عنصر فرانسیم (Francium) با نماد شیمیایی Fr، یکی از عناصر شیمیایی جدول مندلیف است که عدد اتمی آن ۸۷ می باشد. این عنصر در حقیقت هشتاد و هفتمین عنصر از جدول تناوبی بوده که در گروه IA و دوره هفتم جدول قرار گرفته است. در واقع عنصر فرانسیم یک فلز نقره ای به شدت رادیواکتیو است که از عناصر گروه فلزات قلیایی می باشد. این فلز با عناصر هیدروژن (H)، لیتیم (Li)، سدیم (Na)، پتاسیم (K)، روبیدیم (Rb)، و سزیم (Cs)، در گروه یک اصلی (خانواده لیتیوم) و بلوک s جدول تناوبی عناصر قرار گرفته است. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی عنصر فرانسیوم پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.
تاریخچه کشف عنصر فرانسیم
در دهه ۱۸۷۰ میلادی، شیمیدانان شواهدی مبنی بر وجود عنصری با عدد اتمی ۸۷ (که در گروه فلزات قلیایی جدول تناوبی عناصر و در زیر عنصر سزیم) ارائه شد. به عنوان مثال، شیمیدان روسی دوبرو سردوف (Dmitry Dobroserdov) اولین کسی بود که ادعای کشف عنصری با نام روسیم یا اکا سزیم را عنوان نمود. وی در سال ۱۹۲۵ میلادی، متوجه وجود مقداری رادیواکتیویته ضعیف در یک نمونه پتاسیم شد. سردوف نتیجه گرفت که این نمونه می تواند دارای مقداری از همان عنصر ۸۷ مورد نظر باشد. در سال بعد، شیمیدانان انگلیسی به نام های جرالد دروس (Gerald J. F. Druce) و فردریک لورینگ (Frederick H. Loring) خطوط طیفی مربوط به اشعه ایکس منگنز (II) سولفات را بررسی کردند. آنان گمان می کردند که این خطوط مربوط به اکا سزیم است. آنان این کشف را آلکالینیم نامیدند.
در سال ۱۹۳۰ میلادی، فرد آلیسون (Fred C. Allison)، مدعی کشف این عنصر جدید شد. او پیشنهاد کرد که به خاطر زادگاهش (ایالت ویرجینیا) این عنصر را ویرجینیم نامگذاری کنند. البته ادعای آلیسون توسط مک فرسون (H.G. MacPherson) رد شد. به بیان دیگر، گروه های پژوهشی مختلف تلاش های زیادی را برای یافتن و همچنین خالص سازی این عنصر ناشناخته آغاز کردند. در نهایت، عنصر فرانسیم برای نخستین بار در سال ۱۹۳۹ میلادی، توسط شیمیدانان فرانسوی به نام مارگریت کاترین پری (Marguerite Perey) در پاریس کشف شد. پری در واقع این عنصر را در زمان آنالیز توالی متلاشی شدن عنصر اکتینیوم بدست آورد. بنابراین واژه فرانسیم از کلمه فرانسه و به افتخار زادگاه پری و همچنین کشوری که عنصر در آن کشف شده بود گرفته شده است. از این جهت، فرانسیم به آخرین عنصر کشف شده ای تبدیل شد که در طبیعت به شکل آزاد وجود دارد.
پیدایش و منابع عنصر شماره ۸۷ جدول تناوبی
عنصر فرانسیم به طور طبیعی در سنگ معدن اورانیوم و توریم (در مقادیر بسیار ناچیز) یافت می شود. در واقع مقدار فرانسیم را در پوسته زمین کمتر از ۱ اونس تخمین زده شده است. به عبارت دیگر، در هر زمان مشخصی و به دلیل ناپایدار بودن فرانسیم، تنها حدود ۳۰ گرم فرانسیم در پوسته زمین وجود دارد. عنصر فرانسیوم در حقیقت سنگین ترین فلز قلیایی است. این عنصر در نتیجه فروپاشی آلفای آکتینیوم بوجود می آید. بنابراین می توان آن را به شکل مصنوعی به وسیله بمباران توریم با پروتون یا با بمباران رادیوم با نوترون تهیه کرد. جالب است بدانید که تا کنون، هیچ گروه تحقیقاتی نتوانسته مقدار قابل توزینی از فرانسیوم را تولید کند. پس این عنصر هنوز تهیه یا جداسازی نشده است و به احتمال زیاد نیز هرگز نخواهد شد.
ویژگی های فیزیکی و شیمیایی عنصر فرانسیم
همانطور که بیان شد، به دلیل نایابی و همچنین نا پایداری عنصر فرانسیم، امکان جدا کردن اتم های این عنصر در حدی که قابل اندازه گیری باشند وجود ندارد. به بیان دیگر، فرانسیم ناپایدار ترین عنصر در میان صد و یک عنصر اول است. به همین علت، برای بررسی خواص آن بیشتر بر روی مکان آن، در جدول تناوبی عناصر تکیه می کنند. از نظر خصوصیات شیمیایی، نزدیک ترین عنصر به فرانسیم، عنصر سزیم است. بنابراین پیش بینی می شود که خواص فرانسیوم بسیار شبیه به عنصر سزیم باشد. فرانسیم در واقع، قوی ترین فلز قلیایی خاکی می باشد. این عنصر همچنین الکتروپزیتیو ترین عنصر جدول تناوبی شناخته شده است. از طرفی دیگر، عنصر فرانسیم بعد از عنصر آستاتین،کمیاب ترین و دومین عنصر نادر بر روی زمین است.
خصوصیات قابل توجه فرانسیم از ساختار اتمی ([۸۶Rn] 7s۱) آن ناشی می شود. همانند دیگر فلزات قلیایی، تنها یک الکترون در دورترین لایه الکترونی فرانسیم وجود دارد. پس عنصر شماره ۸۷ جدول تناوبی یک فلز یک ظرفیتی است. فاصله این تک الکترون تا هسته، نسبت به فاصله الکترون های نظیر در سایر فلزات قلیایی بیش تر است. بنابراین عنصر واکنش پذیر تر خواهد بود. علاوه بر آن، این عنصر بیشترین وزن اکی والان را بین تمام عناصر طبیعی نشان می دهد. محاسبات نشان داده است که فرانسیوم کمترین مقدار الکترونگاتیویته را در بین عناصری که تا به امروز کشف شده اند را دارد. همچنین پیش بینی می شود که مقدار انرژی یونش فرانسیوم کمی از عنصر سزیم بیشتر باشد.
واکنش فرانسیوم با آب
علاوه بر آن، پیش بینی می شود که واکنش آن با آب، پر انرژی و شاید حتی انفجاری باشد. همانگونه که بیان شد، فرانسیوم در پایین جدول تناوبی عناصر قرار گرفته است. از این رو، فاصله تک الکترون فرانسیوم تا هسته زیاد می باشد. این تک الکترون می تواند به راحتی با سایر مولکول ها همچون آب واکنش دهد. به بیان دیگر، در هنگام واکنش با آب، گاز هیدروژن، هیدروکسید فرانسیوم و همزمان حرارت زیادی تولید می شود. در این صورت، کل منطقه با مواد رادیواکتیو آلوده خواهد شد. از طرفی دیگر و از آنجاییکه فرانسیوم رادیواکتیو است، پس انتظار می رود که حرارت آزاد کند. همانطور که می دانید، بسیاری از واکنش های شیمیایی با افزایش دما با سرعت بیشتری انجام می شوند. در اینجا، فرانسیم انرژی اتلاف رادیواکتیو را وارد محیط می کند که انتظار می رود فرآیند واکنش با آب افزایش یابد.
- حالت فیزیکی آن در دمای ۲۵ درجه سلسیوس و فشار ۱ اتمسفر به صورت جامد است.
- دمای ذوب و دمای جوش این عنصر به ترتیب ۲۷ و ۶۷۷ درجه سانتی گراد است.
- عنصر فرانسیم پارا مغناطیس است.
- ساختار بلوری آن به شکل مکعبی مرکز پر (bcc) است.
- این عنصر آلوتروپ ندارد.
- جرم اتمی فرانسیم برابر با ۲۲۳ g/mol است.
- چگالی آن نیز برابر با ۱.۸۷ g/cm۳ می باشد.
- شعاع اتمی آن نا مشخص می باشد.
- یون های فرانسیم معمولا عدد اکسایش برابر با اعداد،۰ و +۱ را دارند. از این جهت به عنوان اکسید بازی بسیار قوی محسوب می شود. اعداد اکسایش +۱ متداول تر می باشد.
- انرژی یونیزاسیون آن برابر با ۳۸۰ kJ/mol است.
ایزوتوپ های عنصر فرانسیم
همانطور که در مقالات پیشین نشریه گفته شده است، ایزوتوپ های یک عنصر، تنها در تعداد نوترون ها با هم تفاوت دارند. دقت داشته باشید که عنصر فرانسیم تنها عنصری محسوب می شود که هیچ ایزوتوپ پایداری ندارد. فرانسیمی که در طبیعت وجود دارد، دارای دو ایزوتوپ رادیواکتیو ۲۲۳Fr و ۲۲۱Fr می باشد. توجه داشته باشید که ایزوتوپ دوم بسیار بیشتر وجود دارد. علاوه بر آن، هفت ایزومر هسته ای متا نیز تا به امروز کشف شده است.
عنصر فرانسیوم دارای ۳۴ ایزوتوپ پرتوزای شناخته شده است. جرم اتمی این ایزوتوپ ها بین ۱۹۹ تا ۲۳۲ قرار دارد. ایزوتوپ رادیواکتیو ۲۲۳Fr، پایدار ترین ایزوتوپ فرانسیم با نیم عمر برابر با ۲۱/۸ دقیقه می باشد. بعد از آن، ۲۱۲Fr با نیمه عمر برابر با ۲۰ دقیقه پایدارترین ایزوتوپ می باشد. از طرفی دیگر، ناپایدار ترین رادیو ایزوتوپ فرانسیم، در حالت پایه، ۲۱۵Fr با نیمه عمری برابر با ۰/۱۲ میکرو ثانیه است.
کاربرد های عنصر فرانسیم
عنصر فرانسیم به دلیل ناپایداری و همچنین کمیاب بودن، کاربرد تجاری ندارد. با این حال و با وجود نیمه عمر کوتاه این عنصر، امروزه دانشمندان کاربرد های زیادی را برای این عنصر پیش بینی کرده اند. از جمله استفاده آن می توان در پزشکی هسته ای و یا تحقیقات هسته ای اشاره کرد. امروزه تحقیقاتی در مورد کاربرد فرانسیم در درمان و تشخیص بیماری سرطان انجام شده است. متاسفانه انجام این عمل حتی با پیشرفت های صورت گرفته، تا حدودی نا ممکن به نظر می رسد.
ویژگی های فرانسیوم همچون سنتز شدن و ساختار اتمی ویژه ای که دارد، باعث شده که در آزمایشات طیف سنجی، تحقیقات درباره خواص شیمیایی و همچنین ساختار اتمی مورد استفاده قرار گیرد. این آزمایشات به درک و فهم اطلاعات بیشتری در زمینه های پتانسیل شیمیایی، تراز های انرژی و ذرات زیر اتمی کمک می کند. به نظر می رسد که حتی بتوان از عنصر فرانسیوم در آزمایشات مربوط به نیروگاه های هسته ای و یا سیکلو ترون ها استفاده کرد. بررسی ها بر روی نور گسیل شده به وسیله یون های فرانسیم-۲۱۰ به دام انداخته شده به وسیله لیزر، داده ها و اطلاعات دقیقی درباره گذار های بین تراز های انرژی اتمی در اختیار محققین گذاشته اند. این نتایج، شباهت زیادی به نتایج پیش بینی شده به وسیله نظریه کوانتومی دارد.
ترکیبات عنصر فرانسیم
عنصر فرانسیم می تواند با بسیاری از نمک های سزیم همچون پرکلرات (–ClO۴)، یدید (–I)، تارتارات (–C۴H۴O۶۲)، کلرو پلاتینات، سیلیسیم تنگستات و روبیدیم تاتارات واکنش دهد. از واکنش فرانسیوم با سیلیسیم تنگستات و کلرو پلاتینات، به ترتیب ترکیبات اسید سیلیکو تنگستیک (H۴[W۱۲SiO۴۰]) و پرکلریک اسید (HClO۴) تولید می شود. لازم به ذکر است که نمک های عنصر فرانسیم محلول در آب می باشند.
خطرات فرانسیوم بر روی سلامتی انسان
ترکیبات فرانسیم در طبیعت به ندرت پیدا می شوند. در پوسته زمین به طور کلی می توان گفت که فقط ۳۴۰ تا ۵۵۰ گرم فرانسیوم وجود دارد. از طرفی، تمام ایزوتوپ های این عنصر رادیواکتیو بوده و اغلب آنها بسیار ناپایدار هستند. بنابراین به دلیل نایابی و نا پایداری عنصر فرانسیم، تاثیر آن بر روی سلامتی و محیط زیست قابل بررسی نمی باشد.
