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Carlos del Porto Blanco.

El francio es el elemento químico que se identifica con el símbolo Fr y tiene el número atómico 87. Es el elemento más pesado del grupo 1, el de los metales alcalinos, junto con el litio, el sodio, el potasio, el rubidio y el cesio. Es uno de los más raros que existen de forma natural en la Tierra. En una muestra de uranio, se estima que hay solo un átomo de francio por cada 1×1018 átomos de uranio. Su electronegatividad es la más baja conocida y es el segundo elemento menos abundante en la naturaleza, se estima que existen unos 30 gramos de él en la Naturaleza en un momento dado, (quien se lleva el primer lugar es el astato). A es elemento químico le dedicaré la columna de hoy.

La química es como un rascacielos majestuoso. La base segura de hormigón de la química se compone de un sinnúmero de hechos observados experimentalmente. Ernest R. Toon.

De su descubrimiento.

El químico ruso Dmitri Mendeléyev predijo la existencia del francio, o elemento 87, unos setenta años antes de su descubrimiento. Su diagrama de elementos incluía un espacio para el elemento 87. Mendeléyev lo denominó eka-cesio, que significa «un cesio». Ese nombre se refiere a la ubicación del elemento 87 un espacio por debajo del cesio en la tabla periódica.

El químico ruso D. K. Dobroserdov fue el primer científico que aseguró haber descubierto eka-cesio. En 1925, observó una débil radiactividad en una muestra de potasio, otro metal alcalino, y concluyó que el eka-cesio contaminaba la muestra. Publicó una tesis sobre sus predicciones de las propiedades del eka-cesio, en la que nombraba al elemento con el nombre de russio, en honor a su país de procedencia. Poco tiempo después, centró su carrera docente en el Instituto Politécnico de Odesa, abandonando por completo sus esfuerzos por aislar el eka-cesio.

Al año siguiente, en 1926, los químicos ingleses Gerald J. F. Druce y Frederick H. Loring analizaron una radiografía de rayos X del sulfato de manganeso (II). En ella observaron líneas espectrales que creyeron pertenecientes al eka-cesio. Anunciaron el descubrimiento del elemento 87 y propusieron el nombre de alcalinio para el que sería el metal alcalino más pesado.

En 1930, el profesor Fred Allison del Instituto Politécnico de Alabama, Estados Unidos, anunció haber descubierto el elemento 87 analizando polucita y lepidolita usando su máquina magneto – óptica. Allison propuso que fuera bautizado como virginio, en honor a su estado natal, Virginia, así como que se usaran los símbolos Vi y Vm. En 1934, sin embargo, el profesor MacPherson de la UC Berkeley desautorizó la efectividad del dispositivo de Allison y la validez de su falso descubrimiento.

En 1936, el químico rumano Horia Hulubei y su colega francesa Yvette Cauchois analizaron también la polucita, esa vez usando su aparato de rayos X de alta resolución. Observaron varias líneas de emisión débiles que supusieron que sería debidas al elemento 87. Hulubei y Cauchois anunciaron su descubrimiento y propusieron el nombre de moldavio, con el símbolo Ml, en honor a Moldavia, en ese entonces una provincia rumana, hoy un estado independiente, donde llevaron a cabo su trabajo.

En 1937, el trabajo de Hulubei fue criticado por el físico estadounidense F. H. Hirsh Jr., que rechazó los métodos de investigación del químico rumano. Hirsh estaba convencido de que el eka-cesio no podría ser encontrado en la naturaleza, y que las líneas que había observado Hulubei eran debidas al mercurio o al bismuto. El químico rumano, sin embargo, insistió en que su aparato de rayos X y sus métodos eran demasiado precisos como para cometer tales errores. Jean Baptiste Perrin, ganador del premio Nobel y mentor de Hulubei, apoyó al moldavio como el verdadero eka-cesio en lugar del recién descubierto francio de Marguerite Perey. Esta, criticó de manera continua el trabajo de Hulubei hasta que ella fue acreditada como la única descubridora del elemento 87

Su descubrimiento real del francio no se produjo hasta el 7 de enero de 1939, cuando la química francesa Marguerite Catherine Perey (Villemomble, Francia. 19 de octubre de 1909/ Louveciennes, Francia. 13 de mayo de 1975) lo identificó en el Instituto Curie de París mientras estudiaba la desintegración radiactiva del actinio-227. Marguerite notó una emisión de partículas alfa inusual proveniente del actinio-227 que no coincidía con otros elementos conocidos. Tras cuidadosos experimentos, concluyó que se trataba de un nuevo elemento radiactivo con propiedades similares a los metales alcalinos, especialmente el cesio. Para honrar a su país natal, decidió nombrarlo francio. De adolescente, Perey fue contratada como técnica para la propia Curie. Muchos años de trabajo le permitieron convertirse en una experta en la purificación del elemento actinio a partir del mineral de uranio.

El descubrimiento del francio por parte de Marguerite Perey le permitió cursar un doctorado en la Sorbona de París. Posteriormente, dirigió el Departamento de Química Nuclear de la Universidad de Estrasburgo y se dedicó a la investigación sobre los efectos biológicos del francio. Parte de su trabajo se centró en el uso del francio como herramienta para diagnosticar el cáncer. Sin embargo, se hizo evidente que el francio era un elemento que podía dañar gravemente la salud humana. La exposición temprana de Perey al francio provocó que la radiación se concentrara en su cuerpo. Desarrolló cáncer de huesos a temprana edad, perdió la vista y partes de las manos debido a la intoxicación por radiación. Marguerite Perey falleció de cáncer a los sesenta y cinco años de edad.

Perey fue solo una de las muchas investigadoras que sufrieron graves problemas de salud o una muerte prematura debido a la exposición a elementos radiactivos. Los científicos que descubrieron esos elementos no reconocieron los peligros potenciales de la radiación. Por lo tanto, no tomaron las precauciones de seguridad necesarias en los laboratorios.

En las décadas de los años 1940 y 1950 el francio tuvo su confirmación experimental en muy baja abundancia y en trazas; se desarrollaron técnicas de detección de isótopos radiactivos. En los años entre el 2000 y el 2020, se realizaron avances teóricos y simulaciones sobre su estructura electrónica y propiedades químicas, con mejoras en métodos de producción de isótopos y conteo de trazas en laboratorios especializados.

Del francio.

El francio fue el último elemento descubierto en la naturaleza, ya que todos los posteriores fueron sintetizados en laboratorios.

En cuanto a sus propiedades físicas, se ha hipotetizado que el francio es un metal blando y plateado, sólido en su estado estándar a 298 grados kelvin (K). Sin embargo, nunca se ha producido una muestra de francio lo suficientemente grande como para detectar esas propiedades. La mayoría de las propiedades físicas del francio se desconocen debido a su rareza, su alta radiactividad y su vida media extremadamente corta. Es un metal muy radiactivo y reactivo que se desintegra generando astato, radio y radón. Su punto de fusión estimado es de 27 grados Celsius (C). Su punto de ebullición estimado es de 680 grados Celsius. Se desconocen su densidad, calor específico, conductividad térmica, conductividad eléctrica, resistividad y tipo magnético.

Sobre sus propiedades químicas se puede decir que es explosivamente reactivo con el agua. La desintegración radiactiva de ese elemento genera un calor intenso. Se desconocen la mayoría de sus propiedades químicas. Sin embargo, se ha hipotetizado que las propiedades físicas y químicas del francio son similares a las del cesio. El francio tiene una afinidad electrónica de 44 kilojulios por mol (kJ/mol). Ese elemento tiene un electrón de valencia. Su electronegatividad es de 0.7. Su energía de ionización es de 380 kJ/mol. Tiene un estado de oxidación, +1.

El francio tiene treinta y cuatro isótopos conocidos, todos radiactivos y de vida extremadamente corta. Sus números másicos oscilan entre 199 y 232. Los isótopos de vida más corta del francio tienen vidas medias inferiores a un minuto. Y los de vida más larga, el francio-223, tiene una vida media de veintidós minutos.

El proceso más usado para sintetizar francio consiste en la inducción de una reacción de fusión al bombardear un objetivo de oro-197 con un haz de átomos de oxígeno-18, el cual se produce en un acelerador lineal. Ese proceso fue desarrollado por la Universidad de Stony Brook, Estados Unidos en 1995. Según sea la energía del haz de oxígeno, la reacción de fusión conduce a una determinada cantidad de los isótopos 209Fr, 210Fr y 211Fr.

Entonces, los átomos de francio abandonan el objetivo de oro como iones, los cuales son neutralizados por colisión con átomos de itrio, para luego ser aislados en una trampa magneto-óptica (MOT), en un estado gaseoso no consolidado.

Pese a que los átomos de francio producidos solo se pueden almacenar por 30 segundos; tiempo después, escapan o desarrollan decaimiento alfa, el proceso permite contar con un flujo continuo de nuevos átomos de francio. El francio también puede ser producido bombardeando radio con neutrones o bombardeando torio con protones, deuterones (núcleos de helio) o iones de helio. Incluso, el francio-223 puede ser aislado una vez se ha desintegrado una muestra de actinio-227.

Aplicaciones

Los isótopos de francio de vida corta se producen mediante cadenas de desintegración de otros elementos radiactivos naturales, como el actinio. Se pueden encontrar pequeñas cantidades de francio en algunos minerales de uranio. Se ha planteado la hipótesis de que solo existen treinta gramos de francio natural en la Tierra en un momento dado. De todos los elementos naturales, el francio es el menos estable.

El francio se puede producir sintéticamente en aceleradores de partículas y reactores nucleares. En un acelerador de partículas, el torio se bombardea con protones para producir francio. En un reactor, el radio se bombardea con neutrones para producir actinio, que posteriormente se desintegra para producir francio. La mayor cantidad recuperada de cualquiera de sus isótopos fue un clúster de 10 mil millones de átomos (de 210Fr) sintetizado como un gas ultra frío en Stony Brook, New York, Estados Unidos, en 1996.

El francio sintético solo se puede producir en cantidades extremadamente pequeñas. Debido a la corta vida media de sus isótopos, el francio también desaparece rápidamente tras su producción. Su intensa radiación también ha impedido estudios posteriores. Dado que el francio es un elemento altamente radiactivo que desaparece rápidamente, no tiene aplicaciones prácticas.

Aunque no tiene aplicaciones comerciales debido a su rareza y radioactividad, el francio ha sido objeto de investigaciones en física atómica y espectroscopía. Su estructura atómica simple ha ayudado a los científicos a entender mejor los niveles de energía atómicos y las interacciones subatómicas, incluso contribuyendo a estudios de teoría cuántica avanzada y búsqueda de violaciones de simetría en la física fundamental.

Los esfuerzos en el perfeccionamiento de la síntesis del francio han llevado a experimentos de espectroscopía especializada, que a su vez han conducido a la obtención de mayor conocimiento de los niveles de energía y las constantes de acoplamiento de partículas subatómicas. Estudios acerca de la luz emitida por iones de francio-210 atrapados por láser han permitido obtener datos precisos de las transiciones entre niveles atómicos de energía, verificándose que esos coinciden con las predicciones de la teoría cuántica.

Algunas curiosidades

  • En 2019, se cumplieron 80 años de su descubrimiento, celebrado como un hito en la química nuclear.
  • Algunos científicos lo llaman «el elemento imposible«, pues incluso si se sintetiza, desaparece en minutos.
  • Marguerite Perey, su descubridora, murió en 1975 víctima de cáncer, probablemente por su exposición a la radiación durante sus investigaciones.
  • El francio fue el último elemento hallado en la naturaleza antes de que la ciencia comenzara a sintetizar elementos en laboratorios, como el plutonio (1940).
  • Marguerite Perey fue nominada al Premio Nobel, pero su temprana muerte por cáncer en 1975 (posiblemente por exposición a radiación) truncó su reconocimiento. Hoy, su trabajo es celebrado como un hito de la química nuclear.
  • Una anécdota interesante en torno al francio involucra la controversia entre científicos franceses, como André Debierne y la Premio Nobel Irène Joliot-Curie, quienes también buscaron atribuirse el descubrimiento, pero finalmente Perey fue reconocida oficialmente como la única descubridora del elemento, gracias a sus cuidadosas investigaciones y registros detallados.

En resumen, el francio es una rareza radiactiva cuya existencia confirma y completa la tabla periódica predicha por Mendeleev, con un gran valor histórico y científico a pesar de su fugaz presencia en la naturaleza. Su descubrimiento marcó un hito en la química y la física del siglo XX, destacando la perseverancia y agudeza científica de la francesa Marguerite Perey y el legado francés en la investigación sobre la radioactividad.

Si bien el francio no tiene usos prácticos hoy en día, su estudio sigue proporcionando conocimiento fundamental sobre la naturaleza de los elementos radiactivos y la estructura atómica.

Referencias

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