Frankium

Radon ← Frankium → Radium Cs ↑ Fr ↓ Uue       Koko taulukko
Yleistä
Nimi	Frankium
Tunnus	Fr
Järjestysluku	87
Luokka	metalli
Lohko	s
Ryhmä	1, alkalimetalli
Jakso	7
Tiheys	1,87 · 103 kg/m3
Kovuus	- (Mohsin asteikko)
Väri	metallinen
Löytövuosi, löytäjä	1939, Marguerite Perey
Atomiominaisuudet
Atomipaino (Ar)	(223)
Orbitaalirakenne	[Rn] 7s1
Elektroneja elektronikuorilla	2, 8, 18, 32, 18, 8, 1
Hapetusluvut	I
Kiderakenne	tilakeskeinen kuutiollinen
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuoto	kiinteä
Sulamispiste	300 K (27 °C)
Kiehumispiste	950 (?) K (677 (?) °C)
Höyrystymislämpö	n. 65 kJ/mol
Sulamislämpö	n. 2 kJ/mol
Muuta
Elektronegatiivisuus	0,7 (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti	luotettavaa dataa ei saatavissa kJ/(kg K)
Lämmönjohtavuus	(300 K) 15 (?) W/(m·K)
CAS-numero	7440-73-5
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa

Frankium on alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Fr (lat. francium), järjestysluku on 87 ja CAS-numero 7440-73-5. Frankium on hyvin radioaktiivinen alkalimetalli, jota löytyy uraani- ja toriummalmeista. Sen sulamispiste on 300 K (27 °C) ja kiehumispiste 950 K. Frankium on maankuoren toiseksi harvinaisin alkuaine astatiinin jälkeen. Se on myös viimeisin alkuaine, jota on löytynyt ensin luonnosta. Sen jälkeen uudet alkuaineet on ensin valmistettu laboratorioissa.

Frankium on saanut nimensä Ranskan (France) mukaan, ja sen löysi vuonna 1939 Marguerite Perey Curie-instituutissa Pariisissa. Frankium on raskain alkalimetalleista. Sitä esiintyy uraanimalmeissa, joissa sitä syntyy aktiniumin alfa­hajoamisen tuloksena. On arvioitu, että sitä on noin 550 grammaa koko maankuoressa.

Keinotekoisesti frankiumia voidaan valmistaa pommittamalla syklotronissa toriumia protoneilla tai ydinreaktorissa radiumia neutroneilla. Sitä on kuitenkin valmistettu vain aivan pieniä määriä tutkimus­tarkoituksiin.

Frankiumista tunnetaan 33 isotooppia, joista ainoa luonnosta löytyvä ²²³Fr on pitkäikäisin 22 minuutin puoliintumisajalla. Useimpien muiden isotooppien puoliintumis­aika on alle minuutin.

Frankiumin kemiallisia ominaisuuksia tunnetaan kohtalaisen vähän, koska se on erittäin harvinainen alkuaine. Frankiumia on tutkittu radiokemiallisilla menetelmillä ja on selvinnyt, että sen stabiilein tila on ionimuodossa Fr . Frankium on kaikista tunnetuista alkuaineista vähiten elektronegatiivinen, minkä takia sen pitäisi olla kaikista alkalimetalleista kemiallisesti aktiivisin. Kemiallisilta ominaisuuksiltaan frankium muistuttaa muita alkali­metalleja, eniten cesiumia, joka on luonnosta löytyvistä alkalimetalleista frankiumin jälkeen toiseksi raskain ja sijaitsee jaksollisessa järjestelmässä heti frankiumin yläpuolella.

Esiintyminen luonnossa

Frankiumia löydetään luonnosta ainoastaan uraani- ja toriummalmeista, joihin sitä muodostuu aktiniumin alfahajoamisessa:

²²⁷Ac → ²²³Fr ⁴He

Syntyvä ²²³Fr on pitkäikäisin isotooppi; sen puoliintumisaika on 22 minuuttia. Joidenkin lähteiden mukaan frankiumia on arvioitu olevan maankuoressa ainoastaan 20–30 grammaa.

Valmistus syntetisoimalla

Tunnettuja frankiumin syntetisointimenetelmiä ovat radiumin pommitus neutroneilla sekä toriumin pommitus protoneilla. Frankiumia on mahdollista valmistaa myös kullan ja hapen fuusiolla. Frankiumia muodostuu fuusioreaktiossa, kun hapen ¹⁸O-isotooppi törmäytetään lineaarisen hiukkaskiihdyttimen avulla kultaan:

¹⁹⁷Au ¹⁸O → ²¹⁵Fr

Fuusioreaktiosta vapautuva energia purkautuu neutroneina, minkä seurauksena muodostuu ²⁰⁸Fr, ²⁰⁹Fr, ²¹⁰Fr sekä ²¹¹Fr-isotooppeja. Säätämällä törmäävien happi-ionien energiaa voidaan vaikuttaa siihen, mitä frankiumin isotooppeja reaktiossa syntyy.

Syntyneet frankiumin isotoopit ionisoituvat kullan pinnalla, josta ne ohjataan sähkökentän avulla vakuumissa olevaan magneto-optiseen loukkuun neutraloimalla ne ensin kuumennetun yttriumin avulla. Tällä menetelmällä on pystytty keräämään enimmillään noin 300 000 frankiumatomia. Loukkuun jääneiden frankiumatomien fluoresenssin avulla on ensimmäistä kertaa päästy kokeellisesti tutkimaan frankiumin energiatasojen välisiä siirtymiä. Atomit viipyvät loukussa noin puoli minuuttia, minkä jälkeen ne hajoavat radioaktiivisesti.

Frankiumin käyttö

Frankiumia on käytetty rajoitetusti biologisissa kokeissa. Tutkimuksessa, jossa alkalimetallien (frankiumin, rubidiumin ja cesiumin) jakautumista rottien eri elimiin tutkittiin, kävi ilmi alkalimetallien kertyminen pääasiassa munuaisiin, maksaan ja sylkirauhaisiin. Frankiumin huomattiin kerääntyvän myös keinotekoisesti aiheutettuun sarkoomaan; frankium konsentroituu syöpäkudokseen vasta, kun syövän kasvu alkaa. Tällainen menetelmä syöpäsairauksien diagnosoinnissa voisi olla lupaava, koska frankiumin isotoopeilla ²²³Fr tai ²¹²Fr on lyhyt puoliintumisaika, eikä se siten aiheuta juuri ollenkaan kudosvaurioita.

Lyhyestä puoliintumisajastaan huolimatta frankiumia voidaan käytännössä käyttää aktiniumin tunnistamiseen näytteestä. Alkuperäisen näytteen eristetystä aktiniumista erotetaan kolmen tunnin kuluttua frankium, jonka β-aktiivisuus ²²³Fr-isotoopille mitataan. Menetelmä mahdollistaa aktiniumin tunnistamisen näytteestä riittävällä tarkkuudella, kun läsnä on muita radioaktiivisia alkuaineita.

Frankiumin yksinkertaisen atomirakenteen ja suuren atomimassan vuoksi se on hyödyllinen tutkittaessa luonnon perusteorioita. Yksinkertaisen rakenteen vuoksi elektronien väliset vuorovaikutukset ovat muita alkuaineita pienemmät, mikä mahdollistaa sen, että frankiumille voidaan laskea erittäin tarkasti elektroniset aaltofunktiot.

Aiheesta muualla

• Periodictable: Technical data for Francium (englanniksi)
• Mindat: The Mineralogy of Francium (englanniksi)
• Luettelo frankiumin isotoopeista The Isotopes Project Home Page (englanniksi)
• The Royal Society of Chemistry (RSC): Francium (englanniksi)
• PeriodicTable: Francium (Fr) (englanniksi)
• PubChem: Francium (englanniksi)