Francio

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 descomposición natural en la que aparece), tiene una vida media de solo 22 minutos. Es el segundo elemento más electropositivo, solo detrás del cesio, y es el segundo elemento natural más raro (después del astato). Los isótopos de francio se descomponen rápidamente en astato, radio y radón. La estructura electrónica de un átomo de francio es [Rn] 7s, por lo que el elemento se clasifica como un metal alcalino.

Nunca se ha visto francio a granel. Debido a la apariencia general de los otros elementos en su columna de la tabla periódica, se presume que el francio aparecería como un metal altamente reactivo, si se pudiera recolectar lo suficiente como para ser visto como un sólido o líquido a granel. La obtención de una muestra de este tipo es muy improbable, ya que el calor extremo de descomposición resultante de su corta vida media vaporizaría inmediatamente cualquier cantidad visible del elemento.

El francio fue descubierto por Marguerite Perey en Francia (de donde el elemento toma su nombre) en 1939. Antes de su descubrimiento, se lo denominaba eka-cesio o ekacaesio debido a su supuesta existencia debajo del cesio en la tabla periódica. Fue el último elemento descubierto por primera vez en la naturaleza, en lugar de por síntesis. Fuera del laboratorio, el francio es extremadamente raro, con pequeñas cantidades encontradas en minerales de uranio y torio, donde el isótopo francio-223 se forma y decae continuamente. Existen tan solo 20 a 30 g (una onza) en un momento dado en toda la corteza terrestre; Aparte del francio-221, sus otros isótopos son completamente sintéticos. La mayor cantidad producida en el laboratorio fue un grupo de más de 300.000 átomos.

Características

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 (la hija alfa del francio-223), tiene una vida media de 56 segundos, aunque el astato-210 sintético tiene una vida mucho más larga con una vida media de 8,1 horas. Todos los isótopos de francio se descomponen en astato, radio o radón. Francium-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.

El francio es un metal alcalino cuyas propiedades químicas se asemejan en su mayoría a las del cesio. Un elemento pesado con un solo electrón de valencia, tiene el peso equivalente más alto de cualquier elemento. El francio líquido, si se crea, debe tener una tensión superficial de 0,05092 N/m en su punto de fusión. Se estimó que el punto de fusión de Francium era de alrededor de 8,0 ° C (46,4 ° F); también se encuentra a menudo un valor de 27 ° C (81 ° F).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). 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). Se espera que la densidad del francio sea de alrededor de 2,48 g/cm (el método de Mendeleev extrapola 2,4 g/cm).

Linus Pauling estimó la electronegatividad del francio en 0,7 en la escala de Pauling, lo mismo que el cesio; desde entonces, el valor del cesio se refinó a 0,79, pero no hay datos experimentales que permitan refinar el valor del francio. El francio tiene una energía de ionización ligeramente superior a la del cesio, 392,811(4) kJ/mol frente a los 375,7041(2) kJ/mol del cesio, como cabría esperar 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.

Compuestos

Debido a que el francio es muy inestable, sus sales solo se conocen en pequeña medida. Francium 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 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 vehículo, lo que conduce a otros métodos de separación.

Perclorato de francio

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. Esta coprecipitación se puede utilizar para aislar francio, adaptando el método de coprecipitación de 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. Se espera que la entropía del perclorato de francio sea de 42,7 eu

Haluros de francio

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 por la reacción de francio y cloro. El cloruro de francio se ha estudiado como una vía para separar el francio de otros elementos mediante el uso de la alta presión de vapor del compuesto, aunque el fluoruro de francio tendría una presión de vapor más alta.

Otros compuestos

El nitrato, el sulfato, el hidróxido, el carbonato, el acetato y el oxalato de francio son todos solubles en agua, mientras que el yodato, el picrato, el tartrato, el cloroplatinato y el silicotungstato son insolubles. La insolubilidad de estos compuestos se aprovecha para extraer francio de otros productos radiactivos, como zirconio, niobio, molibdeno, estaño, antimonio, por el método mencionado en el apartado anterior. Se prevé que la molécula de CsFr tenga 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.

La única sal doble conocida de francio tiene la fórmula Fr ₉ Bi ₂ I ₉.

Isótopos

Hay 34 isótopos conocidos de francio que varían en masa atómica de 199 a 232. El francio tiene siete isómeros nucleares metaestables. El francio-223 y el francio-221 son los únicos isótopos que se encuentran en la naturaleza, siendo el primero mucho más común.

El francio-223 es el isótopo más estable, con una vida media de 21,8 minutos, y es muy poco probable que se descubra o sintetice un isótopo de francio con una vida media más larga. 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 el hijo más común. El francio-223 luego se descompone en radio-223 por desintegración beta (energía de desintegración de 1,149 MeV), con un camino de desintegración alfa menor (0,006%) a astato-219 (energía de desintegración de 5,4 MeV).

Francium-221 tiene una vida media de 4,8 minutos. Es el noveno producto de la serie de desintegración del neptunio como isótopo hijo del actinio-225. El francio-221 luego se desintegra en astato-217 por desintegración alfa (energía de desintegración de 6,457 MeV).

El isótopo en estado fundamental menos estable es el francio-215, con una vida media de 0,12 μs: sufre una desintegración alfa de 9,54 MeV a astato-211. Su isómero metaestable, el francio-215m, es aún menos estable, con una vida media de solo 3,5 ns.

Aplicaciones

Debido a su inestabilidad y rareza, no existen aplicaciones comerciales para el francio. Se ha utilizado con fines de investigación en los campos de la química y de la estructura atómica. También se ha explorado su uso como una posible ayuda de diagnóstico para varios tipos de cáncer, pero esta aplicación se ha considerado poco práctica.

La capacidad de Francium para sintetizarse, atraparse y enfriarse, junto con su estructura atómica relativamente simple, lo ha convertido en objeto de experimentos de espectroscopia especializados. Estos experimentos han llevado a obtener información más específica sobre los niveles de energía y las constantes de acoplamiento entre partículas subatómicas. Los estudios sobre la luz emitida por los 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 las predichas por la teoría cuántica.

Historia

Ya en 1870, los químicos pensaron que debería haber un metal alcalino más allá del cesio, con un número atómico de 87. Entonces se lo denominó provisionalmente eka-cesio. Los equipos de investigación intentaron localizar y aislar este elemento faltante, y se hicieron al menos cuatro afirmaciones falsas de que el elemento se había encontrado antes de que se hiciera un descubrimiento auténtico.

Descubrimientos erróneos e incompletos

El químico soviético Dmitry Dobroserdov fue el primer científico en afirmar haber encontrado 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). Luego publicó una tesis sobre sus predicciones de las propiedades del eka-cesio, en la que nombró al elemento russium en honor a su país de origen. Poco tiempo después, Dobroserdov comenzó a concentrarse en su carrera docente en el Instituto Politécnico de Odessa, y no continuó con el elemento.

Al año siguiente, los químicos ingleses Gerald JF Druce y Frederick H. Loring analizaron fotografías de rayos X de sulfato de manganeso (II). Observaron líneas espectrales que supusieron eran de eka-cesio. Anunciaron su descubrimiento del elemento 87 y propusieron el nombre alkalinio, ya que sería el metal alcalino más pesado.

En 1930, Fred Allison del Instituto Politécnico de Alabama afirmó haber descubierto el elemento 87 (además del 85) al analizar polucita y lepidolita usando su máquina magneto-óptica. Allison solicitó que se llamara virginium en honor a su estado natal de Virginia, junto con los símbolos Vi y Vm. En 1934, HG MacPherson de UC Berkeley refutó la eficacia del dispositivo de Allison y la validez de su descubrimiento.

En 1936, el físico rumano Horia Hulubei y su colega francesa Yvette Cauchois también analizaron la contaminación, esta vez utilizando su aparato de rayos X de alta resolución. 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.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 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 al moldavo como el verdadero eka-cesio sobre el 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 acreditó como la única descubridora del elemento 87. Todos los demás supuestos descubrimientos previos del elemento 87 fueron descartados debido a la vida media muy limitada del francio.

El analisis de perey

El eka-cesio fue descubierto el 7 de enero de 1939 por Marguerite Perey del Instituto Curie de París, cuando purificó una muestra de actinio-227 que, según se informó, tenía una energía de desintegración de 220 keV. Perey notó partículas de descomposición con un nivel de energía por debajo de 80 keV. Perey pensó que esta actividad de descomposición podría haber sido causada por un producto de descomposición 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 la coprecipitación con sales de cesio), lo que llevó a Perey a creer que era el elemento 87, producido por la descomposición alfa del actinio-227.Perey luego intentó determinar la proporción de desintegración beta a desintegración alfa en el actinio-227. Su primera prueba puso la ramificación alfa en 0,6%, una cifra que luego revisó a 1%.

Perey nombró al nuevo isótopo actinio-K (ahora se conoce como francio-223) 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. Perey luego sugirió francio, después de Francia. Este nombre fue adoptado oficialmente por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) en 1949,convirtiéndose en el segundo elemento después del galio en llevar el nombre de Francia. Se le asignó el símbolo Fa, pero esta abreviatura se revisó al Fr actual poco después. El francio fue el último elemento descubierto en la naturaleza, en lugar de sintetizado, después del hafnio y el renio. Sylvain Lieberman y su equipo del CERN llevaron a cabo más investigaciones sobre la estructura del francio en las décadas de 1970 y 1980, entre otros.

Ocurrencia

Fr es el resultado de la desintegración alfa de Ac y se puede encontrar en pequeñas cantidades en minerales de uranio. En una muestra dada de uranio, se estima que hay solo un átomo de francio por cada 1 × 10 átomos de uranio. También se calcula que hay una masa total de como máximo 30 g de francio en la corteza terrestre en un momento dado.

Producción

El francio se puede sintetizar mediante una reacción de fusión cuando un objetivo de oro-197 se bombardea 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. Dependiendo de la energía del haz de oxígeno, la reacción puede producir isótopos de francio con masas de 209, 210 y 211.Au + O → Fr + 6 nAu + O → Fr + 5 nAu + O → Fr + 4 n

Los átomos de francio dejan el objetivo de oro como iones, que se neutralizan por colisión con itrio y luego se aíslan en una trampa magneto-óptica (MOT) en un estado gaseoso no consolidado. Aunque los átomos solo permanecen en la trampa durante unos 30 segundos antes de escapar o sufrir una descomposición nuclear, el proceso proporciona un flujo continuo de átomos frescos. El resultado es un estado estacionario que contiene un número bastante constante de átomos durante mucho más tiempo. 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.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 retenido más de 10 átomos de francio a la vez, incluidas grandes cantidades de Fr además de Fr y Fr.

Otros métodos de síntesis incluyen el bombardeo de radio con neutrones y el bombardeo de torio con protones, deuterones o iones de helio.

Fr también se puede aislar de muestras de su Ac original, el francio se ordeña mediante elución con NH ₄ Cl–CrO ₃ de un intercambiador de cationes que contiene actinio y se purifica pasando la solución a través de un compuesto de dióxido de silicio cargado con sulfato de bario.

En 1996, el grupo Stony Brook atrapó 3000 átomos en su MOT, lo que fue suficiente para que una cámara de video capturara la luz emitida por los átomos cuando emitían fluorescencia. Francium no se ha sintetizado en cantidades lo suficientemente grandes como para pesar.