El francio es un elemento producido exclusivamente por el proceso r (captura rápida de neutrones) durante eventos astrofísicos extremos como supernovas o fusiones de estrellas de neutrones. Sin embargo, debido a que todos sus isótopos son radiactivos con vidas medias muy cortas (el más estable, \(^{223}\mathrm{Fr}\), tiene una vida media de solo 22,00 minutos), no subsiste ningún francio primordial en el universo desde la formación del sistema solar. Todo el francio producido en esa época se desintegró hace miles de millones de años. El francio presente en la Tierra hoy (en cantidades ínfimas) se recrea constantemente de dos maneras:
El \(^{223}\mathrm{Fr}\) (históricamente llamado AcK, por "actinio K") es el isótopo natural del francio con la vida media más larga. Se desintegra con una vida media de 22,00 minutos principalmente por desintegración beta menos (99,994%) a radio-223, y muy débilmente (0,006%) por emisión alfa a astato-219. Su presencia está vinculada al equilibrio secular con su padre, el actinio-227 (vida media 21,772 años). Se estima que en cualquier momento, menos de un gramo de francio-223 está presente en toda la corteza terrestre, diseminado en los minerales de uranio.
A pesar de (o debido a) su extrema inestabilidad, el francio es un objeto de estudio fascinante para los físicos. Como último alcalino, posee un electrón de valencia solitario en un orbital s (7s¹), lo que lo convierte en un átomo "simple" desde el punto de vista de la mecánica cuántica, pero con efectos relativistas muy marcados debido a la fuerte carga nuclear. La medición precisa de sus propiedades atómicas (niveles de energía, momentos, estructura hiperfina) permite probar con gran precisión las predicciones de la electrodinámica cuántica (QED) en campos electromagnéticos intensos. Estas pruebas contribuyen a la búsqueda de nueva física más allá del Modelo Estándar.
La existencia de un elemento 87, un alcalino más pesado que el cesio, fue predicha por Dmitri Mendeléyev, quien lo bautizó "eka-cesio". Su búsqueda fue ardua y marcada por varios descubrimientos falsos a principios del siglo XX (como el "virginio" o el "moldavio"), porque sus propiedades químicas esperadas (extrema reactividad, gran inestabilidad) lo hacían esquivo.
El descubrimiento corresponde a la física y química francesa Marguerite Perey (1909-1975), entonces asistente de Marie Curie en el Instituto del Radio (París). En 1939, al purificar una muestra de actinio-227, notó una actividad radiactiva anormal (emisión beta) que no podía atribuirse a ningún isótopo conocido. Después de meses de análisis químicos minuciosos, demostró que esta actividad se debía a un nuevo elemento, producido por desintegración alfa del actinio-227 (rama del 1,38%):
\(^{227}\mathrm{Ac} \xrightarrow[\alpha]{} ^{223}\mathrm{Fr}\)
Confirmó que se trataba efectivamente del último alcalino faltante, y le dio el nombre de "francio" en honor a su país, Francia, siguiendo así la tradición de los Curie (polonio) y de Debierne (actinio). Su tesis, defendida en 1946, consolidó este descubrimiento. Marguerite Perey fue la primera mujer elegida en la Academia de Ciencias (1962), pero no en la Academia Francesa.
El estudio del francio estaba limitado por las cantidades ínfimas disponibles naturalmente. En los años 1970-80, el desarrollo de aceleradores de partículas permitió producir isótopos más pesados y en mayor cantidad (aunque todavía infinitesimal a escala macroscópica) mediante reacciones como \(^{197}\mathrm{Au} + ^{18}\mathrm{O} \rightarrow \,^{210}\mathrm{Fr} + 5n\). Esto abrió el camino a estudios físicos más avanzados.
Hoy en día, el francio se produce exclusivamente de manera artificial en algunos laboratorios especializados del mundo (Stony Brook en Estados Unidos, TRIUMF en Canadá, RIKEN en Japón, etc.). El método más común utiliza un haz de oxígeno-18 acelerado a unos 100 MeV para bombardear un objetivo de oro-197. La reacción de fusión-evaporación produce isótopos pesados de francio (como \(^{210}\mathrm{Fr}\) a \(^{213}\mathrm{Fr}\)), que luego se extraen, separan y atrapan en dispositivos experimentales como átomos individuales o pequeñas nubes.
Las cantidades producidas son tan pequeñas que se miden en número de átomos por segundo (típicamente \(10^4\) a \(10^6\) átomos/s), y nunca en gramos. Por lo tanto, es imposible tener una muestra visible o manipulable de francio metálico.
El francio (símbolo Fr, número atómico 87) es un elemento del grupo 1, el de los metales alcalinos. Es el miembro más pesado y más radiactivo de esta familia, que incluye el litio, el sodio, el potasio, el rubidio, el cesio y el muy reciente nihonio (probablemente no alcalino). Su átomo tiene 87 protones y, según el isótopo, 123 a 150 neutrones. El isótopo natural \(^{223}\mathrm{Fr}\) tiene 136 neutrones. Su configuración electrónica es [Rn] 7s¹, con un único electrón de valencia en la capa 7s.
Debido a la imposibilidad de obtener una cantidad macroscópica, la mayoría de las propiedades físicas del francio nunca han sido medidas directamente. Se deducen por extrapolación de las tendencias del grupo de los alcalinos, de cálculos teóricos y de estudios espectroscópicos sobre átomos individuales.
Punto de fusión estimado: ~300 K (~27 °C).
Punto de ebullición estimado: ~950 K (~677 °C).
Estos valores son muy inciertos.
Número atómico: 87.
Grupo: 1 (Metales alcalinos).
Configuración electrónica: [Rn] 7s¹.
Estado de oxidación: +1 (exclusivo).
Isótopo más estable: \(^{223}\mathrm{Fr}\) (T½ = 22,00 min).
Aspecto (predicho): Metal plateado, extremadamente reactivo.
| Isótopo / Notación | Protones (Z) | Neutrones (N) | Masa atómica (u) | Producción / Ocurrencia | Vida media / Modo de desintegración | Observaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Francio-212 — \(^{212}\mathrm{Fr}\) | 87 | 125 | 212,012s u | Sintético | 20,0 min (β⁻, 99,45%; α, 0,55%) | Isótopo sintético de vida media. |
| Francio-221 — \(^{221}\mathrm{Fr}\) | 87 | 134 | 221,014s u | Traza natural (cadena Np-237) | 4,9 min (α, 99,65%; β⁻, 0,35%) | Presente en trazas en los minerales que contienen neptunio-237. |
| Francio-222 — \(^{222}\mathrm{Fr}\) | 87 | 135 | 222,017s u | Sintético | 14,2 min (β⁻) | Isótopo sintético. |
| Francio-223 — \(^{223}\mathrm{Fr}\) | 87 | 136 | 223,019736 u | Natural (cadena U-235) y sintético | 22,00 min (β⁻, 99,994%; α, 0,006%) | Isótopo natural más estable. Descubierto por Marguerite Perey. Vida media más larga. Utilizado para ciertos estudios. |
N.B.:
Capas electrónicas: Cómo se organizan los electrones alrededor del núcleo.
El francio posee 87 electrones distribuidos en siete capas electrónicas. Su configuración electrónica [Rn] 7s¹ es de una simplicidad notable: consiste en la configuración del radón (un gas noble) más un electrón adicional en la capa 7s. Esto también puede escribirse: K(2) L(8) M(18) N(32) O(18) P(8) Q(1), o de manera completa: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s² 6p⁶ 7s¹.
Capa K (n=1): 2 electrones (1s²).
Capa L (n=2): 8 electrones (2s² 2p⁶).
Capa M (n=3): 18 electrones (3s² 3p⁶ 3d¹⁰).
Capa N (n=4): 32 electrones (4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴).
Capa O (n=5): 18 electrones (5s² 5p⁶ 5d¹⁰).
Capa P (n=6): 8 electrones (6s² 6p⁶).
Capa Q (n=7): 1 electrón (7s¹).
El francio posee un solo electrón de valencia (7s¹). Este electrón está muy lejos del núcleo y está débilmente unido debido al importante apantallamiento creado por los 86 electrones de las capas internas (configuración de gas noble). Por lo tanto:
Estas propiedades hacen del francio el arquetipo del metal alcalino extremo: el más electropositivo, el más reactivo, y aquel cuya química está dominada por el ion Fr⁺.
Como los otros alcalinos, el francio existiría químicamente solo en el estado de oxidación +1. El ion Fr⁺ sería el catión alcalino más grande, con un radio iónico estimado de 180 pm. Su química en solución acuosa sería simple y similar a la del cesio (Cs⁺), pero con algunas diferencias:
El francio metálico, si pudiera aislarse, sería de una reactividad explosiva:
En la práctica, estas reacciones nunca podrán observarse en una muestra visible.
La química del francio se estudia mediante técnicas de radioquímica en trazas y de espectroscopia sobre átomos fríos atrapados. Se sigue el comportamiento de algunos átomos (por su radiactividad) en columnas de intercambio de iones o durante coprecipitaciones. Estos estudios confirmaron que su comportamiento es muy cercano al del cesio, con quizás una ligera diferencia en los coeficientes de partición debido a su mayor tamaño.
El francio no tiene estrictamente ninguna aplicación práctica fuera de la investigación fundamental, debido a su extrema rareza e inestabilidad. Sus "aplicaciones" se limitan al campo de la ciencia pura:
Como todo emisor beta/alfa, el francio incorporado en el organismo sería tóxico. Sin embargo, este riesgo es puramente teórico:
La manipulación se realiza en laboratorios nucleares controlados, con blindajes para el haz de iones y procedimientos para gestionar los blancos activados. La química de separación se realiza en cajas de guantes o recintos cerrados.
El francio seguirá siendo para siempre un elemento de laboratorio, una curiosidad científica en los confines de la estabilidad. Su interés reside en lo que nos enseña sobre las leyes fundamentales de la física. Las investigaciones en curso y futuras tienen como objetivo:
El átomo en todas sus formas: de la intuición antigua a la mecánica cuántica 
