Frâncio

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Frâncio,  87 Fr
Frâncio
Pronúncia/ f r æ n s i ə m / ​( FRAN -see-əm )
Número de massa[223]
Frâncio na tabela periódica
Hidrogênio Hélio
Lítio Berílio Boro Carbono Azoto Oxigênio Flúor Néon
Sódio Magnésio Alumínio Silício Fósforo Enxofre Cloro Argônio
Potássio Cálcio Escândio Titânio Vanádio Cromo Manganês Ferro Cobalto Níquel Cobre Zinco Gálio Germânio Arsênico Selênio Bromo Krypton
Rubídio Estrôncio Ítrio Zircônio Nióbio Molibdênio Tecnécio Rutênio Ródio Paládio Prata Cádmio índio Lata Antimônio Telúrio Iodo Xenon
Césio Bário Lantânio Cério Praseodímio Neodímio Promécio Samário Európio Gadolínio Térbio Disprósio Hólmio Érbio Túlio Itérbio Lutécio Háfnio Tântalo Tungstênio Rênio Ósmio Irídio Platina Ouro Mercúrio (elemento) Tálio Liderar Bismuto Polônio Astatine Radônio
Frâncio Rádio Actínio Tório Protactínio Urânio Neptúnio Plutônio Amerício Curium Berquélio Californium Einsteinium Férmio Mendelévio Nobélio Lourenço Rutherfordium Dúbnio Seaborgium Bohrium Hássio Meitnério Darmstádio Roentgenium Copérnico Nihonium Fleróvio Moscovium Livermório Tennessee Oganesson
Cs

Fr

( Uue )
radôniofrânciorádio
Número atômico ( Z )87
Grupogrupo 1: hidrogênio e metais alcalinos
Períodoperíodo 7
Quadra  s-bloco
Configuração eletrônica[ Rn ] 7s 1
Elétrons por camada2, 8, 18, 32, 18, 8, 1
Propriedades físicas
Fase em  STPsólido
Ponto de fusão300  K (27 ° C, 81 ° F)
Ponto de ebulição950 K (677 ° C, 1251 ° F)
Densidade (perto  da rt )2,48 g/cm 3 (estimado) [1]
Pressão de vapor (extrapolada)
P  (Pa) 1 10 100 1k 10 mil 100 mil
em  T  (K) 404 454 519 608 738 946
Propriedades atômicas
Estados de oxidação+1 (um óxidofortemente básico )
Eletro-negatividadeEscala de Pauling: >0,79
Energias de ionização
  • 1º: 393 kJ/mol [2]
Raio covalente260  pm (extrapolado)
Raio de Van der Waals348 pm (extrapolado)
Outras propriedades
Ocorrência naturalda decadência
Estrutura de cristalcúbica de corpo (bcc)
Estrutura cristalina cúbica de corpo centrado para frâncio

(extrapolado)
Condutividade térmica15 W/(m⋅K) (extrapolado)
Resistividade elétrica3 µΩ⋅m (calculado)
Pedido magnéticoParamagnético
Número CAS7440-73-5
História
Nomeaçãodepois da França, pátria do descobridor
Descoberta e primeiro isolamentoMarguerite Perey (1939)
Principais isótopos de frâncio
Isótopo Abundância Meia-vida ( t 1/2 ) Modo de decaimento produtos
212 Fr sin 20,0 minutos + _ 212 Rn
α 208 em
221 Fr vestígio 4,8 minutos α 217 Em
222 Fr sin 14,2 minutos β- _ 222
223 Fr vestígio 22h00min β- _ 223
α 219 Em
 Categoria: Frâncio
| referências

Frâncio é um elemento químico com o símbolo  Fr e número atômico  87. É extremamente radioativo ; seu isótopo mais estável, o frâncio-223 (originalmente chamado actínio K após a cadeia de decaimento natural em que aparece), tem uma meia-vida de apenas 22 minutos. É o segundo elemento mais eletropositivo , atrás apenas do césio, e é o segundo elemento natural mais raro (depois do astato ). Os isótopos de frâncio decaem rapidamente em astato, rádio e radônio . A estrutura eletrônicade um átomo de frâncio é [Rn] 7s 1 , e assim o elemento é classificado como um metal alcalino .

Frâncio a granel nunca foi visto. Por causa da aparência geral dos outros elementos em sua coluna da tabela periódica, presume-se que o frâncio apareceria como um metal altamente reativo, se o suficiente pudesse ser coletado para ser visto como um sólido ou líquido a granel. A obtenção de tal amostra é altamente improvável, uma vez que o calor extremo de decomposição resultante de sua meia-vida curta vaporizaria imediatamente qualquer quantidade visível do elemento.

Frâncio foi descoberto por Marguerite Perey na França (da qual o elemento leva o nome) em 1939. [3] Antes de sua descoberta, era referido como eka - césio ou ecacésio por causa de sua existência conjecturada abaixo do césio na tabela periódica. Foi o último elemento descoberto pela primeira vez na natureza, e não por síntese. [nota 1] Fora do laboratório, o frâncio é extremamente raro, com vestígios encontrados em minérios de urânio e tório , onde o isótopo frâncio-223 se forma e decai continuamente. Tão pouco quanto 20-30 g (uma onça) existe a qualquer momento em toda a crosta terrestre; além do frâncio-221, seus outros isótopos são inteiramente sintéticos. A maior quantidade produzida no laboratório foi um aglomerado de mais de 300.000 átomos. [4]

Características

O frâncio é um dos elementos mais instáveis ​​que ocorrem naturalmente: seu isótopo de vida mais longa, o frâncio-223, tem uma meia-vida de apenas 22 minutos. O único elemento comparável é a astatina , cujo isótopo natural mais estável, astatina-219 (a filha alfa do frâncio-223), tem uma meia-vida de 56 segundos, embora astatina-210 sintética tenha uma vida muito mais longa com meia-vida de 8,1 horas. [5] Todos os isótopos de frâncio decaem em astato, rádio ou radônio . [5] O frâncio-223 também tem uma meia-vida mais curta do que o isótopo de vida mais longa de cada elemento sintético até e incluindo o elemento 105, dúbnio . [6]

O frâncio é um metal alcalino cujas propriedades químicas se assemelham principalmente às do césio. [6] Um elemento pesado com um único elétron de valência , [7] tem o maior peso equivalente de qualquer elemento. [6] O frâncio líquido – se criado – deve ter uma tensão superficial de 0,05092  N /m em seu ponto de fusão. [8] O ponto de fusão do Frâncio foi estimado em cerca de 8,0 ° C (46,4 ° F); [1] um valor de 27 °C (81 °F) também é frequentemente encontrado. [6] O ponto de fusão é incerto devido à extrema raridade e radioatividade do elemento ; uma extrapolação diferente baseada emO método de Dmitri Mendeleev deu 20 ± 1,5°C (68,0 ± 2,7°F). O ponto de ebulição estimado de 620 ° C (1.148 ° F) também é incerto; as estimativas de 598 ° C (1.108 ° F) e 677 ° C (1.251 ° F), bem como a extrapolação do método de Mendeleev de 640 ° C (1.184 ° F), também foram sugeridas. [1] [8] Espera-se que a densidade do frâncio seja em torno de 2,48 g/cm 3 (o método de Mendeleev extrapola 2,4 g/cm 3 ). [1]

Linus Pauling estimou a eletronegatividade do frâncio em 0,7 na escala de Pauling , o mesmo que o césio; [9] o valor do césio foi refinado para 0,79, mas não há dados experimentais que permitam um refinamento do valor do frâncio. [10] O frâncio tem uma energia de ionização ligeiramente maior do que o césio, [11] 392,811(4) kJ/mol em oposição a 375,7041(2) kJ/mol para o césio, como seria esperado dos efeitos relativísticos , e isso implicaria que o césio é o menos eletronegativo dos dois. O frâncio também deve ter uma afinidade eletrônica mais alta que o césio e o Fr -íon deve ser mais polarizável que o íon Cs . [12]

Compostos

Devido ao frâncio ser muito instável, seus sais são pouco conhecidos. O frâncio coprecipita com vários sais de césio , como o perclorato de césio , o que resulta em pequenas quantidades de perclorato de frâncio. Esta coprecipitação pode ser usada para isolar o frâncio, adaptando o método de coprecipitação radiocésio de Lawrence E. Glendenin e CM Nelson. Além disso, coprecipitará com muitos outros sais de césio, incluindo o iodato , o picrato , o tartarato (também tartarato de rubídio ), o cloroplatinato e o silicotungstato . Também coprecipita comácido silicotungstico , e com ácido perclórico , sem outro metal alcalino como transportador , o que leva a outros métodos de separação. [13] [14]

Perclorato de Frâncio

O perclorato de frâncio é produzido pela reação de cloreto de frâncio e perclorato de sódio . O perclorato de frâncio coprecipita com perclorato de césio . Esta coprecipitação pode ser usada para isolar o frâncio, adaptando o método de coprecipitação radiocésio de Lawrence E. Glendenin e CM Nelson. No entanto, este método não é confiável na separação de tálio devido a coprecipitar com o frâncio. [14] Espera-se que a entropia do perclorato de Francium seja de 42,7 eu [1]

Haletos de Frâncio

Os haletos de frâncio são todos solúveis em água e espera-se que sejam sólidos brancos. Espera-se que sejam produzidos pela reação dos haletos correspondentes. Por exemplo, o cloreto de frâncio seria produzido pela reação de frâncio e cloro . O cloreto de frâncio foi estudado como um caminho para separar o frâncio de outros elementos, usando a alta pressão de vapor do composto, embora o fluoreto de frâncio tenha uma pressão de vapor mais alta. [1]

Outros compostos

Nitrato de frâncio, sulfato, hidróxido, carbonato, acetato e oxalato são todos solúveis em água, enquanto o iodato , picrato , tartarato , cloroplatinato e silicotungstato são insolúveis. A insolubilidade desses compostos é usada para extrair o frâncio de outros produtos radioativos, como zircônio , nióbio , molibdênio , estanho , antimônio , método mencionado na seção acima. [1] Prevê-se que a molécula de CsFr tenha frâncio na extremidade negativa do dipolo, ao contrário de todas as moléculas de metal alcalino heterodiatômicas conhecidas. Superóxido de Frâncio(FrO 2 ) deverá ter um caráter mais covalente do que seus congêneres mais leves ; isso é atribuído aos elétrons 6p no frâncio sendo mais envolvidos na ligação frâncio-oxigênio. [12]

O único sal duplo conhecido de frâncio tem a fórmula Fr 9 Bi 2 I 9 .

Isótopos

Existem 34 isótopos conhecidos de frâncio variando em massa atômica de 199 a 232. [15] O frâncio tem sete isômeros nucleares metaestáveis . [6] Frâncio-223 e frâncio-221 são os únicos isótopos que ocorrem na natureza, sendo o primeiro muito mais comum. [16]

Frâncio-223 é o isótopo mais estável, com meia-vida de 21,8 minutos, [6] e é altamente improvável que um isótopo de frâncio com meia-vida mais longa seja descoberto ou sintetizado. [17] O frâncio-223 é um quinto produto da série de decaimento do urânio-235 como um isótopo filho do actínio-227 ; thorium-227 é a filha mais comum. [18] Francium-223 então decai em rádio-223 por decaimento beta ( energia de decaimento de 1,149 MeV ), com um caminho de decaimento alfa menor (0,006%) para astatine-219 (energia de decaimento de 5,4 MeV). [19]

Francium-221 tem uma meia-vida de 4,8 minutos. [6] É o nono produto da série de decaimento do neptúnio como um isótopo filho do actínio-225 . [18] Francium-221 então decai em astatine-217 por decaimento alfa (energia de decaimento de 6,457 MeV). [6]

O isótopo do estado fundamental menos estável é o frâncio-215, com uma meia-vida de 0,12 μs: sofre um decaimento alfa de 9,54 MeV para astatine-211. [6] Seu isômero metaestável , frâncio-215m, é ainda menos estável, com meia-vida de apenas 3,5 ns. [20]

Aplicativos

Devido à sua instabilidade e raridade, não há aplicações comerciais para o frâncio. [21] [22] [23] [18] Tem sido usado para fins de pesquisa nas áreas de química [24] e de estrutura atômica . Seu uso como um potencial auxiliar de diagnóstico para vários tipos de câncer também foi explorado, [5] mas essa aplicação foi considerada impraticável. [22]

A capacidade do Francium de ser sintetizado, aprisionado e resfriado, juntamente com sua estrutura atômica relativamente simples , o tornou objeto de experimentos de espectroscopia especializados. Esses experimentos levaram a informações mais específicas sobre os níveis de energia e as constantes de acoplamento entre partículas subatômicas . [25] Estudos sobre a luz emitida por íons de frâncio-210 presos a laser forneceram dados precisos sobre transições entre níveis de energia atômica que são bastante semelhantes aos previstos pela teoria quântica . [26]

História

Já em 1870, os químicos pensavam que deveria haver um metal alcalino além do césio , com um número atômico de 87. [5] Foi então referido pelo nome provisório eca-césio . [27] Equipes de pesquisa tentaram localizar e isolar este elemento perdido, e pelo menos quatro falsas alegações foram feitas de que o elemento havia sido encontrado antes que uma descoberta autêntica fosse feita.

Descobertas erradas e incompletas

O químico soviético Dmitry Dobroserdov foi o primeiro cientista a afirmar ter encontrado o eka-césio, ou frâncio. Em 1925, ele observou radioatividade fraca em uma amostra de potássio , outro metal alcalino, e concluiu incorretamente que o eca-césio estava contaminando a amostra (a radioatividade da amostra era do radioisótopo de potássio natural, potássio-40 ). [28] Ele então publicou uma tese sobre suas previsões das propriedades do eka-césio, na qual nomeou o elemento russium em homenagem ao seu país de origem. [29] Pouco tempo depois, Dobroserdov começou a se concentrar em sua carreira docente no Instituto Politécnico de Odessa, e ele não perseguiu o elemento mais adiante. [28]

No ano seguinte, os químicos ingleses Gerald JF Druce e Frederick H. Loring analisaram fotografias de raios-X de sulfato de manganês(II) . [29] Eles observaram linhas espectrais que presumiram ser de eka-césio. Eles anunciaram a descoberta do elemento 87 e propuseram o nome alcalinium , pois seria o metal alcalino mais pesado. [28]

Em 1930, Fred Allison , do Alabama Polytechnic Institute , afirmou ter descoberto o elemento 87 (além de 85) ao analisar polucita e lepidolita usando sua máquina magneto-óptica . Allison solicitou que fosse nomeado virginium após seu estado natal da Virgínia , juntamente com os símbolos Vi e Vm. [29] [30] Em 1934, HG MacPherson da UC Berkeley refutou a eficácia do dispositivo de Allison e a validade de sua descoberta. [31]

Em 1936, o físico romeno Horia Hulubei e sua colega francesa Yvette Cauchois também analisaram a poluição, desta vez usando seu aparelho de raios-X de alta resolução. [28] Eles observaram várias linhas de emissão fracas, que presumiram serem as do elemento 87. Hulubei e Cauchois relataram sua descoberta e propuseram o nome moldavium , juntamente com o símbolo Ml, em homenagem à Moldávia , a província romena onde Hulubei nasceu. [29] Em 1937, o trabalho de Hulubei foi criticado pelo físico americano FH Hirsh Jr. , que rejeitou os métodos de pesquisa de Hulubei. Hirsh estava certo de que o eca-césio não seria encontrado na natureza e que Hulubei havia observadoraios X de mercúrio ou bismuto . Hulubei insistiu que seu aparelho e métodos de raios-X eram muito precisos para cometer tal erro. Por causa disso, Jean Baptiste Perrin , ganhador do Prêmio Nobel e mentor de Hulubei, endossou o moldávio como o verdadeiro eca-césio sobre o recentemente descoberto frâncio de Marguerite Perey . Perey se esforçou para ser precisa e detalhada em sua crítica ao trabalho de Hulubei, e finalmente ela foi creditada como a única descobridora do elemento 87. [28] Todas as outras supostas descobertas anteriores do elemento 87 foram descartadas devido à meia-vida muito limitada do frâncio. . [29]

Análise de Perey

O eca-césio foi descoberto em 7 de janeiro de 1939 por Marguerite Perey do Instituto Curie em Paris, [32] quando ela purificou uma amostra de actínio - 227 que havia sido relatada como tendo uma energia de decaimento de 220 keV. Perey notou partículas de decaimento com um nível de energia abaixo de 80 keV. Perey pensou que essa atividade de decaimento poderia ter sido causada por um produto de decaimento não identificado anteriormente, que foi separado durante a purificação, mas emergiu novamente do actínio-227 puro. Vários testes eliminaram a possibilidade de o elemento desconhecido ser tório , rádio, chumbo , bismuto ou tálio. O novo produto exibia propriedades químicas de um metal alcalino (como coprecipitar com sais de césio), o que levou Perey a acreditar que era o elemento 87, produzido pelo decaimento alfa do actínio-227. [27] Perey então tentou determinar a proporção de decaimento beta para decaimento alfa em actínio-227. Seu primeiro teste colocou a ramificação alfa em 0,6%, um valor que ela posteriormente revisou para 1%. [17]

Perey nomeou o novo isótopo actínio-K (agora é referido como frâncio-223) [27] e em 1946, ela propôs o nome cátio (Cm) para seu elemento recém-descoberto, pois acreditava ser o cátion mais eletropositivo dos elementos. Irène Joliot-Curie , uma das supervisoras de Perey, se opôs ao nome devido à sua conotação de gato em vez de cátion ; além disso, o símbolo coincidia com o que havia sido atribuído ao cúrio . [27] Perey então sugeriu frâncio , depois da França. Este nome foi adotado oficialmente peloUnião Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) em 1949, [5] tornando-se o segundo elemento depois do gálio a receber o nome da França. Foi atribuído o símbolo Fa, mas esta abreviatura foi revisada para o atual Fr pouco depois. [33] O frâncio foi o último elemento descoberto na natureza, em vez de sintetizado, seguindo o háfnio e o rênio . [27] Outras pesquisas sobre a estrutura do frâncio foram realizadas por, entre outros, Sylvain Lieberman e sua equipe no CERN nas décadas de 1970 e 1980. [34]

Ocorrência

Um pedaço de matéria cinza brilhante de 5 centímetros com uma superfície áspera.
Esta amostra de uraninita contém cerca de 100.000 átomos (3,3 × 10−20  g) de frâncio-223 a qualquer momento. [22]

223 Fr é o resultado do decaimento alfa de 227 Ac e pode ser encontrado em pequenas quantidades em minerais de urânio . [6] Em uma determinada amostra de urânio, estima-se que haja apenas um átomo de frâncio para cada 1 × 10 18 átomos de urânio. [22] Calcula-se também que haja uma massa total de no máximo 30 g de frâncio na crosta terrestre a qualquer momento. [35]

Produção

O frâncio pode ser sintetizado por uma reação de fusão quando um alvo de ouro-197 é bombardeado com um feixe de átomos de oxigênio-18 de um acelerador linear em um processo originalmente desenvolvido no departamento de física da Universidade Estadual de Nova York em Stony Brook em 1995. [36] Dependendo da energia do feixe de oxigênio, a reação pode produzir isótopos de frâncio com massas de 209, 210 e 211.

197 Au + 18 O → 209 Fr + 6 n
197 Au + 18 O → 210 Fr + 5 n
197 Au + 18 O → 211 Fr + 4 n
Uma configuração experimental complexa com um tubo de vidro horizontal colocado entre duas bobinas de cobre.
Uma armadilha magneto-óptica, que pode conter átomos de frâncio neutros por curtos períodos de tempo. [37]

Os átomos de frâncio deixam o alvo de ouro como íons, que são neutralizados por colisão com ítrio e então isolados em uma armadilha magneto-óptica (MOT) em estado gasoso não consolidado. [37] Embora os átomos só permaneçam na armadilha por cerca de 30 segundos antes de escapar ou sofrer decaimento nuclear, o processo fornece um fluxo contínuo de novos átomos. O resultado é um estado estacionário contendo um número razoavelmente constante de átomos por muito mais tempo. [37] O aparato original poderia prender até alguns milhares de átomos, enquanto um projeto aprimorado posterior poderia prender mais de 300.000 de cada vez. [4]Medições sensíveis da luz emitida e absorvida pelos átomos aprisionados forneceram os primeiros resultados experimentais em várias transições entre os níveis de energia atômica no frâncio. As medições iniciais mostram uma concordância muito boa entre os valores experimentais e os cálculos baseados na teoria quântica. O projeto de pesquisa usando este método de produção mudou-se para TRIUMF em 2012, onde mais de 10 6 átomos de frâncio foram mantidos por vez, incluindo grandes quantidades de 209 Fr, além de 207 Fr e 221 Fr. [38] [39]

Outros métodos de síntese incluem bombardear rádio com nêutrons e bombardear tório com prótons, deutérios ou íons de hélio . [17]

O 223 Fr também pode ser isolado a partir de amostras de seu pai 227 Ac, sendo o frâncio ordenhado por eluição com NH 4 Cl-CrO 3 de um trocador de cátions contendo actínio e purificado passando a solução através de um composto de dióxido de silício carregado com sulfato de bário . [40]

Uma bola redonda de luz vermelha cercada por um brilho verde
Imagem da luz emitida por uma amostra de 200.000 átomos de frâncio em uma armadilha magneto-óptica
Uma pequena mancha branca no meio cercada por um círculo vermelho.  Há um anel amarelo fora do círculo vermelho, um círculo verde além do anel amarelo e um círculo azul circundando todos os outros círculos.
Imagem de calor de 300.000 átomos de frâncio em uma armadilha magneto-óptica, cerca de 13 nanogramas

Em 1996, o grupo Stony Brook prendeu 3.000 átomos em seu MOT, o que foi suficiente para uma câmera de vídeo capturar a luz emitida pelos átomos enquanto eles fluorescem. [4] O frâncio não foi sintetizado em quantidades suficientemente grandes para pesar. [5] [22] [41]

Notas

  1. Alguns elementos sintéticos, como tecnécio e plutônio , foram encontrados posteriormente na natureza.

Referências

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