Францій - Рідкісний з рідкісних

С.І. Венецкій

Кажуть, немає правил без винятків. І якщо порахувати правилом той факт, що історія відкриття хімічних елементів пов'язана перш за все з представниками сильної половини людства, то приємним виключенням будуть три жіночих імені, якими вправі пишатися слабка стать: Марія Кюрі - першовідкривач полонію і радію, Іда Ноддак (Такка), відкрила реній, і Маргеріт Пере, якій судилося відкрити францій. Анітрохи не применшуючи величезних заслуг Марії Склодовської-Кюрі та Іди Ноддак, зауважимо, що науковий успіх вони поділяли зі своїми чоловіками П'єром Кюрі і Вальтером Ноддаком, у той час як Маргеріт Пере при "народженні" Франція обійшлася "без сторонньої допомоги".

Появи на світ елементу № 87 (а саме під цим номером значиться францій в таблиці елементів) хіміки усього світу чекали довго -- майже сім десятиліть. Справа в тому, що Д. І. Менделєєв, споруджуючи стрункий будівлю своєї періодичної системи, не завжди мав "під рукою "підходящий" будівельний "матеріал, і тому багато клітини таблиці залишилися порожніми. Але геніальний учений розумів, що ці порожнечі - Справа тимчасова: відповідні їм "цеглинки" повинні існувати в природі, але поки вони примудряються залишатися непоміченими.

Менделєєв не тільки вказав майбутнє "місце проживання" низки елементів, але і з великою точністю передбачив фізичні та хімічні властивості цих незнайомців. Життя незабаром підтвердила блискучий прогноз ученого: у 1875 році був відкритий 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 году-германій (ека-силіцій).

У статті "Природна система елементів і застосування її до вказівки властивостей невідкритих елементів ", опублікованій 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 повинен утворювати оксид R2O, другий-RO, а третій - R2O3; перший буде подібний із цезієм, другий - з барієм, а всі їхні окису повинні володіти, звичайно, характером найенергійніших підстав ".

Йшли роки, науці ставали відомі все нові й нові елементи, але клітинка з номером 87, заброньований за ека-цезієм, продовжувала пустувати, незважаючи на численні спроби вчених ряду країн розшукати її законного господаря. І хоча йому вдавалося вислизнути від допитливого погляду дослідників, багато його властивості, що визначаються "географічним становищем "в періодичній системі, вже були відомі науці.

Так, не викликало сумнівів, що елемент № 87 повинен бути надійним хранителем лужних "традицій", міцніючих від літію до цезію. Цим обумовлювалася насамперед його висока реакційна здатність (вище, ніж у цезію), з "вини" якої 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 падала температура плавлення (від 180,5 до 28,5 ° С), резонно було думати, що ека-цезій у звичайних умовах повинний подібно ртуті, перебувати 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 міститься 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 рідкісним з рідкісних. Нарешті, радіоактивні "нахили" його сусідів праворуч (про які згадував у статті Менделєєв) - відкритих наприкінці XIX століття радію і актинія - дозволяли стверджувати, що і ека-цезій повинен мати радіоактивністю.

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 стежках, сподіваючись знайти ека-цезій серед продуктів розпаду сусідніх із ним елементів.

У 1913 році англійський радіохіміки Дж. Кренстон повідомив, що він помітив у одного з ізотопів актинія 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 радіохіміки Мейером, Гессом і Панет, знайшли при дослідах з ізотопом актинія "непрохані" 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 підстав: по-перше, помічене альфа-випромінювання було настільки слабким, що не виходило за межі можливих похибок експерименту: по-друге, досліджуваний препарат актинія цілком міг містити домішки "проживає" поруч Протактиній, 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, маючи намір вивчити води Мертвого моря, багаті лужними металами. "Уже кілька років тому, - писав він, - мені спало на думку, що якщо ека-цезій здатний до постійного існування, то його можна буде знайти в Мертвому море. Що ж, ідея ця не позбавлена була змісту, але скільки не намагався вчений знайти рентгеноспектрального аналізом хоча б сліди елементу № 87, бажаних результатів він так і не домігся.

До допомоги спектроскопа вдавалися і багато інших дослідники: адже саме він допоміг відкрити рубідій і цезій - найближчих родичів елементу № 87 по лужному сімейству. Не тільки концентрати морських солей, але і крупиці рідкісних 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 спектроскопа, але прилад щоразу засмучував експериментаторів.

Однак у вчених, що шукали ека-цезій, були не тільки засмучення, але і радість, часто, щоправда, передчасні: деякі їх "відкриття", яскраво блиснувши спочатку, виявлялися на перевірку помилковими і тому швидко "закривалися". Так, у 1926 році у 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 вважав, виявити сліди розшукуваного елемента в окремих мінералах лужних металів -- самарський, поллуціте і лепідоліті. На честь свого рідного штату вчений пропонував назвати 87-й Віргінія. У 1931 році його співвітчизникам Дж. Пепішу і Е. Вайнеру начебто вдалося спектроскопічні методом підтвердити наявність ліній Віргінія У самарський, але незабаром з'ясувалося, що причиною появи незнайомих ліній був дефект кальцитових кристалу, встановленого в спектроскопії, яким користувалися вчені.

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

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

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

Така була ситуація в науці до 1938 року, коли в пошуки ека-цезію включилася Маргеріт Пере - співробітниця паризького Інституту радію, учениця Марії Склодовської-Кюрі. Насамперед Пере вирішила повторити вже до той час давні експерименти Мейер, 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, виявила присутність тих же альфа-частинок. Необхідно було довести, що їх джерелом є не домішки Протактиній, а актиній. Провівши воістину ювелірну очищення актинія від усіх можливих домішок і "дочірніх продуктів "(тобто продуктів його радіоактивного розпаду), а потім дослідивши отриманий найчистіший препарат актинія, 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. Щоправда, "зуби" у цієї вилки виявилися далеко не однаковими: лише в 12 випадках з тисячі ядра актинія випускали альфа-частинки, у всіх же інших випадках вони випромінювали бета-частинки (тобто електрони), перетворюючись в ядра ізотопу торію. Ну, а що ж відбувалося при альфа-випромінюванні?

Розрахунок показував, що, викинувши альфа-частинку (тобто ядро гелію), ядро ізотопу актинія "худнули" рівно настільки, щоб стати не чим іншим, як ядром ізотопу 87-го елемента. Дійсно, в результаті досвідів з'являвся продукт розпаду актинія з властивостями важкого лужного радіоактивного металу. Це і був ніколи раніше не зафіксований у природі довгоочікуваний ека-цезій, точніше, його ізотоп з масовим числом 223. Так в 1939 році був відкритий один із останніх доуранових елементів. На честь своєї батьківщини Пере назвала його Францією.

Чому ж так довго францій залишався невловимим для вчених усього світу? Перш за все тому, що з усіх хімічних елементів (виключаючи трансуранові) францій - самий нестійкий. Період напіврозпаду його найбільш довгоживучих ізотопу (який і був виявлений в дослідах Пере) - всього 22 хвилини. Чи дивно, що при такій "тривалості життя" на Землі практично немає не тільки відчутних запасів цього елемента, але і мізерні його слідів? Втім, дещо все ж таки є. Користуючись законом радіоактивного розпаду, фахівці підрахували, що з 5976 * 1018 тонн земної речовини на франція частку доводиться ... трохи більше 500 грамів. Ось чому знайти в природі хоча б дещицю цього елемента незмірно складніше, ніж відшукати голку в копиці сіна. І тим не менше сьогодні вченим точно відомі багато фізичних і хімічні властивості франция. Як же вдалося їх визначити?

Для цього потрібно штучним шляхом отримати скільки-небудь помітні кількості елемента, ретельно очистити його від усіх домішок і потім в найкоротший час провести необхідні вимірювання і досліди.

Перший час для виділення франция застосовувалися різні хімічні методи, однак вони були досить складні і далекі від досконалості. Відчутних успіхів вдалося досягти, коли на допомогу хімікам прийшла ... фізика. Створення циклотронів і розвиток техніки прискорення іонів дозволили розробити фізичні методи отримання франция, засновані на бомбардуванні торієвих або уранових "мішеней" протонами високих енергій. Таким шляхом в Об'єднаному інституті ядерних досліджень у Дубні в результаті п'ятнадцятихвилинної "обстрілу" одного грама урану на сінхроціклотроне було отримано 5 * 10-13 грамів франция.

Всього 5 * 10-13 грамів? Якби йшлося, припустимо, про золоті, то таке його кількість не варто було б у буквальному сенсі і ламаного гроша. А трильйонні частки грама Франція представляють для вчених величезну цінність, бо дозволяють заповнити багато графи в характеристиці цього елемента. Зрозуміло, при цьому неможливо експериментально визначити щільність металу або з'ясувати, при яких температурах він плавиться і кипить, але зібрана дослідниками інформація дозволяє зробити це розрахунковим шляхом.

Розроблено й інший оригінальний спосіб отримання франція - опромінення "мішеней" зі свинцю, талію або золота багатозарядним іонами відповідно бору, вуглецю або неону, прискореними на циклотронах або лінійних прискорювачах.

Середньовічні алхіміки схопилися б за голову, дізнавшись, що їх нащадки замість того, щоб займатися серйозною справою, тобто отримувати золото з інших речовин, нерозважливо "стріляють" в нього якимись частками, прагнучи перетворити дорогоцінний метал в елемент із сумнівними властивостями. Саме ці сумнівні властивості і змушують вчених проводити всі нові і нові експерименти, щоб дізнатися якомога більше "секретів" франция.

Як же здійснюються "алхімічні" процеси XX століття? Найтоншу золоту фольгу (товщиною усього кілька мікрон), вміщену в касету, опромінюють прискореними іонами неону - відбувається ядерна реакція, у результаті чого утворюється ізотоп франция 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 до досвіду; насправді ж справі вона містить десятки тисяч атомів франция. Скажімо прямо, не густо, але сучасним вченим часто доводиться мати справу буквально з декількома атомами речовини. Так, елемент № 101 (згодом названий Менделева) був відкритий американськими вченими, коли в них "в руках" побувало всього 17 атомів, та й то не одночасно, а в результаті приблизно дюжини експериментів (по 1-2 в 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 поділу атомних ядер, а вже потім піддати скрупульозному дослідження. Все це треба ухитритися проробити справді з "космічною" швидкістю, тому що період напіврозпаду ізотопу франция, що отримується при "обстріл" золота, всього 19 хвилин.

Спочатку фольгу розчиняють у царській горілці і за допомогою спеціальних "золотоуловітелей" 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 ні одного атома золота. Але ж ще не вилучені інші домішки. Якщо вони залишаться, то досліджувати францій безглуздо, тому що картина може бути перекручена і вчені виявляться "обдуреними". А відпущений час невблаганно скорочується. як шагренева шкіра ...

"Обеззолоченний" розчин кілька разів проганяють через колонку, що заповнена речовиною, що жадібно поглинає всі зайві продукти ядерних реакцій і пропускає лише францій. Але ось очищення закінчена. Крапельку розчину поміщають у поглиблення на тефлоновою платівці і опромінюють могутнім потоком інфрачервоних променів. Через кілька секунд від краплі нічого не залишається. Але випарувався тільки розчин, а атоми франция повинні "лежать" на платівці.

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. Якщо б до нього "Присоседились" сторонні атоми, то загорілися би й інші лампочки. Але, на щастя, непотрібної ілюмінації немає - можна приступати до хімічного дослідженню франция. А на цю завершальну і, мабуть, саму відповідальну стадію експерименту відведені лічені хвилини, інакше від франция залишаться лише спогади. Не випадково вчені в жарт називають такі досліди "хімією на бігу ".

За роки, що минули з часу відкриття франція, зроблено безліч дослідів, виконані сотні розрахунків. Сьогодні науці відомі основні фізичні і хімічні властивості цього елемента. Його щільність 2,5 г/см3, температура кипіння приблизно 620-630 ° С, а от у відношенні точки плавлення франція у вчених немає єдиної точки зору. Справа в тому, що виміряти цю температуру поки що не вдається, оскільки наука не в змозі сінті?? іровать францій у вагових кількостях; інакше кажучи, було б що плавити, тоді було б і що вимірювати. Щоправда, сьогодні радіохіміки вміють працювати і з так званими субмікроскопіческімі кількостями речовини (так, маса вперше отриманого в металевому стані берклій становила всього п'ять мільйонних часток грама).

Але і тоді результати визначення температури плавлення франция не можна було б вважати щирими, 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 належить золоту, а лише за 887 ° С).

Тому шукану характеристику франция вчені отримують 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. У літературі можна зустріти такі значення температури плавлення франция (в градусах Цельсія): 8, 19, 20, 27, 15-23 і т. д.

З хімічної точки зору, францій - найактивніший лужний метал. Якщо фтор, що знаходиться у правому верхньому кутку таблиці Менделєєва, - найбільш яскравий представник неметалів, то його антипод францій можна вважати найбільш "металевим" металом.

Ну, а яку практичну користь може принести цей невловимий елемент? Про широке застосування його говорити поки рано. Однак лід рушив. Характерне для франция випромінювання дозволяє, наприклад, швидко визначити, чи є в тих чи інших природних об'єктах його "прародитель" актиній. Для медицини безсумнівний інтерес представляє франція здатність накопичуватися в пухлинних тканинах, причому (що особливо важливо) навіть на початкових стадіях захворювання. Завдяки цьому елемент можна використовувати для ранньої діагностики саркоми. Такі досліди вже успішно проведені на щурах. Майбутнє безсумнівно розкриє й інші "здібності" Франція, а поки ...

Експерименти тривають, францій "розповідає" про себе, вчені уважно "слухають".

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.alhimik.ru/