钫
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外觀 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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銀白色(預測) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
概況 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
名稱·符號·序數 | 钫(Francium)·Fr·87 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
元素類別 | 碱金属 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
族·週期·區 | 1 ·7·s | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
標準原子質量 | (223) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
電子排布 | [Rn] 7s1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
歷史 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
發現 | 馬格利特·佩里(1939年) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
分離 | 馬格利特·佩里(1939年) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
物理性質 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
物態 | 液體估計 (有可能為固體,因其熔點的估計值恰位於室溫(25°C)上下) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
密度 | (接近室温) ? 1.87(推算)[來源請求]g·cm−3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
熔點 | ? 297 [來源請求]K,? 24 °C,? 75 °F | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
沸點 | ? 950 [來源請求]K,? 677 °C,? 1250 °F | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
熔化熱 | 約2 kJ·mol−1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
汽化熱 | ca. 65 kJ·mol−1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
蒸氣壓((推算))
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原子性質 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
氧化態 | 1(強鹼性氧化物) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
電負性 | 0.7(鲍林标度) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
電離能 | 第一:380 kJ·mol−1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
共價半徑 | 260(推算) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
范德華半徑 | 348(推算) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
雜項 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
晶體結構 | 体心立方 (预测) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
磁序 | 順磁性 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
電阻率 | 3 µ(計算值) Ω·m | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
熱導率 | 15(推算) W·m−1·K−1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
CAS號 | 7440-73-5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
最穩定同位素 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
主条目:钫的同位素
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鍅(Francium,或譯作鍅)是一種化學元素,符號為Fr,原子序為87。鍅是電負性最低的元素之一。鈁是一種放射性極高的金屬,會衰變成砹、鐳和氡。和其他鹼金屬一樣,鈁有一顆價電子。
從來沒有人製成過可觀量鈁金屬,但根據元素週期表的規律,鈁的熔點比銫低,接近室溫,可能為液態。不過該元素的製備極為困難,其衰變發熱(最穩定同位素的半衰期只有22分鐘)會立即氣化所製成的鈁金屬。
1939年,法國科學家馬格利特·佩里發現了鍅元素。這是最後一次在自然界中發現元素,而非經過人工合成。[注 1]鍅在實驗室以外極為罕見,痕量出現在鈾和釷礦石中,其中同位素鍅-223一直在形成和衰變中。地球地殼中只有20至30克的鍅會同時存在。除鍅-223和221以外,其他的同位素都是合成的。實驗室中產生的最大一批鍅元素共有300,000個鍅原子。[1]
目录
1 特性
2 應用
3 歷史
3.1 錯誤或不完整的發現
3.2 佩里的發現
4 存量
4.1 自然
4.2 合成
5 同位素
6 備註
7 參考資料
8 外部連結
特性
鈁是所有自然元素中最不穩定的,其最穩定同位素鈁-223的半衰期也只有22分鐘。穩定性第二低的砹元素半衰期有8.5小時。[2]所有鈁同位素都會衰變為砹、鐳或氡。[2]鈁的穩定性比𨭎(原子序106)以下的所有人造元素都要低。[3]
鈁是一種鹼金屬,化學屬性與銫相近,[3]同樣只有一顆價電子。[4]如果成功製成,液態鈁在熔點的表面張力將為0.05092 N/m。[5]根據計算,鈁的熔點約為24 °C,沸點為677 °C。[6]但由於鈁既罕有又具放射性,所以這些數字並不一定準確。
萊納斯·鮑林估計鈁的電負性為0.7,當時與銫相同。[7]銫的電負性之後被修正為0.79,但因數據不足,不能同樣地修正鈁的電負性數字。[8]鈁的電離能比銫稍高。[9]
鈁會和多種銫鹽共同沉澱,如高氯酸鈁會和高氯酸銫共沉澱,從而分離出鈁。其他能共沉澱的銫鹽包括碘酸銫、苦味酸銫、酒石酸銫、氯鉑酸銫以及矽鎢酸銫。同樣可與鈁共沉澱的有矽鎢酸和高氯酸,而不需要任何鹼金屬載體。[10][11]幾乎所有鈁鹽都可溶於水。[12]
應用
鈁由於極為罕見、穩定性低,因此目前還沒有商業應用。[13][14][15][16]它在生物學[17]和原子結構等領域的研究中起到了作用。科學家曾提出用鈁來診斷各種癌症,[2]但這一用途並不現實。[14]
鈁可以被合成、捕捉和冷卻,而且原子結構簡單,因此它被用在一些光譜學實驗中,在能級和亞原子粒子間的耦合常數上提供了新的信息。[18]對鈁-210離子在激光捕捉下所發出的光譜的研究指出,鈁的實際原子能級符合量子理論的預測。[19]
歷史
1870年,化學家就開始猜想銫以下存在著一種尚未發現的鹼金屬,原子序為87。[2]當時人們稱其為「eka-銫」。[20]多個研究團隊嘗試發現並分離出這種新元素,在真正發現之前,至少出現了4次錯誤發現。
錯誤或不完整的發現
蘇聯化學家D. K.多布羅謝爾多夫(Dobroserdov)是第一位聲稱發現了鈁的科學家。1925年,他在一個鉀樣本中觀察到弱放射性,錯誤地認為這是87號元素所造成的。實際上放射性來自自然產生的鉀-40。[21]他而後發佈了一篇有關預測87號元素的屬性的論文,當中將其以他的國家俄羅斯(Russia)命名為Russium。[22]不久後,多布羅謝爾多夫開始專注於他在敖德薩理工學院的教學工作,而並沒有繼續研究這一元素。[21]
翌年,英國化學家傑拉爾德·德魯斯(Gerald J. F. Druce)和費德里克·羅林(Frederick H. Loring)分析了硫酸錳的X-光片,[22]以為觀察到的光譜線來自於87號元素。他們發佈了這項發現,把該元素命名為Alkalinium,因為它是最重的鹼金屬(alkali metal)。[21]
1930年,美國阿拉巴馬州理工學院的弗雷德·艾利森(Fred Allison)在用磁光儀器研究銫榴石和鋰雲母後,聲稱發現了87號元素,並建議以他的家鄉佛吉尼亞州(Virginia)命名為Virginium,符號Vi或Vm。[22][23]然而在1934年,伯克利加州大學的H. G.麥佛森(H. G. MacPherson)證明艾利森的儀器是無效的,並且推翻了他的發現。[24]
1936年,羅馬尼亞物理學家霍里亞·胡盧貝伊(Horia Hulubei)與法國物理學家伊維特·哥舒瓦(Yvette Cauchois)也研究了銫榴石,使用的是高解析度X-光儀器。[21]他們觀察到幾條弱發射光譜線,以為它們來自87號元素。胡盧貝伊和哥舒瓦發佈了這項發現,並以胡盧貝伊的誕生地羅馬尼亞摩爾達維亞省(Moldavia)命名為Moldavium,符號為Ml。[22]1937年,美國物理學家F. H.赫士(F. H. Hirsh Jr.)對胡盧貝伊的研究手法進行了批判。赫士非常肯定87號元素不會在自然界中發現,並聲稱胡盧貝伊觀察到的其實是汞和鉍的X-射線光譜線。胡盧貝伊堅持自己的X-光儀器和實驗方法足夠準確,他的發現不可能是錯誤的。胡盧貝伊的導師,諾貝爾獎得主讓·佩蘭也支持他的發現。馬格利特·佩里在1939年確實發現鈁之後,一直都批評胡盧貝伊的研究,直到自己被承認為鈁的正式發現者為止。[21]
佩里的發現
1939年,法國巴黎居里研究所的馬格利特·佩里在純化錒-227的時候,發現了鈁元素。錒-227的衰變能量應該是220 keV,但佩里卻觀察到衰變能量低於80 keV的粒子。她認為這些異常的衰變活動源自尚未發現的一種衰變產物。這種產物在純化過程中已經被分離出去,而是在純錒-227樣本中自然產生的。經過一系列測試之後,她消除了這種未知同位素是釷、鐳、鉛、鉍和鉈的可能性。該產物具有鹼金屬的屬性(比如可以和銫鹽共沉澱等),佩里因此判斷這就是錒-227經α衰變所產生的87號元素。[20]
佩里把這一新同位素命名為錒-K(今天則稱鈁-223),[20]又在1946年提出正式命名Catium,因為她相信這種元素正離子(cation)的電正性是所有元素中最高的。佩里的其中一位導師伊雷娜·约里奥-居里反對這一命名,因為Catium一字更像是「貓元素」(cat),而非正離子。[20]佩里繼而建議用法國(France)來命名為Francium,也就是鈁的現名。國際純粹與應用化學聯合會在1949年接納了這一名稱。[2]鈁也成為了繼鎵之後第二個以法國命名的元素。鈁最初的符號為Fa,但不久後便改為Fr。[25]鈁是1925年錸被發現後,最後一個在自然界中發現的元素。[20]歐洲核子研究中心在1970年代至1980年代間進一步研究了鈁的結構。[26]
存量
自然
錒-227經α衰變之後,會產生鈁-223,因此鈁以痕量存在於鈾和釷的礦石中。[3]在一個鈾樣本中,估計每1×1018個鈾原子就有一個鈁原子。[14]根據計算,地球的地殼中,同一時間只有約30克鈁。[27]
合成
鈁可以通過以下核反應合成:
197Au + 18O → 210Fr + 5 n
這一過程可以產生鈁-209、210和211,[28]產物再由磁光阱分離出來。[29]氧束的能量會影響同位素的形成速率。實驗所用的金目標體必須在接近熔點的溫度下,而且表面必須完全沒有雜質。核反應會把鈁原子嵌入目標體的深處,原子再迅速移動到表面,以離子的形式釋放出來。靜電透鏡把鈁離子引導至一個釔金屬片的表面,這時鈁離子會變回中性原子。激光束和磁場再對原子進行冷卻和控制。原子在磁光阱中只會停留20秒左右,之後逃脫或衰變,但新的原子會不斷替代這些失去了的原子。這一過程使原子數量在1分鐘之內大約不變。首次進行這項實驗時,科學家捕捉了1000個鈁原子。在不斷改進後,實驗最終能夠捕捉超過30萬個鈁原子。[1]捕獲到的鈁原子處於鬆散氣體狀態,當數量足夠多的時候,鈁發出的螢光就可以在攝影機上留下影像。影像呈球體,直徑約為1毫米。這是鈁首次被人類直接看到。研究人員這時就可以準確地測量鈁所釋放及吸收的亮光,從而給出原子能級躍遷的實驗數據。初步結果表明,實驗數據與量子理論所預測的相吻合。
鈁的其他合成方法有,用中子撞擊鐳,或以質子、氘原子核或氦離子撞擊釷。[30]
同位素
鈁共有34個同位素,原子量從199到232不等,[3]另有7種亞穩態同核異構體。[3]自然產生的只有鈁-223和鈁-221,其中鈁-221罕見得多。[31]
鈁-223是最穩定的同位素,半衰期為21.8分鐘。[3]再發現或合成半衰期更長的鈁同位素的可能性極低。[30]鈁-223是錒衰變系的第五個產物,是錒-227的子同位素。[16]鈁-223會再β衰變為鐳-223(衰變能量為1149 keV),另有0.006%的α衰變路徑,產物為砹-219(衰變能量為5.4 MeV)。[32]
鈁-221的半衰期為4.8分鐘。[3]它是錼衰變系的第九個產物,是錒-225的子同位素。[16]鈁-221會再α衰變成砹-217(衰變能量為6.457 MeV)。[3]
基態最不穩定的同位素是鈁-215,半衰期只有0.12 μs。它會α衰變為砹-211,能量為9.54 MeV。[3]其亞穩態同核異構體鈁-215m的穩定性則更低,半衰期只有3.5 ns。[33]
備註
^ 一些人造元素後來也被發現在自然界中,如鍀和鈈。
參考資料
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外部連結
Francium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)- WebElements.com – Francium
- Stony Brook University Physics Dept.
元素周期表 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| IA 1 | IIA 2 | IIIB 3 | IVB 4 | VB 5 | VIB 6 | VIIB 7 | VIIIB 8 | VIIIB 9 | VIIIB 10 | IB 11 | IIB 12 | IIIA 13 | IVA 14 | VA 15 | VIA 16 | VIIA 17 | VIIIA 18 | ||||||||||||||||||
1 | H | | He | |||||||||||||||||||||||||||||||||
2 | Li | Be | | B | C | N | O | F | Ne | |||||||||||||||||||||||||||
3 | Na | Mg | | Al | Si | P | S | Cl | Ar | |||||||||||||||||||||||||||
4 | K | Ca | | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | |||||||||||||||||
5 | Rb | Sr | | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | |||||||||||||||||
6 | Cs | Ba | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn | ||||
7 | Fr | Ra | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og | ||||
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