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钫   87Fr
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Uue
外观
银白色(预测)
概况
名称·符号·序数钫(Francium)·Fr·87
元素类别碱金属
·周期·1 ·7·s
标准原子质量(223)
电子排布[Rn] 7s1
2, 8, 18, 32, 18, 8, 1
钫的电子层(2, 8, 18, 32, 18, 8, 1)
历史
发现马格利特·佩赖(1939年)
分离马格利特·佩赖(1939年)
物理性质
物态液体估计 (有可能为固体,因其熔点的估计值恰位于室温(25°C)上下)
密度(接近室温
? 2.48(推算) g·cm−3
熔点? 298 K,? 25 °C,? 77 °F
沸点? 950 K,? 677 °C,? 1250 °F
熔化热约2 kJ·mol−1
汽化热ca. 65 kJ·mol−1
蒸气压((推算))
压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 404 454 519 608 738 946
原子性质
氧化态1(强碱性氧化物)
电负性0.7(鲍林标度)
电离能第一:380 kJ·mol−1
共价半径260(推算) pm
范德华半径348(推算) pm
杂项
晶体结构体心立方 (预测)
磁序顺磁性
电阻率3 µ(计算值) Ω·m
热导率15(推算) W·m−1·K−1
CAS号7440-73-5
最稳定同位素
主条目:钫的同位素
同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰变
方式 能量MeV 产物
221Fr 痕量 4.8 分钟 α 6.457 217At
222Fr 人造 14.2 分钟 β 2.033 222Ra
223Fr 痕量 22.00 分钟 β 1.149 223Ra
α 5.430 219At

(英语:Francium;中国大陆译为、港澳译为拼音fānɡ注音ㄈㄤ粤拼fong1】,台湾译为拼音注音ㄈㄚˇ粤拼faat3】;),是一种化学元素,其化学符号Fr原子序数为87,曾被称为 eka-caesium。钫是一种放射性极高的金属。它最稳定的同位素,钫-223(在它出现于自然衰变链之前原本被称为actinium K)的半衰期仅22分钟。钫的电负性是所有元素第二低的,仅高于铯,在天然元素中的含量仅高于。钫的同位素会快速衰变成。钫的电子排布为[Rn] 7s1,因此该元素被归类为碱金属

块体的钫金属从未被观察到。根据元素周期表的同族元素特性规律,当足量的钫聚集在一起形成一块固体或液体(因钫熔点低,室温时可能为液态),它会是高活性金属,然而获取如此高活性的钫是几乎不可能的,因为钫的半衰期短,其衰变放出的热会立即使钫气化成蒸气。

1939年,法国科学家马格利特‧佩赖在法国(钫的名字由此而来)从227Ac的衰变产物中发现了钫元素。钫是最后一个从自然界中发现,而非经过人工合成的元素。钫在实验室以外极为罕见,它会痕量出现在矿石中,而在其中的同位素钫-223则会不断地形成与衰变。地壳中只有约20至30克的钫存在。除了钫-223和221以外,其他同位素都是在实验室中制得。在实验室中产生最大量的钫元素为超过300,000个钫原子的团簇。

特性

钫是所有自然元素中最不稳定的,其最稳定同位素钫-223的半衰期也只有22分钟。稳定性第二低的元素半衰期有8.5小时。所有钫同位素都会衰变为砹、镭或氡。钫的稳定性比原子序106(𬭳)以下的所有人造元素都要低。

钫是一种碱金属,化学属性与相近,同样只有一颗价电子。如果成功制成,液态钫在熔点的表面张力将为0.05092 N/m。根据计算,钫的熔点约为24 °C,沸点为677 °C。但由于钫既罕有又具放射性,所以这些数字并不一定准确。

莱纳斯·鲍林估计钫的电负性为0.7,当时与相同。铯的电负性之后被修正为0.79,但因数据不足,不能同样地修正钫的电负性数字。钫的电离能比铯稍高。

钫会和多种铯共同沉淀,如高氯酸钫会和高氯酸铯共沉淀,从而分离出钫。其他能共沉淀的铯盐包括碘酸铯、苦味酸铯、酒石酸铯、氯铂酸铯以及硅钨酸铯。同样可与钫共沉淀的有硅钨酸和高氯酸,而不需要任何碱金属载体。几乎所有钫盐都可溶于水。

应用

钫由于极为罕见、稳定性低,因此目前还没有商业应用。它在生物学原子结构等领域的研究中起到了作用。科学家曾提出用钫来诊断各种癌症,但这一用途并不现实。

钫可以被合成、捕捉和冷却,而且原子结构简单,因此它被用在一些光谱学实验中,在能级亚原子粒子间的耦合常数上提供了新的信息。对钫-210离子在激光捕捉下所发出的光谱的研究指出,钫的实际原子能级符合量子理论的预测。

历史

1870年,化学家就开始猜想以下存在着一种尚未发现的碱金属,原子序为87。当时人们称其为“eka-铯”。多个研究团队尝试发现并分离出这种新元素,在真正发现之前,至少出现了4次错误发现。

错误或不完整的发现

苏联化学家D. K.多布罗谢尔多夫(Dobroserdov)是第一位声称发现了钫的科学家。1925年,他在一个样本中观察到弱放射性,错误地认为这是87号元素所造成的。实际上放射性来自自然产生的钾-40。他而后发布了一篇有关预测87号元素的属性的论文,当中将其以他的国家俄罗斯Russia)命名为Russium。不久后,多布罗谢尔多夫开始专注于他在敖德萨理工学院的教学工作,而并没有继续研究这一元素。 翌年,英国化学家杰拉尔德·德鲁斯(Gerald J. F. Druce)和费德里克·罗林(Frederick H. Loring)分析了硫酸锰X光片,以为观察到的光谱线来自于87号元素。他们发布了这项发现,把该元素命名为Alkalinium,因为它是最重的碱金属(alkali metal)。

1930年,美国阿拉巴马州理工学院的弗雷德·艾利森(Fred Allison)在用磁光仪器研究铯榴石和锂云母后,声称发现了87号元素,并建议以他的家乡佛吉尼亚州(Virginia)命名为Virginium,符号Vi或Vm。然而在1934年,伯克利加州大学的H. G.麦佛森(H. G. MacPherson)证明艾利森的仪器是无效的,并且推翻了他的发现。

1936年,罗马尼亚物理学家霍里亚·胡卢贝伊(Horia Hulubei)与法国物理学家伊维特·哥舒瓦(Yvette Cauchois)也研究了铯榴石,使用的是高分辨率X-光仪器。他们观察到几条弱发射光谱线,以为它们来自87号元素。胡卢贝伊和哥舒瓦发布了这项发现,并以胡卢贝伊的诞生地罗马尼亚摩尔达维亚省(Moldavia)命名为Moldavium,符号为Ml。1937年,美国物理学家F. H.盖斯(F. H. Hirsh Jr.)对胡卢贝伊的研究手法进行了批判。盖斯非常肯定87号元素不会在自然界中发现,并声称胡卢贝伊观察到的其实是的X-射线光谱线。胡卢贝伊坚持自己的X-光仪器和实验方法足够准确,他的发现不可能是错误的。胡卢贝伊的导师,诺贝尔奖得主让·佩兰也支持他的发现。马格利特·佩里在1939年确实发现钫之后,一直都批评胡卢贝伊的研究,直到自己被承认为钫的正式发现者为止。

佩里的发现

1939年,法国巴黎居里研究所的马格利特·佩里在纯化-227的时候,发现了钫元素。锕-227的衰变能量应该是220 keV,但佩里却观察到衰变能量低于80 keV的粒子。她认为这些异常的衰变活动源自尚未发现的一种衰变产物。这种产物在纯化过程中已经被分离出去,而是在纯锕-227样本中自然产生的。经过一系列测试之后,她消除了这种未知同位素是的可能性。该产物具有碱金属的属性(比如可以和铯盐共沉淀等),佩里因此判断这就是锕-227经α衰变所产生的87号元素。

佩里把这一新同位素命名为锕-K(今天则称钫-223),又在1946年提出正式命名Catium,因为她相信这种元素正离子(cation)的电正性是所有元素中最高的。佩里的其中一位导师伊雷娜·约里奥-居里反对这一命名,因为Catium一字更像是“猫元素”(cat),而非正离子。佩里继而建议用法国(France)来命名为Francium,也就是钫的现名。国际纯粹与应用化学联合会在1949年接纳了这一名称。钫也成为了继之后第二个以法国命名的元素。钫最初的符号为Fa,但不久后便改为Fr。钫是1925年被发现后,最后一个在自然界中发现的元素。欧洲核子研究中心在1970年代至1980年代间进一步研究了钫的结构。

存量

这一块沥青铀矿在同一时间含有大约10万颗钫-223原子(3.3×10-20 g)。

自然

锕-227经α衰变之后,会产生钫-223,因此钫以痕量存在于矿石中。在一个铀样本中,估计每1×1018个铀原子就有一个钫原子。根据计算,地球的地壳中,同一时间只有约30克钫。

合成

钫可以通过以下核反应合成:

197Au + 18O → 210Fr + 5 n

这一过程可以产生钫-209、210和211,产物再由磁光阱分离出来。氧束的能量会影响同位素的形成速率。实验所用的金目标体必须在接近熔点的温度以上,而且表面必须有很多杂质。核反应会把钫原子嵌入目标体的深处,原子再缓慢移动到表面,以分子子的形式释放出来。静电透镜把钫离子引导至一个金属片的表面,这时钫离子会变回中性原子。激光束和磁场再对原子进行冷却和控制。原子在磁光阱中只会停留20秒左右,之后逃脱或衰变,但新的原子会不断替代这些失去了的原子。这一过程使原子数量在1分钟之内大约不变。首次进行这项实验时,科学家捕捉了1000个钫原子。在不断改进后,实验最终能够捕捉超过30万个钫原子。捕获到的钫原子处于松散气体状态,当数量足够多的时候,钫发出的萤光就可以在摄影机上留下影像。影像呈球体,直径约为1毫米。这是钫首次被人类直接看到。研究人员这时就可以准确地测量钫所释放及吸收的亮光,从而给出原子能级跃迁的实验数据。初步结果表明,实验数据与量子理论所预测的相吻合。

钫的其他合成方法有,用中子撞击镭,或以质子原子核或离子撞击钍。

同位素

钫共有34个同位素,原子量从199到232不等,另有7种亚稳态同核异构体。自然产生的只有钫-223和钫-221,其中钫-221罕见得多。

钫-223是最稳定的同位素,半衰期为21.8分钟。再发现或合成半衰期更长的钫同位素的可能性极低。钫-223是衰变系的第五个产物,是锕-227的子同位素。钫-223会再β衰变为镭-223(衰变能量为1149 keV),另有0.006%的α衰变路径,产物为砹-219(衰变能量为5.4 MeV)。

钫-221的半衰期为4.8分钟。它是衰变系的第九个产物,是锕-225的子同位素。钫-221会再α衰变成砹-217(衰变能量为6.457 MeV)。

基态最不稳定的同位素是钫-215,半衰期只有0.12 μs。它会α衰变为砹-211,能量为9.54 MeV。其亚稳态同核异构体钫-215m的稳定性则更低,半衰期只有3.5 ns。

备注

  1. ^ Some synthetic elements, like technetium and plutonium, have later been found in nature.

外部链接


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