Протактиний

Протактиний (protactinium, ранее - protoactinium) — химический элемент, принадлежащий к актиноидам; радиоактивный металл. Символ — Pa, атомный номер — 91. Плотный серебристо-серый актиноидный металл, который легко реагирует с кислородом, водяным паром и неорганическими кислотами. Он образует различные химические соединения, в которых Протактиний обычно присутствует в степени окисления +5, но он также может принимать +4 и даже +3 или +2 состояния. Концентрации протактиния в земной коре обычно составляют несколько частиц на триллион, но в некоторых месторождениях уранинитной руды концентрация может достигать нескольких частиц на миллион. Из-за его дефицита, высокой радиоактивности и чрезвычайно высокой токсичности в настоящее время нет применения для использования протактиния вне научных исследований, и для этой цели Протактиний в основном извлекается из отработавшего ядерного топлива.

Протактиний был впервые идентифицирован в 1913 году Казимиром Фаянсом и Освальдом Гельмутом Гёрингом и назван «бревием» из-за короткого периода полураспада определённого изученного изотопа, то есть протактиния-234 (²³⁴Pa). Более стабильный изотоп протактиния (²³¹Pa) был обнаружен в 1917/18 годах Отто Ганом и Лизой Мейтнер. Они выбрали название «прото-актиний» (proto-actinium), но в 1949 году IUPAC окончательно назвал его «протактинием» и подтвердил, что Ган и Мейтнер были первооткрывателями. Новое название означало «(ядерный) предшественник актиния» и отразил, что актиний является продуктом радиоактивного распада протактиния. Джону Арнольду Крэнстону (работавщему с Фредериком Содди и Адой Хитчинс) также приписывают открытие самого стабильного изотопа в 1915 году, но он отложил своё объявление из-за вызова на службу во время Первой мировой войны.

Самый долгоживущий и наиболее распространенный (почти 100 %) изотоп протактиния, встречающийся в природе, Протактиний-231, имеет период полураспада 32 760 лет и является продуктом распада урана-235. Гораздо меньшие следовые количества короткоживущего протактиния-234 и его ядерного изомера протактиния-234m встречаются в цепи распада урана-238. Протактиний-233 является результатом распада тория-233 как части цепи событий, используемых для производства урана-233 путем нейтронного облучения тория-232. Он является нежелательным промежуточным продуктом в ядерных реакторах на основе тория и поэтому удаляется из активной зоны реактора во время процесса разведения. Анализ относительных концентраций различных изотопов урана, тория и протактиния в воде и минералах используется в радиоизотопном датировании отложений, возраст которых составляет до 175 000 лет, и при моделировании различных геологических процессов.

История

В 1913 г. Казимир Фаянс и Освальд Гельмут Гёринг открыли в продуктах распада урана изотоп UX₂ (²³⁴Pa) с периодом полураспада около 1 мин., названный из-за короткого времени жизни «бревий» (от лат. brevis — «короткий» или «краткий»). Затем Блек, Ган и Мейтнер обнаружили сходство свойств UX₂ с танталом.

В 1918 г. Ган и Мейтнер в урановой смолке и, независимо от них Содди и Кренстон, открыли долгоживущий изотоп протактиния, названного так потому, что он являлся предшественником актиния.

Нахождение в природе

Месторождения

Протактиний входит в состав урановых руд, которые находятся на территории США, Швеции, Конго, Испании, Чехии, ЮАР, России, Канады, Марокко.

Происхождение названия

Так как Протактиний служит родоначальником актиния (при α-распаде ²³¹Pa образуется ²²⁷Ac), ему было присвоено современное название.

Свойства

Протактиний — светло-серый металл, по твёрдости приближающийся к урану. При температуре 2 К обладает сверхпроводимостью.

Металлический Протактиний кристаллизуется в тетрагональной сингонии. При 1170 °С существует объёмно-центрированная кубическая модификация.

Протактиний на воздухе обычно покрывается тонкой плёнкой монооксида. Легко реагирует с водородом при 250—300 °С, образуя гидрид PaH₃. С йодом образует летучие Йодиды сложного состава.

Изотопы

Радиоактивные свойства некоторых изотопов протактиния:

Получение

Из природных источников — остатков от переработки урановой смолки — можно получить только ²³¹Pa. Кроме того, ²³¹Pa можно получить облучением ²³⁰Th медленными нейтронами:

²³⁰Th(n, γ)²³¹Th (β⁻-распад, T_1/2 = 25.6 ч) → ²³¹Pa

или при облучении ²³²Th быстрыми нейтронами по реакции

²³²Th(n, 2n)²³¹Th (β⁻-распад, T_1/2 = 25.6 ч) → ²³¹Pa

Изотоп ²³³Pa также получают из тория:

²³²Th(n, γ)²³³Th (β⁻-распад, T_1/2 = 23.5 мин.) → ²³³Pa

Металлический Протактиний получают при восстановлении PaF₄ парами бария или кальция при 1400—1500 °С.

Применение

• Ввиду малого содержания в земной коре (содержание от массы Земли составляет 0,1 миллиардной доли процента) и крайней токсичности элемент имеет весьма узкое применение — добавка к ядерному топливу. На тонну урана содержание протактиния составляет 0,34 г.
• Радиоактивный распад избыточной активности дочерних радионуклидов ²³⁰Th и ²³¹Pa над материнскими изотопами урана в колонке осадочной толщи используется для установления возраста донных осадков.

Биологическая роль и особенности экспериментальной работы

ПДК для ²³¹Pa в воздухе рабочих помещений 5,6⋅10⁻⁴ Бк/м³. ²³¹Pa в организме человека склонен накапливаться в почках и костях.

Токсичность

Протактиний и его соединения чрезвычайно радиоактивны и радиотоксичны. При одинаковой концентрации содержащийся в воздухе Протактиний-231 в 250 миллионов раз токсичнее синильной кислоты.

Максимальное безопасное количество протактиния при попадании в организм человека составляет 0,03 мккюри, что соответствует 0,5 мкг.