ФранцІй

Ще один спосіб одержання францію заснований на реакціях, що відбуваються при опроміненні мішеней зі свинцю, таллію або золота багатозарядними іонами бора, вуглецю або неону, прискореними на циклотронах або лінійних прискорювачах. Придатні такі пари «мішень + снаряд»: Pb+B; Tl+C; Au+Ne. Приміром, францій-212 утворюється при опроміненні золотої фольги іонами неону-22 з енергією 140 МеВ:

79Au197 + 10Ne22 = 89Ac219 = 87Fr 212+ 2He4 + 30n1

Як же здійснюються «алхімічні» процеси XX століття? Найтоншу золоту фольгу (товщиною усього кілька мікрон), поміщену в касету, опромінюють прискореними іонами неону – відбувається ядерна реакція, у результаті чого утворюється ізотоп францію з масовим числом 212. Після півгодинної «артпідготовки» касету з фольгою доставляють у лабораторію, де в захисній шафі за допомогою маніпулятора опромінене золото витягають з касети. Зовні фольга виглядає так само, як і перед дослідом; насправді ж вона містить десятки тисяч атомів францію. Відверто кажучи, зовсім не густо, але сучасним ученим найчастіше приходиться мати справу буквально з декількома атомами речовини. Так, елемент № 101 (згодом названий мендєлєвієм) був відкритий американськими вченими, коли в них «у руках» побувало всьго 17 атомів, та й то не одночасно, а в результаті приблизно дюжини експериментів (по 1–2 у кожному). Так що десятки тисяч атомів – це цілий скарб.

Отже, францій одержаний, але робота з ним тільки починається: адже його треба витягти з золота й очистити від усіх інших осколків розпаду атомних ядер, а вже потім піддати детальному дослідженню. Усе це треба проробити воістину з «космічною» швидкістю, оскільки період напіврозпаду ізотопу францію, який одержують при «обстрілі» золота, лише 19 хвилин.

Спочатку фольгу розчиняють у «царській горілці» і за допомогою спеціальних «золотоуловлювачів» видаляють весь дорогоцінний (але зовсім зайвий у даній ситуації) метал. Тепер треба переконатися, що ця операція пройшла успішно: електронні прилади, в основі роботи яких лежить метод мічених атомів, категорично «заявляють», що в розчині немає жодного атома золота. Але все ще не вилучені інші домішки. Якщо вони залишаться, то досліджувати францій безглуздо, тому що картина може бути перекручена і вчені отримають неправдиву інформацію. А відпущений час невблаганно скорочується.

Позбавлений золота розчин кілька разів проганяють крізь колонку, що заповнена речовиною, що жадібно поглинає всі зайві продукти ядерних реакцій і пропускає лише францій. І ось нарешті очищення закінчене. Крапельку розчину розміщають у поглиблення на тефлоновій пластинці й опромінюють могутнім потоком інфрачервоних променів. Через кілька секунд від краплі нічого не залишається. Але випарувався тільки розчин, а атоми францію повинні «лежати» на пластинці. Щоб переконатися в цьому, її вставляють у камеру чутливого приладу, де створюється вакуум, і крихітна неонова лампочка сигналізує про те, що францій є. Але чому горить лише одна з багатьох лампочок? Це означає, що францій чистий. Якби до нього приєднались сторонні атоми, то загорілися би й інші лампочки. Але, на щастя, непотрібної ілюмінації немає – можна приступати до хімічного дослідження францію. А на цю завершальну і, мабуть, найвідповідальнішу стадію експерименту відведені лічені хвилини, інакше від францію залишаться лише спогади. Не випадково вчені в жарт називають такі досліди «хімією на бігу».

Найбільш зручна і швидка методика виділення ізотопів францію з опроміненого золота розроблена радянськими радіохіміками Н. Мальцевою і М. Шалаєвським. Францій екстрагують нітробензолом у присутності тетрафенілборату зі стовпчика, заповненого силікагелем.

За допомогою всіх цих методів отримано 18 ізотопів францію з масовими числами від 203 до 213 і від 218 до 224.

За роки, що пройшли з часу відкриття францію, пророблено безліч дослідів, виконані сотні розрахунків. Сьогодні науці відомі основні фізичні і хімічні властивості цього елемента. Його густина 1,87 г/см3, температура кипіння приблизно 670°С, а от у відношенні точки плавлення францію у вчених немає єдиної точки зору. Справа в тім, що вимірити цю температуру поки що не вдається, оскільки наука не в змозі синтезувати францій у вагових кількостях; інакше кажучи, було б що плавити, тоді було б і що вимірювати. Правда, сьогодні радіохіміки вміють працювати і з так званими субмікроскопічними кількостями речовини (так, маса вперше отриманого в металічному стані берклію складала всьго п’ять мільйонних часток грама). Але і тоді результати визначення температури плавлення францію не можна було б вважати точними, тому що чим менше розмір часток речовини, тим нижче точка його плавлення (наприклад, частки золота розміром 0,01 мікрона плавляться не при 1063°С, як властиво золоту, а лише при 887°С).

Тому шукану характеристику францію вчені одержують лише теоретично – шляхом зіставлення властивостей інших лужних металів, з’ясування існуючого між ними взаємозв'язку й екстраполяції, тобто продовження встановленої графічної залежності в область, для якої немає експериментальних даних. Але цей шлях не дає настільки точних результатів, як сучасні способи виміру температури. Звідси і розбіжності, що залежать від того, які теоретичні передумови покладені в основу розрахунку.

Розділ 4. Хімічні властивості

Теоретично францій повинен бути практично повним хімічним аналогом своїх найближчих сусідів по групі лужних металів – цезію та рубідію. Зокрема, його ступінь окислення у сполуках завжди має становити +1, а сам елемент в металічному стані має бути найактивнішим з усіх металів.

Усі досліди по вивченню хімічних властивостей францію проводилися, звісно, з ультрамалими кількостями цього елемента. У розчинах було лише 10–13 – 10–9 г францію. При таких концентраціях можуть стати важливими процеси, про які ми звичайно забуваємо, маючи справу з макрокількостями речовини. Наприклад у цих умовах радіоактивний ізотоп може «втратитися» з розчину, адсорбувавшись на стінках посудин, на поверхні осадів, на можливих домішках… Тому, здавалося б, вивчаючи властивості францію, варто оперувати більш концентрованими розчинами. Але в цьому випадку виникають нові труднощі через процеси радіолізу й іонізації.

І все-таки, незважаючи на всі труднощі, отримані деякі достовірні дані про хімічні властивості францію. Найбільш повно вивчено осадження францію з різними нерозчинними сполуками. Він випадає з розчину разом із хлороплатинатами цезію і рубідію Cs2PtCl6 і Rb2PtCl6, хлоровісмутатом Cs2BiCl6, хлоростаннатом Cs2SnCl6 і хлороантимонатом цезію Cs2SbCl6 ∙ 2,5 H2O, а також вільними гетерополікислотами – кремневольфрамовою і фосфорновольфрамовою.

Францій легко адсорбується на йонообмінних смолах (сульфокатіонітах) з нейтральних і слабокислих розчинів. За допомогою цих смол легко відокремити францій від більшості хімічних елементів. От, мабуть, і всі успіхи.

Розділ 5. Використання

Звичайно, говорити про хоч якесь практичне застосування в техніці й виробництві речовини, тривалість «життя» якої становить близько 22 хв, не доводиться, проте певні завдання в науці францій вже виконує.