Francium
Radon ← Francium → Radium Cs   87 Fr                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               ↑ Fr ↓ Uue Table complète • Table étendue
Informations générales
Nom, Symbole, Numéro	Francium, Fr, 87
Série chimique	Métal alcalin
Groupe, Période, Bloc	1 (IA) , 7, s
Masse volumique	1 870 kg·m-3
Couleur	métallique
N° CAS	7440-73-5 [1]
Propriétés atomiques
Masse atomique	(223 u)
Rayon de covalence	2, 60 Å [2]
Configuration électronique	[Rn]7s1
Électrons par niveau d'énergie	2, 8, 18, 32, 18, 8, 1
État (s) d'oxydation	1
Oxyde	basique
Structure cristalline	Cubique à corps centré
Propriétés physiques
État ordinaire	Solide (non magnétique)
Point de fusion	27 °C [3]
Point d'ébullition	676, 85 °C
Divers
Électronégativité (Pauling)	0, 7
Conductivité électrique	> 3×106 S·m-1
Conductivité thermique	15 W·m-1·K-1
Énergies d'ionisation
1re : 4, 072741 eV [4]
Isotopes les plus stables
iso AN Période MD Ed PD MeV 221Fr traces 4, 54 min α 6, 457 217At 222Fr {syn. } 14, 24 min β- 1, 78 222Ra 223Fr 100 % 21, 48 min β- α 1, 12 5, 340 223Ra 219At
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le francium est un élément chimique de numéro atomique 87 connu pendant un temps sous les noms de eka-césium ou actinium K. C'est un métal alcalin radioactif de masse atomique 233 et de symbole Fr.

C'est le second élément le plus rare, après l'astate : il n'en existerait qu'une trentaine de grammes dans la croûte terrestre. Cette rareté est due à son existence transitoire, comme produit de désintégration de l'actinium. La demi-vie de l'isotope le plus stable ²²³Fr est de 23 minutes, puis il se transforme lui-même en radium par désintégration bêta ou en astate par rayonnement alpha. C'est cette double radioactivité qui rend l'astate toujours plus rare que le francium, même si l'astate a une demi-vie supérieure à celle du francium (8, 1 h > 22 min).

Le francium a été découvert en 1939 à l'Institut Curie de Paris par Marguerite Perey, en purifiant du lanthane contenant de l'actinium. Il s'agit du dernier élément découvert dans la nature et non synthétisé (certains éléments, tel le technétium, ont été découverts dans la nature après avoir été synthétisés en laboratoire).

Histoire

Dès les années 1870, la communauté des chimistes pensait qu'il devait exister un métal de type alcalin de numéro atomique 87^[5], en dessous du césium dans la classification périodique. Il était alors connu sous le nom provisoire eka-césium^[6]. Les équipes de chercheurs essayaient de découvrir et d'isoler cet élément manquant. Au moins quatre annonces prématurées de sa découverte furent faites avant qu'il soit effectivement découvert.

Découvertes erronées ou incomplètes

Le premier scientifique à annoncer avoir découvert l'eka-césium fut le chimiste russe D. K. Dobroserdov. En 1925, ce dernier observa des traces de radioactivité dans un échantillon de potassium (un autre métal alcalin), et en conclut à une contamination de l'échantillon par l'eka-césium^[7]. Il publia alors une thèse au sujet de ses prédictions des propriétés de cet élément, dans laquelle il le baptisa russium, du nom de son pays^[8]. Peu après, Dobroserdov commença à se concentrer sur sa carrière d'enseignement à l'Institut Polytechnique d'Odessa et ne poursuivit pas ses travaux plus avant^[7].

L'année suivante, les chimistes anglais Gerald J. F. Druce et Frederick H. Loring analysèrent des clichés de Rayons-X du sulfate de manganèse^[8]. Ils remarquèrent des raies spectrales qu'ils attribuèrent à l'eka-césium. Ils annoncèrent alors leur découverte de l'élément 87 pour lequel ils proposèrent le nom alkalinium, puisque cet élément serait le plus lourd des métaux alcalins^[7].

En 1930, le professeur Fred Allison, de l'Institut Polytechnique de l'Alabama, annonça la découverte de l'élément 87 après l'étude de l'effet magnéto-optique d'échantillons de pollucite et de lépidolite. Allison demanda à ce que l'élément soit baptisé virginium, du nom de son état de naissance, et proposa pour symbole Vi et Vm^{[8], [9]}. Cependant en 1934, le professeur MacPherson, de l'Université de Californie, montra que cette découverte était erronée et liée à des problèmes d'appareillage^[10].

En 1936, le chimiste roumain Horia Hulubei et sa collègue française Yvette Cauchois étudièrent aussi la pollucite, cette fois en utilisant un appareil de spectroscopie de rayons-X haute résolution^[7]. Ils observèrent plusieurs raies d'émission de faibles intensités qu'ils attribuèrent à l'élément 87. Hulubei et Cauchois publièrent leur découverte et proposèrent de baptiser l'élément moldavium, avec pour symbole Ml, du nom de la Moldavie, province où ils effectuaient leurs recherches^[8]. En 1937, ces travaux furent critiqués par le physicien américain F. H. Hirsh Jr. qui rejeta les méthodes d'Hulubei. Hirsh était certain que l'eka-césium n'existait pas dans la nature et qu'Hulubei avait en réalité observé les raies spectrales du mercure ou du bismuth. Hulubei lui répondit que ses équipements et ses méthodes étaient trop précis pour une telle erreur. Par conséquent, Jean Baptiste Perrin, lauréat du prix Nobel de physique et mentor d'Hulubei, soutint le moldavium comme véritable eka-césium en dépit de la découverte du francium par Marguerite Perey. Perey continua de réfuter les travaux d'Hulubei jusqu'au moment où la découverte de l'élément 87 lui fut attribuée à elle seule^[7].

Les travaux de Perey

L'eka-césium fut véritablement découvert en 1939 par Marguerite Perey à l'Institut Curie à Paris. Elle travaillait alors à la purification d'un échantillon d'actinium-227, élément se désintégrant avec une énergie de désintégration de 220 keV. Cependant, elle remarqua aussi des particules émises avec une énergie bien inférieure à 80 keV. Perey pensa que cette décroissance radioactive pouvait être due à la présence d'un produit de désintégration non identifié, produit qui serait éliminé durant la purification mais qui réapparaîtrait du fait de la désintégration de noyaux d'actinium. Des tests permirent d'éliminer la possibilité de présence de thorium, de radium, de plomb, de bismuth ou de thallium. Les propriétés chimiques du nouveau produit étaient celles d'un métal alcalin (par exemple la co-précipitation avec des sels de césium), ce qui conduit Perey à penser qu'il s'agissait de l'élément 87, apparu suite à la désintégration de type α de l'actinium 227^[6]. Perey tenta alors de déterminer la proportion des désintégrations alpha et béta pour l'actinium 227. Ses premiers tests lui permirent d'estimer la proportion de désintégration alpha à 0, 6 %, valeur qu'elle révisa plus tard à 1 %^[11].

Perey baptisa le nouvel isotope actinium-K, connu à l'heure actuelle sous le nom de francium-223^[6], et en 1946 elle proposa de baptiser catium le nouvel élément. Elle pensait en effet qu'il s'agissait de l'élément le plus électropositif de la classification périodique. L'une des supérieures de Perey, Irène Joliot-Curie, s'opposa à ce nom, car il semblait plus à l'oreille avoir pour origine chat que cation (en anglais cat veut dire chat) ^[6]. Perey proposa alors francium, en hommage au pays dans lequel avait eu lieu la découverte. Ce nom fut adopté officiellement par l'Union internationale des chimistes en 1949 et reçut pour symbole Fa, symbole changé peu après en Fr^[12]. Le francium fut le dernier élément existant à l'état naturel à être découvert, après le rhénium en 1925^[6]. Parmi les travaux de recherche concernant le francium qui furent menés depuis, on peut citer surtout ceux conduits par Sylvain Lieberman et son équipe au CERN dans les années 1970 et années 1980^[13].

Propriétés

Le francium est le moins stable des éléments plus légers que le nobélium (numéro atomique 102) ^[14]. Son isotope le plus stable, le francium 223, possède une demi-vie inférieure à 22 minutes. À titre de comparaison le deuxième élément le moins stable, l'astate, possède une demi-vie pour l'isotope le plus stable inférieure à 8, 5 heures^[5]. L'ensemble des isotopes du francium se désintègrent en formant de l'astate, du radium ou du radon^[5].

Le francium est un alcalin dont les propriétés chimiques se rapprochent de celles du césium^[14]. Étant un élément lourd avec un seul électron de valence^[15], il est l'élément possédant la masse équivalente la plus grande^[14]. De même, il est l'élément connu possédant l'électronégativité la plus faible, 0, 7 sur l'échelle de Pauling^[16] (le deuxième élément le moins électronégatif est le césium, 0, 79 sur l'échelle de Pauling^[17]). Si du francium liquide pouvait être obtenu, il aurait une tension de surface de 0, 05092 J·m^-2 à sa température de fusion^[18], ce qui est assez faible.

Le francium coprécipite avec plusieurs sels de césium, comme le perchlorate de césium avec lequel il forme de faibles quantités de perchlorate de francium. La coprécipitation est parfois utilisée pour isoler le francium, en adaptant la méthode de coprécipitation du césium de Glendenin et Nelson. Il précipite surtout avec des sels de césium dont l'iodate, le picrate, le tartrate (il précipite aussi avec le tartrate de rubidium), le chloroplatinate, et le silicotungstate. Il précipite aussi avec l'acide silicotungstique et l'acide perchlorique, ce qui rend envisageable d'autres techniques de séparation^{[19], [20]}. La majorité des sels de francium sont solubles dans l'eau^[21].

Applications

Du fait de son caractère instable et de sa rareté, il n'y a pas d'application commerciale du francium^{[22], [23], [24], [25], [26]}. Il n'est utilisé que dans la recherche, à la fois dans le domaine de la biologie et de celui de la physique atomique. Il a été imaginé qu'il puisse être une aide pour le diagnostic de maladies cancéreuses^[5], mais cette application s'est révélée impossible^[24].

La capacité du francium à être synthétisé, confiné et refroidi, alliée à sa structure atomique assez simple, en ont fait un objet d'études pour des expériences de spectroscopie. Ces expériences ont conduit à la découverte d'informations concernant les niveaux d'énergie et les constantes de couplage entre particules sub-atomiques^[27]. L'étude des rayonnements émis par des ions de francium-210 confinés par laser a permis d'obtenir des données précises quant aux transitions entre niveaux d'énergie atomiques. Les résultats expérimentaux sont proches de ceux prédits par la physique quantique^[28].

Abondance

Naturelle

Le francium est le produit de la désintégration de type alpha de l'actinium 227 et existe à l'état de traces dans les minerais d'uranium et de thorium^[14]. Dans un échantillon donné d'uranium, la quantité de francium présente est estimée à un atome pour 10¹⁸ atomes d'uranium^[24]. D'autre part, des calculs montrent qu'il n'y aurait en permanence qu'au plus 30 g de francium dans la croûte terrestre^[29]. À ce titre, il s'agit du deuxième élément le plus rare dans la croûte terrestre après l'astate^{[5], [24]}.

Synthèse

Le francium peut être synthétisé par la réaction nucléaire ¹⁹⁷Au + ¹⁸O → ²¹⁰Fr + 5n. Ce procédé de synthèse, développé à l'Université d'État de New York, permet d'obtenir les isotopes de masses atomiques 209, 210 et 211^[30], qui peuvent être ensuite isolés en exploitant un effet magnéto-optique^[31]. Parmi les autres méthodes de synthèse figurent surtout le bombardement d'atomes de radium par des neutrons ou celui d'atomes de thorium par des protons, ou du deutérium ou de l'hélium ionisé^[11]. À l'heure actuelle, il n'a jamais été produit en quantité importante^{[14], [5], [24], [32]}.

Voir aussi

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