Franxi

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
Franxi
RadonFranxiRadi
Cs
  Lattice body centered cubic.svg
 
87
Fr
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Fr
Uue
Bảng tiêu chuẩn
Hình dạng
Ánh kim
Tính chất chung
Tên, Ký hiệu, Số Franxi, Fr, 87
Phiên âm /ˈfrænsiəm/
FRAN-see-əm
Phân loại Kim loại kiềm
Nhóm, Chu kỳ, Phân lớp 17, s
Khối lượng nguyên tử (223)
Cấu hình electron [Rn] 7s1
Số electron trên vỏ điện tử 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1
Electron shell 087 Francium.svg
Tính chất vật lý
Trạng thái vật chất Chất rắn
Mật độ gần nhiệt độ phòng 1,87 g·cm−3
Nhiệt độ nóng chảy ? 300 K, ? 27 °C, ? 80 °F
Nhiệt độ sôi ? 950 K, ? 677 °C, ? 1250 °F
Nhiệt lượng nóng chảy ca. 2 kJ·mol−1
Nhiệt lượng bay hơi ca. 65 kJ·mol−1
Áp suất hơi  (ngoại suy)
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
ở T (K) 404 454 519 608 738 946
Tính chất nguyên tử
Trạng thái ôxi hóa Bazơ rất mạnh
Độ âm điện 0,7 (thang Pauling)
Năng lượng ion hóa Thứ nhất: 380 kJ·mol−1
Độ dài liên kết cộng hóa trị 260 pm
Bán kính van der Waals 348 pm
Thông tin khác
Cấu trúc tinh thể Lập phương tâm khối
Trạng thái trật tự từ Thuận từ
Điện trở suất 3 µ Ω·m
Độ dẫn nhiệt 15 W·m−1·K−1
Số đăng ký CAS 7440-73-5
Đồng vị ổn định nhất
iso NA Chu kỳ bán rã DM DE (MeV) DP
221Fr Tổng hợp 4,8 phút α 6.457 217At
222Fr Tổng hợp 14,2 phút β 2.033 222Ra
223Fr Tổng hợp 21,8 phút β 1.149 223Ra
α 5.430 219At

Franxi, trước đây còn gọi là eka-xêzi hay actini K[1], là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu Fr và số nguyên tử bằng 87. Nó có độ âm điện thấp nhất trong số các nguyên tố đã biết và là nguyên tố có độ phổ biến trong tự nhiên thấp thứ hai, chỉ sau astatin. Franxi là một kim loại kiềm có tính phóng xạ cao, phân rã thành astatin, radiradon. Là một kim loại kiềm, nó có một điện tử hóa trị.

Marguerite Perey phát hiện ra franxi năm 1939. Nó là nguyên tố cuối cùng được phát hiện trong tự nhiên chứ không phải bằng phương pháp tổng hợp[2]. Ngoài phạm vi phòng thí nghiệm, franxi là cực hiếm, với khối lượng được tìm thấy ở dạng dấu vết trong quặng uranithori, trong đó đồng vị Fr223 liên tục được tạo ra và liên tục bị phân rã. Người ta ước tính có khoảng 1 aoxơ (28,35 g) đồng vị này của franxi tồn tại ở bất kỳ thời điểm nào trong lớp vỏ Trái Đất; các đồng vị còn lại hoàn toàn được tạo ra bằng tổng hợp. Số lượng lớn nhất của bất kỳ đồng vị nào của franxi đã thu thập được là một cụm 10.000 nguyên tử (của Fr210) được tạo ra như là plasma tại Stony Brook năm 1996[3].

Franxi có nguồn gốc là tên gọi để kỷ niệm nước Pháp (Fr).

Đặc trưng[sửa | sửa mã nguồn]

Franxi là ít ổn định nhất trong số các nguyên tố nhẹ hơn nobeli (nguyên tố số 102)[3], đồng vị ổn định nhất của nó, Fr223, có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 22 phút. Ngược lại, astatin, nguyên tố ít ổn định kế tiếp, có chu kỳ bán rã tối đa là 8,5 giờ [4]. Mọi đồng vị của franxi phân rã thành một trong các nguyên tố như astatin, radi hay radon[4].

Franxi có các tính chất hóa học tương tự như của xêzi[3]. Là nguyên tố nặng với chỉ một điện tử hóa trị[5], nó có trọng lượng tương đương cao nhất trong số các nguyên tố[3]. Tương tự, franxi có độ âm điện thấp nhất trong số các nguyên tố đã biết, bằng 0,7 trong thang Pauling[6], xêzi đứng thứ hai với giá trị 0,79[7]. Franxi lỏng, nếu như trạng thái này có thể được tạo ra, sẽ có giá trị của ứng suất bề mặt bằng 0,05092 J/m² ở điểm nóng chảy của nó[8].

Franxi cùng kết tủa với một vài muối của xêzi, chẳng hạn như perclorat xêzi, tạo ra một lượng nhỏ perclorat franxi. Quá trình đồng kết tủa này có thể được sử dụng để cô lập franxi, bằng cách phỏng theo phương pháp đồng kết tủa xêzi phóng xạ của Glendenin và Nelson. Nó cũng sẽ đồng kết tủa với nhiều muối khác của xêzi, như iodat, picrat, tartrat (với cả tartrat rubidi), cloroplatinat, silicotungstat. Nó cũng đồng kết tủa với axít silicotungstic, axít percloric, mà không cần các kim loại kiềm khác làm chất mang, điều này tạo ra một phương pháp cô lập franxi khác[9],[10]. Gần như tất cả các muối của franxi là hòa tan trong nước[11].

Ứng dụng[sửa | sửa mã nguồn]

Hiện tại không có ứng dụng thương mại nào của franxi do tính không ổn định và độ khan hiếm của nó[12][13][14][15][16], và vì thế chỉ có ứng dụng trong các nghiên cứu, trong cả các lĩnh vực của sinh học lẫn cấu trúc nguyên tử. Franxi đã từng được coi là phương tiện trợ giúp trong chẩn đoán các bệnh ung thư[4], nhưng ứng dụng này dường như là không khả thi trong thực tế[14].

Khả năng của franxi trong việc được tổng hợp, bắt giữ và làm mát, cùng với cấu trúc nguyên tử tương đối đơn giản của nó đã làm cho nó trở thành đối tượng của các thực nghiệm quang phổ học chuyên biệt. Các thực nghiệm này cung cấp các thông tin cụ thể hơn liên quan tới các mức năng lượng và các hằng số bắt cặp giữa các hạt hạ nguyên tử[17]. Các nghiên cứu trên ánh sáng bức xạ bởi các ion franxi-210 bị bắt giữ bằng laser đã cung cấp các dữ liệu chính xác về các trạng thái chuyển tiếp giữa các mức năng lượng nguyên tử. Các kết quả thực nghiệm này là khá giống như các dự đoán của cơ học lượng tử[18].

Lịch sử[sửa | sửa mã nguồn]

Vào khoảng thập niên 1870, một số nhà hóa học đã nghĩ rằng phải có một kim loại kiềm sau xêzi, với số nguyên tử bằng 87[4]. Sau đó nó đã được nhắc tới bằng tên gọi tạm thời là eka xêzi[19]. Các nhóm nghiên cứu đã cố gắng định vị và cô lập nguyên tố còn thiếu này, và ít nhất có 4 tuyên bố nhầm rằng nguyên tố này đã được phát hiện ra, trước khi việc phát hiện đích thực được thực hiện.

Các phát hiện sai sót hay không hoàn chỉnh[sửa | sửa mã nguồn]

Nhà hóa học người Nga là D. K. Dobroserdov là nhà khoa học đầu tiên tuyên bố đã tìm ra "eka-xêzi". Năm 1925, ông quan sát phân rã phóng xạ yếu trong một mẫu kali, một kim loại kiềm khác, và kết luận rằng eka-xêzi đã lây nhiễm vào mẫu[20]. Sau đó ông cho công bố một luận đề với các dự đoán của ông về các tính chất của eka-xêzi, trong đó ông đặt tên cho nguyên tố là russium theo tên tổ quốc ông[21]. Ngay sau đó, Dobroserdov đã tập trung vào công việc giảng dạy của ông tại Đại học Bách khoa Odessa, và ông không đeo đuổi nguyên tố này nữa[20].

Năm sau, các nhà hóa học người Anh là Gerald J. F. Druce và Frederick H. Loring phân tích các ảnh chụp bằng tia X của sulfat mangan (II)[21]. Họ quan sát thấy các vạch quang phổ, được họ coi là của eka-xêzi. Họ đã thông báo về phát hiện ra nguyên tố số 87 của mình và đề nghị đặt tên là alkalinium, do nó có lẽ là kim loại kiềm nặng nhất[20].

Năm 1930, giáo sư Fred Allison tại Đại học Bách khoa Alabama tuyên bố đã phát hiện ra nguyên tố số 87 khi phân tích pollucitlepidolit bằng cách sử dụng cỗ máy từ -quang của mình. Allison đề nghị đặt tên cho nó là virginium theo tên bang quê hương ông là Virginia, cùng với các ký hiệu ViVm[21][22]. Tuy nhiên, năm 1934, giáo sư MacPherson tại UC Berkeley đã bác bỏ tính hiệu quả của thiết bị do Allison chế tạo ra và giá trị của phát hiện sai lầm này[23].

Năm 1936, nhà hóa học người România là Horia Hulubei và đồng nghiệp người Pháp của ông là Yvette Cauchois cũng phân tích pollucit, sử dụng thiết bị tia X có độ phân giải cao của họ[20]. Họ đã quan sát thấy vài vạch bức xạ yếu mà họ cho là của nguyên tố số 87. Hulubei và Cauchois đã thông báo phát hiện của mình và đề nghị tên gọi moldavium, với ký hiệu Ml, theo tên gọi của Moldavia, khi đó là một tỉnh của Romania và là nơi họ tiến hành công việc của mình[21]. Năm 1937, nhà vật lý học người Mỹ là F. H. Hirsh Jr. đã phê phán công trình của Hulubei. Ông này không chấp nhận các phương pháp nghiên cứu của Hulubei. Hirsh chắc chắn rằng eka-xêzi không thể tìm thấy trong tự nhiên và rằng Hulubei thay vì thế đã quan sát thấy các vạch phát xạ của thủy ngân hay bitmut. Tuy nhiên, Hulubei nhấn mạnh rằng thiết bị tia X của ông và các phương pháp là rất chính xác, không thể tạo ra sai sót như vậy. Do điều này, Jean Baptiste Perrin, người đoạt giải Nobel và đồng thời là cố vấn cho Hulubei, đã xác nhận moldavium chính là eka-xêzi thật sự chứ không phải là phát hiện ra franxi sau này của Marguerite Perey. Tuy nhiên, Perey vẫn tiếp tục phê phán công trình của Hulubei cho đến khi bà này được coi là người phát hiện duy nhất ra nguyên tố số 87[20].

Phân tích Perey[sửa | sửa mã nguồn]

Eka-xêzi được phát hiện một cách thực sự vào năm 1939 bởi Marguerite Perey của Viện Curie tại Paris, Pháp, khi bà tinh chế một mẫu actini-227, được thông báo là có năng lượng phân rã bằng 220 keV. Tuy nhiên, Perey nhận ra rằng các hạt phân rã với mức năng lượng dưới 80 keV. Perey nghĩ rằng hoạt động phân rã này có thể bị gây ra bởi một sản phẩm phân rã đã không được nhận dạng trước đó, là sản phẩm đã bị tách ra trong quá trình tinh chế, nhưng lại xuất hiện một lần nữa từ actini-227 tinh khiết. Các thử nghiệm khác nhau đã loại bỏ khả năng về sự có mặt của thori, radi, chì, bitmut hay tali như là nguyên tố chưa rõ đó. Sản phẩm mới thể hiện các tính chất hóa học của một kim loại kiềm (chẳng hạn như đồng kết tủa với các muối của xêzi), điều này đã dẫn Perey tới niềm tin rằng nó chính là nguyên tố số 87, được sinh ra từ phân rã alpha của actini-227[19]. Sau đó Perey đã cố gắng xác định tỷ lệ giữa phân rã beta và phân rã alpha trong actini-227. Thử nghiệm đầu tiên của bà đưa ra phân nhánh alpha ở mức 0,6%, mà sau này bà đã sửa lại thành 1%[24].

Perey đặt tên cho đồng vị mới là actinium-K, mà ngày nay người ta gọi là franxi-223[19] và năm 1946 bà đã đề nghị tên gọi catium cho nguyên tố mới phát hiện này, do bà tin rằng nó là cation có độ dương điện cao nhất trong số các nguyên tố. Irène Joliot-Curie, một trong những người giám sát của Perey, đã chống lại tên gọi này do nghĩa rộng của nó là cattus (con mèo) chứ không phải cation[19]. Perey sau đó đề nghị tên gọi francium để tỏ lòng kính trọng tới đất nước mà tại đó bà đã phát hiện ra nó. Tên gọi này được Hiệp hội Quốc tế các nhà Hóa học (IUC) chính thức phê chuẩn năm 1949[4] và gán cho nó ký hiệu Fa; nhưng gần như là ngay sau đó đã sửa lại thành Fr[25]. Franxi là nguyên tố có trong tự nhiên cuối cùng đã được phát hiện ra, sau rheni năm 1925[19]. Các nghiên cứu tiếp theo về cấu trúc của franxi được Sylvain Lieberman và nhóm của ông tại CERN thực hiện trong thập niên 1970 và 1980.[26]

Phổ biến[sửa | sửa mã nguồn]

Tự nhiên[sửa | sửa mã nguồn]

Franxi-223 là kết quả của phân rã alpha của actini-227 và có thể tìm thấy ở dạng dấu vết trong các khoáng vật của uranithori. Trong mẫu đã cho của urani, người ta ước tính chỉ có 1 nguyên tử franxi trong mỗi 1×1018 nguyên tử urani. Người ta cũng tính toán rằng chỉ có tối đa khoảng 30 gam franxi trong lớp vỏ Trái Đất vào bất kỳ thời điểm nào[27]. Điều này làm cho nó trở thành nguyên tố hiếm thứ hai trong lớp vỏ Trái Đất sau astatin[4][14].

Tổng hợp[sửa | sửa mã nguồn]

Franxi có thể được tổng hợp trong phản ứng hạt nhân 197Au + 18O → 210Fr + 5n. Tiến trình này, do khoa lý Stony Brook thực hiện, sinh ra các đồng vị franxi với khối lượng 209, 210 và 211[28], và chúng sau đó bị cô lập bởi bẫy từ-quang (MOT)[29]. Các phương pháp tổng hợp khác bao gồm tấn công radi bằng nơtron, tấn công thori bằng proton, deuteron hay các ion heli[24]. Vào thời điểm năm 2006, franxi vẫn chưa tổng hợp đủ để có thể cân được[3][4][14][30].

Đồng vị[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Đồng vị của franxi
Phân tử Franxi.

Hiện nay người ta biết 34 đồng vị của franxi, với nguyên tử lượng từ 199 tới 232[3]. Franxi có 7 đồng phân hạt nhân siêu ổn định[3]. Franxi-223 và franxi-221 là các đồng vị duy nhất có trong tự nhiên, trong đó đồng vị đầu tiên là phổ biến hơn[31].

Franxi-223 là đồng vị ổn định nhất với chu kỳ bán rã là 21,8 phút[3] và khả năng rất cao là sẽ không có đồng vị nào khác của franxi sẽ được phát hiện hay tổng hợp với chu kỳ bán rã lâu hơn[24]. Franxi-223 là sản phẩm thứ năm trong chuối phân rã của actini, từ đồng vị actini-227[16]. Franxi-223 sau đó phân rã thành radi-223 bằng phân rã beta (1.149 keV năng lượng phân rã), với rất ít (0,006%) phân rã alpha thành astatin-219 (5,4 MeV năng lượng phân rã)[32].

Franxi-221 có chu kỳ bán rã 4,8 phút[3]. Nó là sản phẩm thứ chín của chuỗi phân rã của neptuni, từ đồng vị actini-225[16]. Franxi-221 sau đó phân rã thành astatin-217 theo phân rã alpha (6.457 MeV năng lượng phân rã)[3].

Đồng vị trạng thái tĩnh ít ổn định nhất là franxi-215, với chu kỳ bán rã 0,12 μs. (9,54 MeV phân rã alpha thành astatin-211)[3]. Đồng phân siêu ổn định của nó, franxi-215m, còn ít ổn định hơn, với chu kỳ bán rã chỉ có 3,5 ns[33].

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Trên thực tế, đồng vị ổn định nhiều nhất, Fr223 được tạo ra từ phân rã alpha của đồng vị ổn định nhất của Actini.
  2. ^ Một số nguyên tố tổng hợp, như tecneti, sau này cũng đã được phát hiện có trong tự nhiên.
  3. ^ a ă â b c d đ e ê g h CRC Handbook of Chemistry and Physics 4, CRC, 2006, tr. 12, 0-8493-0474-1 
  4. ^ a ă â b c d đ Price, Andy (20 tháng 12 năm 2004). “Francium”. Truy cập ngày 25 tháng 3 năm 2007. 
  5. ^ Winter, Mark. “Electron Configuration”. Francium. Đại học Sheffield. Truy cập ngày 18 tháng 4 năm 2007. 
  6. ^ Winter, Mark. “Electronegativies”. Francium. Đại học Sheffield. Truy cập ngày 25 tháng 3 năm 2007. 
  7. ^ Winter, Mark. “Electronegativies”. Caesium. Đại học Sheffield. Truy cập ngày 9 tháng 5 năm 2007. 
  8. ^ Kozhitov, L. V.; Koltsov V. B. và Koltsov A. V. (21 tháng 2 năm 2003). “Evaluation of the Surface Tension of Liquid Francium”. Inorganic Materials (Springer Science & Business Media B.V.) 39 (11): 1138–1141. Truy cập ngày 14 tháng 4 năm 2007. 
  9. ^ E. K. Hyde. Radiochemical Methods for the Isolation of Element 87 (Francium). J. Am. Chem. Soc. 1952, 74, 4181-4184.[1].
  10. ^ E. N K. Hyde Radiochemistry of Francium,Subcommittee on Radiochemistry, National Academy of Sciences-National Research Council; available from the Office of Technical Services, Dept. of Commerce, 1960.
  11. ^ A. G. Maddock. Radioactivity of the heavy elements. Q. Rev., Chem. Soc., 1951, 3, 270–314. doi:10.1039/QR9510500270
  12. ^ Winter, Mark. “Uses”. Francium. Đại học Sheffield. Truy cập ngày 25 tháng 3 năm 2007. 
  13. ^ Bentor, Yinon. “Chemical Element.com - Francium”. Truy cập ngày 25 tháng 3 năm 2007. 
  14. ^ a ă â b Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. tr. 151–153. 0-19-850341-5. 
  15. ^ Gagnon, Steve. “Francium”. Hiệp hội Khoa học Jefferson, LLC. Truy cập ngày 1 tháng 4 năm 2007. 
  16. ^ a ă â Considine, Glenn D. biên tập (2005), “Chemical Elements”, Van Nostrand's Encyclopedia of Chemistry, New York: Wylie-Interscience, tr. 332, 0-471-61525-0 
  17. ^ Gomez, E; Orozco L. A và Sprouse G. D (7 tháng 11 năm 2005). “Spectroscopy with trapped francium: advances and perspectives for weak interaction studies”. Rep. Prog. Phys. 69 (1): 79–118. doi:10.1088/0034-4885/69/1/R02. Truy cập ngày 11 tháng 4 năm 2007. 
  18. ^ Peterson, I (11 tháng 5 năm 1996). “Creating, cooling, trapping francium atoms”. Science News. tr. 294. Truy cập ngày 11 tháng 4 năm 2007. 
  19. ^ a ă â b c Adloff, Jean-Pierre; Kaufman, George B. (25-9-2005). Francium (Atomic Number 87), the Last Discovered Natural Element. The Chemical Educator 10 (5). Truy cập ngày 26-3-2007.
  20. ^ a ă â b c Fontani, Marco (10 tháng 9 năm 2005). “The Twilight of the Naturally-Occurring Elements: Moldavium (Ml), Sequanium (Sq) and Dor (Do)”. International Conference on the History of Chemistry. Lisbon. tr. 1–8. Truy cập ngày 8 tháng 4 năm 2007. 
  21. ^ a ă â b Van der Krogt, Peter (10 tháng 1 năm 2006). “Francium”. Elementymology & Elements Multidict. Truy cập ngày 8 tháng 4 năm 2007. 
  22. ^ “Alabamine & Virginium”. TIME. 15 tháng 2 năm 1932. Truy cập ngày 1 tháng 4 năm 2007. 
  23. ^ MacPherson, H. G. (21 tháng 12 năm 1934). “An Investigation of the Magneto-Optic Method of Chemical Analysis”. Physical Review (American Physical Society) 47 (4): 310–315. doi:10.1103/PhysRev.47.310. Truy cập ngày 8 tháng 4 năm 2007. 
  24. ^ a ă â “Francium”, McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology 7, McGraw-Hill Professional, 2002, tr. 493–494, 0-07-913665-6 
  25. ^ Grant, Julius (1969), “Francium”, Hackh's Chemical Dictionary, McGraw-Hill, tr. 279–280 
  26. ^ “History”. Francium. SUNY Stony Brook Physics & Astronomy. 20 tháng 2 năm 2007. Truy cập ngày 26 tháng 3 năm 2007. 
  27. ^ Winter, Mark. “Geological information”. Francium. Đại học Sheffield. Truy cập ngày 26 tháng 3 năm 2007. 
  28. ^ “Production of Francium”. Francium. State University of New York at Stony Brook Physics & Astronomy. 20 tháng 2 năm 2007. Truy cập ngày 26 tháng 3 năm 2007. 
  29. ^ “Cooling and Trapping”. Francium. State University of New York at Stony Brook Physics & Astronomy. 20 tháng 2 năm 2007. Truy cập ngày 1 tháng 5 năm 2007. 
  30. ^ “Francium”. Los Alamos Chemistry Division. 15 tháng 12 năm 2003. Truy cập ngày 29 tháng 3 năm 2007. 
  31. ^ Considine, Glenn D. biên tập (2005), “Francium”, Van Nostrand's Encyclopedia of Chemistry, New York: Wylie-Interscience, tr. 679, 0-471-61525-0 
  32. ^ National Nuclear Data Center (1990). “Table of Isotopes decay data”. Brookhaven National Laboratory. Truy cập ngày 4 tháng 4 năm 2007. 
  33. ^ National Nuclear Data Center (2003). “Fr Isotopes”. Brookhaven National Laboratory. Truy cập ngày 4 tháng 4 năm 2007. 

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]