钫
（Francium）是一种具有放射性的碱金属元素，位于元素周期表第七周期ⅠA族，化学符号是Fr，原子序数是87。钫是最重的碱金属，预测其在20℃下的密度为2.48g/cm3，熔点是300K，沸点是930K。根据元素周期率预测，从锂到钫，碱性逐渐增加，因此钫的碱性应该强于，是碱金属中碱性最强的元素。
在历经英国人弗兰德（W. Friend）、艾力森（F.Allison）的失败后，玛丽·居里（Marie Curie）的学生玛格丽特·佩里(Marguerite Perey)对超纯进行研究，并发现了87号元素同位素的存在。为了纪念她的祖国法兰西（France），佩里将它命名为“Francium”，元素符号为Fr。最终，佩雷的发现得到了承认。小行星3789将其译为钫。
钫是自然界中第二大稀缺的自然元素，在整个地壳中在任何时候都只有 24.5克钫存在。至2014年，钫发现了37种同位素和34种核异构体，质量数在197-233之间。已知寿命最长的为223Fr，可由227Ac发生α-衰变得到，其半衰期为22分钟。其它钫的同位素，半衰期在几纳秒到几分钟之间，可以用100MeV的质子轰击或，或者用回旋加速器或特殊线形加速器加速到100MeV的重离子去轰击较轻的靶元素（如Pb、Tl、Au轰击B、C、O、W等）而产生。
发现历史
早期探索
在德米特里·门捷列夫创造元素周期表后，仍有许多元素处于空缺状态，但是门捷列夫意识到这些空缺是暂时的，与之相对应的元素一定存在于自然界中。门捷列夫不仅指出了一些元素在元素周期表中所处的位置，而且非常准确地预测了这些未知元素的物理化学性质。随着时间的推移，越来越多的元素被人们所发现，87号元素虽然仍然没有被发现，但由它在元素周期表中的位置所决定，它的许多性质已经为大众所知。
从那时候的发现来看，87号元素在自然界中只能以溶解度高于其他碱金属盐的盐的形式存在，且在地壳中的含量极少，可能是稀有元素中最稀有的。最后，德米特里·门捷列夫在他的论文中提到的它右边是具有放射性的镭和锕，因此人们确认87号元素也应该具有放射性。因此，87号元素的性质导致了两种主要的研究方向：一些科学家期望在碱金属矿物中或富含这些金属的矿泉和海洋中找到它；另一些人则倾向于在放射性路径上进行搜索，希望在其邻近元素的分解产物中找到87号元素。
发现过程
1913年，英国放射化学家克兰斯顿（Cranston）报告说，他在锕的一种同位素中观察到弱辐射(以及特有的β辐射)。他认为87号元素的同位素可能在这种情况下形成。一年后，奥地利放射化学家迈耶（Meyer）、赫斯（Hess）和帕内（Panet）也得到了类似的结果，他们在锕同位素的实验中发现了未知来源的α粒子。他们认为，这些粒子是在正常β活性的227Ac的α分解中形成的，且分解产物一定是87号元素的同位素”。
然而，这个假设还不是科学事实，有许多怀疑其正确性的理由。首先，所观察到的辐射非常微弱，在可能的实验误差范围内。其次，正在研究的锕制备物可能很包含其近邻“”的痕迹，后者能够发射α粒子，因此可能很容易使科学家陷入错误。尽管后来很清楚，这些科学家走在正确的道路上，但当时距离发现第87号元素还有很长的路要走。
1925年，英国人弗兰德（W. Friend）决定前往巴勒斯坦，打算研究富含碱金属的死海。这个想法不是没有道理的，但是无论他如何努力尝试使用X射线光谱分析来寻找甚至是87号元素的痕迹，他都没有得到预期的结果。许多其他研究人员也使用曾经发现了和铯的光谱仪进行分析。他们利用分光镜研究了海水浓缩物、最稀有的矿物颗粒、真菌和雪茄的灰烬、烧焦的糖和动物化石的骨头等所有潜在的含钫原子的物质，但每次测试结果都不得不让实验者失望。
1925年来自敖德萨的化学家布罗舍多夫（D.Dobroserdov），发表了他对87号元素物理化学性质的见解，特别强调这是一种极具放射性的元素。然而，他错误地认为钾和铷的放射性是由微量的87号元素引起的。布罗舍多夫提议，如果发现新元素的荣誉落到了俄罗斯科学家的头上，那么他就把这种元素称为“russium“。一年后，著名的德国放射化学家哈恩（Hahn）和来自匈牙利的赫维西（Hevesy）获得了一些有趣的结果，对某些锕系同位素的放射性系列的仔细研究表明，在其中一种同位素的α衰变过程中形成了87号元素的同位素，尽管从初始物质中的每一百万个原子中只能获得87号元素的几个原子。
1930年，美国亚拉巴马州工业学院物理学教授艾力森（F.Allison）宣布，他在稀有的碱金属矿铯镏石和鳞大理石中用磁光分析法发现了87号元素，并用他的出生地弗吉尼亚州，将这一元素命名为virginium，元素符号定位Vi。中国曾有人把它翻译为。但不久后，磁光分析法本身被否定，利用这种方法发现的元素自然也不能算数了。
确认发现
1939年，玛丽·居里（Marie Curie）的学生玛格丽特·佩里(Marguerite Perey)也开始寻找钫的存在。首先，佩里决定重复迈耶、赫斯和帕内的实验。在完成实验后，佩里发现了α粒子的存在。但必须证明它们的来源是锕，而不是微量的镤。在彻底纯化锕，并对超纯锕制备进行研究后，佩里发现，该元素的质量数为227的同位素具有“放射性分叉”，换句话说，其能够发射β和α粒子衰变。计算表明，在失去α粒子后，锕同位素的原子核“失重”，形成了87号元素同位素的原子核。实验结果表明，锕衰变产物具有重碱性放射性金属的性质。这就是人们期待已久的此前从未在自然界中被发现的87号元素的同位素。为了纪念她的祖国法兰西（France），佩里将它命名为“Francium”，元素符号为Fr。最终，佩雷的发现得到了承认。中国将其译为钫。
分布情况
由于钫的所有同位素的半衰期都很短（223Fr半衰期最长，也只有22 min），它是自然界中第二大稀缺的自然元素。在所有的铀矿石中都含有极少量的钫，7.7×1014个235U原子或3×1018个天然铀原子中含有一个钫原子。但天然钫不能以可见的、可称重的量分离出来，因为在整个地壳中在任何时候都只有 24.5克钫存在。
理化性质
物理性质
钫是最重的碱金属，预测其在20℃下的密度为2.48g/cm3，原子半径为2.77埃。Fr的电负性为0.7（鲍林标度），第一电离能为380kJ/摩尔，电离后形成的Fr+的离子半径为1.81埃。钫的熔点是300K，沸点是930K，熔化和气化焓分别为2kJ/mol和65kJ/mol。298K下，钫的热导率为15W·m-1·K-1。钫的核外电子排布为[Rn]7s1，常见同位素223Fr的质子数为87，中子数为136。钫的热力学数据如下表所示：
化学性质
钫是碱金属的最后一个成员，根据元素周期率可以预测钫的化学性质：钫元素应该是碱性的，而且从那时的发现来看，从锂到铯碱性的强度是不断增强的，因此钫的碱性应该强于铯。由于钫的反应活性比铯的反应活性高，因此它在自然界中只能以溶解度高于其他碱金属盐的盐的形式存在。由于熔化温度从锂到铯是不断降低的，因此可以预测，在正常条件下，87号元素和汞一样应该是液体。钫右边是具有放射性的镭和锕，因此人们确认87号元素也应该具有放射性。
因为寿命最长的钫同位素的半衰期也只有22min，因此仅研究了溶液中超微量浓度下的钫的化学性质。Fr+离子还原为Fr的标准还原电位为-2.9V。钫可与高氯酸铯、六氯铂酸铯、六亚硝酸络高钴酸铯和硅钨酸铯同晶共沉淀，分别形成以下化合物：FrClO4、Fr2PtCl6、Fr2SnCl6、FrSbCl6、FrBiCl6、Fr2Na[Co(NO2)6]、FrSiO2·12WO3·nH2O。当从醇溶液中沉淀高氯酸铯时，60%的钫共沉淀，与苦味酸铯则可共沉淀出约50%钫。在醇溶液中，钫与氯铂酸铷和氯铂酸铯定量共沉淀，而锂和钠完全不共沉淀。当氯铋酸铯、氯锡酸铯和亚硝酸络高钴酸铯从醋酸溶液中析出时，以及硅矾酸铯析出沉淀时，钫可以与它们定量共沉淀析出。钫不但与氯锑酸盐共沉淀90%，也能很容易地与硅钼酸铯和磷钨酸铯一起共沉淀。当用浓HCl从含有钫的溶液中分离自由硅钨酸时，钫被定量而有选择性地带入沉淀中。
化合物
高氯酸钫
高氯酸钫是由氯化钫和高氯酸钠反应制得的。将几毫克氯化铯加入到极少量冷冻过的钫溶液中，再加入浓高氯酸钠溶液，60%的钫会与高氯酸铯共沉淀析出，得到高氯酸钫。这种共沉淀可用于分离钫，但如果需要分离铊和钫，便不可以采用这种方法，因为铊也会随着钫一同析出。
卤化钫
卤化钫都能溶于水，预测它们都是白色固体，由相应的卤素反应生成的。例如，氯化钫可以由钫和氯单质反应生成，氯化钫因为具有较高的蒸汽压，利用其高蒸气压可将其从其他元素中分离出来。
其它化合物
钫的硝酸盐、硫酸盐、氢氧化物、碳酸根、乙酸盐和草酸盐都溶于水，而碘酸盐、苦味酸盐、酒石酸盐、氯铂酸盐和硅钨酸盐则不溶与水，利用这些化合物的不溶性可用于从其他放射性产物中提取钫。
同位素
钫是碱金属中最重的元素，主要核素由锕的α-衰变产生。至2014年，钫发现了37种同位素和34种核异构体，质量数在197-233之间。目前已知寿命最长的为223Fr，可由227Ac发生α-衰变得到，其半衰期为22分钟。其它钫的同位素，可以用100MeV的质子轰击铀或钍，或者用回旋加速器或特殊线形加速器加速到100MeV的重离子去轰击较轻的靶元素（如Pb、Tl、Au轰击B、C、O、W等）而产生，后者可用于生产质量数低于215的核素。
制备及分离提纯
制备
直接制备钫样品是不可能的，因为极端的衰变热（其最长寿命同位素的半衰期仅为22分钟）会立即蒸发任何可见量的元素。因此只能用加速粒子轰击靶材形成钫同位素，然后进行分离检测。利用高能质子来轰击不同的靶材，可以产生钫的各种同位素。部分钫的同位素合成方法如下：
200Fr：通过来自日本理化学研究所（RIKEN）的环形回旋加速器的186MeV 36Ar光束在(5n)聚变-蒸发反应中轰击169Tm靶，形成200Fr。反应产物可用充气反冲分离器分离，利用敏感的硅探测器可以测量随后的200Fr的α衰变。反应如下：
201，202Fr：将来自欧洲核子研究组织（CERN）同步回旋加速器的600MeV质子轰击铀靶，在散裂反应中会产生201Fr和202Fr。用同位素分离器进行质量分离后，用硅表面势垒探测器测量α粒子谱，以确定201Fr和202Fr的产生。
204-211Fr：用能量高达10.38 MeV/amu的16O、12C和11B束轰击197Au、203,205Tl和208Pb靶，在随后的α衰变中可以得到204Fr、205Fr、206Fr、207Fr、208Fr、209Fr、210Fr和211Fr。
213Fr：197Au、203,205Tl和208Pb靶被16O、12C和11B束以高达10.38MeV/amu的能量轰击，并将反冲产物收集在一个捕集箔上，该捕集箔放置在一个金表面势垒探测器前，用于测量产物后续的α衰变，最终得到了212Fr。
219,220Fr：用加速到80MeV的核轰击钍靶，将产物进行化学分离后测定了从227Pa和228Pa开始的α衰变链，从而确认得到219Fr和220Fr。
223Fr：223Fr位于锕的天然放射性衰变链内，由227Ac的α衰变得到。化学分离227Ac的α衰变产物后测量β衰变曲线，通过加入液态氯化铯和高氯酸钠溶液，形成晶体沉淀出Fr元素，可以观测到223Fr的衰变。反应如下：
分离提纯
分离钫的主要任务是从锕中分离钍和镭同位素，再从锕中分离出钫。从锕中分离钍可用阴离子交换色层法在硝酸溶液中进行，在此体系中钍形成阴离子配位化合物。钫与锕的其它衰变产物的分离，可采用载体法依次进行共沉淀。用碳酸钠在沸腾时沉淀锕和稀土元素的氢氧化物，同时，AcX、RdAc、AcB、AcC共沉淀析出。在滤液中加入几毫克盐和钡盐，在氨存在下以铬酸盐形式将镧和沉淀出来，并载带没分离的其它放射性元素杂质。钫以纯净态留在滤液中。
应用领域
由于钫的不稳定性和稀缺性，他并没有商业用途，但是对于物理学家来说，钫是一种十分有价值的元素，因为它是最重的碱，它的原子性质可以高精度的计算，因此人们对于使用钫来进行宇称不守恒实验十分感兴趣，并且它的效应是铯的18倍。此外，尽管钫的寿命很短，但它已可以用于测定自然界物体中的锕。锕从天然产物中分离出来3小时后，将钫从锕中分离出来，并测量223Fr的β-衰变活性。用这种方法，可以在其他放射性元素存在的情况下，以足够的精度测定锕。
223Fr广泛应用于生物学研究。在研究Fr、Rb和Cs在大鼠不同器官中的分布时，发现碱金属主要积聚在肾脏、肝脏和唾液腺中。结果表明，Fr在实验诱导的肉瘤中也是固定的分布。受影响的组织中Fr活性的增加在生长开始后立即出现。由于212Fr和223Fr的寿命短，对机体没有损害，因此这种诊断癌症的方法无疑是非常有前途的。
安全事宜
由于钫是一种具有放射性的碱金属元素，且钫很不稳定，半衰期极短，难以获得足够的钫成为固体或者液体，因此需要注意的只是其电离辐射的影响。不过因为钫十分稀有且难以获得，因此普通人并不需要关注钫元素的辐射危害。只有专门进行钫元素研究的人们需要遵守距离防护原则、时间防护原则和屏蔽防护原则即可。
参考资料
Francium | Fr (Element) - PubChem.Pubchem.2023-02-27
钫.大英百科全书.2023-12-24
Francium.Haz-map.2023-02-28
Radiation, ionizing.Haz-map.2023-02-28