Франций

Франций — химический элемент 7-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы первой группы) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 87. Обозначается символом Fr (от лат. Francium). Относится к щелочным металлам и является самым тяжёлым из них. Франций — радиоактивный элемент, не имеющий стабильных изотопов; его наиболее долгоживущий изотоп, ²²³Fr, имеет период полураспада около 22 минут. В природе встречается в ультрамикроскопических количествах как продукт радиоактивного распада актиноидов, прежде всего актиния-227. В связи с крайней нестабильностью и высокой радиоактивностью, франций не имеет сколь-либо значимого практического применения и изучается преимущественно в научных целях.

История открытия

Предсказание и первые попытки

Существование элемента № 87 было предсказано Д. И. Менделеевым, который оставил для него пустую клетку в своей таблице. В разное время элемент предполагали обнаружить под названиями «эка-цезий» (по положению под цезием) и «алкалий» (от лат. alkali — щёлочь). В конце XIX — начале XX века несколько исследователей ошибочно заявляли об открытии 87-го элемента, давая ему названия «виргиний» (в честь штата Виргиния, США), «молдавий» (от румынского названия Молдавии) и другие. Однако все эти сообщения не были подтверждены.

Открытие Маргаритой Перей

Франций был открыт в 1939 году французским химиком и физиком Маргаритой Перей (Marguerite Perey) в Институте радия в Париже. Перей, ассистентка Марии Кюри, изучала продукты распада актиния-227. Она обнаружила, что актиний-227 испускает не только альфа-частицы (превращаясь в торий), но и бета-частицы, что должно было приводить к образованию нового элемента с атомным номером 87. После тщательной химической очистки и анализа она выделила изотоп с периодом полураспада 21 минуту, который был назван францием — в честь Франции, родины исследовательницы. Название было официально утверждено Международным союзом чистой и прикладной химии (IUPAC) в 1946 году.

Нахождение в природе

Франций — один из самых редких элементов в земной коре. Его общее содержание оценивается примерно в 30 граммов на всю поверхность Земли. В любой данный момент времени в природе существует не более нескольких десятков граммов франция, находящегося в равновесии с материнскими радиоактивными рядами.

Основным источником природного франция является изотоп ²²³Fr, образующийся в результате бета-распада актиния-227 (²²⁷Ac). Актиний-227, в свою очередь, является продуктом распада урана-235. Таким образом, франций присутствует в урановых рудах, но в столь ничтожных концентрациях (менее 10⁻¹⁸ %), что его выделение в промышленных или даже лабораторных масштабах из природных источников практически невозможно. Все известные изотопы франция синтезируются искусственно.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Франций — щелочной металл, что определяет его физические свойства, которые, однако, изучены лишь теоретически или по аналогии с цезием, из-за крайне малого времени жизни образцов. Предполагается, что при комнатной температуре франций представляет собой мягкий, серебристо-белый металл, легко окисляющийся на воздухе. Его плотность оценивается примерно в 2,48 г/см³, температура плавления — около 27 °C, температура кипения — около 677 °C. Таким образом, франций, вероятно, является самым легкоплавким металлом после ртути и галлия.

Химические свойства

Как щелочной металл, франций проявляет исключительно высокую химическую активность, превосходящую даже активность цезия. Он легко реагирует с водой, кислородом, галогенами и другими неметаллами. В соединениях франций проявляет единственную степень окисления +1, образуя ион Fr⁺. Химия франция в растворах практически не изучена из-за его быстрого радиоактивного распада и чрезвычайно малых количеств, доступных для экспериментов. Все известные соединения франция (например, хлорид франция FrCl, гидроксид франция FrOH) получают в ультрамикроскопических количествах и идентифицируют радиохимическими методами.

Изотопы

Известно 34 изотопа франция с массовыми числами от 199 до 232. Все они радиоактивны. Наиболее стабильным является изотоп ²²³Fr с периодом полураспада 22,00 минуты. Второй по стабильности — ²²¹Fr (период полураспада 4,8 минуты). Остальные изотопы имеют периоды полураспада от нескольких секунд до долей секунды.

Изотоп ²²³Fr используется в научных исследованиях, в частности, для изучения свойств сверхтяжёлых элементов и проверки квантово-механических расчётов. Благодаря своей короткой продолжительности жизни и высокой радиоактивности, франций не накапливается в окружающей среде и не представляет биологической опасности.

Применение

Сфера практического применения франция крайне ограничена из-за его нестабильности и редкости. Основные области использования включают:

• Научные исследования: Франций используется в спектроскопических экспериментах для изучения структуры атомов и проверки теории относительности. Его атом, будучи самым тяжёлым из щелочных металлов, обладает сильным релятивистским эффектом, что делает его ценным объектом для фундаментальной физики.
• Биохимические исследования: В некоторых экспериментах изотоп ²²³Fr применялся как радиоактивная метка для изучения поведения щелочных металлов в живых организмах, однако из-за короткого периода полураспада и высокой стоимости получения его использование ограничено.
• Медицина: Теоретически, изотопы франция могли бы использоваться в радиотерапии, однако на практике их применение нецелесообразно из-за малого времени жизни и высокой токсичности.

Интересные факты

• Франций — единственный элемент, открытый женщиной-учёным, Маргаритой Перей.
• После открытия франция в периодической таблице не осталось ни одного «пустого» места для стабильных элементов.
• Из-за чрезвычайно малого времени жизни и высокой радиоактивности, франций невозможно увидеть невооружённым глазом. Все его химические и физические свойства изучаются с помощью радиохимических методов, на образцах, содержащих не более нескольких тысяч атомов.
• Считается, что франций является самым электроотрицательным элементом среди всех щелочных металлов, хотя его электроотрицательность всё равно остаётся одной из самых низких среди всех элементов.

Источники

1. Энциклопедия «Химия» (под ред. И. Л. Кнунянца). — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992.
2. Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
3. Перей М. «Франций — элемент 87». — Успехи химии, 1950.
4. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 97th Edition. — CRC Press, 2016.
5. Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A.H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. — Nuclear Physics A, 2003.