Франція

План.

1. Загальна характеристика.

1. Фізичні властивості.

2. Електронна конфігурація та будова атома.

2. Історія відкриття.

3. Методи отримання та дослідження.

4. Хімічні властивості.

5. Використання.

6. Список використаної літератури Розділ 1. Загальна характеристика Фізичні властивості: Атомний номер: 87.

Атомна маса: 223,0197.

Густина: 1870 кг/м3 Температура плавлення: 27.0 °З (300.15 °K, 80.6 °F).

Температура кипіння: 677.0 °З (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:

|[pic] | | | |Кількість енергетичних рівнів: 7 | | | | | | | | |перший енергетичний рівень: 2 їв. | | |Інший енергетичний рівень: 8 їв. | | |Третій енергетичний рівень: 18 їв. | | |Четвертий енергетичний рівень: 32 | | |їв. | | |П'ятий енергетичний рівень: 18 їв. | | | | | |Шостий енергетичний рівень: 8 їв. | | |Сьомий енергетичний рівень: 1 їв. |.

Найбільш стабільні ізотопи:

|Ізотоп |Період напіврозпаду |Вигляд радіоактивності |Результат розпаду | |Fr-212 |20.0 хв |?/?+ |At-208/Rn-212 | |Fr-221 |4.8 хв |?/?- |At-217/Ra-221 | |Fr-222 |14.3 хв |?- |Ra-222 | |Fr-223 |21.8 хв |?/?- |At-219/Ra-223 | |Fr-225 |4.0 хв |?- |Ra-225 | |Fr-210 |3.18 хв |?/?+ |At-206/Rn-210 |.

Розділ 2. Історія відкриття.

Кажуть, що немає правил без виключень. І якщо вважати правилом тієї факт, що історія відкриття хімічних елементів зв’язана насамперед з представниками сильної половини людства, то приємним виключенням будуть три жіночих імені, якими вправі пишатися слабка стати: Марія Склодовська-Кюрі - першовідкривач полонію й радію, Іда Ноддак (Такке), що відкрила реній, й Маргарет Пере, якій судилося відкрити францій. Анітрохи не применшуючи величезних заслуг Марії Склодовської-Кюрі та Іди Ноддак, відмітимо, що науковий успіх смердоті поділяли зі своїми чоловіками П'єром Кюрі й Вальтером Ноддаком, в тієї годину як Маргарет Пере при «народженні» францію обійшлася «без сторонньої допомоги».

Відкриття елементу № 87 (а саме под цим номером значитися францій у таблиці елементів) хіміки усього світу чекали довго — практично сім десятиліть. Праворуч в тім, що Д. І. Менделєєв, споруджуючи стрункий будівлю своєї періодичної системи, не завжди мав «под рукою» підходящий «будівельний» матеріал, й тому багато клітинок таблиці залишилися порожніми. Алі геніальний навчань розумів, що ці порожнечі - справа тимчасова: відповідні їм «цеглинки» повинні існувати в природі, але й поки їм вдається залишатися непоміченими. Менделєєв не лише вказав майбутнє «місце проживання» ряду елементів, але й й із великою точністю передбачив фізичні і хімічні властивості цих незнайомців.

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

У з статтею «Природна система елементів й застосування її до вказівки властивостей невідкритих елементів», опублікованої в 1871 році, Менделєєв писавши: «Потім у десятому ряді можна чекати ще основних елементів, що належати до I, II й III груп. перший із них повинний утворювати оксид R2O, другий — RO, а третій — R2O3; перший якщо подібний з цезієм, другий — із барієм, а усі їхні оксиди повинні володіти, звичайно, характером найенергійніших основ».

Йшли рокта, науці ставали відомі все нові і нові елементи, але й клітинка із номером 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, уже були відомі науці.

Так, не викликало сумнівів, що елемент № 87 винен бути надійним хоронителем лужних «традицій», що міцніють від літію до цезію. Цим обумовлювалася насамперед його висока реакційна здатність (вище, ніж у цезію), у зв’язку із чим він міг бути присутнім у природі лише у виді солей, що володіють більшою розчинністю, ніж у всіх інших солей лужних металів. Ос-кільки від літію до цезію знижувалася температура плавлення (від 180,5 до 28,5°С), резонно було б думати, що ека-цезій у звичайних умовах повинний подібно ртуті знаходитися в рідкому стані. Для лужних металів (окрім літію) характерна ще одна закономірність: чим понад масове число елемента (тобто чим нижче він розташований у періодичній таблиці), тім менше його знаходиться в земній корі. Якщо врахувати, що уже на частку цезію в природі припадати зовсім небагато атомів, то розташований под ним елемент № 87 міг й зовсім виявитися найрідкіснішим із рідкісних. Нарешті, радіоактивні «нахили» його сусідів праворуч (про котрі згадував у з статтею Менделєєв) — відкритих наприкінці XIX століття радію і актинію — дозволяли стверджувати, що й ека-цезій винен матір радіоактивність.

Властивості елемента № 87 визначили два основних напрями пошуку: самі вчені розраховували знайти його в мінералах лужних металів чи в багатих ними водах мінеральних джерел й морів; інші воліли вести розшук на радіоактивних стежках, сподіваючись знайти ека-цезій серед продуктів розпаду сусідніх з ним елементів.

У 1913 році англійський радіохімік Дж. Кренстон повідомив, що він помітив в однієї із ізотопів актинію слабке альфа-випромінювання (поряд із характерним для цого ізотопу бета-випромінюванням). Учений припускав, що при цьому може утворитися ізотоп елементу № 87. Через рік подібні результати були отримані австрійськими радіохіміками Мейером, Гессом й Панетом, що знайшли при дослідах із ізотопом актинію «незвані» альфачастинки. «Ці частки утворяться при альфа-розпаді звичайно бета-активного 227Ас, — писали смердоті, — …продуктом розпаду винен бути ізотоп елементу № 87». Алі припущення — ще не науковий факт, тім понад, що для сумнівів було б чимало основ: по-перше, помічене альфа-випромінювання було б настільки слабким, що не було за межі можливих погрішностей експерименту: поодному, досліджуваний препарат актинію цілком міг містити домішки, «проживаючого» поруч протактинію, що здатний випромінювати альфа-частинки й тому міг легко запровадити вчених в оману. Хоча ці дослідники, як із «ясувалося пізніше, знаходилися на правильному шляху, до відкриття елементу № 87 було б ще далеко — цієї події залишалося чекати рівно чверть століття…

У 1925 році англієць І. Фріенд вирішив відправитися до Палестини, щоб вивчити води Мертвого моря, багаті лужними металами. «Вже кілька років тому, — писавши він, — Мені спало на думку, що якщо ека-цезій здатний до постійного існування, то його можна якщо знайти в Мертвому морі». Коли ж, ідея ця не позбавлена був змісту, але й стільки не намагався вчений знайти рентгеноспектральним аналізом хоча б сліди елементу № 87, бажаних результатів він то й не домігся.

За допомогою спектроскопу намагалися виявити невловимий елемент й багато інших дослідників; адже саме він допоміг відкрити рубідій й цезій — найближчих родичів елементу № 87 по лужному сімейству. Не лише концентрати морських солей, але й й крупиці найрідших мінералів, зола грибів й попіл сигар, спалений цукор й кістки викопних тварин — здавалося б, усі потенційні власники атомів ека-цезію із «являлися перед об'єктивом спектроскопу, але й прилад знову і знову засмучував експериментаторів.

Однак у вчених, що шукали ека-цезій, було б не лише засмучення, але й й радість, часто, щоправда, передчасні: деякі їхнього «відкриття», яскраво спалахнувши спочатку, при перевірці виявлялися помилковими й тому швидко «закривалися». То в 1926 році в пресі із «явилося повідомлення англійських хіміків Дж. Дрюса й Ф. Лоринга про ті, що смердоті нібито спостерігали лінії 87- го елементу на рентгенограмах сульфату марганцю й дали йому назва алкаліній. Три рокта американський фізик Ф. Аллісон опублікував дані своїх магнітооптичних досліджень, що дозволили йому, як він думавши, знайти сліди шуканого елементу в малопоширених мінералах лужних металів — самарскиті, поллуциті й лепідоліті. На честь свого рідного штату вчений пропонував назвати 87-й віргінієм. У 1931 році його співвітчизникам Дж. Пепішу й Є. Вайнеру начебто б удалося спектроскопічним методом підтвердити наявність ліній віргінію в самарскіті, але й незабаром із «ясувалося, що причиною появи незнайомих ліній був дефект кальцитового кристалу, встановленого в спектроскопі, яким користувалися вчені.

У 1937 році румунський хімік Р. Хулубей заявивши, що ека-цезій знайдений їм у поллуциті, й запропонував іменувати новий елемент молдавієм. Алі ані алкалінію, ані віргінію, ані молдавію вдалося зайняти вакантну клітинку в лівому нижньому куті періодичної таблиці.

Продовжували пошуки й прихильники радіоактивного напрямі. Ще в 1925 році одеський хімік Д. Добросердов висловив на сторінках «Українського хімічного журналу» розуміння про фізичні й хімічні властивості ека-цезію, підкресливши, зокрема, що він «неодмінно повинний бути досить радіоактивним елементом». Алі вчений при цьому помилково припустивши, що радіоактивність калію й рубідію обумовлена домішками 87-го елементу, який він пропонував назвати руссієм, якщо честь відкриття випаде частку вчених-росіян.

роком пізніше цікаві результати удалося одержати відомим радіохімікам Про. Гану (Німеччина) й Д. Хевеши (Угорщина). Ретельне дослідження радіоактивних рядів деяких ізотопів актинію показало, що при альфа-розпаді одного із них утворюється ізотоп ека-цезію, щоправда, із шкірного мільйона атомів вихідної речовини можна одержати лише кілька атомів 87-го елементу.

Така був ситуація в науці до 1938 року, коли в пошуки ека-цезію включилася Маргарет Пере — співробітниця паризького Інституту радію, учениця Марії Склодовської-Кюрі. Насамперед Пере вирішила повторити уже на тієї годину давні експерименти Мейєра, Гесса й Панета. Недарма кажуть, що часто в науці «нове — це добро забуте старе». Підтвердженням цого може служити історія відкриття елементу № 87.

Проробивши досліди, Пере, подібно своїм попередникам, знайшла присутність тихий ж альфа-частинок. Необхідно було б довести, що їхні джерелом є не домішки протактинію, а актиній. Провівши воістину ювелірне очищення актинію від всіх можливих домішок й «дочірніх продуктів» (тобто продуктів його радіоактивного розпаду), а потім досліджувавши отриманий найчистіший препарат актинію, Пере із «ясувала, що ізотоп цого елементу із масовим числом 227 має «радіоактивну виделку», чи, інакше кажучи, здатний розпадатися по двох напрямках — із випромінюванням бетай альфа-частинок. Щоправда, «зуби» у цієї виделки виявилися далеко ще не однаковими: лише о 12-й випадках із тисячі ядра актинію випускали альфа-частинки, у всіх ж інших випадках смердоті випромінювали бета-частинки (тобто електрони), перетворюючи в ядра ізотопу торію. А що ж відбувалося при альфа-випромінюванні?

Розрахунок показував, що, викинувши альфа-частинку (тобто ядро гелію), ядро ізотопу актинію «худло» рівно настільки, щоб статі не чим іншим, як ядром ізотопу 87-го елементу. Дійсно, у результаті досвідів із «являвся продукт розпаду актинію із властивостями важкого лужного радіоактивного металу. Це й був ніколи раніше не зафіксований у природі довгоочікуваний ека-цезій, точніше, його ізотоп із масовим числом 223. То в 1939 році був відкритий один з останніх доуранових елементів. На честь своєї батьківщини Пере назвала його францієм.

Розділ 3. Методи отримання та дослідження.

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

За цим методом розчин 227Ас, що містить 223Fr, наноситися на кінець паперової стрічки, що занурюється в спеціальний розчин. При русі розчину по паперовій стрічці відбувається розподіл по ній радіоелементів. 223Fr, як лужний метав, рухається із фронтом розчинника й відкладається после 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 із цим препаратом можна не понад двох часів, после чого утворюється помітна кількість дочірніх продуктів й потрібно чи очищати францій від них, чи виділяти його заново.

З розвитком техніки прискорення іонів й створенням циклотронів були розроблені нові методи одержання францію. При опроміненні торієвих чи уранових мішеней протонами високих енергій утворяться ізотопи францію. Найбільш стійким із них виявився францій-212 із періодом напіврозпаду 19,3 хвилини. За 15 хвилин опромінення 1 р урану пучком протонів із енергією 660 Ме на синхроциклотроні Лабораторії ядерних проблем Про «єднаного інституту ядерних досліджень у Дубні утворюється 5?10−13 р францію-212 із активністю 2,5?107 розпадів за хвилину.

Виділення францію із опромінених мішеней — процес досить складний. За дуже короткий годину його потрібно виділити із суміші, що містить майже усі елементи періодичної системи. Кілька методик виділення францію із опроміненого урану розроблено радянськими радіохіміками А. До. Лаврухіною, А. А. Позняковим й З. З. Родіним, а із опроміненого торію — американським радіохіміком Є. Хайдом. Виділення францію засноване на осадженні його із нерозчинними солями (перхлоратом чи кремневольфраматом цезію) чи із 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 чи золота багатозарядними іонами бору, вуглецю чи неону, прискореними на циклотронах чи лінійних прискорювачах. Придатні такі парі «мішень + снаряд»: Pb+B; Tl+C; Au+Ne. Приміром, францій-212 утворюється при опроміненні золотої фольги іонами неону-22 із енергією 140 МеВ:

79Au197 + 10Ne22 = 89Ac219 = 87Fr 212+ 2He4 + 30n1.

як ж здійснюються «алхімічні» процеси XX століття? Найтоншу золоту фольгу (товщиною усього кілька мікрон), поміщену в касету, опромінюють прискореними іонами неону — відбувається ядерна реакція, у результаті чого утворюється ізотоп францію із масовим числом 212. Після півгодинної «артпідготовки» касету із фольгою доставляють у лабораторію, де в захисній шафі за допомогою маніпулятора опромінене золото витягають із касети. Зовні фольга виглядає то й перед дослідом; на самом деле ж вона містить десятки тисяч атомів францію. Відверто кажучи, зовсім негусто, але й сучасним ученим найчастіше припадати матір справу буквально із декількома атомами речовини. Так, елемент № 101 (згодом назв мендєлєвієм) був відкритий американськими вченими, коли у яких «у руках» побувало всьго 17 атомів, на те не одночасно, а результаті приблизно дюжини експериментів (по 1−2 у кожному). Так що десятки тисяч атомів — це цілий скарб.

Отже, францій одержаний, але й робота із ним лише починається: адже його треба витягти із золота і очистити від всіх інших осколків розпаду атомних ядер, а уже потім піддати детальному дослідженню. Усе це треба проробити воістину із «космічною» швидкістю, оскільки період напіврозпаду ізотопу францію, який одержують при «обстрілі» золота, лише 19 хвилин.

Спочатку фольгу розчиняють у «царській горілці» й за допомогою спеціальних «золотоуловлювачів» видаляють весь дорогоцінний (але й зовсім зайвий у даній ситуації) метав. Тепер треба переконатися, що ця операція пройшла успішно: електронні прилади, в основі роботи які лежить метод мічених атомів, категорично «заявляють», що в розчині немає жодного атома золота. Алі не все вилучені інші домішки. Якщо смердоті залишаться, то досліджувати францій безглуздо, бо картина може бути перекручена й вчені отримають неправдиву інформацію. А відпущений годину невблаганно скорочується.

Позбавлений золота розчин кілька разів проганяють крізь колонку, що заповнена речовиною, що жадібно поглинає усі зайві продукти ядерних реакцій й пропускає лише францій. І вісь нарешті очищення закінчене. Крапельку розчину розміщають у поглиблення на тефлоновій пластинці і опромінюють могутнім потоком інфрачервоних променів. Через кілька секунд від краплі нічого не залишається. Алі випарувався лише розчин, а атоми францію повинні «лежати» на пластинці. Щоб переконатися в цьому, її вставляють у камеру чутливого приладу, де створюється вакуум, й крихітна неонова лампочка сигналізує про ті, що францій є. Алі чому горить лише одна із багатьох лампочок? Це означає, що францій чистий. Якби до нього приєднались сторонні атоми, то загорілися бі і інші лампочки. Алі, на щастя, непотрібної ілюмінації немає - можна приступати до хімічного дослідження францію. На цю завершальну й, мабуть, найвідповідальнішу стадію експерименту відведені лічені хвилини, інакше від францію залишаться лише спогади. Не випадково вчені в жарт називають такі досліди «хімією на бігу».

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

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

За рокта, що пройшли із години відкриття францію, пророблено безліч дослідів, виконані сотні розрахунків. Сьогодні науці відомі основні фізичні й хімічні властивості цого елемента. Його густина 1,87 г/см3, температура кипіння приблизно 670 °C, як від у відношенні точки плавлення францію у вчених немає єдиної точки зору. Праворуч в тім, що вимірити цю температуру поки що не вдається, оскільки наука абсолютно не в змозі синтезувати францій у вагових кількостях; інакше кажучи, було б б що плавити, тоді було б б й що вимірювати. Щоправда, сьогодні радіохіміки вміють працювати й із так званими субмікроскопічними кількостями речовини (так, маса вперше отриманого в металічному стані берклію складала всьго п’ять мільйонних часток грама). Алі й тоді результати визначення температури плавлення францію не можна було б б вважати точними, бо чим менше розмір часток речовини, тім нижче точка його плавлення (наприклад, частки золота розміром 0,01 мікрона плавляться не при 1063 °C, як властиво золоту, а лише при 887°С).

Тому шукану характеристику францію вчені одержують лише теоретично — шляхом зіставлення властивостей інших лужних металів, з’ясування існуючого між ними взаємозв «язку і екстраполяції, тобто продовження установленої графічної залежності до області, для якої немає експериментальних даних. Алі цей шлях не дає настільки точних результатів, як сучасні способи виміру температури. Звідси й розбіжності, що залежать від того, котрі теоретичні передумови покладені основою розрахунку.

Розділ 4. Хімічні властивості.

Теоретично францій винен бути практично повним хімічним аналогом своїх найближчих сусідів по групі лужних металів — цезію та рубідію. В частности, його ступінь окислення у сполуках завжди має становити +1, а сам елемент в металічному стані має бути найактивнішим із всіх металів.

Усі досліди по вивченню хімічних властивостей францію проводилися, звісно, із ультрамалими кількостями цого елемента. У розчинах було б лише 10−13 — 10−9 р францію. При таких концентраціях можуть статі важливими процеси, про котрі ми звичайно забуваємо, маючи справу із макрокількостями речовини. Наприклад у цих умовах радіоактивний ізотоп може «втратитися» із розчину, адсорбувавшись на стінках посудин, на поверхні осадів, на можливих домішках… Тому, здавалося б, вивчаючи властивості францію, варто оперувати более концентрованими розчинами. Алі в цьому випадку виникають нові труднощі через процеси радіолізу і іонізації.

І все-таки, Незважаючи на усі труднощі, отримані деякі достовірні дані про хімічні властивості францію. Найбільш повно вивчено осадження францію із різними нерозчинними сполуками. Він випадає із розчину разом з хлороплатинатами цезію й рубідію Cs2PtCl6 й Rb2PtCl6, хлоровісмутатом Cs2BiCl6, хлоростаннатом Cs2SnCl6 й хлороантимонатом цезію Cs2SbCl6? 2,5 H2O, а також вільними гетерополікислотами — кремневольфрамовою й фосфорновольфрамовою.

Францій легко адсорбується на йонообмінних смолах (сульфокатіонітах) із нейтральних й слабокислих розчинів. За допомогою цих смол легко відокремити францій від більшості хімічних елементів. Від, мабуть, й усі успіхи.

Розділ 5. Використання.

Звичайно, говорити про хоч якесь практичне застосування в техніці і виробництві речовини, тривалість «життя» якої становить близько 22 хв, не доводитися, проте певні заподіяння в науці францій уже виконує.

Ізотоп 223Fr знаходить обмежене застосування — для визначення 227Ac по ?-випроміненню дочірнього 223Fr, а дослідження міграції іонів важких лужних металів у біологічних про «єктах.

Характерне для францію випромінювання дозволяє, наприклад, швидко визначити, чи є в тихий чи інших природних про «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 уже успішно проведені на пацюках. Майбутнє безсумнівно розкриє і інші «здібності» францію, а поки…

Розділ 6. Список використаної літератури.

1. З. І. Венецкий. Про рідкісних і рассеяных (Розповіді про металах). — Москва:

Металургія, 1980. — 184 с.

2. М. А. Фигуровский «Відкриття елементів і походження їх назв. -.

Москва: Наука, 1970.

3. М. Л. Глінка. Загальна хімія. Під редакцією канд. хім. наук.

У. А. Рабиновича. — Ленінград: «Хімія», 1985.

4. І. Р. Хомченко, Загальна хімія: підручник. — Москва: ТОВ вид. «Новая.

Хвиля": ЗАТ «Видавничий будинок ОНІКС». 1999 р. — 464 з. ©.

Хомченко І. Р., 1997 г.

5. Р. П. Хомченко, І. До. Цитович. Неорганічна хімія.- Київ: «Вищу школу», 1978 г.

6. Еге. Т. Оганесян Неорганічна хімія. — Київ: «Вищу школу», 1984 г.

7. Хімія — довідник школяра. «Дрохва», 1997.

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

Press, 1998.

9. Weast, Ph. D., Robert З., «Francium. «Handbook of Chemistry and.

Physics. 56th edition. 1975;1976.

10. internet elements/text/Fr.