Франций

Франц – 87-й элемент периодической таблицы. 
История открытия
Открытый Маргарет Пере. Открытие элемента № 87 (а именно под этим номером числится франций в таблице элементов) химики всего мира ждали долго – практически семь десятилетий. Дело в том, что многие ячеек периодической таблицы элементов долго остались пустыми, хотя их физические и химические свойства были предусмотренными заранее.
В 1875 году были открыты галлий (Менделеев называл его эка-алюминием, справедливо полагая, что по свойствам он будет похож на своего соседа сверху в таблице элементов), в 1879 году – скандий (эка-бор), а в 1886 году – германий ( эка-кремний).
В статье «Естественная система химических элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов", опубликованной в 1871 году, Менделеев писал: «Затем в десятом ряду можно ждать еще основных элементов, относящихся к I, II и III групп. Первый из них должен образовывать оксид R 2 O, второй - RO, а третий - R 2 O 3; первый будет сходен с цезием, второй - с барием, а все их оксиды должны обладать, конечно, характером энергичных основ ».
Шли годы, науке становились известны все новые и новые элементы, но ячейка с номером 87, забронирована за эка-цезием, продолжала пустовать, несмотря на многочисленные попытки ученых ряда стран разыскать ее законного владельца. И хотя ему удавалось ускользнуть от пытливого взгляда исследователей, многие его свойств, обусловленных «географическим положением» в периодической системе, уже были известны науке.
Так, не вызывало сомнений, что элемент № 87 должен быть надежным хранителем щелочных "традиций", что крепнут от лития к цезию. Этим обусловливалась прежде всего его высокая реакционная способность (выше, чем у цезия), в связи с чем он мог присутствовать в природе лишь в виде солей, обладающих большей растворимостью, чем во всех других солей щелочных металлов. Поскольку от лития к цезию снижалась температура плавления (от 180,5 до 28,5 ° С), резонно было думать, что эка-цезий в обычных условиях должен подобно ртути находиться в жидком состоянии. Для щелочных металлов (кроме лития) характерна еще одна закономерность: чем больше массовое число элемента (т.е. чем ниже он расположен в периодической таблице), тем меньше его находится в земной коре. Если учесть, что уже на долю цезия в природе приходится совсем немного атомов, то расположенный под ним элемент № 87 мог и вовсе оказаться редчайшим из редких. Наконец, радиоактивные «наклонности» его соседей справа – открытых в конце XIX века радия и актиния – позволяли утверждать, что и эка-цезий должен обладать радиоактивностью.
Свойства элемента № 87 определили два основных направления поиска: одни ученые рассчитывали найти его в минералах щелочных металлов или в богатых ими водах минеральных источников и морей; другие предпочитали вести розыск на радиоактивных тропах, надеясь найти эка-цезий среди продуктов распада соседних с ним элементов.
В 1913 году английский радиохимик Дж. Крэнстон сообщил, что он заметил у одного из изотопов актиния слабое альфа-излучение (наряду с характерным для этого изотопа бета-излучением). Ученый предполагал, что при этом может образоваться изотоп элемента № 87. Через год подобные результаты были получены австрийскими радиохимики Мейером, Гессом и Панетом, что нашли при опытах с изотопом актиния "незваные" альфа-частицы. «Эти частицы образуются при альфа-распаде обычно бета-активного 227Ас, – писали они, – … продуктом распада должен быть изотоп элемента № 87». Но предположение – не научный факт, тем более, что для сомнений было немало оснований: во-первых, замеченное альфа-излучение было настолько слабым, что не выходило за пределы возможных погрешностей эксперимента: во-вторых, исследуемый препарат актиния вполне мог содержать примеси, «проживающего» рядом протактиния, который способен излучать альфа-частицы и потому мог легко ввести ученых в заблуждение. Хотя эти исследователи, как выяснилось позже, находились на правильном пути, до открытия элемента № 87 было еще далеко – этого события оставалось ждать ровно четверть века …
В 1925 году англичанин И. Фриенд решил отправиться в Палестину, чтобы изучить воды Мертвого моря, богатые щелочными металлами «Уже несколько лет назад, - писал он, - мне пришло в голову, что если эка-цезий способен к постоянному существованию, то его можно будет найти в Мертвом море »Идея эта не лишена была смысла, но сколько не пытался ученый найти рентгеноспектральным анализом хотя бы следы элемента № 87, желаемых результатов он так и не добился.
С помощью спектроскопа пытались выявить неуловимый элемент и многие другие исследователи: ведь именно он помог открыть рубидий и цезий – ближайших родственников элемента № 87 в щелочной семействе. Не только концентраты морских солей, но и крупицы редчайших минералов, зола грибов и пепел сигар, сожженный сахар и кости ископаемых животных – казалось бы, все потенциальные владельцы атомов эка-цезия представали перед объективом спектроскопа, но прибор снова и снова огорчал экспериментаторов.
Однако у ученых, искавших эка-цезий, были не только огорчения, но и радость, часто, правда, преждевременные: некоторые их «открытие», ярко вспыхнув сначала, при проверке оказывались ложными и потому быстро «закрывались». Так, в 1926 году в прессе появилось сообщение английских химиков Дж. Дрюс и Ф. Лоринг о том, что они якобы наблюдали линии 87-го элемента на рентгенограммах сульфата марганца и дали ему название алкалиновые. Через три года американский физик Ф. Аллисон опубликовал данные своих магнитооптических исследований, позволивших ему, как он думал, найти следы искомого элемента в редких минералах щелочных металлов – самарскита, поллуцити и лепидолит. В честь своего родного штата ученый предлагал назвать 87-й Виргиния. В 1931 году его соотечественникам Дж. Пепишу и Э. Вайнеру вроде бы удалось спектроскопическим методом подтвердить наличие линий Виргиния в самарскити, но вскоре выяснилось, что причиной появления незнакомых линий был дефект кальцитовых кристалла, установленного в спектроскоп, которым пользовались ученые.
В 1937 году румынский химик Г. Хулубей заявил, что эка-цезий найден им в поллуцити, и предложил именовать новый элемент Молдавией. Но ни алкалинию, ни Виргинию, ни Молдавию не пришлось занять вакантную ячейку в левом нижнем углу периодической таблицы. Продолжали поиски и сторонники радиоактивного направлении. Еще в 1925 году одесский химик Д. Добросердов высказал на страницах «Украинского химического журнала» понимания о физических и химических свойствах эка-цезия, подчеркнув, в частности, что он «непременно должен быть достаточно радиоактивным элементом». Но ученый при этом ошибочно предположил, что радиоактивность калия и рубидия обусловлена примесями 87-го элемента, который он предлагал назвать Руссия, если честь открытия выпадет на долю ученых-россиян.
Годом позже интересные результаты удалось получить известным радиохимиком А. Гану (Германия) и Д. Хевеши (Венгрия). Тщательное исследование радиоактивных рядов некоторых изотопов актиния показало, что при альфа-распаде одного из них образуется изотоп эка-цезия, правда, с каждого миллиона атомов исходного вещества можно получить лишь несколько атомов 87-го элемента.
Такова была ситуация в науке до 1938 года, когда в поиски эка-цезия включилась Маргарет Пере – сотрудница парижского Института радия, ученица Марии Склодовской-Кюри. Прежде Пере решила повторить уже в то время древние эксперименты Мейера, Гесса и Панета. Недаром говорят, что часто в науке «новое – это хорошо забытое старое». Подтверждением этого может служить история открытия элемента № 87.
Проделав опыты, Пере, подобно своим предшественникам, нашла присутствие тех же альфа-частиц. Необходимо было доказать, что их источником являются не примеси протактиния, а актиний. Проведя поистине ювелирное очистки актиния от всех возможных примесей и «дочерних продуктов» (т.е. продуктов его радиоактивного распада), а затем Исследовав полученный чистейший препарат актиния, Пере выяснила, что изотоп этого элемента с массовым числом 227 имеет «радиоактивную вилку», или, иначе говоря, способен распадаться по двум направлениям – с излучением бета-и альфа-частиц. Правда, «зубы» у этой вилки оказались далеко не одинаковыми: лишь в 12 случаях из тысячи ядра актиния выпускали альфа-частицы, во всех же остальных случаях они излучали бета-частицы (т. е. электроны), превращаясь в ядра изотопа тория.
Расчет показывал, что, выбросив альфа-частицу (т.е. ядро гелия), ядро изотопа актиния "худела» ровно настолько, чтобы стать не чем иным, как ядром изотопа 87-го элемента. Действительно, в результате опытов появлялся продукт распада актиния со свойствами тяжелого щелочного радиоактивного металла. Это и был никогда ранее не зафиксирован в природе долгожданный эка-цезий, точнее, его изотоп с массовым числом 223. Так в 1939 году был открыт один из последних доуранових элементов. В честь своей родины Пере назвала его Францией.
Происхождение названия
Франций от фр. France – родины першовидкривича.
Получение
Франций-223 долгое время был единственным изотопом, который применялся в опытах по изучению химических свойств элемента № 87. Поэтому естественно, что химики искали методы ускоренного выделения его из 227Ас. В 1953 году М. Перри и известный французский радиохимик Ж. Адлов разработали экспресс-метод выделения этого изотопа с помощью бумажной хроматографии.
По этому методу раствор 227Ас, содержащий 223Fr, наносится на конец бумажной ленты, погружается в специальный раствор. При движении раствора бумажной лентой происходит распределение на ней радиоэлементов. 223Fr, как щелочной металл, движется с фронтом растворителя и откладывается после других элементов. Позже Адлов предложил использовать для выделения 223Fr сложную органическое соединение ?-тенойлтрифторацетон (TTA). Описанным методом по 10-40 минут удается выделить чистый препарат франция-223. Через малый период полураспада работать с этим препаратом можно не более двух часов, после чего образуется заметное количество дочерних продуктов и нужно или очищать франций от них, или выделять его заново.
С развитием техники ускорения ионов и созданием циклотронов были разработаны новые методы получения франция. При облучении ториевых или урановых мишеней протонами высоких энергий образуются изотопы франция. Наиболее устойчивым из них оказался франций-212 с периодом полураспада 19,3 минуты. За 15 минут облучения 1 г урана пучком протонов с энергией 660 МэВ на синхроциклотрони Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований в Дубне образуется 5 • 10-13 г франция-212 с активностью 2,5 • 107 распадов в минуту.
Выделение франция из облученных мишеней – процесс достаточно сложный. За очень короткое время его нужно выделить из смеси, содержащей почти все элементы периодической системы. Несколько методик выделения франция из облученного урана разработана советскими радиохимики А. К. Лаврухина, А. А. Позняковым и С. С. Родина, а из облученного тория – американским радиохимиком Э. Хайдом. Выделение франция основано на осаждении его с нерастворимыми солями (перхлоратом или кремневольфраматом цезия) или со свободной кремневольфрамовою кислотой. Время выделения франция этими методами составляет 25-30 минут. Еще один способ получения франция основан на реакциях, происходящих при облучении мишеней из свинца, таллию или золота многозарядными ионами бора, углерода или неона, ускоренными на циклотронах или линейных ускорителях. Пригодны такие пары «мишень + снаряд»: Pb + B; Tl + C; Au + Ne. Например, франций-212 образуется при облучении золотой фольги ионами неона-22 с энергией 140 МэВ: 79Au197 + 10Ne22 = 89Ac219 = 87Fr 212 + 2He4 + 30n1
Как же осуществляются «алхимические» процессы XX века? Тончайшую золотую фольгу (толщиной всего несколько микрон), помещенную в кассету, облучают ускоренными ионами неона – происходит ядерная реакция, в результате чего образуется изотоп франция с массовым числом 212. После получасовой «артподготовки» кассету с фольгой доставляют в лабораторию, где в защитной шкафу с помощью манипулятора облученное золото извлекают из кассеты. Внешне фольга выглядит так же, как и до опыта; деле же она содержит десятки тысяч атомов франция. Откровенно говоря, совсем не густо, но современным ученым зачастую приходится иметь дело буквально с несколькими атомами вещества. Так, элемент № 101 (впоследствии названный менделевием) был открыт американскими учеными, когда у них «в руках» побывало всьго 17 атомов, да и то не одновременно, а в итоге примерно дюжины экспериментов (по 1-2 в каждом). Так что десятки тысяч атомов – это целый клад.
Итак, франций получен, но работа с ним только начинается: ведь его надо извлечь из золота и очистить от всех других осколков распада атомных ядер, а уже потом подвергнуть детальному исследованию. Все это нужно проделать поистине с «космической» скоростью, поскольку период полураспада изотопа франция, получаемого при «обстреле» золота, лишь 19 минут.
Сначала фольгу растворяют в «царской водке» и с помощью специальных «золотоуловлювачив» удаляют весь драгоценный (но совершенно лишний в данной ситуации) металл. Теперь надо убедиться, что эта операция прошла успешно: электронные приборы, в основе работы которых лежит метод меченых атомов, категорически «заявляют», что в растворе нет ни одного атома золота. Но все еще не изъяты другие примеси. Если они останутся, то исследовать франций бессмысленно, потому что картина может быть искажена и ученые получат неправдивую информацию. А отпущенное время неумолимо сокращается. Лишенный золота раствор несколько раз прогоняют сквозь колонку, заполненную веществом, жадно поглощает все лишние продукты ядерных реакций и пропускает лишь франций. И вот наконец очистки закончено. Капельку раствора размещают в углубление на тефлоновой пластинке и облучают мощным потоком инфракрасных лучей. Через несколько секунд от капли ничего не остается. Но испарился только раствор, а атомы франция должны «лежать» на пластинке. Чтобы убедиться в этом, ее вставляют в камеру чувствительного прибора, где создается вакуум, и крохотная неоновая лампочка сигнализирует о том, что франций есть. Но почему горит лишь одна из многих лампочек? Это означает, что франций чист Если бы к нему присоединились посторонние атомы, то загорелись бы и другие лампочки. Но, к счастью, ненужной иллюминации нет – можно приступать к химического исследования франция. А на эту завершающую и, пожалуй, самую стадию эксперимента отведены считанные минуты, иначе от франция останутся лишь воспоминания. Не случайно ученые в шутку называют такие опыты «химией на бегу».
Наиболее удобная и быстрая методика выделения изотопов франция из облученного золота разработана советскими радиохимики Н. Мальцевой и М. Шалаевським. Франций экстрагируют нитробензол в присутствии тетрафенилборату из колонки, заполненного силикагелем.
С помощью всех этих методов получено 18 изотопов франция с массовыми числами от 203 до 213 и от 218 до 224.
За годы, прошедшие со времени открытия франция, проделано множество опытов, выполнены сотни расчетов. Сегодня науке известны основные физические и химические свойства этого элемента. Его плотность 1,87 г/см3, температура кипения около 670 ° С, а вот в отношении точки плавления франция у ученых нет единой точки зрения. Дело в том, что измерить эту температуру пока не удается, поскольку наука не в состоянии синтезировать франций в весовых количествах; иначе говоря, было бы что плавить, тогда было бы и что измерять. Правда, сегодня радиохимики умеют работать и с так называемыми субмикроскопических количествами вещества (так, масса впервые полученного в металлическом состоянии берклия составляла всьго пяти миллионных долей грамма). Но и тогда результаты определения температуры плавления франция нельзя было бы считать точными, потому что чем меньше размер частиц вещества, тем ниже точка его плавления (например, частицы золота размером 0,01 микрона плавятся не при 1063 ° С, как свойственно золоту, а лишь при 887 ° С). Поэтому искомую характеристику франция ученые получают лишь теоретически – путем сопоставления свойств других щелочных металлов, выяснения существующей между ними взаимосвязи и экстраполяции, т.е. продолжение установленной графической зависимости в область, для которой нет экспериментальных данных. Но этот путь не дает столь точных результатов, как современные способы измерения температуры. Отсюда и различия, зависящие от того, какие теоретические предпосылки положены в основу расчета.
Химические свойства
Теоретически франций должен быть практически полным химическим аналогом своих ближайших соседей в группе щелочных металлов – цезия и рубидия. В частности, его степень окисления в соединениях всегда должен составлять +1, а сам элемент в металлическом состоянии должно быть самым активным из всех металлов. Все опыты по изучению химических свойств франция проводились, конечно, с ультрамалых количествами этого элемента. В растворах было лишь 10-13 – 10-9 г франция. При таких концентрациях могут стать важными процессы, о которых мы обычно забываем, имея дело с макрокилькостямы вещества. Например в этих условиях радиоактивный изотоп может «потеряться» из раствора, адсорбувавшись на стенках сосудов, на поверхности осадков, на возможных примесях … Поэтому, казалось бы, изучая свойства франция, стоит оперировать более концентрированными растворами. Но в этом случае возникают новые трудности через процессы радиолиза и ионизации.
И все же, несмотря на все трудности, получены некоторые достоверные данные о химических свойствах франция. Наиболее полно изучены осаждения франция с различными нерастворимыми соединениями. Он выпадает из раствора вместе с хлороплатинаты цезия и рубидия Cs2PtCl6 и Rb2PtCl6, хлоровисмутатом Cs2BiCl6, хлоростаннатом Cs2SnCl6 и хлороантимонатом цезия Cs2SbCl6 • 2,5 H2O, а также свободными гетерополикислот – кремневольфрамовою и фосфорновольфрамовою. Франций легко адсорбируется на ионообменных смолах (сульфокатионитах) из нейтральных и слабокислых растворов. С помощью этих смол легко отделить франций от большинства химических элементов. Вот, пожалуй, и все успехи.
Использование
Конечно, говорить о хоть какое практическое применение в технике и производстве вещества, продолжительность «жизни» которой составляет около 22 мин, не приходится, однако определенные задачи в науке франций уже выполняет.
Изотоп 223Fr находит ограниченное применение – для определения 227Ac за ?-излучением дочернего 223Fr, а также для исследования миграции ионов тяжелых щелочных металлов в биологических объектах.
Характерное для франция излучение позволяет, например, быстро определить, есть ли в тех или иных природных объектах его «прародитель» актиний. Для медицины несомненный интерес представляет способность франция накапливаться в опухолевых тканях, причем (что особенно важно) даже на начальных стадиях заболевания. Благодаря этому элемент можно использовать для ранней диагностики саркомы. Такие опыты уже успешно проведены на крысах. Будущее несомненно раскроет и другие «способности» франция, а пока …

Качественные шкафы купе на заказ вы можете приобрести на сайте freestyle.od.ua по доступным ценам.