프랑슘

Francium
프랑슘, Fr
프랑슘
발음/ˈfrænsiəm/ (FRAN-see-see-m)
질량수[223]
주기율표의 프랑슘
수소 헬륨
리튬 베릴륨 붕어 탄소 질소 산소 플루오린 네온
나트륨 마그네슘 알루미늄 실리콘 인 유황 염소 아르곤
칼륨 칼슘 스칸듐 티타늄 바나듐 크롬 망간 철 코발트 니켈 구리 아연 갈륨 게르마늄 비소 셀레늄 브로민 크립톤
루비듐 스트론튬 이트리움 지르코늄 니오비움 몰리브덴 테크네튬 루테늄 로듐 팔라듐 은색 카드뮴 인듐 주석 안티모니 텔루륨 요오드 제논
세슘 바륨 란타넘 세륨 프라세오디뮴 네오디뮴 프로메튬 사마륨 유로피움 가돌리늄 테르비움 디스프로슘 홀뮴 에르비움 툴륨 이테르비움속 루테튬 하프늄 탄탈룸 텅스텐 레늄 오스뮴 이리듐 백금 금 수은(원소) 탈륨 이끌다 비스무트 폴로늄 아스타틴 라돈
프랑슘 라듐 악티늄 토륨 프로텍티늄 우라늄 넵투늄 플루토늄 아메리슘 큐륨 베르켈륨 캘리포늄 아인슈타인움 페르뮴 멘델레비움 노벨륨 로렌슘 루더포듐 더브니움 수보르기움 보히움 하시움 메이트네리움 다름슈타디움 뢴트게늄 코페르니슘 니혼륨 플레로비움 모스코비움 간모륨 테네신 오가네손
Cs
↑
FR
↓
(Uue)
라돈 ← 프랑슘 → 라듐
원자번호 (Z)87
그룹그룹 1: 수소 및 알칼리 금속
기간7주기
블록 s-블록
전자 구성[Rn] 7초1
셸당 전자2, 8, 18, 32, 18, 8, 1
물리적 성질
위상 STP서실체가 있는
녹는점300K(27°C, 81°F)
비등점950K(677°C, 1251°F)
밀도 (근처 )2.48 g/cm3(높이)[1]
증기압 (추출)
P (Pa) 1 10 100 1k 10k 100k
(K)에서 404 454 519 608 738 946
원자성
산화 상태+1(강력한 기초 산화물)
전기성폴링 스케일: >0.79
이온화 에너지
  • 1차: 393 kJ/mol[2]
공동 반지름260pm(추출)
반데르발스 반지름348pm(추출)
기타 속성
자연발생쇠퇴하여
결정구조 신체 중심 입방체(BCc)
Body-centered cubic crystal structure for francium

(추출)
열전도도15 W/(m³K)(추가 분석)
전기저항도3µΩ⋅m(계산됨)
자기순서파라마그네틱
CAS 번호7440-73-5
역사
이름 지정발견자의 본국인 프랑스에 이어.
검색 및 첫 번째 격리마거리트 페리 (1939년)
프랑슘의 주요 동위 원소
이소슈토페 아부네댄스 하프라이프 (t1/2) 붕괴 모드 프로덕트
212FR 동음이의 20.0분 β+ 212Rn
α 208에서
221FR 자취를 감추다 4.8분 α 217에서
222FR 동음이의 14.2분 β− 222라
223FR 자취를 감추다 22.00분 β− 223라
α 219에서
범주: 프랑슘
참고 문헌

프랑슘은 Fr 기호와 원자 번호 87을 가진 화학 원소다.극도의 방사성 동위원소인 프랑슘-223(원래는 그것이 나타나는 자연 붕괴 사슬을 따서 액티늄 K라고 불림)의 반감기는 22분에 불과하다.세슘 뒤에 있는 두 번째로 가장 많은 전기적 원소로 자연적으로 발생하는 두 번째 원소(아스타틴 다음으로 희귀한 원소)이다.프랑슘 동위원소는 아스타틴, 라듐, 라돈으로 빠르게 부패한다.프랑슘 원자의 전자 구조는 [Rn] 7s이므로1 원소는 알칼리 금속으로 분류된다.

벌크 프랑슘은 한 번도 본 적이 없다.주기율표 기둥에 있는 다른 원소들의 일반적인 외관 때문에, 프랑슘이 대량 고체나 액체로 볼 수 있을 만큼 충분히 모일 수 있다면, 매우 반응성이 높은 금속으로 나타날 것으로 추정된다.짧은 반감기로 인한 극도의 붕괴 열은 원소의 가시적인 양을 즉시 증발시킬 것이기 때문에 그러한 샘플을 얻는 것은 매우 가능성이 낮다.

프랑슘은 1939년 프랑스의 마르그리트 페리에 의해 발견되었다.[3]발견되기 전에는 주기율표에서 세슘 아래에 존재하는 추측 때문에 에카세슘 또는 에카카세슘으로 불렸다.그것은 합성에 의해서가 아니라 자연에서 처음 발견된 마지막 원소였다.[note 1]실험실 밖에서는 프랑슘이 극히 드물며, 우라늄과 토륨 광석에서 발견되는 미량의 양이 동위원소 프랑슘-223이 지속적으로 형성되고 해독된다.지구의 지각 전체에 걸쳐 주어진 시간에 20-30g(1온스)이 거의 존재하지 않는다. 프랑슘-221을 제외하고, 그것의 다른 동위원소는 완전히 합성이다.실험실에서 생산된 가장 많은 양은 30만 개 이상의 원자로 이루어진 군집이었다.[4]

특성.

프랑슘은 자연적으로 발생하는 원소 중 가장 불안정한 원소 중 하나이다. 가장 수명이 긴 동위원소인 프랑슘-223은 반감기가 22분밖에 되지 않는다.유일하게 비교할 수 있는 원소는 아스타틴인데, 합성 아스타틴-210은 반감기가 8.1시간으로 훨씬 길지만 가장 안정된 자연 동위원소인 아스타틴-219(프랑슘-223의 알파 딸)의 반감기가 56초다.[5]프랑슘의 모든 동위원소는 아스타틴, 라듐 또는 라돈으로 부패한다.[5]프랑슘-223은 또한 원소 105 더브니움을 포함하여 각 합성 원소의 최장수 동위원소보다 짧은 반감기를 가지고 있다.[6]

프랑슘은 알칼리 금속으로 화학적 성질이 대부분 세슘과 닮았다.[6]단일 발란스 전자를 가진 무거운 원소로,[7] 어떤 원소보다 등가 중량이 가장 높다.[6]액체 프랑슘(생성된 경우)은 용해 지점에서 표면 장력이 0.05092 N/m이어야 한다.[8]프랑슘의 용해점은 약 8.0°C(46.4°F)[1]로 추정되었으며, 27°C(81°F)[6]의 값도 종종 접하게 된다.원소의 극한 희소성과 방사능 때문에 용해점이 불확실하다; 드미트리 멘델레예프의 방법에 기초한 다른 외삽법은 20 ± 1.5°C(68.0 ± 2.7°F)를 주었다.추정 비등점 620°C(1,148°F)도 불확실하다. 598°C(1,108°F) 및 677°C(1,251°F)와 멘델레예프의 640°C(1,184°F)[1][8] 방법에서의 외삽도 제안되었다.프랑슘 밀도는 2.48g/cm3(멘델레예프의 방법은 2.4g/cm3) 정도 될 것으로 예상된다.[1]

리누스 폴링은 세슘과 같은 폴링 눈금에서 프랑슘의 전기성을 0.7로 추정했다.[9] 세슘 값은 이후 0.79로 정제되었지만 프랑슘 값의 미세화를 허용하는 실험 데이터는 없다.[10]프랑슘은 세슘보다 약간 높은 이온화 에너지를 가지며,[11] 상대론적 효과에서 예상한 375.7041(2) kJ/mol과는 반대로 392.811(4) kJ/mol을 가지며, 이는 세슘이 두 가지 중 덜 전기적이라는 것을 의미한다.또한 프랑슘은 세슘보다 전자 친화력이 더 높아야 하며 Fr− 이온은 Cs− 이온보다 더 편광 가능해야 한다.[12]

화합물

프랑슘이 매우 불안정하기 때문에, 그것의 염분은 극히 일부까지만 알려져 있다.프랑슘은 세슘 과염소산염과 같은 여러 세슘 염과 함께 흡수되는데, 그 결과 소량의 프랑슘 과염소산염이 발생한다.로렌스 E의 방사선 공동호출법을 적용하여 프랑슘을 분리하는 데 이 공동호출법을 사용할 수 있다. 글렌데닌과 C. M. 넬슨.그것은 요오드산염, 소화산염, 타르트산염(역시 루비듐 타르트레이트), 클로로플라타산염, 규모퉁주 등 다른 많은 세슘염과 함께 추가로 흡수될 것이다.또한 규모퉁스트산, 과염소산 등과 함께 다른 알칼리 금속을 캐리어로 사용하지 않고 흡수해 다른 분리수단으로 이어진다.[13][14]

과염소산 프랑슘

과염소산 프랑슘은 염화 프랑슘과 과염소산나트륨의 반응에 의해 생성된다.프랑슘 과염소산염은 과염소산염 세슘과 함께 흡수된다.로렌스 E의 방사선 공동호출법을 적용하여 프랑슘을 분리하는 데 이 공동호출법을 사용할 수 있다. 글렌데닌과 C. M. 넬슨.그러나, 이 방법은 탈륨과 프랑슘을 서로 흡수하기 때문에 탈륨을 분리하는 데는 신뢰성이 떨어진다.[14]프랑슘과염소산염의 엔트로피는 42.7 e.u.[1]

프랑슘 할로겐화제

프랑슘 할로겐화물은 모두 물에 용해되며 흰색 고형물이 될 것으로 예상된다.그것들은 해당 할로겐화물의 반응에 의해 생성될 것으로 예상된다.예를 들어, 염화 프랑슘은 프랑슘과 염소의 반응에 의해 생성될 것이다.염화 프랑슘은 플루오르화 프랑슘이 더 높은 증기 압력을 가지겠지만 화합물의 높은 증기 압력을 사용하여 다른 원소로부터 프랑슘을 분리하는 경로로 연구되어 왔다.[1]

기타 화합물

질산 프랑슘, 황산염, 수산화물, 탄산염, 아세테이트, 옥살산염은 모두 물에 녹고 요오드산염, 소화산염, 타르트산염, 클로로플라틴, 규소퉁산염은 모두 물에 녹는다.이들 화합물의 불순성은 위 절에서 언급한 방법인 지르코늄, 니오비움, 몰리브덴, 주석, 안티몬과 같은 다른 방사성 물질에서 프랑슘을 추출하는 데 사용된다.[1]CsFr 분자는 알려진 모든 이질성 알칼리 금속 분자와 달리 쌍극자의 음극 끝에서 프랑슘을 가질 것으로 예측된다.과산화 프랑슘(Francium superoxide, FrO2)은 가벼운 착향료보다 공밸런스 특성이 더 높을 것으로 예상되며, 이는 프랑슘의 6p 전자가 프랑슘-산소 결합에 더 많이 관여하기 때문으로 풀이된다.[12]

프랑슘으로 알려진 유일한 이중소금은 FrBiI라는929 공식을 가지고 있다.

동위 원소

주요 기사:프랑슘 동위 원소

199년부터 232년까지 34개의 알려진 프랑슘 동위원소가 원자 질량 내에 있다.[15]프랑슘은 7개의 전이성 핵 이소머를 가지고 있다.[6]프랑슘-223과 프랑슘-221은 자연에서 유일하게 발생하는 동위원소로 전자가 훨씬 일반적이다.[16]

프랑슘-223은 반감기가 21.8분으로 가장 안정적인 동위원소로,[6] 반감기가 긴 프랑슘 동위원소가 발견되거나 합성될 가능성은 매우 낮다.[17]프랑슘-223은 액티늄-227의 딸 동위원소로서 우라늄-235 붕괴 시리즈의 다섯 번째 제품이며, 토륨-227은 더 흔한 딸이다.[18]그런 다음 프랑슘-223은 베타 붕괴(1.149 MeV 붕괴 에너지)에 의해 라듐-223으로 분해되고, 아스타틴-219(5.4 MeV 붕괴 에너지)로 소량(0.006%) 알파 붕괴 경로가 된다.[19]

프랑슘-221의 반감기는 4.8분이다.[6]액티늄-225의 딸 동위원소로서 넵투늄 붕괴 시리즈의 9번째 산물이다.[18]프랑슘-221은 알파 붕괴(6.457 MeV 붕괴 에너지)에 의해 아스타틴-217로 분해된다.[6]

안정성이 가장 낮은 지상 상태 동위원소는 프랑슘-215이며, 반감기는 0.12μs이다: 아스타틴-211까지 9.54 MeV 알파 붕괴를 겪는다.[6]측정 가능한 이성질체 프랑슘-215m는 아직 안정성이 떨어져 반감기가 3.5ns에 불과하다.[20]

적용들

불안정과 희귀성 때문에 프랑슘의 상업적 출원이 없다.[21][22][23][18]그것은 화학[24] 분야와 원자 구조 분야의 연구 목적으로 사용되어 왔다.다양한 암에 대한 잠재적 진단 보조 도구로서 그것의 사용도 조사되었지만,[5] 이 적용은 비현실적인 것으로 간주되었다.[22]

프랑슘은 비교적 단순한 원자 구조와 함께 합성, 함몰, 냉각 등의 능력이 있어 전문 분광 실험의 대상이 되었다.이러한 실험은 에너지 수준과 아원자 입자 사이의 연결 상수에 관한 보다 구체적인 정보를 이끌어냈다.[25]레이저로 포장된 프랑슘-210 이온에서 방출되는 빛에 관한 연구는 양자 이론으로 예측된 것과 상당히 유사한 원자 에너지 수준 사이의 전환에 대한 정확한 데이터를 제공했다.[26]

역사

1870년 초, 화학자들은 세슘 너머의 알칼리 금속이 있어야 한다고 생각했고, 원자 번호는 87이었다.[5]그 후 에카케시움이라는 가칭으로 언급되었다.[27]으로 언급되었다.연구팀은 이 누락된 원소를 찾아 격리시키려 했고, 실제 발견이 이뤄지기 전에 원소가 발견됐다는 허위 주장이 최소 4건 나왔다.

오류 및 불완전한 발견

소련의 화학자 드미트리 도브로세르도프는 에카케슘, 즉 프랑슘을 발견했다고 주장한 최초의 과학자였다.1925년, 그는 또 다른 알칼리 금속인 칼륨 표본에서 약한 방사능을 관찰했고, 에카-세슘이 샘플을 오염시키고 있다고 잘못 결론지었다([28]시료에서 나오는 방사능은 자연적으로 발생하는 방사성동위원소인 칼륨-40에서 나온 것이었다).그리고 나서 그는 에카세슘의 성질에 대한 그의 예측에 관한 논문을 발표했는데, 그 논문에서 그는 그 원소의 이름을 고국의 이름을 따서 러시움이라고 지었다.[29]그 직후 도브로세르도프는 오데사의 폴리테크닉 연구소에서 교직에 집중하기 시작했으며, 더 이상 원소를 추구하지 않았다.[28]

이듬해 영국 화학자 제럴드 J. F. 드루스와 프레데릭 H. 로링은 망간의 X선 사진을 분석했다.II) 황산염.[29]그들은 에카케슘으로 추정되는 스펙트럼 라인을 관측했다.그들은 원소 87의 발견을 발표했고 알칼리늄이 가장 무거운 알칼리 금속이 될 것이기 때문에 알칼리늄이라는 이름을 제안했다.[28]

1930년 앨라배마 폴리테크닉 연구소의 프레드 앨리슨은 자기 광학 기계를 사용하여 폴루카이트와 레피돌라이트를 분석하면서 87번 원소(85개 외에)를 발견했다고 주장했다.앨리슨은 Vi와 Vm이라는 상징과 함께 그의 고향인 버지니아 주를 따라 버진리움으로 명명할 것을 요청했다.[29][30]1934년 UC 버클리의 H.G. 맥퍼슨은 앨리슨의 장치의 효과와 그의 발견의 타당성을 반증했다.[31]

1936년 루마니아 물리학자 호리아 훌루베이와 그의 프랑스 동료 이베트 카우초이스도 고해상도 X선 장비를 이용해 폴루카이트를 분석했다.[28]그들은 87번 원소의 방출선으로 추정되는 몇 개의 약한 방출선을 관찰했다.훌루베이와 카우초이스는 발견 사실을 보고하고 훌루베이가 태어난 루마니아 지방 몰다비아의 이름을 따서 Ml이라는 상징과 함께 몰다비움이라는 이름을 제안했다.[29]1937년 훌루베이의 작품은 미국의 물리학자 F에게 비판을 받았다. 훌루베이의 연구 방법을 거부한 H. Hirsh Jr.히르쉬는 에카케시움이 자연에서 발견되지 않을 것이라고 확신했고, 훌루베이는 대신 수은이나 비스무트 X선 라인을 관찰했다.훌루베이는 자신의 X선 장비와 방법이 너무 정확해서 그런 실수를 할 수 없다고 주장했다.이 때문에 노벨상 수상자이자 훌루베이의 멘토인 장 침례르트 페린은 최근 마르그리트 페리가 발견한 프랑슘에 대해 몰다비움을 진정한 에카세슘으로 승인했다.페레이는 훌루베이의 작품에 대한 비판에서 정확하고 세밀해지려고 애를 썼고, 마침내 87번 원소의 유일한 발견자로 인정받았다.[28]이전에 알려진 원소 87의 다른 모든 발견들은 프랑슘의 매우 제한된 반감기 때문에 배제되었다.[29]

페리의 분석

에카세슘은 1939년 1월 7일 파리의 퀴리 연구소의 마르그리트 페리에 의해 발견되었는데,[32] 그녀가 220 keV의 붕괴 에너지를 가지고 있다고 보고된 악티늄-227의 샘플을 정화했다.페리는 에너지 수준이 80 keV 미만인 붕괴 입자를 발견했다.페레이는 이러한 부패 활동이 이전에 확인되지 않았던 부패 제품에 의해 일어났을지도 모른다고 생각했는데, 이 부패 제품은 정화 과정에서 분리되었지만 다시 순수한 액티늄-227에서 나왔다.다양한 테스트로 알 수 없는 원소가 토륨, 라듐, 납, 비스무트 또는 탈륨일 가능성을 없앴다.이번 신제품은 알칼리 금속(세슘염으로 교화시키는 등)의 화학적 특성을 보여 페레이는 액티늄-227의 알파 붕괴에 의해 생산된 원소 87이라고 믿게 되었다.[27]페리는 그 후 액티늄-227에서 베타 붕괴 대 알파 붕괴의 비율을 결정하려고 시도했다.그녀의 첫 번째 테스트는 알파 분기점을 0.6%로 만들었고, 그 수치는 나중에 1%[17]로 수정되었다.

페리는 이 새로운 동위원소의 이름을 액티늄-K(현재는 프랑슘-223으로 칭함)[27]라고 지었고, 1946년 새로 발견된 원소의 이름을 카티움(Cm)이라고 제안했는데, 그것이 원소의 가장 전기적인 양이온이라고 믿었기 때문이다.페리의 감독관 중 한 명인 Irene Joliot-Curie는 양이온보다는 고양이가 함축되어 있기 때문에 이 이름을 반대했다. 게다가, 이 상징은 그 후 큐륨에 할당되었던 것과 일치한다.[27]페리는 프랑스 다음으로 프랑슘을 제안했다.이 명칭은 1949년 국제순수응용화학연합(IUPAC)에 의해 공식적으로 채택되어 갈륨에 이어 프랑스에 이어 두 번째 원소가 되었다.[5]기호 Fa로 지정되었으나, 이 약어는 곧 현재의 Fr로 수정되었다.[33]프랑슘은 합성이 아니라 자연에서 발견된 마지막 원소로서 하프늄과 레늄에 이은 것이다.[27]프랑슘의 구조에 대한 추가 연구는 1970년대와 1980년대에 CERN의 실뱅 리버만과 그의 팀에 의해 수행되었다.[34]

발생

A shiny gray 5-centimeter piece of matter with a rough surface.
이 천왕나이트의 샘플은 주어진 시간에 약 10만 개의 원자(3.3×10−20 g)의 프랑슘-223을 함유하고 있다.[22]

223fr은 ac의 알파 붕괴의 결과물이며 우라늄 광물에서 미량에서 찾을 수 있다.[6]주어진 우라늄 샘플에서, 1 × 10개의18 우라늄 원자당 1 프랑슘 원자가 있을 것으로 추정된다.[22]또한 주어진 시간에 지구의 지각에는 최대 30g의 총중량이 존재한다고 계산된다.[35]

생산

프랑슘은 1995년 스토니 브룩의 뉴욕 주립대학 물리학부에서 처음 개발한 공정에서 금-197 표적이 선형가속기에서 나온 산소-18 원자의 광선을 받아 핵융합 반응으로 합성할 수 있다.[36]산소 빔의 에너지에 따라 반응으로 209, 210, 211의 질량을 가진 프랑슘 동위원소를 산출할 수 있다.

197Au + O → Fr + 6n
197Au + O → Fr + 5n
197Au + O → Fr + 4n
A complex experimental setup featuring a horizontal glass tube placed between two copper coils.
중성 프랑슘 원자를 짧은 시간 동안 보유할 수 있는 자기 광학 트랩.[37]

프랑슘 원자는 이티움과의 충돌에 의해 중화된 다음 가스 비연결 상태에서 자기광학트랩(MOT)에 격리된 이온으로 금 표적을 떠난다.[37]비록 원자들이 탈출하거나 핵 붕괴를 겪기 전에 약 30초 동안만 덫에 머물러 있지만, 이 과정은 계속해서 신선한 원자들을 공급한다.그 결과는 훨씬 더 긴 시간 동안 상당히 일정한 수의 원자를 포함하는 안정된 상태를 의미한다.[37]원래의 기구는 수천 개의 원자까지 함정에 빠뜨릴 수 있는 반면, 후에 개선된 디자인은 한번에 30만 개 이상을 함정에 빠뜨릴 수 있다.[4]갇힌 원자에 의해 방출되고 흡수된 빛의 민감한 측정은 프랑슘의 원자 에너지 수준 사이의 다양한 전환에 대한 첫 번째 실험 결과를 제공했다.초기 측정은 양자 이론에 기초한 계산과 실험 값 사이의 합치가 매우 양호하다는 것을 보여준다.이 생산방식을 이용한 연구사업은 2012년 Fr과 Fr 외에 다량의 Fr을 포함해 한 번에 10프랑6 이상의 원자가 보관돼 있는 TRIUMF로 이전했다.[38][39]

그 밖의 합성 방법으로는 라듐에 중성자를 퍼붓는 것과 토륨에 양성자, 중수소 또는 헬륨 이온을 퍼붓는 것이 있다.[17]

또한 223Fr은 모체 Ac의 표본으로부터 격리될 수 있으며, 프랑슘은 액티늄 함유 양이온 교환기에서 용액을 추출하여 NHCl-CrO로43 우유하고 황산바륨이 적재된 이산화 규소 화합물을 통해 용액을 통과시켜 정제한다.[40]

A round ball of red light surrounded by a green glow
자기 광학 트랩에서 20만 프랑의 원자를 샘플로 방출하는 빛의 이미지
A small white spot in the middle surrounded by a red circle. There is a yellow ring outside the red circle, a green circle beyond the yellow ring and a blue circle surrounding all the other circles.
자기 광학 트랩에 있는 30만 프랑슘 원자의 열 이미지, 약 13나노그램

1996년 스토니 브룩 그룹은 3000개의 원자를 MOT에 가두었는데, 이는 원자가 형광하면서 발산하는 빛을 비디오 카메라가 포착하기에 충분했다.[4]프랑슘은 무게가 나갈 만큼 큰 양으로 합성되지 않았다.[5][22][41]

메모들

  1. ^ 테크네튬이나 플루토늄과 같은 일부 합성 원소는 나중에 자연에서 발견되었다.

참조

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