FRANCIUM

Fr, atomnr. 87, molvekt (for den stabileste isotopen) 223,019736 g, elektronkonfigurasjon (Rn)+6s1. Teoretisk bør grunnstoffet ha et smeltepunkt rundt 300 K og et kokepunkt rundt 950 K, en tetthet på 1,87 g/cm³, en elektrisk motstand på rundt 30 mikrohm-cm og en varmeledningsevne på rundt 0,15 W/cm/K.

Ved Stony Brook-universitetet i New York har de spesialisert seg på studiet av francium, og lagt ut hjemmesider om det: http://fr.physics.sunysb.edu/francium_news/frconten.htm. De fanger Fr-atomer i laserfeller. De lager Fr 210 ved å bombardere et gulltarget med oksygenkjerner i en akselerator. Spektroskopiske studier er spesielt interessante, på grunn av det "løse" 7s-elektronet som er lett å eksitere til andre energinivåer.

Francium hører til (hoved-)gruppe 1 i det periodiske systemet, også kjent som alkalimetallene. Det har (1995) 40 kjente isotoper og isomerer, alle radioaktive. Som astat lider francium sterkt under det doble fylte nukleonskallet ved bly 208, som både har et lukket protonskall på 82 og et lukket nøytronskall på 126. Etter bly 208 synker stabilitetskurven bratt, og begynner såvidt å ta seg opp igjen ved radium 226. Akkurat som elektronene organiserer kjernepartiklene seg i 'skall' og liksom de grunnstoffene som kommer etter edelgassene har lett for å gi fra seg elektroner og er ustabile i ren form, har kjernene til grunnstoffene mellom bly og radium spesielt lett for å gi fra seg et nukleon - eller fire. Det er i dette området at alfapartikkelradioaktiviteten begynner å gjøre seg gjeldende for alvor.

Slikt går spesielt hardt utover kjerner med odde proton- og/eller nøytrontall, og francium er det hardest rammede av grunnstoffene i dette området. Sett i forhold til den mest stabile kjente isotopen av hvert grunnstoff er francium det minst stabile av de 103 første grunnstoffene med en halveringstid på 21,8 minutter for 223-isotopen. Og det finnes sannsynligvis uoppdagede isotoper av rutherfordium (104) og flere av de etterfølgende grunnstoffene som har lengre halveringstid. Men francium har mange isotoper med halveringstid på noen minutter. Den nest lengste halveringstiden har faktisk Fr 212, som ligger innenfor 126-skallet for nøytroner og har en halveringstid på 20,0 minutter. Deretter kommer Fr 222 med 14,2, Fr 221 med 4,9, Fr 225 med 4,0, Fr 224 med 3,3, Fr 210 med 3,18, Fr 211 med 3,10 og Fr 227 med 2,47 minutter. Dessuten har 208, 209, 213, 226, 228 og 229 mellom 30 sekunder og et minutt. Men 214, 218 og 219 har bare noen millisekunder, 217 noen mikrosekunder og 215 og 216 en brøkdel av et mikrosekund.

HISTORIE
De la terre en vigne, la voilà la jolie vigne
De la terre en vigne, la voilà la jolie vigne
Vigni vignon, vignons le vin, la jolie vigne au vin
Vigni vignon, vignons le vin, la jolie vigne au vin

De la vigne en treille, la voilà la jolie treille
De la vigne en treille, la voilà la jolie treille
Treilli treillon, treillons le vin, la jolie treille au vin
Treilli treillon, treillons le vin, la jolie treille au vin

De la treille en grappe, la voilà la jolie grappe
De la treille en grappe, la voilà la jolie grappe
Grappi grappon, grappons le vin, la jolie grappe au vin
Grappi grappon, grappons le vin, la jolie grappe au vin

De la grappe en seille, la voilà la jolie seille
De la grappe en seille, la voilà la jolie seille
Seilli seillon, seillons le vin, la jolie seille au vin
Seilli seillon, seillons le vin, la jolie seille au vin

De la seille en huche, la voilà la jolie huche
De la seille en huche, la voilà la jolie huche
Huchi huchon, huchons le vin, la jolie huche au vin
Huchi huchon, huchons le vin, la jolie huche au vin

De la huche en cruche, la voilà la jolie cruche
De la huche en cruche, la voilà la jolie cruche
Cruchi cruchon, cruchons le vin, la jolie cruche au vin
Cruchi cruchon, cruchons le vin, la jolie cruche au vin

De la cruche en verre, le voilà le joli verre
De la cruche en verre, le voilà le joli verre
Verri verron, verrons le vin, le joli verre au vin
Verri verron, verrons le vin, le joli verre au vin

Du verre en bouche, la voilà la jolie bouche
Du verre en bouche, la voilà la jolie bouche
Bouchi bouchon, bouchons le vin, la jolie bouche au vin
Bouchi bouchon, bouchons le vin, la jolie bouche au vin

De la bouche en ventre, le voilà le joli ventre
De la bouche en ventre, le voilà le joli ventre
Ventri ventron, ventrons le vin, le joli ventre au vin
Ventri ventron, ventrons le vin, le joli ventre au vin

Du ventre en pisse, la voilà la jolie pisse
Du ventre en pisse, la voilà la jolie pisse
Pissi pisson, pissons le vin, la jolie pisse au vin
Pissi pisson, pissons le vin, la jolie pisse au vin

De la pisse en terre, la voilà la jolie terre
De la pisse en terre, la voilà la jolie terre
Terri terron, terrons le vin, la jolie terre au vin
Terri terron, terrons le vin, la jolie terre au vin

De la terre en vigne, la voilà la jolie vigne
De la terre en vigne, la voilà la jolie vigne
Vigni vignon, vignons le vin, la jolie vigne au vin
Vigni vignon, vignons le vin, la jolie vigne au vin

Vinrankene i Auvergne vokser på tertiære lavaleier. I Jurafjellene hvor dinosaurer en gang trampet går småfe og gresser. På de blodstenkte Ardennene har vinden en gang lekt i kronene til kjempebregner og kjerringrokktrær. Lokalet i Quimper hvor dagens barder står og synger 'kan ha diskan' er plantet på røttene av den hercynske fjellkjeden. Under kafeen i Pauillac hvor Jacques og Pierre sitter og tar seg et glass etter jobben ligger mesozoiske havsedimenter. Kjeveløse panserfisk svømte og trilobitter lekte i sanden i Port de Bouc hvor gamle Maria og Juliana nå sitter med hekletøyet sitt. På lavaleiene ved Clermont-Ferrand hvor vinranker vokser prøvde en gang Vercingetorix av arvernerne å redde de tapre gallerne sine.

De eide landet. Skogene av bøk og sommereik i nord og vest og korkeik og steineik i sør var endeløse, bare kratt av maquis og garrigue avbrøt dem. Villsvin krydde det av i skogene ja, men de var også fulle av hjort, rådyr, ulv, gaupe og bjørn. Bever, rev, harer og kaniner fantes over alt, og i Alpene og Pyreneene klatret det gemser.

Vi ville ta det fra dem. Vi hugget stein og etterlot oss verktøy av Abbevillien-, Acheuléen- og Mousterien-typen. Vi blandet kull og fargeplanter og tegnet Aurignacien- og Magdalénien-tegninger i kalkhulene mens isen knuget kontinentet. Vi begynte å rydde i skogene og krattene og plantet gras og grønnsaker og lot feet gresse på lyngheiene, vi bygde enorme monumenter for å sikre at Sola vendte tilbake for å nære åkrene våre.

Ambicatos kom med sine tapre gallere, fokaierne kom og bygde Massalia ved Middelhavet. Marius satte seg fast i sør og Vercingetorix klarte ikke å redde gallerne sine mot Julius, derfor begynte de straks å gå med toga. Men noen britiske gallere som flyktet fra de danske engelskmennene slo seg ned i nordvest og var trofaste mot buksene sine. Syagrius klarte ikke å redde de togakledde galloromerne sine og Chlodewig toget inn med frankerne sine, men var ikke sen om å kjøpe seg en toga han også.

Gange-Rolf kom fra Sunnmøre med normannerne sine, ja, det var ikke ende på hvem som kom. Engelskmennene kom og glemte ikke Azincourt, men nå sto Jeanne fra Arc fram og sa at det fikk være nok, de tålte ikke puddingstyret. Det kom en serie av Louis'er, som kriget i øst og vest og la det ene fyrstedømmet etter det andre inn under seg selv, unntatt Monaco og Andorra. Men så bestemte folket at de ville dele litt med Louis'ene, og landet ble et radikalt og framtidsrettet land hvor kvinner kunne bli fysikere.

En av disse var Marie Sklodowska Curie. En annen var Iréne Joliot-Curie. En tredje var mademoiselle Marguerite Perey. Nåvel, hun var visst egentlig kjemiker, da, men i kjerneforskningen går slikt litt om hverandre.

Da en mannlig fysiker, Henri Becquerel, oppdaget radioaktiviteten i 1896 fant man etter hvert ut at alle de grunnstoffene som manglet mellom nr. 90 og 92, thorium og uran, og nr. 83, vismut, eksisterte i naturen som radioaktive nedbrytningsprodukter av de to førstnevnte. Uran- og thoriummineraler ble undersøkt og radium (88) og polonium (84) var de to første som ble oppdaget i 1898, deretter actinium (89) i 1899 og radon (86) i 1900. Omsider kom protactinium (91) i 1913. Men det kunne virke som om de to gjenværende, 85 og 87, ble omgått i de naturlige radioaktive seriene. Forskjellige forskere i forskjellige ikke navngitte deler av verden rotet med radioaktive mineraler, mente de fant noe og foreslo navn som russium, alkalinium, virginum og til og med moldavium. Men det viste seg at ingen av dem kunne bekreftes.

På Curie-instituttet i Paris drev mademoiselle Perey våren 1939 og renset actinium. Actinium var det mest lovende råstoffet for grunnstoff 87, for hvis man kunne finne en isotop som sendte ut alfapartikler, ville atomnummeret endres fra 89 til 87. Problemet var at det ikke hadde lykkes å finne andre actiniumisotoper i naturen enn 227, som inngikk i nedbrytningsserien til uran 235. Og denne sendte ut betapartikler, som tok med seg en enhet negativ elektrisitet fra kjernen og *økte* atomnummeret, slik at produktet ble thorium 227, eller radioactinium, som de kalte det i de dager.

Men det hadde blitt oppdaget at enkelte av nedbrytningsveiene i de radioaktive seriene forgrenet seg fordi noen isotoper utstrålte *både* alfa- og betapartikler. F.eks. utstrålte vismut 212 (eller thorium C) alfapartikler og ble til thallium 208 (thorium C') nesten like ofte som det utstrålte betapartikler og ble til polonium 212 (thorium C''). Mademoiselle Perey satt nå og renset actinium fordi hun håpet å finne alfapartikler i prøven sin. Og da hun hadde renset den nok, fant hun at det meste av strålingen riktignok var betapartikler, men at det også var 1,2 % alfapartikler, slik at man måtte vente at det ble dannet et produkt med atomnummer 87 som hun kalte actinium K. Hun oppdaget også at det raskt dannet seg en ny, sterk beta-aktivitet ettersom actinium K ble dannet, og konkluderte at det raskt ble omdannet til radium 223, også kalt actinium X, som også var produktet av radioactinium. 9. januar 1939 offentliggjorde hun oppdagelsen for vitenskapsakademiet. Det at actinium K var så ustabilt og at det ble omdannet til samme produkt som radioactinium var årsaken til at man hadde lett forgjeves etter det så lenge.

Alkalimetallene har nokså karakteristiske egenskaper, og det var ikke vanskelig å påvise at actinium K reagerte som et, slik man naturlig måtte vente av grunnstoff 87. Perey renset actinium K ved å løse en uranholdig lantanmalm i saltsyre og behandlet løsningen med et lite overskudd av natriumkarbonat for å felle de fleste andre stoffene og deretter litt bariumklorid for å fjerne alt actinium X, som det var så lite av at det ikke ville felles med karbonat uten å ha barium som bærer. Resultatet var en løsning av actinium K og actinium C'' eller thallium 207, som har en halveringstid på 4,8 minutter og dermed omdannes til bly 207 fortere enn actinium K omdannes til actinium X. Men det tok jo ikke mange timene før alt actinium K også var forsvunnet.

Da hunnerne kom året etter fikk mademoiselle Perey annet å tenke på. Men da de nok en gang godt og vel var jaget igjen, i 1946, foreslo hun i doktoravhandlingen sin at actinium K fortsatt skulle gjelde som navn på 223-isotopen, men at grunnstoffet generelt skulle kalles francium, etter det nybefridde hjemlandet hennes, med kjemisk tegn Fa. Dette ble godtatt av IUPAC, bortsett fra at de endret det kjemiske tegnet til Fr. Francium var det siste grunnstoffet som ble oppdaget uten å ta i bruk kunstige kjerneomvandlinger.

Marguerite Perey ble født i Villemomble i 1909, tok en diplomeksamen i kjemi i 1929 og fikk jobb som laborant hos Marie Curie, hvor hun fra begynnelsen fikk til oppgave å undersøke egenskapene til actinium. På grunn av de lantanliknende egenskapene til dette grunnstoffet var det vanskelig å separere fra lantan og lantanider, og hun utviklet nye metoder i fraksjonert krystallisasjon for å få det til. Hun fikk doktorgraden på den nevnte avhandlingen i 1946 og ble professor i kjernekjemi ved universitetet i Strasbourg 1949. Her underviste hun i kjernekjemi og kjernefysikk og bygget opp et kjernekjemisk laboratorium hvor hun fortsatte forskningsarbeidet sitt. Hun la ned en betydelig innsats i opprettelsen av kjerneforskningssenteret Strasbourg-Cronenbourg, men da det var en realitet i 1959, hadde hun begynt å få føling med de stråleskadene hun hadde pådratt seg ved Curie-laboratoriet i 30-årent og måtte bremse aktiviteten og snart trekke seg helt tilbake. Hun led også under moralske anfektelser. Hun døde i Louciennes 1975.

Francium er altså oppkalt etter Frankrike eller France, som er dannet etter middelaldrelatin Francia, eller frankernes land. Folkenavnet franker er dannet til germansk franko 'et kastespyd' fra franka- 'modig, rask', som i norrønt ble til frakkr og i noen norske dialekter gjenfinnes som frakk 'anselig, dyktig'.

Folkenavnet franker ble i middelalderlatin til francus med den utvidede betydningen 'fri mann' i motsetning til de tidligere romerske undersåttene frankerne la under seg. I fransk ble det til franc som ble lånt til tysk som frank og lånt videre til norsk i sammensetningen fri og frank.

Middelalderlatin francus ble i italiensk til franco, som også ble brukt om forhåndsbetalt, fri frakt, og lånt til norsk som franko. Slike sendinger ble gjerne utstyrt med et stempel, og å utføre slik stempling ble kalt francare, som er lånt til tysk som frankieren og videre til norsk som frankere, men idag er betydningen gått over til påklistring av frimerker som bevis på forhåndsbetalingen.

Germansk franka- går trolig tilbake til indoeuropeisk preg- 'begjærlig, heftig', som i germansk mer direkte fikk en form freka- 'begjærlig'. Denne utviklet seg i middelhøytysk til vrech 'modig, dristig', tysk frech, som er lånt til norsk som frekk. Fra germansk freka- kommer også norrønt frœkn 'djerv, rask', som har vært tatt opp i moderne norsk som adjektivet frøken, med et annet tonelag enn substantivet frøken, men er idag meget lite brukt.

GEOLOGI
Francium har ikke noen selvstendig eksistens i naturen, det følger alltid uran- og thoriummineraler og dør ut etter noen timer hvis det blir skilt fra dem. Uran utgjør etter vanlige estimater 0,00027 % av den faste, øvre jordskorpen, og av dette er uran 235 0,7200 %, d.v.s. ialt 0,0000019 %. Halveringstiden for uran 235 er 703,8 millioner år og for Fr 223 21,8 minutter, og siden forskjellen mellom U 235 og de andre mellomliggende nuklidene også er stor kan vi regne at mengdeforholdet mellom U 235 og Fr 223 er 21,8/(525949,2(antall minutter i et år)x703800000)x(223/235) pluss at vi må regne med faktoren 0,012, siden bare 1,2 % av nedbrytningene går gjennom Fr 223. Resultatet er at 1,3x10^-21 % av jordskorpen er Fr 223, eller 26 kg hvis vi regner at jordskorpen veier 2x10¹⁹ tonn.

Men det produseres også litt naturlig neptunium 237 ved naturlige kjernekjemiske prosesser, og i neptuniumserien inngår francium 221 uten omveier. Denne isotopen har en halveringstid på 4,9 minutter, og dannes også av thorium 233, som inngår i neptuniumserien, men produseres i atskillig større mengde enn neptunium ved naturlige radioaktive prosesser. Disse prosessene skjer på grunn av nøytroner som løsrives ved spontan spaltning av uran 238. Dette gir opphav til en naturlig nøytronfluks som kan regnes for å være 2 pr. sekund pr. kvadratcentimeter i hele jordskorpen. Jordskorpen inneholder ikke mer enn ca. 7 tonn Np 237, og etter en likevektsberegning som er litt mer komplisert på grunn av forholdsvis lik halveringstid på noen av datterproduktene bidrar dette med 30 mikrogram Fr 221.

Men det er atskillig mer thorium enn uran 235, 0,00096 % av jordskorpen, og produksjonen av thorium 233 skjer også oftere enn produksjonen av neptunium 237 fra uran 238. Th 232 fanger inn et nøytron med en hyppighet som måles som et tverrsnitt på 7,37x10^-24 cm², en slags justert kjernediameter som tar med faktorer som gjør reaksjonen mer eller mindre sannsynlig enn om det gjaldt bare å treffe kjernen fysisk. Årsproduksjonen er 2 x 31556952 (antall sekunder i et år) x 1,92x10¹⁴ (antall tonn thorium i jordskorpen) x 7,37x10^-24 x (233/232) = ca. 300 kg. Thorium 233 er en betaemitter som via en annen betaemitter, protactinium 233, raskt går over til uran 233, som har en lang halveringstid, 159200 år. Det innstiller seg en likevekt hvor det dannes like mye U 233 som det nedbrytes, og etter vanlig beregning er det til enhver tid 300 kg x 159200 / ln(2) = ca. 70000 tonn U 233 i jordskorpen. Og den mengden av Fr 221 som er i likevekt med dette er ca. 4 gram.

Altså kan vi si at isotopsammensetningen av francium er 99,985 % Fr 223 og 0,015 % Fr 221. Total jordskorpehyppighet for francium er fortsatt 1,3x10^-21 %, noe som plasserer grunnstoffet nede på en 93.-plass av de 96 grunnstoffene som overhodet kan sies å ha en kontinuerlig eksistens i naturen, etter promethium, men foran astat.

KJEMI
Det har aldri vært fremstilt noen veibare mengder av francium. Alle undersøkelser av de kjemiske egenskaper er gjort ved sporstudier, gjerne i vannløsning. Det er det mest elektropositive av alle grunnstoffer og temmelig vanskelig å fremstille i ren tilstand, ikke bare på grunn av radioaktiviteten og de små mengdene det er mulig å få tilgang til. De fysiske egenskapene må en bare gjette seg til. Metallet har et smeltepunkt på under +30 °C, er mykere enn voks, krystalliserer kubisk romsentrert, har en farge som ikke er rent sølvhvit, leder elektrisitet godt, ioniseres lett av lys og reagerer med en uant heftighet med de fleste andre stoffer.

Franciumioner er bare kjent i oksydasjonstrinn +1, og de enverdige ionene er svært stabile så lenge de får være francium-ioner, og danner salter med alle substanser som kan fungere som syrer. De er ikke kjent i krystallinsk form, men egenskapene kan studeres i løsning. Franciumsalter er vanligvis lett løselige i vann, ofte lettere enn for noen av de andre alkalimetallene, men akkurat som cesium kan francium felles som perklorat, FrClO₄, og heksakloroplatinat, Fr₂PtCl₆. Franciumaluner er trolig tyngre løselig i vann enn de andre alkalialunene. Det trengs da en bærer som francium kan felles sammen med, f.eks. de tilsvarende cesiumsaltene, for med de franciummengdene man vanligvis har tilgang til vil det bli umulig å få produktet av ionekonsentrasjonene høyt nok til at det blir høyere enn løselighetsproduktet for forbindelsen, slik at den kan felles ut.

Franciumhydroksyd, FrOH, har sterkere basiske egenskaper enn noe annet stoff.

Analyse:

De forskjellige franciumisotopene kan gjenkjennes på grunn av strålingen. De fleste har nokså karakteristiske gamma- og/eller alfaenergier.

Fremstilling:

Demonstrasjonsforsøk:

For å få demonstrert noen av egenskapene til francium må man ha lisens for å håndtere intenst radioaktive substanser. Hvis man har det, kan det anbefales å anskaffe noen gram radium og sende det til Institutt for Energiteknikk på Kjeller ved Lillestrøm for å få det nøytronbestrålt der i noen dager. Med 10 g radium i form av 13,137 g radiumklorid i en nøytronfluks på 15 millioner pr. sek. pr. cm² vil man på 30 dager få et actiniumutbytte på 1,5x10⁷ x 2592000 (antall sekunder i 30 døgn) x 10 x 1,3x10^-23 (radiumets tverrsnitt for nøytroninnfangning) x (227/226) = 5,1 nanogram actinium. Vent 1 døgn for å få overført alt Ra 227 til Ac 227 og løs deretter radiumkloridprøven i rikelig med kaldt vann, tilsett 1 gram lantanklorid som bærer og deretter 0,52 g natriumfluorid for å felle actinium sammen med lantanet. Filtrer fra bunnfallet, la det stå i 3 timer og rist det deretter grundig med noen få ml rent vann. Filtrer vaskevannet raskt fra, sett det i en betateller og se om aktiviteten reduseres med en halveringstid på drøye 20 minutter. Hvis du får vasket ut alt franciumfluoridet fra bunnfallet har du 300000 atomer francium som har en aktivitet på ca. 160 desintegrasjoner i sekundet, så det kan merkes i en vanlig geigerteller, men et mer følsomt telleapparat kan kanskje anbefales.

Noen franciumforbindelser:

Franciumhydroksyd. Lettløselig i vann. Verdens sterkeste base.

Franciumfluorid. Lettløselig i vann.

Franciumperklorat. Tungtløselig i vann.

BIOLOGI
Francium inngår ikke i noen naturlige livsprosesser, og som strålingsgift er den av liten betydning på grunn av de små mengdene man kan få i seg. Francium opptas lett i tarmen, som alle alkalimetaller, og fordeles i kroppsvæskene. Ved målinger på rotter som fikk maten sin forurenset med francium fant Marguerite Perey at det konsentrerte seg i nyrene, spyttet og leveren. I rotter som led av muskulær bindevevskreft fant hun at aktiviteten var høyere i svulstvevet enn i det normale muskelvevet.

UTNYTTELSE
Perey tenkte seg at francium ville kunne brukes til å helbrede slike kreftformer som bindevevskreft, men de lave konsentrasjonene det er mulig å oppnå av grunnstoffet, kostnadene med å anskaffe det og rikeligheten av andre alternative metoder som både er mer spesifikke og har bedre virkning vil føre til at francium neppe noen gang får noen anvendelse i denne eller noen annen sammenheng.

Hovedkilder:

Prof.dr.phil. Haakon Haraldsen, prof.dr.phil. Anders Hagen og lektor Jacob Vaage(Asch.konv.leks.5.utg.b.7)
CRC Handbook of Chemistry and Physics, 57th ed. 1976-77.
G. Pfennig, H. Klewe-Nebenius, W. Seelmann-Eggebert "Karlsruher Nuklidkarte" Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 1995.
Mary Elvira Weeks "Discovery of the Elements" Journal of Chemical Education, Easton, Pennsylvania 1968.

:-) LEF