Ako je moguće i u upotrebi, koriste seosnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.
Francij (latinski:francium) jestehemijski element sa simbolomFr iatomskim brojem 87. U prošlosti bio je poznat kaoeka-cezij iaktinij K.[a] Po Paulingovoj skali, on je najmanjeelektronegativni element. Međutim, po drugim skalama kao naprimjer Allenovoj, manje elektronegativan od francija je samo cezij. Francij je veomaradioaktivan metal koji se raspada naastat,radij iradon. Pošto je alkalni metal, ima jedan valentnielektron.
Francij u većim komadima ne postoji. Na osnovu općeg izgleda drugih elementa u istoj koloni periodnog sistema, moguće je pretpostaviti da bi francij također mogao biti metal visokog odsjaja, kada bi pošlo za rukom sakupiti ga u dovoljnoj količini da bi se mogao posmatrati u čvrstom stanju ili kao tečnost. Međutim, dobijanje takvog uzorka je gotovo nemoguće, jer bi ogromna toplota raspada (vrijeme poluraspada njegovog najduže živućeg izotopa je 22 minute) gotovo odmah isparila bilo koju vidljivu količinu elementa.
Ovaj element je otkrilaMarguerite Perey 1939. uFrancuskoj po kojoj je element i dobio ime. Francij je bio posljednji element koji je otkriven u prirodi prije nego što je sintetiziran.[b] Izvan laboratorije, francij je ekstremno rijedak, a samo u tragovima se može pronaći u rudamauranija itorija, gdje se izotop francij-223 neprestano formira i raspada. U svakom trenutku u cjelokupnoj Zemljinoj kori nalazi se samo 20 do 30 g francij; drugi izotopi (osim francij-221) su potpuno sintetički. Najveća količina proizvedena u laboratoriji bio je klaster sa više od 300 hiljada atoma francija.[5]
Već oko 1870. hemičari su pretpostavljali da bi trebao postojati još neki alkalni metal izacezija sa atomskim brojem 87.[6] PremaMendeljejevom načinu imenovanja previđenih elemenata nazivali su gaeka-cezij.[7] Istraživački timovi su pokušavali pronaći i izdvojiti nedostajući element, a u historiji je poznato najmanje četiri slučaja lažnih otkrića ovog elementa, prije nego je element zaista otkrila francuska fizičarkaMarguerite Perey.
Jedan od takvih slučajeva bio je sovjetski hemičar D.K. Dobroserdov, koji je bio prvi naučnik koji je objavio otkrićeeka-cezija odnosno današnjeg francija. Godine 1925. on je uočio slaburadioaktivnost u uzorkukalija, također alkalnog metala, te netačno zaključio da je nečistoća u uzorku zapravoeka-cezij. Međutim, radioaktivnost u uzorku potjecala je od prirodnog izotopa kalija koji je neznatno radioaktivan,kalij-40.[8] Svoje pretpostavke u vezi ovog otkrića je objavio kao i osobineeka-cezija, kojem je predložio nazivrusij prema svojoj domovini Rusiji.[9] Ipak, nedugo nakon toga, Dobroserdov je posvetio profesorskoj karijeri na Politehničkom institutu u Odesi te se nije više bavio istraživanjem ovog elementa.[8]
Sljedećih godina, engleski hemičari Druce i Loring analizirali su fotografijemangan(II) sulfata načinjene x-zrakama.[9] Uočili su spektralne linije za koje su pretpostavili da su zbog prisustvaeka-cezija. Svoje otkriće elementa 87 su i objavili te predložili mu imealkalinij, pošto bi to bio najteži alkalni metal.[8]
Francij je najnestabilniji element koji se javlja u prirodi. Njegov najstabilniji izotop, francij-223, imavrijeme poluraspada od samo 22 minute. U usporedbi s njim,astat kao drugi najnestabilniji prirodni element ima vrijeme poluraspada od 8,5 sati.[6] Svi izotopi francija raspadaju se na neki od tri elementa: astat,radij iliradon.[6] Francij je također manje stabilan od svih težih sintetičkih elemenata sve do elementa 105 (dubnij).[10]
Francij je alkalni metal čije hemijske osobine najvećim dijelom sličeceziju.[10] On je teški element sa samo jednim valentnimelektronom,[11] te ima najveću ekvivalentnu težinu među svim elementima.[10] Tečni francij, ako se dobije, trebao bi imatipovršinsku napetost od 0,05092 N/m pri temperaturi svogtopljenja.[12] Za francij je izračunato da mu se tačka topljenja nalazi oko 27 °C (80 °F, 300 K).[13] Međutim, ona nije sa sigurnošću određena zbog velike rijetkosti ovog elementa i njegove radioaktivnosti. Također, njegova tačka ključanja od 677 °C (1250 °F, 950 K) nije sa sigurnošću utvrđena.
Linus Pauling je procijenioelektronegativnost francija na 0,7 na Paulingovoj skali, što je isto kao i cezij;[14] ali je vrijednost za cezij kasnije promijenjena na 0,79. Ipak ne postoje eksperimentalni podaci koji bi omogućili da se vrijednosti za francij dodatno provjere.[15] Francij ima neznatno višuionizacijsku energiju od cezija,[16] 392,811(4) kJ/mol u odnosu na 375,7041(2) kJ/mol kod cezija, što bi se očekivalo prema relativističkim efektima, te bi prema ovom cezij bio manje elektronegativan od francija. Fracij bi također trebao imati i veći afinitet prema elektronu od cezija, a ion Fr− bi trebao biti više polaribilan od iona cezija Cs−.[17] Za molekulu CsFr previđa se da bi imala francij na negativnom kraju dipola, za razliku od svih poznati heterodiatomnih molekula alkalnih metala. Francij-superoksid (FrO2) bi mogao imati mnogo više izražen kovalentni karakter od njegovih lakših kongenera; ova osobina mu se pripisuje zbog6p elektrona u atomu francija koji su više uključeni u formiranje veze francij-kisik.[17]
Francij sekotaloži sa nekoliko soli cezija, kao što jecezij-perhlorat, čime nastaje mala količina francij-perhlorata. Ovaj proces kotaloženja se može koristiti za izdvajanje francija, putem adaptacije metode radiocezijskog kotaloženja koju su 1950ih razvili naučnici L.E. Glendenin i C.M. Nelson. Francij će se kotaložiti sa mnogim drugim solima cezija, uključujući jodate, pikrate, tartrate (također irubidij-tartrat), hloroplatinate i volframosilikate. Također se kotaloži i savolframosilicijskom iperhlornom kiselinom, gdje ne mora biti prisutan drugi alkalni metal kaonosilac (engleski:carrier), čime se omogućavaju i druge metode njegovog izdvajanja.[18][19] Gotovo sve soli francija surastvorljive uvodi.[20]
Poznata su 34izotopa francija, čije se atomske mase kreću od 199 do 232.[10] Francij ima i sedam metastabilnihnuklearnih izomera.[10] Francij-223 i francij-221 su jedini izotopi koji se javljaju u prirodi, mada je prvi daleko više rasprostranjen.[21]
Francij-223 je najstabilniji izotop ovog elementa, imavrijeme poluraspada od 21,8 minuta,[10] a veoma je izgledno da izotop francija sa dužim vremenom poluraspada neće nikada biti otkriven niti sintetiziran.[22] Francij-223 je peti proizvod serije raspadaaktinija kao "kćerinski" izotop aktinija-227.[23] Francij-223 se raspada u radij-223 beta-raspadom (energija raspada 1149 keV), dok se vrlo mala količina (0,006%) raspada alfa-raspadom na astat-219 (energija raspada 5,4 MeV).[24]
Francij-221 ima vrijeme poluraspada od 4,8 minuta.[10] On je deveti proizvod serije raspadaneptunija, kao "kćerinski" izotop aktinija-225.[23] Francij-221 se dalje raspada uastat-217 putem alfa-raspada (energija raspada 6,457 MeV).[10]
Najmanje stabilni izotop osnovog stanja je francij-215, sa vremenom poluraspada od samo 0,12 μs. (alfa-raspadom energije 9,54 MeV prelazi u astat-211):[10] njegov metastabilni izomer, francij-215m je još nestabilniji sa vremenom poluraspada od samo 3,5 ns.[25]
Izotop223Fr je rezultat alfa-raspada izotopaaktinija227Ac i može se naći u tragovima umineralimauranija itorija.[10] U nekom uzorku uranija, procjenjuje se da u svakom trenutku postoji samo jedan atom francija na svakih 1 × 1018 atoma uranija.[26] Također je izračunato da u svakom trenutku postoji najviše 30 g francija u Zemljinoj kori.[11]
Uzorak uranita u svakom momentu sadrži oko 100 hiljada atoma (oko 3,3 × 10-20 grama) francija-223.
Francij se može sintetizirati u nuklearnoj reakciji:
197Au +18O →210Fr + 5 n
Ovaj proces, razvijen na katedri za fizikuDržavnog univerziteta New Yorka u Stony Brooku, daje izotope francija sa masama 209, 210 i 211,[27] koji su dalje izolirani pomoću magnetno-optičke "zamke" (MOT).[28] Stopa proizvodnje određenog izotopa zavisi odenergije zrake kisika. Zraka kisika izotopa18O iz uređaja LINAC na Univerzitetu Stony Brook ispaljena kreira210Fr udarom o metu odzlata gdje se odvija nuklearna reakcija197Au +18O →210Fr + 5n. Proizvodnja zahtijeva određeno vrijeme za razvoj i razumijevanje. Kritični postupak je metu od zlata dovesti vrlo blizu njene tačke topljenja te osigurati da je njena površina izrazito čista. Nuklearnom reakcijom nastaju atomi francija dosta duboko u meti, pa se oni moraju vrlo efikasno ukloniti. Ti atomi vrlo brzo dolaze na površinu zlatne mete te se otpuštaju u vidu iona, mada se to ne dešava uvijek. Ioni francija se vode pomoću elektrostatičnih sočiva sve dok ne dospiju na površinu vrelogitrija nakon čega ponovno postaju neutralni. Tada se francij ubrizgava u staklenu kuglu. Magnetno polje i laserske zrake hlade i održavaju atome. Iako atomi ostaju u "zamci" samo oko 20 sekundi prije nego što odlete (ili se raspadnu), stalan tok svježih atoma zamjenjuje one koji su nestali, održavajući broj "zarobljenih" atoma ugrubo stalnim nekoliko minuta ili duže. Prvobitno, u eksperimentu je zarobljeno oko hiljadu atoma francija. To je postepeno poboljšano pa je aparatura kasnije mogla zarobiti preko 300 hiljada neutralnih atoma francija odjednom.[5] To su neutralni metalni atomi u gasovitom nekonsolidiranom stanju. Zarobljeno je dovoljno francija da posebna video kamera može uhvatitisvjetlost koju odaju atomi dok fluoresciraju. Atomi francija imaju izgled svjetleće kugle prečnika oko 1 mm. To je bilo prvi put da je bilo ko uspio ikada "vidjeti" francij. Nakon toga, naučnici su proveli neka izuzetno osjetljiva mjerenja svjetla kojeg emitiraju i apsorbiraju zarobljeni atomi, dobijajući prve eksperimentalne rezultate od raznim tranzicijama između energetskih nivoa u atomima francija. Prva mjerenja su pokazala dobru korelaciju između eksperimentalnih vrijednosti i izračuna zasnovanih na kvantnoj teoriji. Druge sintetičke metode uključuju bombardiranjeradija neutronima i bombardiranjetorijaprotonima,deuteronima ili ionimahelija.[22] Međutim, francij se do danas nije proizveo u dovoljnim količinama da bi mu se izmjerila gustoća.[6][13][26]
Zbog svoje stabilnosti i rijetkosti, ne postoji komercijalni način upotrebe francija.[11][23][26][29] Uglavnom se koristi za istraživačke svrhe u oblastimahemije[30] i strukture atoma. Istraživan je i njegov potencijal kao dijagnostička pomoć za razne vrste raka,[6] ali je ta aplikacija proglašena nepraktičnom.[26]
Sposobnost da se francij sintetizira, zarobi i ohladi, zajedno sa njegovom relativno jednostavnomatomskom strukturom, učinila ga je subjektom specijaliziranihspektroskopskih eksperimenata. Takvi eksperimenti doveli su do dosta određenijih podataka u vezi energetskih nivoa i konstanti vezivanja između subatomskih čestica.[31] Izučavanja svjetlosti emitirane pomoću lasera sa zarobljenim ionima izotopa francija-210 dala su pouzdane podatke o tranzicijama između atomskih energetskih nivoa, koji su poprilično slične onima koje su previđene teorijomkvantne mehanike.[32]
^abcHarry H. Binder (1999).Lexikon der chemischen Elemente. Stuttgart: S. Hirzel Verlag.ISBN3-7776-0736-3.
^Manjeera Mantina, Adam C. Chamberlin, Rosendo Valero, Christopher J. Cramer, Donald G. Truhlar (2009). "Consistent van der Waals Radii for the Whole Main Group".J. Phys. Chem. A.113: 5806–5812.doi:10.1021/jp8111556.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
^EU ovaj element još uvijek nije stavila na spisak opasnih elemenata, međutim trenutno nije moguće pronaći pouzdani izvor ili literaturu o opasnim svojstvima ove supstance. Radioaktivnostne spada u opasna svojstva koja se ovdje navode.
^abLuis A. Orozco (2003)."Francium".Chemical and Engineering News.
^abcdePrice Andy (20. 12. 2004)."Francium". Pristupljeno 19. 2. 2012.
^Kozhitov L. V.; Kol'tsov V. B.; Kol'tsov A. V. (2003). "Evaluation of the Surface Tension of Liquid Francium".Inorganic Materials.39 (11): 1138–1141.doi:10.1023/A:1027389223381.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
^ab"Francium". Los Alamos National Laboratory. 2011. Pristupljeno 19. 2. 2012.
^abThayer John S. (2010). "Relativistic Effects and the Chemistry of the Heavier Main Group Elements": 81.doi:10.1007/978-1-4020-9975-5_2.journal zahtijeva|journal= (pomoć)
^Hyde E. K. (1952). "Radiochemical Methods for the Isolation of Element 87 (Francium)".J. Am. Chem. Soc.74 (16): 4181–4184.doi:10.1021/ja01136a066.
^E. N K. HydeRadiochemistry of Francium, Subcommittee on Radiochemistry, National Academy of Sciences-National Research Council; dostupno uOffice of Technical Services, Dept. of Commerce, 1960.
^Maddock, A. G. (1951). "Radioactivity of the heavy elements".Q. Rev., Chem. Soc.3 (3): 270–314.doi:10.1039/QR9510500270.
^Considine Glenn D. (2005). "Francium".Van Nostrand's Encyclopedia of Chemistry. New York: Wiley-Interscience. str. 679.ISBN0-471-61525-0.
^abcConsidine Glenn D. (2005).Chemical Elements, u: Van Nostrand's Encyclopedia of Chemistry. New York: Wiley-Interscience. str. 332.ISBN0-471-61525-0.
^National Nuclear Data Center (1990)."Table of Isotopes decay data". Brookhaven National Laboratory. Arhivirano soriginala, 31. 10. 2006. Pristupljeno 4. 4. 2007.
^National Nuclear Data Center (2003)."Fr Isotopes". Brookhaven National Laboratory. Arhivirano soriginala, 30. 6. 2007. Pristupljeno 1. 11. 2015.
^"Production of Francium".Francium. State University of New York at Stony Brook. 20. 2. 2007. Arhivirano soriginala, 5. 4. 2007. Pristupljeno 26. 3. 2007.
^"Cooling and Trapping".Francium. State University of New York at Stony Brook. 20. 2. 2007. Arhivirano soriginala, 5. 4. 2007. Pristupljeno 1. 5. 2007.
^Gagnon Steve."Francium". Jefferson Science Associates, LLC. Pristupljeno 1. 4. 2007.
^Haverlock TJ, Mirzadeh S; Moyer BA (2003). "Selectivity of calix[4]arene-bis(benzocrown-6) in the complexation and transport of francium ion".J Am Chem Soc.125 (5): 1126–7.doi:10.1021/ja0255251.PMID12553788.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
^Gomez E; Orozco, L A; Sprouse, G D (7. 11. 2005). "Spectroscopy with trapped francium: advances and perspectives for weak interaction studies".Rep. Prog. Phys.69 (1): 79–118.Bibcode:2006RPPh...69...79G.doi:10.1088/0034-4885/69/1/R02.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
