Химический элемент франций: особенности строения и химические свойства. Строение атома франция Франций история открытия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Франций расположен в седьмом периоде I группе главной (А) подгруппе Периодической таблицы.

Относится к элементам s -семейства. Металл. Обозначение - Fr. Порядковый номер - 87. Относительная атомная масса - 223,02 а.е.м.

Электронное строение атома франция

Атом франция состоит из положительно заряженного ядра (+87), внутри которого есть 87 протонов и 136 нейтронов, а вокруг, по семи орбитам движутся 87 электронов.

Рис.1. Схематическое строение атома франция.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

87Fr) 2) 8) 18) 32) 32) 8) 1 ;

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4f 14 5s 2 5p 6 5d 10 6s 2 6p 6 7s 1 .

На внешнем электронном уровне атома франция находится 1 электрон, который является валентным (расположен на 7s- подуровне). Энергетическая диаграмма основного состояния принимает следующий вид:

Наличие одного неспаренного электрона в атоме франция свидетельствует о его способности проявлять степень окисления +1.

Валентный электрон атома франция можно охарактеризовать набором из четырех квантовых чисел: n (главное квантовое), l (орбитальное), m l (магнитное) и s (спиновое):

Подуровень

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

В группе щелочных металлов самым последним был открыт франций . Еще в 1871 г. Д. И. Менделеев предсказал возможность существования элемента № 87 и его свойства, назвав его экацезием. Более шести десятилетий десятки ученых искали элемент № 87. И лишь в 1938-1939 гг. его открыла ученица М. Склодовской-Кюри француженка М. Перей (1909-1975) и назвала новый элемент в честь своей родины францием.

Франций был обнаружен в продуктах распада урана. Позднее было установлено, что один из изотопов франция образуется из актиния при распаде урана. Франций заслуживает особого внимания. В периодической системе металлические свойства нарастают справа налево и сверху вниз, т. е. по своему положению в общей семье элементов это самый «металлический» металл.

Ученые не возлагают больших надежд на практическое применение франция. Пока он используется в научных экспериментах и медицине. Основная причина - франций малоустойчив. Период полураспада наиболее долгоживущего изотопа 21 мин.

Послужной список основных работ щелочных металлов будет не закончен, если не отметить перспективу их применения, которая сегодня уже опирается на реальную основу. Жидкие щелочные металлы оказались незаменимыми теплоносителями для атомных реакторов будущего - реакторов на быстрых нейтронах. Они же обладают теплопроводностью на несколько порядков выше теплопроводности обычных жидкостей. Например, теплопроводность натрия в 300 раз больше, чем воды. И температурный диапазон использования щелочных металлов также намного шире. Вода, которая является теплоносителем в паровых машинах, кипит при 100 °С, а литий - при 1350 °С. А повышение рабочей температуры установки - это повышение ее КПД.

Проведенные исследования показывают, что оптимальными вариантами являются применение натрия, рубидия и цезия при температурах в теплопроводящей системе от 100 до 1200 °С, лития - от 1200 до 2000 °С. Однако при таких высоких температурах у лития есть конкуренты: серебро (самый теплопроводный металл), галлий и нидий.

Щелочные металлы (жидкие и их пары) в перспективе будут применяться в принципиально новых типах энергетических установок в магнитогидродинамических (МГД) преобразователях энергии. Теоретические основы магнитной гидродинамики родились в 1970 г. и отмечены Нобелевской премией по физике. Автор - шведский физик X. Альфвен (р. 1908 г.).

Остальные 10 металлов из группы особолегкоплавких в периодической системе располагаются у границы металлы - неметаллы. Все они имеют существенно большую плотность по сравнению со щелочными металлами; прочностные свойства их низки, они являются плохими проводниками электричества.

Как конструкционные металлы или как основа для получения конструкционных сплавов данные металлы не применяются в основном из-за низкой прочности и низкой температуры плавления.

Франций - один из четырех элементов периодической системы элементов Менделеева, которые были открыты "в последнюю очередь". Действительно, к 1925 г. заполнились все клетки таблицы элементов, за исключением 43, 61, 85 и 87. Многочисленные попытки открыть эти не достающие элементы долгое время оставались безуспешными. Элемент 87 (эка-цезий Менделеева) искали главным образом в цезиевых минералах, надеясь обнаружить его в качестве спутника цезия. В 1929 г. Аллисон и Мэрфи сообщили об открытии ими эка-цезия в минерале лепидолит; они назвали новый элемент виргинием в честь штата США - родины Аллисона. В 1939 г. Хулубей обнаружил элемент 87 в поллуксе и наименовал его молдавий. Другие авторы также выступали с сообщениями об открытии эка-цезия 87, и коллекция его названий обогатилась алкалинием и руссием. Однако все эти открытия были ошибочными. В 1939 г. Перей из института Кюри в Париже занималась очисткой препарата актиния (Ас-227) от разнообразных продуктов радиоактивного распада. Проводя тщательно контролируемые операции, она обнаружила beta-излучение, которое не могло принадлежать ни одному из известных в то время изотопов актиниевого ряда распада. Однако более глубокое изучение распада актиния показало, что распад происходит не только по основной цепи Ас- RаАс- АсХ, но и по боковой Ас- АсК-АсХ с образованием неизвестного изотопа с периодом полураспада 21 мин. Изотоп получил временное обозначение АсК. Когда его подвергли химическому исследованию, оказалось, что его свойства соответствуют свойствам эка-цезия. После второй мировой войны, прервавшей работу Перей, ее выводы были полностью подтверждены. В 1946 г. Перей предложила назвать элемент 87 францием в честь ее родины, а обозначение АсК осталось за соответствующим изотопом в ряду радиоактивного распада актиния. Некоторое время считалось, что франций образуется только при alfa-распаде актиния. Однако после того как был открыт нептуний и изучен ряд его радиоактивного распада, было доказано образование изотопа франция-221 с периодом полураспада 5 мин. при alfa-распаде изотопа актиния-225. Франций, как и астат, весьма редкий элемент; первоначально он имел символ не Fr, а Fa.

История открытия:

Франций - один из четырех элементов (№№ 43, 61, 85 и 87) которые остались неоткрытыми к 1925 году. Предсказанный еще Меделеевым эка-цезий искали в качестве спутника цезия в цезиевых минералах. С 1929 по 1939 год эка-цезий "находили" несколько раз, называя то виргинием в честь штата США, то молдавием, то алкалинием или руссием. Однако все эти открытия были ошибочными.
В 1939 г. Маргарита Перей из института Кюри в Париже, занимаясь очисткой препарата актиния (Ас-227) от разнообразных продуктов радиоактивного распада, обнаружила b -излучение, которое не могло принадлежать ни одному из известных в то время изотопов. Когда этот изотоп (период полураспада 21 мин) подвергли химическому исследованию, оказалось, что его свойства соответствуют свойствам эка-цезия.
Окончательно это было подтверждено после второй мировой войны, и в 1946 г. Перей предложила назвать новый элемент францием (Francium) в честь ее родины.

Получение:

Франций-223 (самый долгоживущий из изотопов франция, период полураспада 22,3 минуты) входит в одну из побочных ветвей природного радиоактивного ряда урана-235 и содержится в крайне малых количествах в урановых минералах. Его образование из актиния можно выразить уравнением: 227 Ac (-, a ) 223 Fr. По оценкам, его равновесное содержание в земной коре равно 340 г. Также в одной из побочных ветвей радиоактивного ряда тория содержится франций-224 с периодом полураспада 3,0 минуты. Его равновесное содержание в земной коре составляет лишь 0,5 г.
С помощью ядерных реакций получают и другие изотопы франция. Одна из наиболее распространённых реакций: 197 Au + 18 O = 210 Fr + 5n

Физические свойства:

Радоактивный металл. Вследствие высокой радиоактивности исследования проводятся с микроскопическими количествами. Согласно последним данным, плотность франция при комнатной температуре составляет 1,87 г/см 3 , температура плавления 27°C, температура кипения 677°C.
Франций претерпевает b -распад, превращаясь в изотоп радия: 223 Fr (-, b ) 223 Ra

Химические свойства:

Франций имеет самую низкую электроотрицательность из всех элементов, известных в настоящее время. Электродный потенциал Fr + /Fr = -2,92 В.
Соответственно, франций является и самым химически активным щелочным металлом.
В соединениях проявляет степень окисления +1.

Важнейшие соединения:

Соединения мало изучены вследствие радиоактивности франция. Он обладает большинством свойств, характерных для других щелочных металлов, наиболее похож по свойствам на цезий, всегда сокристаллизуется с его соединениями. Так для выделения франция из смеси с другими продуктами ядерных реакций используется основано на его соосаждении с нерастворимыми солями цезия (перхлоратом или кремневольфраматом цезия). Он извлекается из растворов также хлороплатинатами цезия и рубидия Cs 2 PtCl 6 и Rb 2 PtCl 6 , хлоровисмутатом Cs 2 BiCl 5 , хлоростаннатом Cs 2 SnCl 6 и хлороантимонатом цезия Cs 2 SbCl 5 · 2,5H 2 O, а также свободными гетерополикислотами – кремневольфрамовой и фосфорновольфрамовой.
Образует растворимые соли и гидроксид.

Применение:

Хлорид франция FrCl использовался для обнаружения раковых опухолей, но по причине чрезвычайно высокой стоимости эту соль в масштабных разработках использовать невыгодно.
В настоящее время франций и его соли применения пока что не имеют, в связи с малым периодом полураспада и высокой радиоактивностью.

Тестова Кристина
ХФ ТюмГУ, 581 группа, 2011 г.

Источники: Франций. Популярная библиотека химических элементов http://n-t.ru/ri/ps/pb087.htm
Франций. Википедия, свободная энциклопедия.

0,7 (шкала Полинга)

Электродный потенциал

Fr←Fr + −2,92 В

Степени окисления Энергия ионизации
(первый электрон) Термодинамические свойства простого вещества Плотность (при н. у.) Температура плавления Температура кипения Уд. теплота плавления

~2 кДж/моль

Уд. теплота испарения

~65 кДж/моль

Молярная теплоёмкость

31,6 Дж/(K·моль)

Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки

кубическая
объёмноцентрированая

87

7s 1

Нахождение в природе

Франций - один из редчайших элементов. Среди элементов, постоянно существующих в земной коре, только астат имеет меньшее содержание. Весь природный франций является радиогенным, его радиоактивный распад компенсируется одновременным возникновением новых атомов франция в качестве промежуточных продуктов распада урана-235 и тория-232. Общее содержание франция в земной коре оценивается в 340 граммов.

Изотопы

На 2012 год известно 34 изотопа франция с массовыми числами 199-232 и 7 метастабильных ядерных изомеров . В природе (в качестве продуктов радиоактивного распада урана и тория) содержатся два изотопа: 223 Fr и 224 Fr. Франций-223 (самый долгоживущий из изотопов франция, период полураспада 22,3 минуты) входит в одну из побочных ветвей природного радиоактивного ряда урана-235 и содержится в крайне малых количествах в урановых минералах. Исследования свойств франция проводят с индикаторными количествами нуклида 223 Fr (менее 10 −15 г), так как из-за отсутствия долгоживущих изотопов франций невозможно получить в весовых количествах . Образуется при альфа-распаде актиния-227 :

227 Ac → 223 Fr (сопровождается α-излучением, вероятность распада приблизительно 1,4 %),

Наиболее распространённый способ получения франция путём ядерной реакции:

${}^{197}_{79}\textrm{Au} + {}^{18}_{8}\textrm{O} \rightarrow {}^{210}_{87}\textrm{Fr} + {5}^{1}_{0}\textrm{n}$

Интересно, что в данной реакции используется золото . С помощью этой реакции могут быть синтезированы изотопы с массовыми числами 209, 210 и 211. Однако все эти изотопы распадаются быстро (период полураспада 210 Fr и 211 Fr - три минуты, а 209 Fr - 50 секунд).

Физические и химические свойства

Франций похож по свойствам на цезий . Всегда сокристаллизуется с его соединениями. Практически все соединения франция растворимы в воде. Релятивистские эффекты 6p-оболочки делают связь франция с кислородом в супероксидах, например, состава FrO 2 , более ковалентной, по сравнению с супероксидами других щелочных металлов.

Так как в распоряжении исследователей имеются лишь мельчайшие образцы, содержащие не более 10 −7 г франция, то сведения о его физических свойствах могут быть определены только путём расчета, основываясь на данных для стабильных щелочных металлах. Согласно таким расчетам, плотность франция при комнатной температуре составляет 1,87 г/см³, температура плавления 27 °C, температура кипения 677 °C, удельная теплота плавления 9,385 кДж/кг .

Франций имеет самую низкую электроотрицательность из всех элементов, известных в настоящее время. Соответственно, франций является и самым химически активным щелочным металлом.

Применение

В настоящее время франций и его соли практического применения не имеют, в связи с малым периодом полураспада и высокой радиоактивностью.

Напишите отзыв о статье "Франций"

Примечания

Ссылки

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева







	Fr								Uut	Uup	Uus	Uuo
	Uue	Ubn	Ubu	Ubb	Ubt	Ubq	Ubp	Ubh
Отрывок, характеризующий Франций – Командир 3 й роты к генералу! командира к генералу, 3 й роты к командиру!… – послышались голоса по рядам, и адъютант побежал отыскивать замешкавшегося офицера. Когда звуки усердных голосов, перевирая, крича уже «генерала в 3 ю роту», дошли по назначению, требуемый офицер показался из за роты и, хотя человек уже пожилой и не имевший привычки бегать, неловко цепляясь носками, рысью направился к генералу. Лицо капитана выражало беспокойство школьника, которому велят сказать невыученный им урок. На красном (очевидно от невоздержания) носу выступали пятна, и рот не находил положения. Полковой командир с ног до головы осматривал капитана, в то время как он запыхавшись подходил, по мере приближения сдерживая шаг. – Вы скоро людей в сарафаны нарядите! Это что? – крикнул полковой командир, выдвигая нижнюю челюсть и указывая в рядах 3 й роты на солдата в шинели цвета фабричного сукна, отличавшегося от других шинелей. – Сами где находились? Ожидается главнокомандующий, а вы отходите от своего места? А?… Я вас научу, как на смотр людей в казакины одевать!… А?… Ротный командир, не спуская глаз с начальника, всё больше и больше прижимал свои два пальца к козырьку, как будто в одном этом прижимании он видел теперь свое спасенье. – Ну, что ж вы молчите? Кто у вас там в венгерца наряжен? – строго шутил полковой командир. – Ваше превосходительство… – Ну что «ваше превосходительство»? Ваше превосходительство! Ваше превосходительство! А что ваше превосходительство – никому неизвестно. – Ваше превосходительство, это Долохов, разжалованный… – сказал тихо капитан. – Что он в фельдмаршалы, что ли, разжалован или в солдаты? А солдат, так должен быть одет, как все, по форме. – Ваше превосходительство, вы сами разрешили ему походом. – Разрешил? Разрешил? Вот вы всегда так, молодые люди, – сказал полковой командир, остывая несколько. – Разрешил? Вам что нибудь скажешь, а вы и… – Полковой командир помолчал. – Вам что нибудь скажешь, а вы и… – Что? – сказал он, снова раздражаясь. – Извольте одеть людей прилично… И полковой командир, оглядываясь на адъютанта, своею вздрагивающею походкой направился к полку. Видно было, что его раздражение ему самому понравилось, и что он, пройдясь по полку, хотел найти еще предлог своему гневу. Оборвав одного офицера за невычищенный знак, другого за неправильность ряда, он подошел к 3 й роте. – Кааак стоишь? Где нога? Нога где? – закричал полковой командир с выражением страдания в голосе, еще человек за пять не доходя до Долохова, одетого в синеватую шинель. Долохов медленно выпрямил согнутую ногу и прямо, своим светлым и наглым взглядом, посмотрел в лицо генерала. – Зачем синяя шинель? Долой… Фельдфебель! Переодеть его… дря… – Он не успел договорить. – Генерал, я обязан исполнять приказания, но не обязан переносить… – поспешно сказал Долохов. – Во фронте не разговаривать!… Не разговаривать, не разговаривать!… – Не обязан переносить оскорбления, – громко, звучно договорил Долохов. Глаза генерала и солдата встретились. Генерал замолчал, сердито оттягивая книзу тугой шарф. – Извольте переодеться, прошу вас, – сказал он, отходя. – Едет! – закричал в это время махальный. Полковой командир, покраснел, подбежал к лошади, дрожащими руками взялся за стремя, перекинул тело, оправился, вынул шпагу и с счастливым, решительным лицом, набок раскрыв рот, приготовился крикнуть. Полк встрепенулся, как оправляющаяся птица, и замер. – Смир р р р на! – закричал полковой командир потрясающим душу голосом, радостным для себя, строгим в отношении к полку и приветливым в отношении к подъезжающему начальнику. По широкой, обсаженной деревьями, большой, бесшоссейной дороге, слегка погромыхивая рессорами, шибкою рысью ехала высокая голубая венская коляска цугом. За коляской скакали свита и конвой кроатов. Подле Кутузова сидел австрийский генерал в странном, среди черных русских, белом мундире. Коляска остановилась у полка. Кутузов и австрийский генерал о чем то тихо говорили, и Кутузов слегка улыбнулся, в то время как, тяжело ступая, он опускал ногу с подножки, точно как будто и не было этих 2 000 людей, которые не дыша смотрели на него и на полкового командира. Раздался крик команды, опять полк звеня дрогнул, сделав на караул. В мертвой тишине послышался слабый голос главнокомандующего. Полк рявкнул: «Здравья желаем, ваше го го го го ство!» И опять всё замерло. Сначала Кутузов стоял на одном месте, пока полк двигался; потом Кутузов рядом с белым генералом, пешком, сопутствуемый свитою, стал ходить по рядам. По тому, как полковой командир салютовал главнокомандующему, впиваясь в него глазами, вытягиваясь и подбираясь, как наклоненный вперед ходил за генералами по рядам, едва удерживая подрагивающее движение, как подскакивал при каждом слове и движении главнокомандующего, – видно было, что он исполнял свои обязанности подчиненного еще с большим наслаждением, чем обязанности начальника. Полк, благодаря строгости и старательности полкового командира, был в прекрасном состоянии сравнительно с другими, приходившими в то же время к Браунау. Отсталых и больных было только 217 человек. И всё было исправно, кроме обуви. Кутузов прошел по рядам, изредка останавливаясь и говоря по нескольку ласковых слов офицерам, которых он знал по турецкой войне, а иногда и солдатам. Поглядывая на обувь, он несколько раз грустно покачивал головой и указывал на нее австрийскому генералу с таким выражением, что как бы не упрекал в этом никого, но не мог не видеть, как это плохо. Полковой командир каждый раз при этом забегал вперед, боясь упустить слово главнокомандующего касательно полка. Сзади Кутузова, в таком расстоянии, что всякое слабо произнесенное слово могло быть услышано, шло человек 20 свиты. Господа свиты разговаривали между собой и иногда смеялись. Ближе всех за главнокомандующим шел красивый адъютант. Это был князь Болконский. Рядом с ним шел его товарищ Несвицкий, высокий штаб офицер, чрезвычайно толстый, с добрым, и улыбающимся красивым лицом и влажными глазами; Несвицкий едва удерживался от смеха, возбуждаемого черноватым гусарским офицером, шедшим подле него. Гусарский офицер, не улыбаясь, не изменяя выражения остановившихся глаз, с серьезным лицом смотрел на спину полкового командира и передразнивал каждое его движение. Каждый раз, как полковой командир вздрагивал и нагибался вперед, точно так же, точь в точь так же, вздрагивал и нагибался вперед гусарский офицер. Несвицкий смеялся и толкал других, чтобы они смотрели на забавника.