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钫

原子序数为87的化学元素
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钫（英语：Francium；中国大陆、港澳译为钫（fānɡ），台湾译为鍅（fǎ）），是一种化学元素，其化学符号为Fr，原子序数为87。钫是一种放射性极高的金属，半衰期很短，是前105种化学元素中稳定性最低的，比许多超铀元素都要不稳定，其同位素会快速衰变成砹、镭或氡。它最长寿的同位素——钫-223的半衰期仅22分钟。钫的电负性是所有元素第二低的，仅次于其上方的铯。钫的电子排布为[Rn] 7s1，因此该元素被归类为碱金属。

钫 87Fr
氢（非金属） 氦（稀有气体）
锂（碱金属） 铍（碱土金属） 硼（类金属） 碳（非金属） 氮（非金属） 氧（非金属） 氟（卤素） 氖（稀有气体）
钠（碱金属） 镁（碱土金属） 铝（贫金属） 硅（类金属） 磷（非金属） 硫（非金属） 氯（卤素） 氩（稀有气体）
钾（碱金属） 钙（碱土金属） 钪（过渡金属） 钛（过渡金属） 钒（过渡金属） 铬（过渡金属） 锰（过渡金属） 铁（过渡金属） 钴（过渡金属） 镍（过渡金属） 铜（过渡金属） 锌（过渡金属） 镓（贫金属） 锗（类金属） 砷（类金属） 硒（非金属） 溴（卤素） 氪（稀有气体）
铷（碱金属） 锶（碱土金属） 钇（过渡金属） 锆（过渡金属） 铌（过渡金属） 钼（过渡金属） 锝（过渡金属） 钌（过渡金属） 铑（过渡金属） 钯（过渡金属） 银（过渡金属） 镉（过渡金属） 铟（贫金属） 锡（贫金属） 锑（类金属） 碲（类金属） 碘（卤素） 氙（稀有气体）
铯（碱金属） 钡（碱土金属） 镧（镧系元素） 铈（镧系元素） 镨（镧系元素） 钕（镧系元素） 钷（镧系元素） 钐（镧系元素） 铕（镧系元素） 钆（镧系元素） 铽（镧系元素） 镝（镧系元素） 钬（镧系元素） 铒（镧系元素） 铥（镧系元素） 镱（镧系元素） 镥（镧系元素） 铪（过渡金属） 钽（过渡金属） 钨（过渡金属） 铼（过渡金属） 锇（过渡金属） 铱（过渡金属） 铂（过渡金属） 金（过渡金属） 汞（过渡金属） 铊（贫金属） 铅（贫金属） 铋（贫金属） 钋（贫金属） 砹（类金属） 氡（稀有气体）
钫（碱金属） 镭（碱土金属） 锕（锕系元素） 钍（锕系元素） 镤（锕系元素） 铀（锕系元素） 镎（锕系元素） 钚（锕系元素） 镅（锕系元素） 锔（锕系元素） 锫（锕系元素） 锎（锕系元素） 锿（锕系元素） 镄（锕系元素） 钔（锕系元素） 锘（锕系元素） 铹（锕系元素） 𬬻（过渡金属） 𬭊（过渡金属） 𬭳（过渡金属） 𬭛（过渡金属） 𬭶（过渡金属） 鿏（预测为过渡金属） 𫟼（预测为过渡金属） 𬬭（预测为过渡金属） 鿔（过渡金属） 鿭（预测为贫金属） 𫓧（贫金属） 镆（预测为贫金属） 𫟷（预测为贫金属） 鿬（预测为卤素） 鿫（预测为稀有气体）
铯
↑
钫
↓
Uue
氡 ← 钫 → 镭
概况
名称·符号·序数钫（Francium）·Fr·87
元素类别碱金属
族·周期·区1·7·s
标准原子质量[223]
电子排布[Rn] 7s1
2, 8, 18, 32, 18, 8, 1
钫的电子层（2, 8, 18, 32, 18, 8, 1）
钫的电子层（2, 8, 18, 32, 18, 8, 1）
历史
发现马格利特·佩赖（1939年）
分离马格利特·佩赖（1939年）
物理性质
物态液体估计 （有可能为固体，因其熔点的估计值恰位于室温（25°C）上下）
密度（接近室温）
? 2.48（推算）[1] g·cm−3
熔点? 298[2] K，? 25 °C，? 77 °F
沸点? 950 [3] K，? 677 °C，? 1250 °F
熔化热约2 kJ·mol−1
汽化热ca. 65 kJ·mol−1
蒸气压（（推算））
压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 404 454 519 608 738 946
原子性质
氧化态+1（强碱性氧化物）
电负性>0.79（鲍林标度）
电离能第一：393[4] kJ·mol−1
共价半径260（推算） pm
范德华半径348（推算） pm
杂项
磁序顺磁性
电阻率3 µ（计算值） Ω·m
热导率15（推算） W·m−1·K−1
CAS号7440-73-5
同位素
主条目：钫的同位素
同位素 丰度 半衰期​（t1/2） 衰变
方式 能量​（MeV） 产物
210Fr 人造 3.18 分钟 α 6.671 206At
β+ 5.239 210Rn
211Fr 人造 3.10 分钟 α 6.662 207At
β+ 3.593 211Rn
212Fr 人造 20.0 分钟 β+ 5.143 212Rn
α 5.507 208At
221Fr 痕量 4.801 分钟 α 6.458 217At
β− 0.313 221Ra
222Fr 人造 14.2 分钟 β− 2.058 222Ra
223Fr 痕量 22.00 分钟 β− 1.149 223Ra
α 5.561 219At

块体的钫金属从未被观察到。根据元素周期表的同族元素特性规律，当足量的钫聚集在一起形成一块固体或液体时（因钫熔点低，室温时可能为液态），它会是高活性金属。获取大量的钫几乎是不可能的，因为钫的半衰期短，放射性强，其衰变放出的热会立即使钫汽化成蒸气。

1939年[5]，法国物理学家玛格丽特·佩里在法国（钫的名字由此而来）从227Ac的衰变产物中发现了钫元素。钫是最后一个从自然界中发现，而非经由人工合成发现的元素。[注 1]钫在实验室以外极为罕见，它会痕量出现在铀矿中，不断地形成与衰变，地壳中只有约20至30克的钫同时存在，在天然元素中的含量仅高于砹。除了钫-223和221以外，其他同位素都是在实验室中人工制得。在实验室中产生最大量的钫元素为超过300,000个钫原子的团簇。[6]

特性

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钫是最不稳定的天然元素之一，其最稳定同位素钫-223的半衰期也只有22分钟。唯一不稳定性可以和钫比较的天然元素是砹，虽然人造的砹-210有较长的半衰期（8.1小时），但在天然中存在的最稳定砹同位素砹-219（钫-223的α衰变产物）的半衰期只有56秒。[7]所有钫同位素都会衰变为砹、镭或氡。[7]钫的稳定性甚至比原子序106（𬭳）以下的所有人工合成元素都要低。[8]

钫是一种碱金属，化学属性与铯相近，[8]同样只有一颗价电子。[9]它在所有元素中有最高的等效质量（英语：equivalent weight）。[8]如果成功制成，液态钫在熔点下的表面张力将为0.05092 N/m。[10]钫的熔点预测在8.0 °C（46.4 °F）左右[1]，也有数据称是27 °C（81 °F），[8]但由于钫既罕有又具放射性，所以这些数字并不一定准确。基于门德列夫的方法给出了20 ± 1.5 °C（68.0 ± 2.7 °F）的值。钫的预测沸点620 °C（1,148 °F）也是不确定的，598 °C（1,108 °F）、677 °C（1,251 °F）还有门德列夫方法外推出来的640 °C（1,184 °F）也都是有人建议的预测值。[1][10]钫的密度预测在2.48  g/cm3左右（门德列夫的方法计算出的值为2.4 g/cm3）。[1]

莱纳斯·鲍林估计钫的电负性为0.7，当时与铯相同。[11]铯的电负性之后被修正为0.79，但因数据不足，不能同样地修正钫的电负性数字。[12]正如相对论效应所预测的那样，钫的电离能（392.811(4) kJ/mol）比铯（375.7041(2) kJ/mol）稍高，[13]这意味着铯是两者中电负性较小的。钫的电子亲和能应该也比铯高，Fr−离子也会比Cs−离子更易极化。[14]不像其它已知的异核双原子分子，CsFr分子的负电荷预计在钫的部分。超氧化钫（FrO2）比较轻的碱金属超氧化物有更显著的共价性，这归因于钫中的6p电子更多地参与到钫-氧键合。[14]

钫会和多种铯盐共沉淀，如高氯酸钫会和高氯酸铯共沉淀，从而分离出钫。其他能共沉淀的铯盐包括碘酸铯、苦味酸铯、酒石酸铯、氯铂酸铯以及硅钨酸铯。同样可与钫共沉淀的有硅钨酸和高氯酸，而不需要任何碱金属载体。[15][16]几乎所有钫盐都可溶于水。[17]

历史

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1870年，化学家就开始猜想铯以下存在着一种尚未发现的碱金属，原子序为87。[7]当时人们称其为“eka-caesium”（铯下元素）。[18]多个研究团队尝试发现并分离出这种新元素，在真正发现之前，至少出现了4次错误发现。

错误或不完整的发现

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苏联化学家D. K.多布罗谢尔多夫（Dobroserdov）是第一位声称发现了钫的科学家。1925年，他在一个钾样本中观察到弱放射性，错误地认为这是87号元素所造成的。实际上放射性来自自然产生的钾-40。[19]他而后发布了一篇有关预测87号元素的属性的论文，当中将其以他的国家俄罗斯（Russia）命名为Russium。[20]不久后，多布罗谢尔多夫开始专注于他在敖德萨理工学院的教学工作，而并没有继续研究这一元素。[19]

翌年，英国化学家杰拉尔德·德鲁斯（Gerald J. F. Druce）和费德里克·罗林（Frederick H. Loring）分析了硫酸锰的X光片，[20]以为观察到的光谱线来自于87号元素。他们发布了这项发现，把该元素命名为“Alkalinium”，因为它是最重的碱金属（alkali metal）。[19]

1930年，美国阿拉巴马州理工学院的弗雷德·艾利森（英语：Fred Allison）在用磁光仪器研究铯榴石（英语：Pollucite）和锂云母（英语：Lepidolite）后，声称发现了87号元素，并建议以他的家乡佛吉尼亚州（Virginia）命名为Virginium，符号Vi或Vm。[20][21]然而在1934年，伯克利加州大学的H. G.麦佛森（H. G. MacPherson）证明艾利森的仪器是无效的，并且推翻了他的发现。[22]

1936年，罗马尼亚物理学家霍里亚·胡卢贝伊（英语：Horia Hulubei）与法国物理学家伊维特·哥舒瓦（英语：HYvette Cauchois）也研究了铯榴石，使用的是高分辨率X-光仪器。[19]他们观察到几条弱发射光谱线，以为它们来自87号元素。胡卢贝伊和哥舒瓦发布了这项发现，并以胡卢贝伊的诞生地罗马尼亚摩尔达维亚省（Moldavia）命名为Moldavium，符号为Ml。[20]1937年，美国物理学家F. H.盖斯（F. H. Hirsh Jr.）对胡卢贝伊的研究手法进行了批判。盖斯非常肯定87号元素不会在自然界中发现，并声称胡卢贝伊观察到的其实是汞和铋的X-射线光谱线。胡卢贝伊坚持自己的X-光仪器和实验方法足够准确，他的发现不可能是错误的。胡卢贝伊的导师，诺贝尔奖得主让·佩兰也支持他的发现。马格利特·佩里在1939年确实发现钫之后，一直都批评胡卢贝伊的研究，直到自己被承认为钫的正式发现者为止。[19]

佩里的发现

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1939年，法国巴黎居里研究所的马格利特·佩里在纯化锕-227的时候发现了钫元素。[23]锕-227的衰变能量应该是220 keV，但佩里却观察到衰变能量低于80 keV的粒子。她认为这些异常的衰变活动源自尚未发现的一种衰变产物。这种产物在纯化过程中已经被分离出去，所以是在纯锕-227样本中自然产生的。经过一系列测试之后，她消除了这种未知同位素是钍、镭、铅、铋和铊的可能性。该产物具有碱金属的属性（比如可以和铯盐共沉淀等），佩里因此判断这就是锕-227经α衰变所产生的87号元素。[18]佩里随后试图确定锕-227中β衰变与α衰变的比例。她的第一次测试将发生α衰变的概率设为0.6%，后来她将这个数字修改为1%。[24]

佩里把这一新同位素命名为锕-K（今天则称钫-223），[18]又在1946年提出正式命名Catium（化学符号Cm），因为她相信这种元素正离子（cation）的电正性是所有元素中最高的。佩里的其中一位导师伊雷娜·约里奥-居里反对这一命名，因为Catium一字更像是“猫元素”（cat），而非正离子。此外，这个命名的化学符号和分配给锔的化学符号一样。[18]佩里继而建议用法国（France）来命名为Francium，也就是钫的现名。国际纯粹与应用化学联合会在1949年接纳了这一名称，[7]钫也成为了继镓之后第二个以法国命名的元素。钫最初的符号为Fa，但不久后便改为Fr。[25]钫是1925年铼被发现后，最后一个在自然界中发现的元素。[18]欧洲核子研究中心在1970年代至1980年代间进一步研究了钫的结构。[26]

同位素

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主条目：钫的同位素

钫共有34个同位素，质量数从199到232不等，[27]另有7种亚稳态同核异构体[27]。所有钫同位素都具有极高的放射性，半衰期很短，非常不稳定。只有钫-223和钫-221存在于自然界中，其中钫-221罕见得多。[28]

钫-223是最长寿的钫同位素，半衰期为21.8分钟。[27]再发现或合成半衰期更长的钫同位素的可能性极低。[24]钫-223是锕衰变系的第五个产物，是锕-227的子同位素，锕-227只有1.38%的概率会α衰变成钫-223。[29]钫-223会再β衰变为镭-223（衰变能量为1149 keV），另有0.006%的α衰变路径，产物为砹-219（衰变能量为5.4 MeV）。[30]钫-223在出现于自然衰变链之前原本被称为actinium K。

钫-221的半衰期为4.8分钟。[27]它是镎衰变系的第九个产物，是锕-225的子同位素。[29]钫-221会再α衰变成砹-217（衰变能量为6.457 MeV）。[27]镎衰变系从镎-237开始，一直到砹-217都只有唯一的衰变途径，因此钫-221是唯一位在主要衰变途径中的钫同位素，惟自然界中的镎衰变系早已衰变殆尽，现时地壳中的镎衰变系初始同位素镎-237主要由铀-238发生核散裂（英语：Nuclear spallation）而痕量生成。[31]

基态最不稳定的同位素是钫-215，半衰期只有0.12微秒。它会α衰变为砹-211，能量为9.54 MeV。[27]

存量

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这一块沥青铀矿在同一时间含有大约10万颗钫-223原子（3.3×10-20 g）。[32]

自然界中的锕-227有1.38%的概率经α衰变产生钫-223，而钫-223的半衰期仅22分钟，因此钫只以痕量存在于铀和钍的矿石中。[8]在一个铀样本中，估计每1×1018个铀原子就有一个钫原子。[32]根据计算，地球的地壳中，同一时间只有约30克钫。[33]

合成

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钫可以通过金-197目标在直线加速器里被氧-18束轰击而成。这个过程最初于1995年由石溪大学物理系开发。[34]视氧束的能量，这一过程可以产生钫-209、210和211。

197Au + 18O → 209Fr + 6 n
197Au + 18O → 210Fr + 5 n
197Au + 18O → 211Fr + 4 n

核反应产生的钫会以离子形式离开金目标，静电透镜再把钫离子引导至一个钇金属片的表面，使钫离子变回中性原子，松散气体状态的中性钫原子再由磁光阱分离出来。[35]原子在磁光阱中只会停留20秒左右，之后逃脱或衰变，但新的原子会不断替代这些失去了的原子。这使得这些钫原子处于稳态，在长时间内包含相当恒定数量的原子。[35]首次进行这项实验时，科学家捕捉了几千个钫原子；在不断改进后，实验最终能够捕捉超过30万个钫原子。[6]对捕获的原子发射和吸收的光的测量提供了关于钫原子能级之间各种跃迁的第一个实验结果。初始测量显示实验值和基于量子理论的计算之间非常吻合。2012年的钫研究项目TRIUMF（英语：TRIUMF）通过这种方法产生了超过106个钫原子，其中有大量的209Fr还有少量的207Fr和221Fr。[36][37]

钫的其他合成方法有用中子撞击镭，或以质子、氘原子核或氦离子撞击钍。[24]

223Fr可以从其母同位素227Ac分离。通过NH4Cl–CrO3阳离子交换剂，可以从含锕物质中得到钫，这些钫可以通过其溶液通过含有硫酸钡载体的二氧化硅纯化。[38]

1996年，石溪大学小组在他们的磁光阱中捕获了3000个钫原子，这足以让摄像机捕捉原子发出的荧光。[6]钫的合成量还不足以称重。[7][32][39]

应用

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钫由于极为罕见、稳定性低，因此目前还没有商业应用。[40][32][41][29]它在化学[42]和原子结构等领域的研究中起到了作用。科学家曾提出用钫来诊断各种癌症，[7]但这一用途并不现实。[32]

钫可以被合成、捕捉和冷却，而且原子结构简单，因此它被用在一些光谱学实验中，在能级和亚原子粒子间的耦合常数上提供了新的信息。[43]对钫-210离子在激光捕捉下所发出的光谱的研究指出，钫的实际原子能级符合量子理论的预测。[44]

备注

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  1. ^ 一些像是锝、钷和砹等的人工合成元素在之后被发现痕量存在于自然界。

参考资料

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外部链接

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