Роль хімії в створенні нових матеріалів, Детальна інформація

Шостий енергетичний рівень: 8 ел.

Сьомий енергетичний рівень: 1 ел.

Найбільш стабільні ізотопи:

Ізотоп Період напіврозпаду Вид радіоактивності Результат розпаду

Fr-212 20.0 хв \x03B1/\x03B2+ At-208/Rn-212

Fr-221 4.8 хв \x03B1/\x03B2– At-217/Ra-221

Fr-222 14.3 хв \x03B2– Ra-222

Fr-223 21.8 хв \x03B1/\x03B2– At-219/Ra-223

Fr-225 4.0 хв \x03B2– Ra-225

Fr-210 3.18 хв \x03B1/\x03B2+ At-206/Rn-210

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 виключенням будуть три жіночих імені, якими вправі пишатися слабка стать: Марія Склодовська-Кюрі – першовідкривач полонію і радію, Іда Ноддак (Такке), що відкрила реній, і Маргарет Пере, якій судилося відкрити франций. Анітрохи не применшуючи величезних заслуг Марії Склодовської-Кюрі та Іди Ноддак, відмітимо, що науковий успіх вони поділяли зі своїми чоловіками П’єром Кюрі і Вальтером Ноддаком, у той час як Маргарет Пере при «народженні» францію обійшлася «без сторонньої допомоги».

Відкриття елементу № 87 (а саме під цим номером значиться францій у таблиці елементів) хіміки усього світу чекали довго – практично сім десятиліть. Справа в тім, що Д. І. Менделєєв, споруджуючи стрункий будівлю своєї періодичної системи, не завжди мав «під рукою» підходящий «будівельний» матеріал, і тому багато клітинок таблиці залишилися порожніми. Але геніальний учений розумів, що ці порожнечі – справа тимчасова: відповідні їм «цеглинки» повинні існувати в природі, але поки їм вдається залишатися непоміченими. Менделєєв не тільки вказав майбутнє «місце проживання» ряду елементів, але і з великою 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», опублікованої в 1871 році, Менделєєв писав: «Потім у десятому ряді можна чекати ще основних елементів, що належать до I, II і III груп. Перший з них повинний утворювати 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».

Йшли роки, науці ставали відомі все нові й нові елементи, але клітинка з 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, вже були відомі науці.

Так, не викликало сумнівів, що елемент № 87 повинен 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 з чим він міг бути присутнім у природі лише у виді солей, що володіють більшою розчинністю, ніж у всіх інших солей лужних металів. Оскільки від літію до цезію знижувалася температура плавлення (від 180,5 до 28,5°С), резонно було думати, що ека-цезій у звичайних умовах повинний подібно ртуті знаходитися в 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 його знаходиться в земній корі. Якщо врахувати, що вже на частку цезію в природі приходиться зовсім небагато атомів, то розташований під ним елемент № 87 міг і зовсім виявитися найрідкіснішим з рідкісних. Нарешті, радіоактивні «нахили» його сусідів праворуч (про які згадував у статті Менделєєв) – відкритих наприкінці XIX століття радію й актинію – дозволяли стверджувати, що і ека-цезій повинен мати радіоактивність.

Властивості елемента № 87 визначили два основних напрямки пошуку: одні вчені розраховували знайти його в мінералах лужних металів або в багатих ними водах мінеральних джерел і морів; інші воліли вести розшук на радіоактивних тропах, сподіваючись знайти ека-цезій серед продуктів розпаду сусідніх із ним елементів.

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

У 1925 році англієць І. Фріенд вирішив відправитися в Палестину, щоб вивчити води Мертвого моря, багаті лужними металами. «Уже кілька років назад, – писав він, – мені спало на думку, що якщо ека-цезій здатний до постійного існування, то його можна буде знайти в Мертвому морі». Що ж, ідея ця не позбавлена була змісту, але скільки не намагався вчений знайти рентгеноспектральним аналізом хоча б сліди елементу № 87, бажаних результатів він так і не домігся.

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

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

У 1937 році румунський хімік Г. Хулубей заявив, що ека-цезій знайдений їм у поллуциті, і запропонував іменувати новий елемент молдавієм. Але ні алкалінію, ні віргінію, ні молдавію не довелось зайняти вакантну клітинку в лівому нижньому куті періодичної таблиці.

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

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

Така була 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 вже на той час давні експерименти Мейера, Гесса і 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 є не домішки протактинію, а актиній. Провівши воістину ювелірне очищення актинію від усіх можливих домішок і «дочірніх продуктів» (тобто продуктів його радіоактивного розпаду), а потім досліджувавши отриманий найчистіший препарат актинію, Пере з'ясувала, що ізотоп цього елементу з масовим числом 227 має «радіоактивну вилку», або, інакше кажучи, здатний розпадатися по двох напрямках – з випромінюванням бета- і альфа-частинок. Правда, «зуби» у цієї вилки виявилися 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 відбувалося при альфа-випромінюванні?

P

n