Das Periodensystem der Elemente online
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Verbindungen
87, Francium (Fr)
lat. francia = Frankreich
Das Element Francium:
Xe
Cs
Ba
Rn
Fr
Ra
Natürliche Entstehung von Francium (Nukleosynthese):
Francium-223 entsteht durch radioaktiven Zerfall aus Uran-235 (Uran-Actinium-Reihe) heraus: Eines der Tochternuklide, das Actinium-227 zerfällt mit einer Wahrscheinlichkeit von 1,38% zu Francium-223.
Die Francium-Radiogenese
223
Fr-Genese:
(Uran-Actinium-Reihe)
235
U →
223
Fr + 3α +β
-
+ 15,26 MeV
(Summe aller Zerfälle)
99,994%:
223
Fr →
223
Ra + β
-
+ 1,15 MeV
0,006%:
223
Fr →
219
At + α + 5,56 MeV
(T½ = 22 min)
Warum ist Francium so instabil?
Kerne mit 85, 86 oder 87 Protonen sind instabil, da sie eine hohe Assymmetrie aufweisen. Bei einer bestimmten Neutronenanzahl findet sich bei diesen Elementen ein besonders hohes Instabilitätsmaximum: Bei Francium sind dies alle Kerne, welche mehr als 126 und weniger als 133 Neutronen besitzen. Für jedes Element existiert ein Idealbereich, bei welchem es mit einer bestimmten Neutronenzahl im Kern eine maximale Stabilität aufweist. Bei Francium wären dies die Isotope 215, 217 und 219. Sie sollten große Halbwertzeiten besitzen. Doch genannte Isotope liegen genau inmitten dieses Bereiches großer Instabilität. So zerfallen die drei genannten Isotope mit 86 Nanosekunden (
215
Fr), 19 Mikrosekunden (
217
Fr) bzw. 20 Millisekunden (
219
Fr). Daher kann es keine langlebigen Isotope des Elementes geben.
Vorkommen von Francium:
Francium kommt natürlich in geringsten Spuren in der Pechblende vor. Geht man von einer mittleren Konzentration von 0,014 mg/kg Uran in der Erde aus, die 0,7% Uran-235 enthalten, von welchem wiederum 1,38% über den Weg von Francium-223 zu Blei-207 zerfallen, ergeben sich folgende Zahlen: Die Erde enthält 8,13•10
-25
g/kg Francium im Mittel, insgesamt kommen damit rd. 4,9 g Francium auf der gesamten Erde vor. Es ist nach Astat das zweitseltenste Element.
Vorkommen von Francium
Thorianit, ThO
2
[1]
Uraninit, Pechblende, UO
2
[2]
Francium-Gewinnung:
Francium-223 ist mit gerade 22 Minuten das langlebigste Isotop des Elementes. Francium-212 hat eine Halbwertzeit von 20 Minuten. Aus Uranpechblende lässt es sich nicht isolieren; theoretisch enthalten 1 Tonne UO
2
gerade einmal 5•10
-14
g
223
Fr.
Es gibt grundsätzlich zwei Wege, wie man zu Nanomengen des extrem instabilen Elements gelangen kann:
1. Aus Radium:
Francium in Nanogramm-Mengen lassen sich durch Beschuss von Radium-226 mit Neutronen oder beispielsweise Gold-197 mit Neon-22-Kernen gewinnen:
226
Ra + n →
223
Fr + α + 11,443 MeV
197
Au +
22
Ne + 62,3 MeV →
212
Fr + α + 3n
2. Aus Actinium:
Stark verdünnte Lösungen lassen sich auch durch Isolierung des Franciums aus Lösungen von Actiniumsalzen erhalten, in welchem sich das Francium nach einiger Zeit anreichert. Dabei steht es im säkularen Gleichgewicht mit dem Actinium-227: Ein Atom Francium-223 kommt auf ca. 3,5 Millionen Atome Actinium, wodurch es sich in einer Actinium-Lösung mit 1 g/L Ac auf bis zu 250 ng/L anreichern kann. (Reaktionsgleichung ist bereits im Absatz Entstehung angegeben).
Man versetzt die entsprechenden Lösungen mit kleinen Mengen Cäsiumsalz, und fällt dann beide Elemente als Hexachloroplatinat(VI) aus. Von Cäsium lässt es sich durch fraktionierende Fällung mit Perchlorsäure abtrennen, da das Franciumperchlorat schwerer löslich ist, als das Cäsiumperchlorat. Reine Lösungen lassen sich naturgemäß bedingt durch die geringe Lebensdauer von Francium dadurch nicht gewinnen, es lässt sich jedoch anreichern.
Falschfarbenbild von 200.000 Fr-Atomen
[3]
Chemie von Francium:
Die Chemie des Elementes ist nur aus einigen Versuchen mit hoch verdünnten Lösungen bekannt. Demnach verhält sich das Francium so, wie man es von einem schweren Homolgen des Cäsiums erwarten würde:
Sein Perchlorat und sein Hexachloroplatinat sind noch schwerer löslich als die entsprechenden Cs-Verbindungen, da sich das Francium aus diesen fällen und damit isolieren lässt.
Das elektrochemische Normalpotential wird auf ca. 2,9 V geschätzt; es ist also nicht unedeler als das Lithium, wie lange Zeit vermutet wurde. Durch relativistische Effekte ist auch die 1. Ionisierungsenergie etwas höher als die des Cäsiums, so dass es insgesamt etwas weniger reaktiv sein dürfte.
Verwendung von Francium und seinen Verbindungen :
Für Francium sind bisher keine Verwendungsmöglichkeiten bekannt. Das langlebigste Isotop ist ca. 220 Minuten nach Erzeugung beinahe komplett zerfallen.
Quellen:
[1] Bildquelle: Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der
Creative Commons Lizenz
frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.
[2] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Jedrzej Pelka. Das Bild wurde vom Urheber als gemeinfrei veröffentlicht.
[3] Bildquelle: Bild einer US-Behörde, welches in Ausübung des Dienstes angefertig wurde. Solche Bilder sind gemeinfrei, wenn es nicht ausdrücklich anders angegeben ist.