Реферат: Хімічний елемент Францій

План

Загальна характеристика

Фізичні властивості

Електронна конфігурація та будова атома

Історія відкриття

Методи отримання та дослідження

Хімічні властивості

Використання

Список використаної літератури

Розділ1.Загальнахарактеристика

Фізичні властивості:

Атомний номер: 87
Атомна маса: 223,0197
Густина: 1870кг/м3

Температура плавлення:27.0 °C(300.15 °K, 80.6 °F)
Температура кипіння:677.0 °C(950.15 °K, 1250.6 °F)
Кількість протонів/електронів:87
Кількість нейтронів:136(ізотоп 87Fr223)
Температура плавлення: 18-21°С

Електронна конфігурація та будова атома:

Електронна конфігурація: 1s22s22p63s23p63d104s24p6 4d104f145s25p65d106s26p67s1 Будова атома:

/>

 
Кількість енергетичних рівнів:7

Перший енергетичний рівень:2 ел.
Другий енергетичний рівень:8ел.
Третій енергетичний рівень:18 ел.
Четвертий енергетичний рівень:32 ел.
П’ятий енергетичний рівень:18 ел.
Шостий енергетичний рівень:8 ел.
Сьомийенергетичний рівень:1ел.

Найбільш стабільні ізотопи:

Ізотоп

Період напіврозпаду

Вид радіоактивності

Результат розпаду

Fr-212

20.0 хв

α/β+

At-208/Rn-212

Fr-221

4.8 хв

α/β–

At-217/Ra-221

Fr-222

14.3 хв

β–

--PAGE_BREAK--

Ra-222

Fr-223

21.8 хв

α/β–

At-219/Ra-223

Fr-225

4.0 хв

β–

Ra-225

Fr-21

3.18 хв

α/β+

At-206/Rn-210

Розділ 2. Історія відкриття

Кажуть, що немає правил без виключень. І якщо вважати правилом той факт, що історія відкриття хімічних елементів зв’язана насамперед із представниками сильної половини людства, то приємним виключеннямбудуть три жіночих імені, якими вправі пишатися слабка стать: Марія Склодовська-Кюрі– першовідкривач полонію і радію, ІдаНоддак(Такке), що відкрила реній, і МаргаретПере, якій судилося відкрити франций. Анітрохи не применшуючи величезних заслуг Марії Склодовської-Кюріта ІдиНоддак, відмітимо, що науковий успіх вони поділялизісвоїми чоловіками П’єромКюрі і Вальтером Ноддаком, у той час як МаргаретПерепри «народженні» францію обійшлася «без сторонньої допомоги».

Відкриття елементу № 87 (а саме під цим номером значиться франційу таблиці елементів) хіміки усього світу чекали довго – практично сімдесятиліть. Справав тім, що Д. І. Менделєєв, споруджуючи стрункий будівлюсвоєї періодичної системи, не завжди мав «під рукою» підходящий«будівельний» матеріал, і тому багато клітинок таблиці залишилисяпорожніми. Але геніальний учений розумів, що ці порожнечі – справатимчасова: відповідні їм«цеглинки» повинні існувати в природі, але поки їм вдається залишатисянепоміченими. Менделєєв не тільки вказав майбутнє «місце проживання» ряду елементів, але і звеликою точністю передбачив фізичні й хімічні властивості цих незнайомців.

Життя незабаром підтвердило блискучий прогноз ученого: у 1875 році були відкриті галій (Менделєєв називав його ека-алюмінієм, справедливо вважаючи, що по властивостях він буде схожий на свого сусіда зверху по таблиці елементів), у 1879 році – скандій (ека-бор), а в 1886 році – германій (ека-силіцій).

У статті «Природна система елементів і застосування її до вказівки властивостей невідкритих елементів», опублікованоїв 1871 році, Менделєєв писав: «Потім у десятому ряді можна чекати ще основних елементів,щоналежать до I, II і III груп. Першийз нихповиннийутворювати оксид R2O, другий – RO, а третій– R2O3; перший буде подібний із цезієм, другий – з барієм, а всі їхні оксиди повинні володіти, звичайно, характером найенергійніших основ».

Йшлироки, науці ставали відомі все нові й нові елементи, але клітинка зномером 87, заброньована за ека-цезієм, продовжувала пустувати, незважаючи на численні спроби вчених ряду країн розшукати її законного власника. І хоча йому вдавалося вислизнути від допитливого погляду дослідників, багато його властивостей, зумовлених «географічним положенням» у періодичній системі, вже були відомі науці.

Так, не викликало сумнівів, що елемент № 87 повиненбути надійним хоронителем лужних «традицій»,щоміцніють від літію до цезію. Цим обумовлювалася насамперед його висока реакційна здатність(вище, ніж уцезію), у зв’язку з чим він міг бутиприсутніму природі лише у видісолей,щоволодіють більшою розчинністю, ніжувсіх інших солей лужних металів. Оскільки від літію до цезію знижувалася температура плавлення (від 180,5 до 28,5°С), резонно було думати, що ека-цезійу звичайних умовах повиннийподібно ртуті знаходитисяв рідкому стані. Для лужних металів (окрім літію) характерна ще одна закономірність: чим більше масове число елемента(тобто чим нижче він розташований у періодичній таблиці), тим менше йогознаходитьсяв земній корі. Якщо врахувати, що вже на часткуцезію в природі приходитьсязовсім небагатоатомів, то розташованийпід ним елемент № 87 міг і зовсім виявитися найрідкіснішимз рідкісних. Нарешті, радіоактивні «нахили» його сусідів праворуч (про які згадував у статті Менделєєв) – відкритих наприкінці XIX століттярадію й актинію – дозволяли стверджувати, що і ека-цезійповиненмати радіоактивність.

    продолжение
--PAGE_BREAK--

Властивості елемента№ 87 визначилидваосновних напрямкипошуку: одні вчені розраховували знайти йогов мінералах лужних металів абов багатих ними водах мінеральних джерел і морів; іншіволіли вестирозшук на радіоактивних тропах, сподіваючись знайти ека-цезійсеред продуктів розпаду сусідніх із ним елементів.

У 1913 році англійськийрадіохімікДж. Кренстонповідомив, що він помітив уодного з ізотопів актинію слабке альфа-випромінювання (поряд з характерним для цього ізотопу бета-випромінюванням). Учений припускав, що при цьому може утворитися ізотоп елементу№ 87. Черезрік подібні результати були отримані австрійськими радіохімікамиМейером, Гессомі Панетом,щознайшли при дослідах зізотопом актинію «незвані» альфа-частинки. «Ці частки утворяться при альфа-розпаді звичайно бета-активного 227Ас, – писали вони, –… продуктом розпаду повиненбути ізотоп елементу№ 87». Але припущення – ще не науковий факт, тим більше, що для сумнівів було чимало основ: по-перше, поміченеальфа-випромінювання було настільки слабким, що не виходило за межі можливих погрішностей експерименту: по-друге, досліджуванийпрепарат актинію цілком міг міститидомішки, «проживаючого» поруч протактинію, що здатнийвипромінювати альфа-частинки і тому міг легко ввестивчених в оману. Хоча ці дослідники, як з'ясувалося пізніше, знаходилисяна правильному шляху, до відкриття елементу№ 87 було ще далеко – цієї події залишалосячекати рівно чверть століття...

У 1925 році англієць І. Фріендвирішив відправитися в Палестину, щоб вивчити води Мертвого моря, багатілужними металами. «Уже кілька років назад, – писав він, – мені спало на думку, що якщо ека-цезійздатнийдо постійного існування, то його можна буде знайти в Мертвомуморі». Що ж, ідея ця не позбавлена була змісту, але скількине намагався вчений знайти рентгеноспектральниманалізом хоча б сліди елементу№ 87, бажаних результатів він так і не домігся.

За допомогою спектроскопу намагалися виявити невловимий елементі багато інших дослідників; адже саме він допоміг відкрити рубідій і цезій – найближчих родичів елементу№ 87 по лужномусімейству. Не тільки концентрати морських солей, але і крупиці найрідших мінералів, зола грибів і попіл сигар, спаленийцукор і кісткивикопнихтварин – здавалося б, усі потенційні власники атомів ека-цезіюз'являлися перед об’єктивом спектроскопу, але приладзнову й зновузасмучував експериментаторів.

Однак увчених, що шукали ека-цезій, булоне тільки засмучення, але і радість, часто, щоправда, передчасні: деякіїх «відкриття», яскраво спалахнувши спочатку, при перевірці виявлялися помилковими і тому швидко «закривалися». Так, у 1926 році в пресі з'явилося повідомлення англійських хіміків Дж. Дрюсаі Ф. Лорингапро те, що вони нібито спостерігали лінії 87-го елементуна рентгенограмах сульфату марганцю і дали йому назваалкаліній. Через трироки американський фізик Ф. Аллісонопублікував данісвоїх магнітооптичнихдосліджень, що дозволили йому, як він думав, знайти сліди шуканого елементув малопоширених мінералах лужних металів – самарскиті, поллуцитіі лепідоліті. На честь свого рідного штату вчений пропонував назвати 87-й віргінієм. У 1931 році його співвітчизникам Дж. Пепішуі Е. Вайнеруначебто б удалося спектроскопічним методом підтвердити наявність ліній віргініюв самарскіті, але незабаром з'ясувалося, що причиною появи незнайомих ліній був дефект кальцитового кристалу, встановленогов спектроскопі, яким користувалися вчені.

У 1937 році румунський хімік Г. Хулубейзаявив, що ека-цезійзнайдений їму поллуциті, і запропонував іменувати новий елемент молдавієм. Але ні алкалінію, ні віргінію, ні молдавію не довелосьзайнятивакантну клітинку в лівому нижньому кутіперіодичної таблиці.

Продовжували пошуки і прихильники радіоактивного напрямку. Ще в 1925 році одеський хімік Д. Добросердоввисловив на сторінках «Українського хімічного журналу» розумінняпро фізичні і хімічні властивості ека-цезію, підкресливши, зокрема, що він «неодмінно повиннийбути доситьрадіоактивним елементом». Але вчений при цьому помилково припустив, що радіоактивність калію і рубідію обумовлена домішками 87-го елементу, який він пропонувавназвати руссієм, якщо честь відкриття випаде на долювчених-росіян.

    продолжение
--PAGE_BREAK--

Роком пізніше цікаві результати удалося одержативідомимрадіохімікамО. Гану (Німеччина) і Д. Хевеши(Угорщина). Ретельне дослідження радіоактивних рядів деяких ізотопів актинію показало, що при альфа-розпаді одногоз нихутворюється ізотоп ека-цезію, щоправда, з кожного мільйона атомів вихідної речовини можна одержатилише кілька атомів 87-го елементу.

Така була ситуація в науці до 1938 року, колив пошуки ека-цезіювключилася МаргаретПере– співробітниця паризького Інституту радію, учениця Марії Склодовської-Кюрі. Насамперед Перевирішила повторити вже на той час давні експерименти Мейера, Гессаі Панета. Недарма кажуть, що часто в науці «нове– це добре забуте старе». Підтвердженням цього може служити історія відкриття елементу№ 87.

Проробивши досліди, Пере, подібно своїм попередникам, знайшла присутність тих же альфа-частинок. Необхідно було довести, що їх джерелом єне домішки протактинію, а актиній. Провівши воістину ювелірне очищенняактинію від усіх можливих домішок і «дочірніх продуктів» (тобто продуктів його радіоактивного розпаду), а потім досліджувавши отриманий найчистіший препарат актинію, Перез'ясувала, що ізотоп цього елементу змасовим числом 227 має «радіоактивну вилку», або, інакше кажучи, здатнийрозпадатися по двох напрямках– з випромінюванням бета- і альфа-частинок. Правда, «зуби» уцієї вилкивиявилися далеко не однаковими: лише в 12 випадках з тисячі ядра актинію випускали альфа-частинки, у всіх же інших випадках вони випромінювали бета-частинки (тобто електрони), перетворюючи в ядра ізотопу торію. Ну, а що ж відбувалосяпри альфа-випромінюванні?

Розрахунок показував, що, викинувши альфа-частинку (тобто ядро гелію), ядро ізотопу актинію «худло» рівно настільки, щоб стати не чиміншим, як ядром ізотопу 87-го елементу. Дійсно, у результаті досвідів з'являвся продукт розпаду актинію звластивостями важкого лужного радіоактивного металу. Це і був ніколи раніше не зафіксованийу природі довгоочікуваний ека-цезій, точніше, його ізотоп з масовим числом 223. Так у 1939 році був відкритий одиніз останніх доурановихелементів. На честь своєї батьківщини Переназвала його францієм.

Розділ 3. Методи отримання та дослідження

Францій-223 довгий час був єдиним ізотопом, що застосовувався в дослідах по вивченню хімічних властивостей елементу № 87. Тому природно, що хіміки шукали методи прискореного виділення його з 227Ас. У 1953 році М. Пері і відомий французький радіохімік Ж. Адлов розробили експрес-метод виділення цього ізотопу за допомогою паперової хроматографії,

За цим методом розчин 227Ас, що містить 223Fr, наноситься на кінець паперової стрічки, що занурюється в спеціальний розчин. При русі розчину по паперовій стрічці відбувається розподіл по ній радіоелементів. 223Fr, як лужний метал, рухається з фронтом розчинника і відкладається після інших елементів. Пізніше Адлов запропонував використовувати для виділення 223Fr складну органічну сполуку -тенойлтрифторацетон (ТТА). Описаним методом за
10–40 хвилин удається виділити чистий препарат францію-223. Через малий період напіврозпаду працювати з цим препаратом можна не більше двох годин, після чого утворюється помітна кількість дочірніх продуктів і потрібно або очищати францій від них, або виділяти його заново.

З розвитком техніки прискорення іонів і створенням циклотронів були розроблені нові методи одержання францію. При опроміненні торієвих або уранових мішеней протонами високих енергій утворяться ізотопи францію. Найбільш стійким з них виявився францій-212 з періодом напіврозпаду 19,3 хвилини. За 15 хвилин опромінення 1 г урану пучком протонів з енергією 660 МеВ на синхроциклотроні Лабораторії ядерних проблем Об'єднаного інституту ядерних досліджень у Дубні утворюється 5∙10–13 г францію-212 з активністю 2,5∙107 розпадів за хвилину.

Виділення францію з опромінених мішеней –процес досить складний. За дуже короткий час його потрібно виділити з суміші, що містить майже всі елементи періодичної системи. Кілька методик виділення францію з опроміненого урану розроблено радянськими радіохіміками А. К. Лаврухіною, А. А. Позняковим і С. С. Родіним, а з опроміненого торію – американським радіохіміком Е. Хайдом. Виділення францію засноване на осадженні його з нерозчинними солями (перхлоратом або кремневольфраматом цезію) або з вільною кремневольфрамовою кислотою. Час виділення францію цими методами складає 25–30 хвилин.

Ще один спосіб одержання францію заснований на реакціях, що відбуваються при опроміненні мішеней зі свинцю, таллію або золота багатозарядними іонами бора, вуглецю або неону, прискореними на циклотронах або лінійних прискорювачах. Придатні такі пари «мішень + снаряд»: Pb+B; Tl+C; Au+Ne. Приміром, францій-212 утворюється при опроміненні золотої фольги іонами неону-22 з енергією 140 МеВ:

79Au197+ 10Ne22= 89Ac219= 87Fr 212+ 2He4+ 3n1

Як же здійснюються «алхімічні» процеси XX століття? Найтоншу золоту фольгу (товщиною усього кілька мікрон), поміщенув касету, опромінюють прискореними іонами неону – відбуваєтьсяядерна реакція, у результаті чого утворюється ізотоп францію змасовим числом 212. Після півгодинної «артпідготовки» касету зфольгою доставляють у лабораторію, де в захисній шафі за допомогою маніпулятора опромінене золото витягають з касети. Зовні фольга виглядає так само, як і перед дослідом; насправді ж вона міститьдесятки тисяч атомів францію. Відверто кажучи, зовсім не густо, але сучасним ученимнайчастіше приходитьсямати справу буквально здекількомаатомами речовини. Так, елемент № 101 (згодом названиймендєлєвієм) був відкритий американськими вченими, колив них «у руках» побувало всьго17 атомів, та й то не одночасно, а в результаті приблизно дюжини експериментів (по 1–2 у кожному). Так що десятки тисяч атомів – це цілий скарб.

    продолжение
--PAGE_BREAK--

Отже, франційодержаний, але робота зним тільки починається: адже його треба витягти з золота й очистити від усіх інших осколків розпадуатомних ядер, а вже потім піддати детальному дослідженню. Усеце треба проробити воістину з«космічною» швидкістю, оскільки період напіврозпаду ізотопу францію, який одержуютьпри «обстрілі» золота, лише19 хвилин.

Спочатку фольгу розчиняють у «царській горілці» і за допомогою спеціальних «золотоуловлювачів» видаляють весь дорогоцінний (але зовсімзайвийу даній ситуації) метал. Тепер треба переконатися, що ця операція пройшлауспішно: електронні прилади, в основі роботи яких лежить метод мічених атомів, категорично «заявляють», що в розчині немає жодного атома золота. Але все ще не вилученіінші домішки. Якщо вони залишаться, то досліджувати франційбезглуздо, тому що картина може бути перекручена і вчені отримають неправдиву інформацію. А відпущений час невблаганно скорочується.

Позбавлений золота розчин кілька разівпроганяють крізь колонку, що заповнена речовиною, що жадібно поглинає всі зайві продукти ядерних реакцій і пропускаєлише францій. І ось нарешті очищеннязакінчене. Крапельку розчину розміщають у поглибленняна тефлоновійпластинцій опромінюють могутнім потоком інфрачервоних променів. Через кілька секунд від краплі нічого не залишається. Але випарувався тільки розчин, а атоми францію повинні «лежати» на пластинці. Щоб переконатися в цьому, їївставляють у камеру чутливогоприладу, де створюється вакуум, і крихітна неонова лампочка сигналізує про те, що франційє. Але чому горить лише одна з багатьох лампочок? Це означає, що франційчистий. Якби до ньогоприєднались сторонні атоми, то загорілися би й інші лампочки. Але, на щастя, непотрібної ілюмінації немає – можна приступати до хімічного дослідження францію. А на цю завершальну і, мабуть, найвідповідальнішу стадію експерименту відведені ліченіхвилини, інакше від францію залишатьсялишеспогади. Не випадково вчені в жарт називають такі досліди «хімією на бігу».

Найбільш зручна і швидка методика виділення ізотопів францію з опроміненого золота розроблена радянськими радіохіміками Н. Мальцевою і М. Шалаєвським. Францій екстрагують нітробензолом у присутності тетрафенілборату зі стовпчика, заповненого силікагелем.

За допомогою всіх цих методів отримано 18 ізотопів францію з масовими числами від 203 до 213 і від 218 до 224.

За роки,щопройшлизчасу відкриття францію, проробленобезлічдослідів, виконані сотні розрахунків. Сьогодні науці відомі основні фізичні і хімічні властивості цього елемента. Його густина 1,87 г/см3, температура кипіння приблизно 670°С, а оту відношенніточкиплавлення францію увчених немає єдиної точки зору. Справав тім, що вимірити цю температуру поки що не вдається, оскільки наука не в змозі синтезувати франційу вагових кількостях; інакше кажучи, було б що плавити, тоді було б і що вимірювати. Правда, сьогодні радіохімікивміють працювати і зтак званими субмікроскопічнимикількостями речовини (так, маса вперше отриманого в металічному стані берклію складалавсьгоп’ятьмільйонних часток грама). Але і тоді результати визначення температури плавлення францію неможнабуло б вважатиточними, тому що чим менше розмір часток речовини, тим нижче точкайого плавлення (наприклад, частки золота розміром 0,01 мікрона плавляться не при 1063°С, як властивозолоту, а лише при 887°С).

Тому шукану характеристику францію вчені одержуютьлише теоретично – шляхом зіставлення властивостей інших лужних металів, з’ясування існуючогоміж ними взаємозв'язкуй екстраполяції, тобто продовження встановленої графічної залежності в область, для якої немає експериментальних даних. Але цей шлях не дає настільки точних результатів, як сучасні способи виміру температури. Звідси і розбіжності,щозалежать від того, які теоретичні передумови покладенів основу розрахунку.

Розділ 4. Хімічні властивості

Теоретично францій повинен бути практично повним хімічним аналогом своїх найближчих сусідів по групі лужних металів – цезію та рубідію. Зокрема, його ступінь окислення у сполуках завжди має становити +1, а сам елемент в металічному стані має бути найактивнішим з усіх металів.

Усі досліди по вивченню хімічних властивостей францію проводилися, звісно, з ультрамалими кількостями цього елемента. У розчинах було лише 10–13 – 10–9 г францію. При таких концентраціях можуть стати важливими процеси, про які ми звичайно забуваємо, маючи справу з макрокількостями речовини. Наприклад у цих умовах радіоактивний ізотоп може «втратитися» з розчину, адсорбувавшись на стінках посудин, на поверхні осадів, на можливих домішках… Тому, здавалося б, вивчаючи властивості францію, варто оперувати більш концентрованими розчинами. Але в цьому випадку виникають нові труднощі через процеси радіолізу й іонізації.

І все-таки, незважаючи на всі труднощі, отримані деякі достовірні дані про хімічні властивості францію. Найбільш повно вивчено осадження францію з різними нерозчинними сполуками. Він випадає з розчину разом із хлороплатинатами цезію і рубідію Cs2PtCl6і Rb2PtCl6, хлоровісмутатом Cs2BiCl6, хлоростаннатом Cs2SnCl6і хлороантимонатом цезію Cs2SbCl6 ∙ 2,5 H2O, а також вільними гетерополікислотами – кремневольфрамовою і фосфорновольфрамовою.

Францій легко адсорбується на йонообмінних смолах (сульфокатіонітах) з нейтральних і слабокислих розчинів. За допомогою цих смол легко відокремити францій від більшості хімічних елементів. От, мабуть, і всі успіхи.

Розділ 5. Використання

Звичайно, говорити про хоч якесь практичне застосування в техніці й виробництві речовини, тривалість «життя» якої становить близько 22 хв, не доводиться, проте певні завдання в науці францій вже виконує.

Ізотоп 223Fr знаходить обмежене застосування – для визначення 227Ac по β-випроміненню дочірнього 223Fr, а також для дослідження міграції іонів важких лужних металів у біологічних об'єктах.

Характерне для францію випромінювання дозволяє, наприклад, швидко визначити, чи є в тих чи інших природних об'єктах його «прабатько» актиній.

Для медицини безсумнівний інтерес представляє здатність францію накопичуватися в пухлинних тканинах, причому (що особливо важливо) навіть на початкових стадіях захворювання. Завдяки цьому елемент можна використовувати для ранньої діагностики саркоми. Такі досліди вже успішно проведені на пацюках. Майбутнє безсумнівно розкриє й інші «здібності» францію, а поки...

Розділ 6. Список використаної літератури

С. И. Венецкий.  О редких и рассеяных (Рассказы о металлах). – Москва: Металлургия, 1980. – 184 с.

Н. А. Фигуровский «Открытие элементов и происхождение их названий. – Москва: Наука, 1970.

Н. Л. Глинка. Общая химия. Под редакцией канд. хим. наук В. А. Рабиновича. – Ленинград: «Химия», 1985.

И. Г. Хомченко, Общая химия: учебник. – Москва: ООО изд. «Новая Волна»: ЗАО «Издательский дом ОНИКС». 1999 г. – 464 с. © Хомченко И. Г., 1997 г.

Г. П. Хомченко, И. К. Цитович. Неорганическая химия.– Киев: «Высшая школа», 1978г.

Э. Т. Оганесян Неорганическая химия. – Киев: «Высшая школа»,1984г.

Химия – справочник школьника. «Дрофа», 1997.

Stwertka, Albert. A Guide to the Elements. New York: Oxford University Press, 1998.

Weast, Ph. D., Robert C., «Francium.» Handbook of Chemistry and Physics. 56thedition. 1975-1976.

www.webelements.com/elements/text/Fr