Francium(Fr), 87-프랑슘

원자번호 87번의 원소 프랑슘(Francium, Fr)은 자연에 존재하는 원소 중에서 가장 늦게 발견되었다. 이 원소는 1939년에 프랑스 여성과학자 페레(Marguerite C. Perey, 1909~1975)가 악티늄(Ac)-227의 방사성 붕괴를 연구하던 중 방사능으로 검출되었으며, 그녀의 모국 이름 프랑스를 따서 원소 이름이 지어졌다. 자연에 존재하는 원소 중에서 프랑슘보다 늦게 발견된 것들이 몇 개있기는 하나, 이들은 자연계에서 발견되기 전에 인공적으로 먼저 합성하여 발견되었다. 프랑슘은 가장 안정한 동위원소(223Fr)의 반감기가 22분에 불과할 정도로 수명이 아주 짧고 강한 방사선을 내는 알칼리 금속 원소로, 전기음성도가 원소 중에서 가장 작다. 자연에서는 우라늄과 토륨 광석에서 227Ac의 α붕괴로 생성된 223Fr가 극미량 발견되는데, 지각 전체에 존재하는 양은 20~30g에 지나지 않는다. 이처럼 극미량 존재하는 원소를 자연에서 발견한 과학자들의 능력은 정말 대단하다고 여겨진다. 프랑슘은 핵반응으로도 합성될 수 있는데, 지금까지의 합성 중에서 가장 많이 얻은 양이 약 30만개의 원자들로 이루어진 뭉치이다. 프랑슘은 아주 희귀하고 수명이 짧기 때문에, 연구 목적 이외의 실용적 목적으로는 이용되지 않으며, 의학적 이용이 제시되기는 하였으나 실제로 사용될 가능성은 매우 적다고 볼 수 있다. 프랑슘의 발견과 역사, 특성, 핵 합성 등에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.

 

 

원자번호 87번, 프랑슘 프랑슘(francium)1)은 원자번호 87번의 원소로, 원소기호는 Fr이다. 주기율표에서 수소(H), 리튬(Li), 소듐(Na), 포타슘(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs)과 함께 1족(1A족)에 속하는 원소이다.

 

원자번호 87번 프랑슘

프랑슘의 원소 정보

 

 

수소를 제외한 1족 원소들을 알칼리 금속이라 하는데, 이들은 모두 은백색의 무른 금속으로 화학 반응성이 크고, 밀도, 녹는점, 끓는점이 낮은 특징을 갖는다. 프랑슘은 모든 원소 중에서 전기음성도(전자를 끌어 당기는 능력)가 가장 작은 원소이다. 1939년에 방사능 측정으로 자연계에서의 존재가 확인되었는데, 자연계에서 맨 나중에 발견된 원소이다. 이후에 발견된 원소들은 인공적으로 합성하여 발견되었다. 프랑슘은 원자번호 105번까지의 원소 중에서 가장 불안정한(반감기가 짧은) 원소로, 모든 동위원소들이 반감기가 아주 짧으며, 가장 안정한(덜 불안정한) 것인 프랑슘-223(223Fr)의 반감기가 22분에 불과하다. 지각에 존재하는 양이 극히 적고 수명이 짧아 아직 아무도 맨 눈으로 본적이 없고, 물리-화학적 성질들을 직접 조사할 수 있을 정도의 양으로 얻을 수도 없었다. 따라서 프랑슘의 특성은 주로 원소들의 주기율적 특성과 이론적 계산으로 추정되었는데, 밀도는 1.87 g/cm3, 녹는점은 27oC, 끓는점은 677oC로 추정된다. 화학적으로는 전형적인 알칼리 금속의 특성을 보여 거의 모든 염들이 물에 녹을 것으로 예상되며, 물에 녹지 않는 세슘 염들과 이의 염이 함께 침전된다.   프랑슘은 아스타틴(At)과 함께 자연계에 존재하는 가장 희귀한 원소의 하나로, 223Fr과 221Fr이 우라늄(U)과 토륨(Th) 광석에 극미량 존재하는데, 천연 우라늄 1톤당 223Fr는 약 4x10-10 g, 221Fr는 약 1x10-17 g이 들어있을 것으로 추정된다. 223Fr는 천연 우라늄의 0.72%를 차지하는 235U에서 시작되는 자연 방사성 붕괴 사슬(악티늄 계열)의 중간 생성물인 227Ac의  α붕괴(227Ac의 전체 붕괴 경로의 1.38%를 차지하며, 나머지 98.62%는 β- 붕괴를 하고 227Th가 됨)로 생성되는데, 반감기가 22분으로 β- 붕괴를 하여 라듐-223(223Ra)을 생성한다.

 

 

221Fr는 넵투늄 계열에서 235Ac의 α붕괴로 생성되는데, 이는 반감기가 4.9분으로 다시 α붕괴를 하고 217At로 전환된다. 이처럼 자연계에서 프랑슘은 생성과 붕괴가 지속적으로 일어나는데, 어떤 순간에 지각 전체에 존재하는 프랑슘의 양은 대략 20~30g인 것으로 추정된다. 프랑슘 동위원소들은 핵 반응으로도 합성될 수 있는데, 대표적인 반응은 금(197Au)박에 산소 동위원소 18O의 원자 빔을 쪼이는 것이다. 이렇게 생성된 프랑슘 동위원소 원자들은 자기광학트랩(magneto-optic trap, MOT: 중성 원자들을 레이저 빔과 자기장을 사용하여 절대 0도 근방의 온도로 냉각∙감속시키는 장치)에 잡아 모을 수 있는데, 약 30만개 이상의 원자로 구성된 뭉치가 만들어지기도 하였다.

 

섬우라늄광(uraninite). 프랑슘은 우라늄과 토륨 광석에 극미량 들어있다. <출처: (cc) Rob Lavinsky / iRocks.com>

 

 

프랑슘의 역사 원소의 주기율표를 처음 제안한 멘델레예프는 1870년에 당시에는 아직 발견되지 않았으나 세슘(Cs)과 비슷한 성질의 원소가 존재할 것으로 예측하였다. 1900년대 초반에 오늘날 사용되는 것과 같은 장주기형 주기율표가 제시되면서, 이 원소는 세슘 바로 아래에 위치할 원자번호 87번의 원소임이 분명해졌으므로 화학자들은 이를 잠정적으로 에카-세슘(eka-caesium)이라 부르고 이를 찾아내려고 노력하였으며, 마침내 1939년에 프랑스의 페레에 의해 발견되었다. 그러나, 그 이전에 이 원소를 발견하였다는 주장이 최소 4차례나 있었고 이들은 모두 오류였음이 판명되었는데, 그 과정을 간단히 살펴보기로 한다.   오류에 의한 87번 원소 발견의 주장 87번 원소인 에카-세슘을 발견하였다고 처음 주장한 사람은 러시아 화학자 도브로세르도프(D. K. Dobroserdov)이다. 1925년에 그는 포타슘(K) 시료에서 약한 방사능이 나오는 것을 관찰하고는, 이를 87번 원소에 의한 오염 때문으로 결론짓고 이 원소 이름을 모국 러시아를 따서 러슘(russium)이라 제안하였는데, 곧 바로 이는 87번 원소에 의한 것이 아니고 포타슘의 천연 방사성 동위원소 40K에 의한 것임이 밝혀졌다. 다음 해에는 영국 화학자 드루스(Gerald J. F. Druce, 1894~1950)와 로링(Frederick H. Loring)이 황산망가니즈(II)(MnSO4)의 X-선 사진에서 에카-세슘에 의한 것으로 여겨지는 스펙트럼 선을 관찰하였으며, 이 원소 이름을 가장 무거운 알칼리 금속이라는 뜻으로 알카리늄(alkalinium, 원소기호 Ak)으로 제안한다고 발표하였으나, 이것 역시 오류임이 밝혀졌다. 1930년에는 미국 앨라배마 폴리텍대학(Alabama Polytechnic Institute, 현재의 Auburn 대학교)의 물리학자 엘리슨(Fred Allison) 교수가 세슘 광석의 일종인 플루사이트(pollucite)와 인운모(lepidolite, 리튬이 들어있는 광석)를 자기광학기기로 분석한 결과에서 87번 원소를 발견했다고 주장하고, 원소 이름은 자신의 고향 버지니아(Virginia)를 따서 버지늄(virginium, 원소 기호 Vi 또는 Vt)으로 제안하였다. 그는 또한 85번 원소(아스타틴 At: 엘리슨은 원소 이름을 앨라배민으로 제안)도 발견했다고 주장하였다. 그러나 다른 연구자들이 이들 발견을 재현할 수 없었고, 더 나아가 1934년에는 그의 장치와 방법으로는 새로운 원소를 검출할 수 없다는 것이 밝혀졌다. 1936년에는 루마니아 출신 물리학자 후루베이(Horia Hulubei, 1895~1972)와 프랑스 화학자 코시(Yvette Cauchois)가 고분해능 X-선 장치로 플루사이트를 분석하던 중 몇 개의 약한 방출 선을 관찰하고는, 이를 87번 원소에 의한 것으로 간주하고 원소 이름을 후루베이의 출생지 몰다비아(Moldavia)를 따서 몰다븀(moldavium, 원소 기호 Mi)으로 제안하였다. 이에 대해 미국 물리학자 퍼쉬(F. H. Firsh Jr.)는 1937년에 87번 원소는 자연에 존재하지 않거나, 존재한다고 하여도 극미량이라 그들의 방법으로는 검출될 수 없으며, 후루베이는 단지 수은 또는 비스무트의 X-선 방출 선을 관찰한 것에 불과하다고 반박하였다. 그러나 후루베이는 자신의 장치와 방법은 하자가 없다고 자신들의 주장을 굽히지 않았으며, 후루베이의 박사학위 지도교수였던 패랭(Jean Baptiste Perrin, 1870~1942: 브라운 운동 등에 관한 연구업적으로 1926년 노벨 물리학상 수상)도 후루베이의 주장을 옹호하였다. 후루베이와 코시는 또한 당시까지 미 발견된 또 다른 원소인 85번 원소(아스타틴, 이들이 제안한 이름은 도르, dor)도 발견하였다고 주장하였으나, 이 또한 오류로 밝혀졌다.   프랑슘의 발견

87번 원소 프랑슘은 프랑스 파리의 퀴리연구소(Curie Institute)의 여성 물리학자 페레(Marguerite C. Perey, 1909~1975)에 의해 1939년에 처음 발견되었는데, 자연계에서 맨 나중에 발견된 원소이다. 자연계에 존재하는 원소들 중에서 아스타틴(At), 넵투늄(Np), 플루토늄(Pu), 프로메튬(Pm) 등이 프랑슘보다 늦게 발견되었으나, 이들은 인공 핵 반응을 통해 합성되어 처음 발견되었으며, 이후에 발견된 다른 원소들은 자연계에는 존재하지 않는다.   페레는 정제된 악티늄(Ac, 원자번호 89, 1899년에 드비에른이 우라늄 광석에서 227Ac로 발견)에서 당시까지 알려지지 않은 새로운 방사능 붕괴를 발견하였다. 당시에는 227Ac(반감기 21.77년)가 전적으로 β- 붕괴를 하고 227Th이 되는 것으로 알려져 있었으므로, 페레는 처음에는 관찰된 새로운 방사선이 악티늄에 포함된 불순물에 의한 것으로 생각하였다. 따라서 악티늄을 다시 정제하여 조사하였는데, 동일한 새로운 방사능이 계속 관찰되었을 뿐 아니라, 이 새로운 붕괴 생성물이 세슘 염과 함께 침전(공침)되는 등 알칼리 금속의 성질을 보였다. 이에서 이 새로운 생성물이 227Ac의 α붕괴로 생성되는 87번 원소로 결론지었다. 페레는 또한 227Ac의 β- 붕괴와 α붕괴의 비율을 구하였는데, 처음에는 α붕괴의 비율을 0.6%로 발표하였다가 나중에 1%(현재 알려진 값은 1.38%)로 수정하였다. 이에 따라 87번 원소 발견에 대해 앞서 패랭이 옹호한 후루베이와 코시의 주장과 이번의 페레의 주장 중 어떤 것이 옳은가에 대한 논란이 시작되었는데, 1946년에야 페레의 주장이 옳다는 것으로 결론이 났다.

프랑스 물리학자 페레(Marguerite C. Perey, 1909~1975)

 

 

페레는 이 새로운 원소를 악티늄-K라 불렀다가 1946년에는 이 원소가 가장 전기양성적인 양이온(cation)이 될 것이라는 뜻으로 ‘캐튬(catium)’으로 제안하였는데, 페레의 지도교수 중의 한 명인 졸리오퀴리(Irene Joliot-Curie, 퀴리 부부의 딸)가 캐튬은 양이온(cation)보다는 고양이(cat)를 암시하는 것 같다면서 이에 반대하였다. 페레는 결국 87번 원소 이름을 자신의 모국 프랑스를 따서 프랑슘(francium)으로 정하고 원소 기호는 Fa로 제안하였는데, 프랑슘은 1946년에 국제순수∙응용화학연맹(IUPAC)에 의해 공식적으로 채택되었으며, 원소 기호는 곧 이어 Fa에서 Fr로 변경되었다. 이로써 프랑스 이름을 딴 원소는 2개가 되었는데, 다른 하나는 프랑스의 옛 라틴어 이름 갈리아(Gallia)를 딴 갈륨(Gallium, Ga)이다.

 

 

물리적 성질

프랑슘의 바닥상태 전자 배치 <출처: (cc)Pumbaa at Wikipedia.org>

프랑슘은 자연에 존재하는 원소 중에서 가장 불안정한(반감기가 짧은) 원소로, 가장 안정한 동위원소 223Fr의 반감기도 22분에 불과하다. 참고로, 다음으로 불안정한 원소인 아스타틴(At)의 가장 안정한 동위원소(210At)의 반감기는 8.1시간이다. 프랑슘은 원자번호 105번 이하인 원소(이 중에는 자연계에 존재하지 않는 인공합성 원소들도 포함된다)들 중에서 가장 불안정하다. 프랑슘은 자연에서 그 존재량이 극히 적고 또 이처럼 수명이 짧아 물리적 및 화학적 성질들이 실험적으로 직접 측정되지 못하고, 알칼리 금속의 경향성과 이론적 계산으로부터 추정되었다. 밀도는 실온에서 1.87g/cm3일 것으로 예상되고, 녹는점과 끓는점은 주기율표에서 바로 위에 있는 세슘(녹는점 28.5oC, 끓는점 671oC)과 비슷한 27oC와 677oC로 각각 추정된다. 그리고 녹는점에서 액체 프랑슘의 표면장력은 0.05092 N/m로 추정되는데, 참고로 25oC 물의 표면장력은 0.0720 N/m이다. 폴링의 전기음성도는 0.7로, 세슘의 0.79보다 작으며, 결정은 체심입방(bcc) 구조를 할 것으로 예상된다.

 

 

동위원소와 방사성 붕괴 자연에 존재하는 프랑슘 동위원소는 221Fr(t1/2 = 4.8분)과 223Fr(t1/2 = 22분)이다. 221Fr은 241Pu(4n+1)의 붕괴 사슬(넵투늄 계열)에서 225Ac(t1/2 = 10일)의 α붕괴로 생성되며, 223Fr은 235U(4n+3)의 붕괴 사슬(악티늄 계열)에서 227Ac(t1/2 = 21.77년) 붕괴의 부차적 경로인 α붕괴로 생성된다. 질량수가 199~232인 32가지 동위원소들이 알려져 있는데, 이들 중에서 반감기가 상대적으로 긴 것들은 221Fr과 223Fr 외에 222Fr(t1/2 = 14.2분), 225Fr(t1/2 = 4.0분), 224Fr(t1/2 = 3.33분), 227Fr(t1/2 = 2.47분)이며, 나머지는 반감기보다 1분 이내이다. 질량수가 213 이하인 동위원소들은 일부는 α붕괴를 하여 아스타틴(At) 동위원소가 되고 일부는 β+ 붕괴를 하여 라돈(Rn) 동위원소가 된다. 그리고 질량수가 214~221인 동위원소들은 주로 α붕괴를 하고 아스타틴 동위원소가 되는 반면, 질량수가 222 이상인 동위원소들은 주로 β- 붕괴를 하고 라듐(Ra) 동위원소가 된다. 들뜬 상태에 있는 핵 이성체들은 11가지가 알려져 있는데, 반감기가 가장 긴 것은 206m1Fr(t1/2 = 15.9초)이다.

 

 

화학적 성질 프랑슘은 모든 원소 중에서 전기음성도가 가장 작은 원소이다. 화학적 성질은 세슘(Cs)과 가장 비슷하며, 알칼리 금속 중에서 반응성이 가장 크고, 화합물에서의 가장 안정한 상태는 Fr+일 것으로 예측된다. 비록 직접 실험을 할만큼의 양으로 얻을 수는 없지만, 만약 소량을 얻어 물속에 넣는다면 세슘(Cs)보다도 격렬하게, 소듐(Na)보다는 훨씬 더 격렬하게 반응하여 수소를 발생시키고 수산화프랑슘(FrOH) 용액이 될 것이다. 프랑슘은 과염소산세슘(CsClO4)과 같은 세슘염과 함께 침전(공침: coprecipitation)한다. 이와 같은 공침 현상은 프랑슘의 분리에 이용될 수 있는데, 과염소산염 외에도, 아이오드산염, 피크린산염(picrate; 2,4,6-트라이나이트로페놀의 염), 주석산염, 클로로백금산염, 실리코텅스텐산염이 공침에 이용될 수 있다.

 

 

프랑슘의 핵 합성 프랑슘은 자연계에서는 너무 희귀하고 또 수명이 짧아 자연에서 분리되지는 않는다. 핵 반응으로 합성될 수 있는데, 흔히 이용되는 핵 반응은 다음과 같다.   197Au + 18O → 210Fr + 5 1n   이와 같은 핵 반응은 미국 뉴욕주립대학교 스토니브룩 캠퍼스(State University of New York(SUNY) at Stony Brook)의 물리학자들에 의해 개발되었는데, 그들은 선형가속기(linear accelerator: LINAC)에서 생성된 18O 원자 빔을 녹는점 부근의 온도로 가열한 금 표적에 충돌시켜 프랑슘을 생성시켰다. 이때 질량수가 209, 210, 211인 프랑슘 동위원소들이 생성되는데, 이들을 자기광학트랩(MOT)으로 잡아내고 이에서 나오는 형광을 영상으로 얻었다. 처음에는 약 1000개의 프랑슘 원자들을 모았으나, 점차 방법이 개선되어 지금은 약 30만 개(약 1x10-16g) 이상의 원자들이 기체 상태의 결합되지 않은 형태로 모여있는 것을 얻게 되었는데, 이들 원자 뭉치는 직경이 약 1mm인 빛나는 구형으로 보인다. 프랑슘 원자 뭉치에서 나오는 스펙트럼에서 여러 에너지 준위 사이의 전이 에너지를 구한 결과, 양자론적 계산 결과와 잘 일치함을 보였다.   프랑슘은 또한 라듐에 중성자를 쪼이거나, 토륨에 양성자, 중수소 원자핵, 또는 헬륨 이온을 충돌시켜서도 합성할 수 있다.

 

뉴욕주립대학교 스토니브룩 캠퍼스(State University of New York(SUNY) at Stony Brook)에 있는 자기광학트랩(MOT) 장치의 전경. 중성 프랑슘 원자는 자기장과 레이저 빔을 사용한 자기광학트랩에 잡아둘 수 있다. <출처: © SUNY Stony Brook>

자기광학트랩에 잡힌 30만 개의 프랑슘 원자로 이루어진 시료의 열 이미지 사진. 이는 지금까지 얻은 가장 많은 양의 프랑슘 원자 시료의 이미지로, 원자 뭉치는 빛을 내는 직경 약 1mm의 구로 보인다. <출처: © SUNY Stony Brook>

 

 

프랑슘의 용도 프랑슘은 아주 희귀하고 수명이 짧아 상업적으로 이용되지는 않으며, 단지 원자 구조 연구 등 기초과학적 연구에 사용된다. 223Fr은 생물학 연구에 제한적으로 사용되었는데, 쥐 실험에서 Fr은 같은 알칼리 금속 원소인 세슘(Cs), 루비듐(Rb)과 함께 신장, 간, 침샘에 축적되는 것이 관찰되었다. 또 인위적으로 유도된 육종(sarcoma)에 대해 치료 효과가 있으며, 여러 종류의 암에 대한 진단제로 사용할 수 있음도 확인되었다. 그러나 실제로 프랑슘을 암 진단과 치료에 사용할 가능성은 매우 낮아 보인다.

 

 

프랑슘 화합물 프랑슘은 화합물을 만들어 이의 성질을 조사할 만큼 많은 양으로 얻어지지 않았으며, 또 얻어진다고 해도 수명이 너무 짧아 화합물을 분리하여 성질을 조사하는 것이 거의 불가능에 가깝다. 따라서 알려진 프랑슘 화합물은 없는 실정이나, 만약 프랑슘 화합물을 얻는다면, 이들은 세슘 화합물과 비슷한 성질을 보일 것으로 예상된다.

 

 

 

1. 수치로 보는 프랑슘

   프랑슘 동위원소들 중에서 가장 안정하고 자연에 주로 존재하는 것은 ²²³Fr인데, 이의 표준원자 질량은 223.0197 g/mol이고 반감기는 22분이다. 이것과 ²²¹Fr이 우라늄과 토륨 광석에 극미량 존재하는데, 존재 양은 천연 우라늄 1톤 당 각각 약 4x10^-10g과 1x10^-17g으로, 어느 순간에 지각 전체에 존재하는 양은 대략 20~30g으로 추정된다. 원자의 바닥상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f¹⁴5d¹⁰6s²6p⁶7s¹([Rn]7s¹)이다. 화합물에서는 +1의 산화상태를 가지며, 녹는점과 끓는점은 각각 27^oC와 677^oC, 그리고 밀도는 1.87g/cm³일 것으로 추정된다. 녹음열과 증발열은 각각 약 2 kJ/mol와 65 kJ/mol, 첫 번째 이온화 에너지는 380 kJ/mol로 추정되며, 폴링의 전기음성도는 모든 원소 중에서 가장 작은 0.7이다.

 

 

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.

발행일  2013.05.28

 

Francium Atomic Weight   223[note] Density   N/A Melting Point   N/A Boiling Point   N/A Full technical data Uranium and thorium minerals produce francium in vanishingly small quantities via their natural radioisotope decay chains. At most a few atoms at a time exist in a rock like this, and you can't see any of them. Scroll down to see examples of Francium.