала с периодом полураспада 22 минуты.

Таким образом, Пере обнаружила, что в 227 Ас существует радиоактивная вилка: в 1,2% случаев распада при вылете альфа-частиц образуется бета-излучатель со свойствами тяжелого щелочного металла и периодом полураспада 22 минуты:

Долгая и кропотливая работа завершилась успехом, и 9 сентября 1939 года Пере заявила об открытии элемента № 87. В соответствии с номенклатурой, используемой для естественных радиоэлементов, она выбрала для него название «актиний-К». Позднее, в 1946 году, Пере назвала открытый ею элемент францием в честь своей родины, а в 1949 году Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) утвердил это название и символ Fr.

Как его исследовали

Помимо 223 Fr сейчас известно несколько изотопов элемента № 87. Но только 223 Fr имеется в природе в сколько-нибудь заметных количествах. Пользуясь законом радиоактивного распада, можно подсчитать, что в грамме природного урана содержится 4-10 -18 грамма 223 Fr. А это значит, что в радиоактивном равновесии со всей массой земного урана находится около 500 граммов франция-223. В исчезающе малых количествах на Земле есть еще два изотопа элемента № 87 - 224 Fr (член радиоактивного семейства тория) и 221 Fr. Естественно, что найти на Земле элемент, мировые запасы которого не достигают килограмма, практически невозможно. Поэтому все исследования Франция и его немногих соединений были выполнены на искусственных продуктах.

Франций-223 долгое время был единственным изотопом, который применяли в опытах по изучению химических свойств элемента № 87. Поэтому, естественно, химики искали методы ускоренного выделения его из 227 Ас. В 1953 году М. Пере и известный ныне французский радиохимик Ж. Адлов разработали экспресс-метод выделения этого изотопа с помощью бумажной хроматографии,

По этому методу раствор 227 Ас, содержащий 223 Fr, наносится на конец бумажной ленты, которая погружается в элюирующий раствор. При движении раствора по бумажной ленте происходит распределение по ней радиоэлементов. 223 Fr, будучи щелочным металлом, движется с фронтом растворителя и откладывается позже других элементов. Позднее Адлов предложил использовать для выделения 223 Fr сложное органическое соединение a-тенойлтрифторацетон(ТТА). Описанным методом за 10- 40 минут удается выделить чистый препарат франция-223. Из-за малого периода полураспада работать с этим препаратом можно не более двух часов, после чего образуется уже заметное количество дочерних продуктов и нужно или очищать Франции от них, или выделять его заново.

С развитием техники ускорения ионов и созданием циклотронов были разработаны новые методы получения Франция. При облучении ториевых или урановых мишеней протонами высоких энергий образуются изотопы Франция. Самым долгоживущим из них оказался франций-212 с периодом полураспада 19,3 минуты. За 15 минут облучения грамма урана пучком протонов с энергией 660 Мэв на синхроциклотроне Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований в Дубне образуется 5 10 -13 грамма франция-212 с активностью 2,5 10 7 распадов в минуту.

Выделение Франция из облученных мишеней - процесс весьма сложный. За очень короткое время его нужно извлечь из смеси, содержащей почти все элементы периодической системы. Несколько методик выделения Франция из облученного урана разработано советскими радиохимиками А. К. Лаврухиной, А. А. Поздняковым и С. С. Родиным, а из облученного тория - американским радиохимиком Э. Хайдом. Выделение Франция основано на соосаждении его с нерастворимыми солями (перхлоратом или кремневольфраматом цезия) или со свободной кремневольфрамовой кислотой. Время выделения Франция этими методами составляет 25-30 минут.

Еще один способ получения Франция основан на реакциях, происходящих при облучении мишеней из свинца, таллия или золота многозарядными ионами бора, углерода или неона, ускоренными на циклотронах или линейных ускорителях. Пригодны такие пары мишень- снаряд: Pb + B; Tl + C; Au + Ne. К примеру, франций-212 . образуется при облучении золотой фольги ионами неона-22 с энергией 140 Мэв:

79 197 Au + 10 22 Ne = 89 219 Ac = 87 212 Fr + 2 4 He + 3 0 1 n

Наиболее удобная и быстрая методика выделения изотопов Франция из облученного золота разработана советскими радиохимиками Н. Мальцевой и М. Шалаевским. Франции экстрагируют нитробензолом в присутствии тетрафенилбората из колонки, заполненной силикагелем.

С помощью всех этих методов получено 18 изотопов Франция с массовыми числами от 203 до 213 и от 218 до 224.

Поскольку Франции не может быть получен в весомых количествах, его физико-химические константы чаще всего рассчитываются с учетом свойств остальных членов группы щелочных металлов. Вычислили, что температура плавления Франция около 8°C, а температура кипения примерно 620°С;

Все опыты по изучению химических свойств франция проводились, естественно, с ультрамалыми количествами этого элемента. В растворах было лишь 10 -13 – 10 -9 грамма Франция. При таких концентрациях могут стать важными процессы, о которых мы обычно забываем, имея дело с макроколичествами вещества. Например в этих условиях радиоактивный изотоп может «потеряться» из раствора, адсорбировавшись на стенках сосудов, на поверхности осадков, на возможных примесях... Поэтому, казалось бы, изучая свойства франция, следует оперировать более концентрированными растворами. Но в этом случае возникают новые трудности из-за процессов радиолиза и ионизации.

И все же несмотря на все трудности получены некоторые достоверные данные о химических свойствах Франция. Наиболее полно изучено соосаждение Франция с различными нерастворимыми соединениями. Он увлекается из раствора хлороплатинатами цезия и рубидия Cs2PtCl6 и Rb2PtCl6, хлоровисмутатом Cs2BiCl6, хлоростаннатом Cs2SnCl6 и хлороантимонатом цезия Cs2SbCl6 2,5H2O, а также свободными гетерополикислотами - кремне-вольфрамовои и фосфорновольфрамовой.

Франции легко адсорбируется на ионообменных смолах (сульфокатионитах) из нейтральных и слабокислых растворов. С помощью этих смол легко отделить Франции от большинства химических элементов. Вот, пожалуй, и все успехи.

Ожидать широкого использования элемента № 87 на практике, конечно, не приходится. И все же польза от Франция есть. Во-первых, с его помощью (по его излучению) можно быстро определять присутствие в природных объектах актиния; во-вторых, Франции надеются использовать для ранней диагностики сарком. Проведены предварительные опыты по изучению поведения Франция в организме крыс. Было установлено, что Франции избирательно накапливается в опухолях, причем и на ранних стадиях заболевания. Эти результаты очень интересны, однако удастся ли использовать их в онкологической практике, покажет лишь будущее.

Франций – это элемент с атомным числом 87. Атомная масса наиболее долгоживущего изотопа – 223. Франций является радиоактивным щелочным металлом, обладает крайне выраженной химической реактивностью.

История открытия франция

Металл был открыт еще в 1939 году сотрудницей парижского Института Радия по имени Маргарита Перей. Она же - видимо, из патриотических чувств - назвала элемент в честь своей Родины. Франций был открыт при изучении искусственно полученного элемента «актиния»: было замечено нехарактерное радиоактивное свечение. Следует ради справедливости отметить, что над созданием этого элемента могли одновременно с ней работать и другие исследователи, но, как говорится, победителей не судят.

Основные характеристики

На сегодняшний день франций является одним из самых редких металлов (да и вообще химических элементов), которые встречаются в природе.

Согласно подсчетам ученых, содержание этого металла в земной коре составляет порядка 340 грамм (меньше содержится только aстата). Связано это главным образом с его физической неустойчивостью. Будучи радиоактивным, он имеет очень короткий период полураспада (у самого стабильного изотопа он составляет 22,3 минуты). Единственное, чем компенсируется его природное содержание, так это тем, что франций является промежуточным звеном распада урана-235 и тория-232. Таким образом, весь франций, который содержится в естественных условиях, является продуктом радиоактивного распада.

Как можно его получить?

Рассмотрим единственный способ получить самый стабильный изотоп франция. Это можно сделать за счет ядерной реакции золота с атомами кислорода. Все остальные способы (имеется в виду радиоактивный распад) нецелесообразны, так как получаются крайне нестабильные изотопы, которые «живут» не более нескольких минут. Получить в домашних условиях этот элемент, как и все его соединения, понятное дело, не получится (да и незачем, собственно). можно найти множество экспериментов с другими металлами.

Какие химические свойства проявляет франций?

По своим свойствам франций аналогичен цезию. Релятивистские эффекты 6p-оболочки обеспечивают связь франция с кислородом в супероксидах (например, состава FrO 2) более ковалентной, относительно супероксидов прочих элементов этой группы. С учетом максимально низкой электроотрицательности из всех ныне существующих франций характеризуется выраженной химической активностью. Все физические свойства этого элемента указаны только теоретически, так как проверить их на практике не представляется возможным по причине короткого периода «жизни» этого элемента (плотность=1,87 г/см³, t плавления=27 °C, t кипения=677 °C, удельная теплота плавления=9,385 кДж/кг). Все соединения этого элемента растворимы в воде (исключения: соли перхлорат, хлороплатинат, пикраткобальтинитрит франция). Франций всегда сокристаллизуется с веществами, в состав которых входит цезий. Наблюдается его соосаждение с нерастворимыми солями цезия (перхлоратом или кремневольфраматом цезия). Извлечение из растворов франция осуществляется:

• хлороплатинатами цезия и рубидия Cs 2 PtCl 6 и Rb 2 PtCl 6 ;
• хлоровисмутатом Cs 2 BiCl 5 , хлоростаннатом Cs 2 SnCl 6 и хлороантимонатом цезия Cs 2 SbCl 5 2,5H 2 O;
• cвободными гетерополикислотами: кремневольфрамовой и фосфорновольфрамовой.

Какое практическое значение имеет этот элемент?

Несмотря на всю свою уникальность, никакого применения на практике франций пока еще не имеет. Соответственно, в промышленности и каких-либо технологиях не используется. Причиной тому является его чрезвычайно короткий период полураспада. Есть данные, что хлорид франция может быть использован для диагностики онкологических новообразований, однако в виду значительной стоимости этого образования, подобного рода методика не может быть введена в систематическое использование. В принципе, теми же свойствами обладает цезий.

Так что и это свойство франция оказалось невостребованным: его стоимость сравнивается со стоимостью тонны платины или золота. По прогнозам ведущих специалистов, рассматриваемый элемент будет всегда иметь чисто познавательную ценность, не более того.

Среди элементов, стоящих в конце периодической системы Д.И. Менделеева, есть такие, о которых многое слышали и знают неспециалисты, но есть и такие, о которых мало что сможет рассказать даже химик. К числу первых относятся, например, радон (№86) и радий (№88). К числу вторых – их сосед по периодической системе элемент №87 – франций. Франций интересен по двум причинам: во-первых, это самый тяжелый и самый активный щелочной металл; во-вторых, франций можно считать самым неустойчивым из первых ста элементов периодической системы. У самого долгоживущего изотопа франция – 223 Fr – период полураспада составляет всего 22 минуты. Такое редкое сочетание в одном элементе высокой химической активности с низкой ядерной устойчивостью определило трудности в открытии и изучении этого элемента.

Как искали франций

На долю женщин-ученых не так уж часто выпадает счастье открытия новых элементов. Всем известно имя Марии Склодовской-Кюри , которая открыла радий и полоний. Менее известна Ида Ноддак (Такке), обнаружившая рений . Открытие элемента №87 связано с именем еще одной женщины – француженки Маргариты Пере, кстати, ученицы Марии Склодовской-Кюри. 9 января 1939 г. она заявила об открытии элемента №87. Вернемся, однако, назад почти на 70 лет и рассмотрим историю открытия этого элемента более подробно.

Возможность существования и основные свойства элемента №87 были предсказаны Д.И. Менделеевым. В 1871 г. в статье «Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов», опубликованной в журнале Русского физико-химического общества, он писал: «Затем в десятом ряду можно ждать еще основных элементов, принадлежащих к I, II и III группам. Первый из них должен образовывать окисел R 2 O, второй – RO, а третий – R 2 O 3 ; первый будет сходен с цезием, второй – с барием, а все их окиси должны обладать, конечно, характером самых энергичных оснований».

Исходя из местоположения экацезия в периодической системе, следовало ожидать, что сам металл будет жидким при комнатной температуре, так как цезий плавится при 28°C. Из-за высокой реакционной способности весь земной экацезий должен бы встречаться только в виде солей, которые по своей растворимости должны превосходить соли остальных щелочных металлов, поскольку при переходе от лития к цезию растворимость солей возрастает.

Однако открыть этот интересный элемент ученым XIX столетия не удалось.

После открытия радиоактивных соседей элемента №87 стало очевидно, что он тоже должен быть радиоактивным. Но и это не прояснило ситуацию.

Ученых, занимавшихся поисками 87-го элемента, условно можно разделить на две большие группы. Первая предполагала существование в природе стабильных или долгоживущих изотопов этого элемента и потому вела поиски его в минералах и концентратах щелочных металлов, в воде морей и океанов, в золе сена и грибов, в патоке и пепле сигар. Вторая группа ученых, ориентируясь на радиоактивность элемента №87, искала его среди продуктов распада соседних с ним элементов.

При поисках экацезия в воде морей и океанов особый интерес представляла вода Мертвого моря, омывающего земли Палестины. В результате экспедиций было установлено, что в воде этого моря в значительных количествах содержатся ионы щелочных металлов, галогенов и других элементов. «В воде Мертвого моря невозможно утонуть», – сообщали популярные журналы. Английского ученого И. Фриенда, который в июле 1925 г. отправился в эти края, интересовало нечто иное. «Уже несколько лет назад, – писал он, – мне пришло в голову, что если экацезий способен к постоянному существованию, то его можно будет найти в Мертвом море».

Из проб воды удаляли все элементы, кроме щелочных. Хлориды же щелочных металлов разделяли путем дробного осаждения. Хлорид экацезия должен был быть самым растворимым. Однако и проводимый на последнем этапе рентгеноспектральный анализ не позволил обнаружить экацезий.

Тем не менее в литературе вскоре появилось несколько сообщений об открытии 87-го элемента, но все они впоследствии не подтвердились. В 1926 г. английские химики Дж. Дрюс и Ф. Лоринг сообщили, что наблюдали линии экацезия на рентгенограммах сульфата марганца, и предложили для вновь открытого элемента название «алкалиний». В 1929 г. американский физик Ф. Аллисон с помощью в основе своей ошибочного метода магнитооптического анализа обнаружил следы 87-го элемента в редких минералах щелочных металлов – поллуците и лепидолите. Он назвал «свой» элемент виргинием. В 1931 г. американские ученые Дж. Пэпиш и Э. Вайнер вроде бы даже выделили экацезий из минерала самарскита, а в 1937 г. румынский химик Г. Хулубей обнаружил экацезий в минерале поллуците и назвал его молдавием. Но все эти открытия не удалось подтвердить, ибо открыватели алкалиния, Виргиния и Молдавия ни в малой степени не учитывали важнейшего свойства экацезия – его радиоактивности.

Однако неудачи преследовали и вторую группу ученых, занимавшихся поисками 87-го элемента среди продуктов распада радиоактивных семейств. Ни в одном из известных в то время радиоактивных семейств – урана 238 (4n + 2), урана-235 (4n + 3) и тория-232 (4n ) – линии радиоактивных превращений не проходили через изотопы 87-го элемента. Это могло быть до двум причинам: либо элемент №87 – член отсутствующего ряда (4n + 1), либо недостаточно тщательно изучен процесс радиоактивного распада урана-238 или урана-235 на участке радий – полоний. Действительно, уже в самом начале более тщательного изучения ряда урана-238 было обнаружено, что изотоп 214 Bi может распадаться двумя путями: испытывать альфа-распад, превращаясь в 210 Tl, или бета-распад, переходя в изотоп 214 Po. Это явление получило название разветвленного распада, или радиоактивной вилки. Можно было ожидать подобных вилок и на участке радий – полоний.

Первое сообщение об открытии 87-го элемента как продукта радиоактивного распада появилось еще в 1913 г. и принадлежало английскому химику Дж. Крэнстону. Работая с препаратом 228 Ас, он обнаружил наличие у этого изотопа слабого альфа-излучения (помимо известного и ранее бета-излучения). В результате альфа-распада 228 Ас превращается в изотоп 87-го элемента – 224 87. К сожалению, сообщение Крэнстона осталось незамеченным.

Через год сразу три австрийских радиохимика – Мейер, Гесс и Панет – наблюдали явление разветвленного распада изотопа 227 Ас, принадлежащего к ряду урана-235 (4n + 3). Они обнаружили альфа-частицы с длиной пробега в воздухе 3,5 см. «Эти частицы образуются при альфа-распаде обычно бета-активного 227 Ас, – рассуждали они, – ...продуктом распада должен быть изотоп элемента 87».

Однако к выводам этих ученых многие отнеслись с недоверием. Оно было вызвано в основном тем, что наблюдаемая альфа-активность была очень слабой, а это таило в себе возможность ошибки, тем более что препарат актиния-227 мог содержать примесь протактиния, а протактиний способен испускать подобные альфа-частицы.

Наряду с этими экспериментальными работами представляет интерес теоретическое исследование одесского химика Д. Добросердова. В 1925 г. в «Украинском химическом журнале» он опубликовал сообщение, в котором высказал интересные соображения о величине атомного веса, физических и химических свойствах 87-го элемента и о том, где и какими методами следует его искать. В частности, он подчеркнул, что экацезий «непременно должен быть весьма радиоактивным элементом». Однако Добросердов допустил досадную ошибку, предполагая, что известная радиоактивность калия и рубидия объясняется присутствием в них экацезия.

В случае открытия элемента со столь интересными свойствами русскими учеными Добросердов предлагал назвать его руссием.

В следующем году появились сразу две работы: выдающиеся радиохимики О. Ган (Германия) и Д. Хевеши (Венгрия) предприняли попытки доказать присутствие экацезия в радиоактивных рядах. Хевеши изучил альфа-распад 228 Ас и 227 Ас, а также бета-распад эманации – изотопов радона и показал, что при бета-распаде эманации изотопы 87-го элемента не образуются, а при распаде акти-ния-228 если и образуется изотоп 224 87, то его количество должно составлять менее 1 / 200 000 доли исходного количества ядер 228 Ас.

Прошло 12 лет, и в конце 1938 г. к поискам 87-го элемента приступила французский химик Маргарита Пере, сотрудница парижского Института радия. Повторив опыты Мейера, Гесса и Пакета, она, естественно, также обнаружила альфа-частицы с пробегом 3,5 см. Чтобы доказать, что эти загадочные частицы испускаются актинием, а не протактинием, Пере очень тщательно очистила актиний от примесей и дочерних продуктов. Соосаждением с гидроокисью четырехвалентного церия она удалила из раствора радиоактиний – изотоп тория; с карбонатом бария были выведены изотопы радия, а с гидроокисью лантана – актиний.

Оставшийся после такой обработки маточный раствор мог содержать только щелочные и аммонийные соли и, как казалось, не должен был быть радиоактивным. Однако в остатке после выпаривания отчетливо регистрировалась бета-активность с периодом полураспада 22 минуты. Стало ясно, что эта активность связана с каким-то щелочным элементом. Можно было предположить, что она возникает в результате альфа-распада актиния и, согласно правилу смещения, принадлежит ядру элемента №87. Чтобы доказать это, Пере перевела активность в осадок вместе с перхлоратом цезия. Активность полученных кристаллов перхлората цезия также убывала с периодом полураспада 22 минуты.

Таким образом, Пере обнаружила, что в 227 Ас существует радиоактивная вилка: в 1,2% случаев распада при вылете альфа-частиц образуется бета-излучатель со свойствами тяжелого щелочного металла и периодом полураспада 22 минуты:

Долгая и кропотливая работа завершилась успехом, и 9 сентября 1939 г. Пере заявила об открытии элемента №87. В соответствии с номенклатурой, используемой для естественных радиоэлементов, она выбрала для него название «актиний-К». Позднее, в 1946 г., Пере назвала открытый ею элемент францием в честь своей родины, а в 1949 г. Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) утвердил это название и символ Fr.

Как его исследовали

Помимо 223 Fr, сейчас известно несколько изотопов элемента №87. Но только 223 Fr имеется в природе в сколько-нибудь заметных количествах. Пользуясь законом радиоактивного распада, можно подсчитать, что в грамме природного урана содержится 4·10 –18 г 223 Fr. А это значит, что в радиоактивном равновесии со всей массой земного урана находится около 500 г франция-223. В исчезающе малых количествах на Земле есть еще два изотопа элемента №87 – 224 Fr (член радиоактивного семейства тория) и 221 Fr. Естественно, что найти на Земле элемент, мировые запасы которого не достигают килограмма, практически невозможно. Поэтому все исследования франция и его немногих соединений были выполнены на искусственных продуктах.

Франций-223 долгое время был единственным изотопом, который применяли в опытах по изучению химических свойств элемента №87. Поэтому, естественно, химики искали методы ускоренного выделения его из 227 Ас. В 1953 г. М. Пере и известный ныне французский радиохимик Ж. Адлов разработали экспресс-метод выделения этого изотопа с помощью бумажной хроматографии. По этому методу раствор 227 Ас, содержащий 223 Fr, наносится на конец бумажной ленты, которая погружается в элюирующий раствор. При движении раствора по бумажной ленте происходит распределение по ней радиоэлементов. 223 Fr, будучи щелочным металлом, движется с фронтом растворителя и откладывается позже других элементов. Позднее Адлов предложил использовать для выделения 223 Fr сложное органическое соединение α-теноилтрифторацетон (ТТА). Описанным методом за 10...40 минут удается выделить чистый препарат франция-223. Из-за малого периода полураспада работать с этим препаратом можно не более двух часов, после чего образуется уже заметное количество дочерних продуктов и нужно или очищать франций от них, или выделять его заново.

С развитием техники ускорения ионов были разработаны новые методы получения франция. При облучении ториевых или урановых мишеней протонами высоких энергий образуются и изотопы франция. Самым долгоживущим из них оказался франций-212 с периодом полураспада 19,3 минуты. За 15 минут облучения грамма урана пучком протонов с энергией 660 МэВ на синхроциклотроне Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований в Дубне образуется 5·10 –13 г франция-212 с активностью 2,5·10 7 распадов в минуту.

Выделение франция из облученных мишеней – процесс весьма сложный. За очень короткое время его нужно извлечь из смеси, содержащей почти все элементы периодической системы. Несколько методик выделения франция из облученного урана разработано советскими радиохимиками А.К. Лаврухиной, А.А. Поздняковым и С.С. Родиным, а из облученного тория – американским радиохимиком Э. Хайдом. Выделение франция основано на соосаждении его с нерастворимыми солями (перхлоратом или кремневольфраматом цезия) или со свободной кремневольфрамовой кислотой. Время выделения франция этими методами составляет 25...30 минут.

Еще один способ получения франция основан на реакциях, происходящих при облучении мишеней из свинца, таллия или золота многозарядными ионами бора, углерода или неона, ускоренными на циклотронах или линейных ускорителях. Пригодны такие пары мишень – снаряд: Pb + B; T1 + С; Au + Ne. К примеру, франций-212 образуется при облучении золотой фольги ионами неона-22 с энергией 140 МэВ:

197 79 Au + 22 10 Ne → 212 87 Fr + 4 2 He + 3 1 0 n .

Наиболее удобная и быстрая методика выделения изотопов франция из облученного золота разработана советскими радиохимиками Н. Мальцевой и М. Шалаевским. Франций экстрагируют нитробензолом в присутствии тетрафенилбората из колонки, заполненной силикагелем.

С помощью всех этих методов получено 18 изотопов франция с массовыми числами от 203 до 213 и от 218 до 224.

Поскольку франций не может быть получен в весомых количествах, его физико-химические константы чаще всего рассчитываются с учетом свойств остальных членов группы щелочных металлов. Вычислили, что температура плавления франция около 8°C, а температура кипения примерно 620°C.

Все опыты по изучению химических свойств франция проводились, естественно, с ультрамалыми количествами этого элемента. В растворах было лишь 10 –13 ...10 –9 г франция. При таких концентрациях могут стать важными процессы, о которых мы обычно забываем, имея дело с макроколичествами вещества. Например, в этих условиях радиоактивный изотоп может «потеряться» из раствора, адсорбировавшись на стенках сосудов, на поверхности осадков, на возможных примесях... Поэтому, казалось бы, изучая свойства франция, следует оперировать более концентрированными растворами. Но в этом случае возникают новые трудности из-за процессов радиолиза и ионизации.

И все же, несмотря на все трудности, получены некоторые достоверные данные о химических свойствах франция. Наиболее полно изучено соосаждение франция с различными нерастворимыми соединениями. Он увлекается из раствора хлороплатинатами цезия и рубидия Cs 2 PtCl 6 и Rb 2 PtCl 6 , хлоровисмутатом Cs 2 BiCl 5 , хлоростаннатом Cs 2 SnCl 6 и хлороантимонатом цезия Cs 2 SbCl 5 · 2,5H 2 O, а также свободными гетерополикислотами – кремневольфрамовой и фосфорно-вольфрамовой.

Франций легко адсорбируется на ионообменных смолах (сульфокатионитах) из нейтральных и слабокислых растворов. С помощью этих смол легко отделить франций от большинства химических элементов. Вот, пожалуй, и все успехи.

Ожидать широкого использования элемента №87 на практике, конечно, не приходится. И все же польза от франция есть. Во-первых, с его помощью (по его излучению) можно быстро определять присутствие в природных объектах актиния; во-вторых, франций надеются использовать для ранней диагностики сарком. Проведены предварительные опыты по изучению поведения франция в организме крыс. Было установлено, что франций избирательно накапливается в опухолях, причем и на ранних стадиях заболевания. Эти результаты очень интересны, однако удастся ли использовать их в онкологической практике, покажет лишь будущее.

(Francium; от назв. Франции), Fr - радиоактивный хим. элемент I группы периодической системы элементов; ат. н. 87. Стабильных изотопов неимеет. Получены 18 радиоактивных изотопов с массовыми числами от 204 до 224 и периодами полураспада от 5 10 -3 сек (218Fr) до 23 мин (212Fr). Существование Ф. и некоторые его св-ва предсказал (1870) рус. ученый Д. И. Менделеев, назвав неизвестный в время элемент экацезием. Открыт экацезий в 1939 франц. исследовательницей М. Перей при изучении радиоактивного распада актиния и назван «актинием К». В 1949 «актиний К» переименован во франций. В природе встречаются 223Fr и 221Fr, из них изотоп 223Fr - как продукт радиоактивного распада актиния 227Ас. В 1m природного урана содержится 0,2 мг 227Ас и 3,8 10 -10 г 223Fr. Франций- самый тяжелый элемент среди металлов щелочной группы. Атомный радиус 12,83 А. Ионный радиус Fr+ равен 1,80 А. Плотность (т-ра 20° С) 2,44 г/см3; tпл 20° С; t кип630° С; теплоемкость 0,0338 кал/г-град; электрическое сопротивление (т-ра 18 С)45 10-6 ом-см.

По хим. св-вам франций - полный аналог рубидия и цезия. Гидроокись фторид, хлорид, нитрат, сульфат, сульфид, карбонат, ацетат и оксалат Ф. хорошо растворяются в воде; перхлорат, пикрат, иодат, хлороплатинат, хлоровисмутат, хлоро-антимонат, хлоростаннат и кобаль-тинитрит Ф., а также двойная соль Fr9Bi2I9 и соли франция с гетерополикис-лотами плохо растворимы в воде. Франций выделяют разными методами из продуктов распада 227Ас, из урановой смоляной руды, из продуктов облучения тория и урана быстрыми протонами, а также из продуктов облучения золота ионами 22Ne. При выделении Ф. из продуктов распада 227Ас водный раствор хлорида актиния кипятят с избытком углекислого натрия, осадок отфильтровывают, в фильтрат добавляют соляную к-ту и снова кипятят для разрушения карбонат-ионов. Затем добавляют небольшие количества хлорида лантана и бария, хромата калия и аммония. После этого осадок хроматов отфильтровывают, а фильтрат, содержащий 223Fr, концентрируют упариванием. Для выделения франция из растворов, содержащих, кроме солей Ф., др. соединения, используют ионообменные смолы, методы электрофореза, хрохматографии и др. С помощью франция определяют наличие актиния в природных объектах. Изотоп 223Fr находит применение в биологических исследованиях.

Характеристика элемента

Несомненно одно - его валентный электрон находится на 7 s -орбитали, а радиус атома самый большой среди всех элементов периодической системы. Франций радиоактивный химический элемент. Стабильных изотопов не имеет, а те, что известны - короткоживущие и быстро распадаются, испуская β -излучение (электроны). На всем земном шаре его едва найдется ~500г.

Свойства простого вещества и соединений

Все данные по свойствам франция получены экстраполяцией на основании результатов по совместному осаждению с другими элементами. В химическом отношении I г самый ближайший аналог цезия, по франций еще более электроположителен. Единственная устойчивая степень его окисления +1.

Получение и использование

Получают франций только в виде его соединении путем отделения от актиния. С помощью ионнообменного разделения па колонке со смолой « Дауэкс-50» может быть получено микроскопическое количество франция 95%-пой чистоты. Однако период его полураспада 22 мин, т. е. через каждый такой интервал количество его уменьшается вдвое. Никакого применения пока еще не находит. Радиоизлучение франция помогает отыскивать . Появились публикации, в которых утверждается, что радиоактивность франция может оказаться полезной при диагностике онкологических заболеваний: он избирательно способен накапливаться в опухолях на самых ранних стадиях их развития.

Вы читаете, статья на тему франций

Франций - один из четырех элементов периодической системы элементов Менделеева, которые были открыты "в последнюю очередь". Действительно, к 1925 г. заполнились все клетки таблицы элементов, за исключением 43, 61, 85 и 87. Многочисленные попытки открыть эти не достающие элементы долгое время оставались безуспешными. Элемент 87 (эка-цезий Менделеева) искали главным образом в цезиевых минералах, надеясь обнаружить его в качестве спутника цезия. В 1929 г. Аллисон и Мэрфи сообщили об открытии ими эка-цезия в минерале лепидолит; они назвали новый элемент виргинием в честь штата США - родины Аллисона. В 1939 г. Хулубей обнаружил элемент 87 в поллуксе и наименовал его молдавий. Другие авторы также выступали с сообщениями об открытии эка-цезия 87, и коллекция его названий обогатилась алкалинием и руссием. Однако все эти открытия были ошибочными. В 1939 г. Перей из института Кюри в Париже занималась очисткой препарата актиния (Ас-227) от разнообразных продуктов радиоактивного распада. Проводя тщательно контролируемые операции, она обнаружила beta-излучение, которое не могло принадлежать ни одному из известных в то время изотопов актиниевого ряда распада. Однако более глубокое изучение распада актиния показало, что распад происходит не только по основной цепи Ас- RаАс- АсХ, но и по боковой Ас- АсК-АсХ с образованием неизвестного изотопа с периодом полураспада 21 мин. Изотоп получил временное обозначение АсК. Когда его подвергли химическому исследованию, оказалось, что его свойства соответствуют свойствам эка-цезия. После второй мировой войны, прервавшей работу Перей, ее выводы были полностью подтверждены. В 1946 г. Перей предложила назвать элемент 87 францием в честь ее родины, а обозначение АсК осталось за соответствующим изотопом в ряду радиоактивного распада актиния. Некоторое время считалось, что франций образуется только при alfa-распаде актиния. Однако после того как был открыт нептуний и изучен ряд его радиоактивного распада, было доказано образование изотопа франция-221 с периодом полураспада 5 мин. при alfa-распаде изотопа актиния-225. Франций, как и астат, весьма редкий элемент; первоначально он имел символ не Fr, а Fa.