Marguerite Perey descubrió este elemento en 1939. El francio fue el último elemento químico descubierto en la naturaleza antes de ser sintetizado.[1] Fuera del laboratorio, el francio es extremadamente escaso, encontrándose en trazas enmenas deuranio y detorio, donde el223Fr está continuamente formándose y desintegrándose. La cantidad de223Fr en lacorteza terrestre en un momento dado posiblemente no exceda los 30 gramos; el resto de losisótopos son sintéticos. La mayor cantidad recuperada de cualquiera de sus isótopos fue unclúster de 10 000 millones de átomos (de210Fr) sintetizado como un gas ultra frío enStony Brook en 1996.[2]
El francio es menos estable que cualquier otro elemento más ligero que elnobelio (elemento 102);[2] su isótopo más estable, el223Fr, posee unperíodo de semidesintegración menor de 22 minutos. El astato, que es el siguiente elemento menos estable, tiene período de semidesintegración máximo de 8,5 horas.[3] Todos los isótopos del francio se desintegran generando astato, radio y radón.[3]
El francio es un metal alcalino cuyas propiedades químicas son semejantes a las delcesio.[2] Puesto que es un elemento muy pesado con un solo electrón de valencia,[4] posee el mayorpeso equivalente de todos los elementos químicos.[2] El francio tiene la más bajaelectronegatividad de todos los elementos conocidos, con un valor de 0,7 en la escala dePauling.[5] Le sigue el cesio con un valor de 0,79.[6] El francio líquido, en el supuesto de poder ser obtenido, tendría unatensión superficial de 0,05092 J·m–2 en elpunto de fusión.[7]
El franciocoprecipita, junto con muchassales de cesio, como elperclorato de cesio, formando pequeñas cantidades de perclorato de francio. Esta coprecipitación puede emplearse para aislar el francio, adaptando el método de precipitación del radiocesio de Glendenin y Nelson. También coprecipita con otras sales de cesio como elyodato, elpicrato, eltartrato (también con el tartrato derubidio), el cloroplatinato y el silicowolframato. Otras coprecipitaciones se producen con el ácido silicowolfrámico y con elácido perclórico, sin necesidad de que otro metal alcalino esté presente como portador, lo que posibilita otros métodos de separación para el francio.[8][9] Casi todas las sales de francio son solubles enagua.[10]
No hay aplicaciones comerciales para el francio debido a su escasez y a su inestabilidad.[11][12][13][14][15] Solo ha sido usado en tareas de investigación, tanto en el campo de labiología como en el de laestructura atómica. Se pensó que el francio podría servir de ayuda para el diagnóstico de enfermedades relacionadas con elcáncer;[3] sin embargo, finalmente esta aplicación se ha considerado impracticable.[13]
La capacidad para sintetizar el francio, atraparlo y enfriarlo, junto con su estructura atómica relativamente simple, lo han convertido en sujeto de experimentación enespectroscopia especializada. Estos experimentos han conducido a la obtención de información más específica sobre los niveles energéticos y las constantes de acoplamiento entre partículas subatómicas.[16] Estudios realizados sobre la luz emitida por iones de210Fr atrapados porláser han arrojado datos precisos sobre las transiciones entre niveles energéticos atómicos. Se ha comprobado que estos resultados experimentales son bastante parecidos a los que predice laTeoría Cuántica.[17]
Ya en 1870, los químicos pensaban que debía existir un metal alcalino más allá delcesio, con un número atómico de 87.[3] Se le denominaba con el nombre provisional deeka-cesio.[18] Algunos equipos de investigación intentaron localizar y aislar el elemento en cuestión y se tiene constancia de al menos cuatro anuncios públicos falsos que proclamaban haber descubierto dicho elemento antes de que fuera realmente descubierto.
El químico rusoD. K. Dobroserdov fue el primer científico que aseguró haber descubiertoeka-cesio. En 1925, observó una débil radiactividad en una muestra depotasio, otro metal alcalino, y concluyó que eleka-cesio contaminaba la muestra.[19] Publicó una tesis sobre sus predicciones de las propiedades deleka-cesio, en la que nombraba al elemento con el nombre derussio, en honor a su país de procedencia.[20] Poco tiempo después, empezó a centrarse en su carrera docente en el Instituto Politécnico deOdesa, abandonando por completo sus esfuerzos por aislar eleka-cesio.[19]
Al año siguiente, en 1926, los químicos inglesesGerald J. F. Druce yFrederick H. Loring analizaron una radiografía derayos X del sulfato demanganeso (II).[20] Observaron líneas espectrales que creyeron pertenecientes aleka-cesio. Anunciaron el descubrimiento del elemento 87 y propusieron el nombre dealcalinio para el que sería el metal alcalino más pesado.[19]
En 1930, el profesorFred Allison delInstituto Politécnico de Alabama anunció haber descubierto el elemento 87 analizandopolucita ylepidolita usando su máquina magneto - óptica. Allison propuso que fuera bautizado comovirginio, en honor a su estado natal,Virginia, así como que se usaran los símbolosVi yVm.[20][21] En 1934, sin embargo, el profesor MacPherson de laUC Berkeley desautorizó la efectividad del dispositivo de Allison y la validez de su falso descubrimiento.[22]
En 1936, el químico rumano Horia Hulubei y su colega francesaYvette Cauchois analizaron también la polucita, esta vez usando su aparato de rayos X de alta resolución.[19] Observaron varias líneas de emisión débiles que supusieron que sería debidas al elemento 87. Hulubei y Cauchois anunciaron su descubrimiento y propusieron el nombre demoldavio, con el símboloMl, en honor aMoldavia, la provincia rumana, actualmente independiente, donde llevaron a cabo su trabajo.[20] En 1937, el trabajo de Hulubei fue criticado por el físico americano F. H. Hirsh Jr., que rechazó los métodos de investigación del químico rumano. Hirsh estaba convencido de que eleka-cesio no podría ser encontrado en la naturaleza, y que las líneas que había observado Hulubei eran debidas almercurio o albismuto. El químico rumano, sin embargo, insistió en que su aparato de rayos X y sus métodos eran demasiado precisos como para cometer tales errores.Jean Baptiste Perrin, ganador delpremio Nobel y mentor de Hulubei, apoyó almoldavio como el verdaderoeka-cesio en lugar del recién descubierto francio de Marguerite Perey. Perey, sin embargo, criticó de manera continua el trabajo de Hulubei hasta que ella fue acreditada como la única descubridora del elemento 87.[19]
Eleka-cesio fue realmente descubierto en 1939 porMarguerite Perey, delInstituto Curie deParís (Francia), cuando purificó una muestra de227Ac que poseía una energía de desintegración de 220keV. Sin embargo, Perey advirtió en ladesintegración partículas con un nivel energético por debajo de los 80 keV. Pensó que esta actividad debía ser causada por un producto previo de desintegración no identificado, un producto separado durante la purificación, pero que volvía a emerger del227Ac puro. Varias pruebas eliminaron la posibilidad de que se fuera de torio, radio,plomo, bismuto otalio, tratándose por tanto de un elemento desconocido. El nuevo producto mostraba propiedades químicas propias de un metal alcalino (tal como la coprecipitación con las sales de cesio), lo que llevó a Perey a pensar que se encontraba frente al elemento 87, generado por ladesintegración alfa del227Ac.[18] Perey intentó entonces determinar la proporción entre ladesintegración beta y la desintegración alfa del227Ac. Su primera prueba indicaba que la desintegración alfa alcanzaba el 0.6%, resultado que fue revisado hasta llegar al valor de un 1%.[23]
Perey nombró al nuevo isótopo comoactinio K, que se refería a lo que ahora conocemos como223Fr,[18] y en 1946, propuso el nombre decatio para su recién descubierto elemento, ya que creía que era elcatión más electropositivo de todos los elementos químicos.Irène Joliot-Curie, una de las supervisoras de Perey, se opuso a ese nombre pues parecía hacer más referencia a "cat" (gato en inglés) que a catión.[18] Entonces Perey sugirió el nombre defrancio como homenaje al país donde lo descubrió. Este nombre fue oficialmente adoptado por la Unión Internacional de Químicos en 1949,[3] y se le asignó el símboloFa, pero esta abreviatura fue cambiada porFr poco después.[24] El francio es el último de los elementos que se encuentran en la naturaleza en ser descubierto, siendo el anterior elrenio, en 1925.[18] Posteriores investigaciones sobre la estructura del francio fueron llevadas a cabo porSylvain Lieberman y su equipo en elCERN en los años 70 y 80, entre otros.[25]
El223Fr resulta de la desintegración alfa del227Ac y puede encontrarse en trazas en los minerales deuranio y detorio.[2] En una muestra de uranio, se estima que hay solo un átomo de francio por cada 1×1018 átomos de uranio.[13][26] Después delastato, el francio es el elemento menos abundante en la corteza terrestre.[3][13]
Este proceso, desarrollado porStony Brook Physics, genera isótopos de francio con masas 209, 210 y 211,[27] que pueden aislarse en unatrampa magneto-óptica (MOT).[28] La tasa de producción de un isótopo en particular depende en la energía del haz de oxígeno. El haz del Stony Brook LINAC produce210Fr en el objetivo de oro con la reacción nuclear197Au +18O →210Fr + 5n. La producción requiere de algún tiempo para desarrollarse y entenderse. Esto es crítico para operar el objetivo oro muy cercano de su punto de fusión y para asegurarse de que su superficie esté muy limpia. La reacción nuclear incrusta de manera profunda los átomos de francio con el objetivo de oro, y se debe quitar de manera eficiente. Los átomos se difunden rápidamente en la superficie del objetivo de oro y se liberan en forma de iones, sin embargo, esto no sucede todo el tiempo. Los iones de francio son guiados por las lentes electrostáticas hasta que aterrizan en una superficie de itrio caliente y se convierten en neutrales otra vez. Entonces el francio se inyecta en una ampolla de vidrio. Los rayos láser y un campo magnético enfrían y confinan a los átomos. Aunque los átomos permanezcan en la trampa de solo unos 20 segundos antes de que escapen (o se descompongan), un flujo constante de átomos frescos reemplaza a los perdidos, manteniendo el número de átomos atrapados aproximadamente constantes durante varios minutos o más tiempo. Inicialmente, fueron atrapados alrededor de 1000 átomos de francio en el experimento. Esto fue gradualmente mejorado y la instalación es capaz de atrapar más de 300.000 átomos neutros de francio la vez.[29] Aunque se trata de átomos neutrales "metálicos" ("metales francios"), están en un estado que no se considera gaseoso. Se atrapa el suficiente Francio que la luz emitida por los átomos puede ser capturada por una cámara de video, ya que son fluorescentes. Los átomos aparecen como una esfera brillante alrededor de 1 milímetro de diámetro. Esta fue la primera vez que alguien vio francio. Los investigadores ahora pueden hacer mediciones muy sensibles de la luz emitida y absorbida por los átomos atrapados, proporcionando así los primeros resultados experimentales sobre diversas transiciones entre niveles de energía atómica en francios. Las mediciones iniciales muestran muy buen acuerdo entre los valores experimentales y los cálculos basados en la teoría cuántica. Otros métodos de síntesis incluyen bombardear radio con neutrones, y bombardear torio con protones,deuterones oiones dehelio.[23] El francio no ha sido, y probablemente no será, sintetizado en cantidades lo suficientemente grandes como para ser pesado.[3][30][13]
Diagrama de desintegración radiactiva en el que se puede ver cómo el francio forma parte de las serie del actinio y de la serie del plutonio. (Pulsar imagen para verla aumentada).
Se conocen 34isótopos del francio que comprenden un rango de masas atómicas desde 199 hasta 232.[31] El francio posee sieteisómeros nuclearesmetaestables.[2] El223Fr y el221Fr son los únicos isótopos que se presentan en la naturaleza, aunque el primero es mucho más común que el segundo.[32]
El223Fr es el isótopo más estable con un periodo de semidesintegración de 21,8 minutos,[2] y es bastante improbable que alguna vez se descubra o sintetice un isótopo de francio con un periodo mayor.[23] El223Fr es el quinto producto de la serie de desintegración del actinio, procedente del227Ac.[33] El223Fr se desintegra después para generar223Ra pordesintegración beta (energía de desintegración: 1149 keV), con una ruta menor (0,006%) de desintegración alfa que genera219At (energía de desintegración: 5,4 MeV).[34]
El221Fr posee un periodo de semidesintegración de 4,8 minutos.[2] Es el noveno producto de la serie de desintegración delplutonio, procedente del225Ac.[15] El221Fr se desintegra después para generar217At pordesintegración alfa (energía de desintegración: 6,457 MeV).[2]
El isótopo en estado fundamental menos estable es el215Fr, con un periodo de semidesintegración de 0,12μs (energía de desintegración hasta211At: 9,54 MeV).[2] Su isómero metaestable, el215mFr, es aún menos estable, con un periodo de semidesintegración de 3,5 ns.[35]
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