프랑슘(←영어: francium 프랜시엄^[*], 문화어: 프란시움←독일어: Francium 프란치움^[*])은 화학 원소로 핵반응으로 만드는 알칼리 금속이다. 원소기호는 Fr(←라틴어: francium 프랑키움^[*])이며, 원자번호는 87이다. 다른 말로 에카-세슘 또는 악티늄-K^[1] 로 부르기도 한다. 알칼리 금속 중에서 가장 무거운 원소이다. 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘과 같은 다른 알칼리 금속처럼 프랑슘도 화합물에서 +1가 형태의 이온 형태를 띠고(Fr⁺), 화학적 성질은 세슘과 매우 비슷하다. 프랑슘의 가장 안정한 동위 원소의 반감기는 22분으로 매우 불안정하기 때문에, 아직 많은 양의 원소를 만들지는 못했다.^[2]

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^[3], 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.^[4]

존재량

천연 존재

악티늄-227의 알파 붕괴로 극미량 생기는 방사성 원소이다.^[5] 우라늄 광석 1개에 들어 있는 프랑슘의 원자 수는 1×10¹⁸ 개의 우라늄 원자 중 1개 정도이다. 지구상에 존재하는 모든 프랑슘의 양은 계산 결과 최대 30 g 정도이며, 붕괴하여 아스타틴이 된다.^[2]

인공 생성

미국 캘리포니아 버클리 연구소에서 안정적인 금-197에다 산소 16, 17, 18을 충돌시켜서 프랑슘-209, 프랑슘-210, 프랑슘-211을 만들었다. 각각 남은 중성자 수는 3개, 4개, 5개였다. 2009년 라듐에 양성자 1개, 중수소 1개, 헬륨 이온을 충돌시켜 생성하려고 하였으나 실패하였다.

역사

1939년 마그리트 페레에 의해 발견되었다.^[6] , 존재는 1870년대에 멘델레예프에 의해 에카-세슘 (eka-cesium)^[7] 으로 예측되었다. 마그리트 페레는 223 프랑슘을 발견하고 자신의 조국인 프랑스의 이름을 따 새로운 원소를 프랑슘으로 명명했다.

여러 가지 반응

아직 육안으로 보일 정도로 많은 양을 한 번에 제조한 경우는 없기 때문에 모든 반응 결과는 추정이다.

공기와의 반응

매우 연하고, 쉽게 자를 수 있는 고체 금속일 것이며 실온에서 액체일지도 모른다.^[8] 깨끗한 프랑슘의 표면은 산소나 수증기와 빠르게 반응하여 곧바로 변색될 것이다. 공기 중에 연소된다면 초산화 프랑슘 (FrO₂)이 될 것으로 예상된다.

물, 할로젠, 산염기 반응

수산화물(XOH)의 무색 용액과 수소 기체를 형성하는 1 족 원소의 특성상 프랑슘과 물의 반응 결과도 동일할 것이며, 아마도 세슘보다 격렬할 것이다. 할로젠(플루오린, 염소, 브로민, 아이오딘, 아스타틴) 원소와는 격렬하게 반응하여 할로젠화 프랑슘을 형성할 것으로 예상할 수 있다. 산 또는 알칼리와의 반응도 다른 알칼리 금속들과 동일할 것으로 추정된다.

산출

우라니나이트(피치블렌드)에 10-20 g의 프랑슘(1×10^¹⁸개의 우라늄 원자당 한 개의 원자)이 존재하는 것으로 추정된다. 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 20-30g 이다.

동위 원소

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

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

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

가장 반감기가 짧은 동위 원소는 프랑슘-215로, 반감기는 0.12μs 정도이다. 프랑슘-215는 아스타틴-211로 알파 붕괴하며, 붕괴 에너지는 9.54 MeV정도이다. 가장 반감기가 긴 이성질핵 동위원소는 프랑슘-215m이며, 반감기는 3.5 ns 정도이다.

각주

1. ↑ Actually the least unstable isotope, Fr-223
2. ↑ ^{가 나} 《CRC Handbook of Chemistry and Physics》 4. CRC. 0-8493-0474-1.  지원되지 않는 변수 무시됨: |작성년도= (도움말); 지원되지 않는 변수 무시됨: |쪽수= (도움말)
3. ↑ Linus, Pauling. 《The Nature of the Chemical Bond (3rd Edn.)》. Cornell University Press. 93쪽.  지원되지 않는 변수 무시됨: |작성년도= (도움말)
4. ↑ Andy, Price (2004년 12월 20일). “Francium”. 2007년 3월 25일에 확인함. 
5. ↑ Mark, Winter. “Electron Configuration”. The University of Sheffield. 2007년 4월 18일에 확인함.  지원되지 않는 변수 무시됨: |내용= (도움말)
6. ↑ Some synthetic elements, like technetium, have later been found in nature.
7. ↑ "eka"는 주기율표의 동족란의 빈자리에 밝혀지지 않은 원소를 표현할 때에 사용하는 접두사
8. ↑ L. V., Kozhitov; Kol'tsov, V. B.; Kol'tsov, A. V. (2003년 2월 21일). “Evaluation of the Surface ss Media B.V.”. doi:10.1023/A:1027389223381. 2007년 4월 14일에 확인함.  더 이상 지원되지 않는 변수를 사용함 (도움말)

외부 링크

• (영어) 프랑슘 - WebElements.com
• 주기율표 - 프랑슘
• 스토니 브룩 대학교 물리 보고서 - 프랑슘