프랑슘

3. 화학적 성질

원자번호는 87, 원소기호는 Fr, 질량수는 223.019이다. 프랑슘의 녹는점은 300K, 끓는점은 950K이나 일부 과학자들은 935K으로 보기도 한다. 화학적 성질은 세슘과 조금밖에 차이나지 않는다. 전기 음성도는 0.7로^[89], 0.79인 세슘과 0.09정도 차이가 난다. 이온화 에너지는 1차 380kJ/mol, 2차 2200kJ/mol, 3차 3300kJ/mol(2차, 3차는 세슘에 의한 추정)이다. 프랑슘은 붕괴하여 라돈으로 된다.^[90]

프랑슘은 자연에서 발견되는 원소 중 가장 불안정한 원소이다. 가장 긴 반감기를 가진 프랑슘-223의 반감기조차도 22분에 불과하여, 측정 가능한 양의 단체 금속 및 화합물로 얻는 것이 거의 불가능하다. 따라서 프랑슘의 화학적, 물리적 특성은 실제 실험 결과로 얻어진 값이 적고, 대부분 이론적 추정치에 의존한다. 대조적으로, 자연에서 발견되는 원소 중 두 번째로 불안정한 원소인 아스타틴의 최대 반감기는 8.5시간이다.^[58] 프랑슘의 모든 동위원소는 붕괴하여 아스타틴, 라듐 또는 라돈이 된다.^{[58] 215m}Fr은 반감기가 단 3.5나노초에 불과하며, 원자번호 105(더브늄)까지 합성된 원소 중 가장 불안정한 원소이다.^[59] 단체 금속은 은백색일 것으로 추정된다. 또한, 프랑슘은 매우 높은 방사능을 가진다.

프랑슘은 화학적 성질이 대부분 세슘과 유사한 알칼리 금속 원소이다.^[59] 1개의 원자가전자를 가지는 매우 무거운 원소이며,^[60] 원소의 당량은 가장 크다.^[59] 만약 단체 금속 프랑슘이 만들어진다면, 그 융점에서 표면장력은 아마도 0.05092 N/m일 것이다.^[61] 프랑슘의 융점은 계산상 약 27 ℃ 부근으로 추정된다.^[62] 그러나 융점은 프랑슘 원소의 극도로 희귀함과 방사능 때문에 명확하게 확인되지 않았으며, 주장 및 추정의 영역에 머물러 있다. 마찬가지로, 추정된 677 ℃의 끓는점 또한 미확인이다. 방사성 원소는 열을 방출하므로, 그 열에 의해 금속 프랑슘은 거의 확실히 액체일 것으로 생각된다.

라이너스 폴링은 프랑슘의 전기음성도를, 그 값이 정확하다는 실험 데이터는 없지만, 세슘의 0.79라는 폴링 스케일 값으로부터 폴링 스케일에서 0.7로 추정했다.^[63][64] 프랑슘의 이온화 에너지는 불활성 전자쌍 효과에 의해 예상되는 바와 같이, 세슘의 375.7041(2) kJ/mol보다 약간 높은 392.811(4) kJ/mol이며,^[65] 이는 세슘이 프랑슘보다 전기음성도가 낮다는 것을 시사한다.

과염소산세슘과 공침시키는 방법으로 극소량의 과염소산프랑슘을 얻을 수 있다. 이 공침물은 L. E. 글렌다넌과 C. M. 넬슨의 방사성 세슘 공침법을 적용하여 프랑슘을 분리하는 데 사용할 수 있다. 그것은 또한 요오드산염, 피크르산염, 주석산염(주석산 루비듐도), 헥사클로로백금산염, 텅스토규산 등을 포함한 다른 많은 세슘염과 공침될 수 있다. 텅스토규산 및 과염소산염에 의한 공침은 또한 다른 알칼리 금속을 담체로 사용하지 않고 프랑슘을 분리하는 방법을 제공한다.^[66][67] 거의 모든 프랑슘염은 수용성이다.^[68]

3. 1. 일반적인 성질

3. 2. 반응성

3. 3. 화합물

4. 동위 원소

동위 원소는 약 3~40여 종이 알려져 있으며 질량은 199에서 232까지 다양하다. 또한 7개의 이성질핵 동위원소(X-xm)가 존재한다. 이 중 ²²³Fr은 유일하게 자연계에 존재하는 동위 원소이며 나머지 동위원소들은 모두 인공적으로 만든 것이다.

프랑슘-223(²²³Fr)은 모든 동위원소 중 가장 안정적인 동위원소이며, 반감기는 약 21.8분이고 천연적으로 발견된 유일한 동위 원소이다. 악티늄-227(²²⁷Ac)의 알파 붕괴 과정에서 생기는 원소이다. 프랑슘-223은 베타 붕괴하여 라듐-223(²²³Ra)으로 되며 붕괴에너지는 1149 keV 정도이고, 적은 비율(0.006%) 로는 알파 붕괴되어 아스타틴-219(²¹⁹At)로 되고, 이 때의 붕괴 에너지는 5.4 MeV정도이다.

프랑슘-221(²²¹Fr)의 반감기는 4.8 분이다. 이 동위 원소는 악티늄-225(²²⁵Ac)가 알파 붕괴하여 생긴 것이다. 프랑슘-221 역시 알파 붕괴하여 아스타틴-217(²¹⁷At)로 되며, 붕괴 에너지는 6.457 MeV정도이다.

가장 반감기가 짧은 동위 원소는 프랑슘-215(²¹⁵Fr)로, 반감기는 0.12μs 정도이다. 프랑슘-215는 아스타틴-211(²¹¹At)로 알파 붕괴하며, 붕괴 에너지는 9.54 MeV정도이다. 가장 반감기가 긴 이성질핵 동위원소는 프랑슘-215m(^215mFr)이며, 반감기는 3.5 ns 정도이다.

4. 1. 주요 동위 원소

5. 존재량

우라니나이트(피치블렌드)에 10^-20 g의 프랑슘(1개의 우라늄 원자당 한 개의 원자)이 존재하는 것으로 추정된다.^[25] 악티늄이 붕괴하여 발생하며, 토륨(Th)에 양성자들을 충돌시켜 인공적으로 제조할 수도 있다. ²²⁷Ac의 딸 핵이자 가장 안정적인 동위원소인 ²²³Fr조차도 반감기가 22분인데, 이는 자연에 존재하는 원소 중 가장 불안정하다. 3~40여 종의 동위원소들이 알려져 있으나, 자연에 존재하는 것은 ²²³Fr뿐이며 지구 지각에 존재하는 양은 많아야 20-30g이다.

5. 1. 천연 존재

5. 2. 인공 생성

6. 응용

프랑슘은 불안정하고 희귀하기 때문에 상업적인 용도는 없다.^{[24][25][26][20]} 화학^[27] 분야와 원자 구조 연구에 사용되어 왔다. 다양한 암의 진단 보조제로서의 활용 가능성도 모색되었지만,^[5] 실용적이지 않은 것으로 판단되었다.^[25]

프랑슘은 합성, 포획, 냉각이 가능하고 원자 구조가 비교적 단순하여 특수한 분광법 실험의 대상이 되어 왔다. 이러한 실험을 통해 에너지 준위 및 소립자 사이의 결합 상수에 대한 보다 구체적인 정보를 얻을 수 있었다.^[28] 레이저 포획된 프랑슘-210 이온이 방출하는 빛에 대한 연구는 원자 에너지 준위 간 전이에 대한 정확한 데이터를 제공했는데, 이는 양자 이론에 의해 예측된 것과 매우 유사하다.^[29] 프랑슘은 CP 위반을 찾는 데 유망한 후보 물질이다.^[30]

프랑슘(Francium)의 불안정성과 희소성으로 인해, 시판된다고 해도 용도는 없으며^{[69][70][71][72][73]}, 생물학^[74] 및 원자 구조 분야의 연구 목적으로만 사용된다. 과거 다양한 암의 잠재적인 진단 보조 수단으로도 검토되었으나^[58], 이 용도에서도 실용적이지 않다고 여겨졌다.^[71]

합성, 포집, 냉각된 프랑슘의 비교적 단순한 원자 구조는 전문적인 분광학 실험의 대상으로 활용되어, 이러한 실험을 통해 원자를 구성하는 소립자 간의 결합 상수 및 에너지 준위에 관한 정보를 특정하는 데 기여했다.^[75] 레이저 트래핑된 ²¹⁰Fr 이온에 의한 발광 연구는 양자 역학에 의해 예측된 값과 매우 유사한, 원자 에너지 준위 간 전이에 대한 정확한 데이터를 제공했다.^[76]

6. 1. 연구 분야

7. 한국과 프랑슘

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