Новости Нефтегазовая пром.
Выставки Наука и технология


Протактиний

Протактиний


Протактиний

Протактиний
Блестящий серебристо-белый, очень радиоактивный металл
Протактиний
Кристаллы металлического протактиния, выращенные методом химического транспорта
Название, символ, номерПротактиний / Protactinium (Pa), 91
Атомная масса
(молярная масса)
231,03588(2) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация[Rn] 5f2 6d1 7s2
Радиус атома161 пм
Радиус иона(+5e) 89 (+3e) 113 пм
Электроотрицательность1,5 (шкала Полинга)
Электродный потенциалTh←Th4+ −1,83В
Th←Th2+ 0,7В
Степени окисления5, 4, 3, 2
Энергия ионизации
(первый электрон)
 568 (5,89) кДж/моль (эВ)
Плотность (при н. у.)15,37 г/см³
Температура плавления2113 (1840*С)
Температура кипения4300 K
Уд. теплота плавления16,7 кДж/моль
Уд. теплота испарения481,2 кДж/моль
Молярная теплоёмкость27,7 Дж/(K·моль)
Молярный объём15,0 (22 кг 602 г) см³/моль
Структура решёткитетрагональная
Параметры решёткиa=3,925 c=3,238
Отношение c/a0,82
Номер CAS7440-13-3

91
Протактиний
Pa
231,0359
5f26d17s2

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:

Массовое числоПериод полураспадаТип распада
2240,6 сα
2252,0 сα
2261,8 сα
22738,3 мин.α (15%), электронный захват (85%)
22822 час.α (2%), электронный захват (98%)
2291,4 дняα (0,25%), электронный захват (99%)
23017 днейβ (10%), электронный захват (90%), α (0,003%), β+ (0,03%)
23132480±260 летα
2321,31 дняβ
23327,4 дняβ
234m (UX2)1,18 мин.β
234 (UZ)6,7 час.β
23523,7 мин.β
23612,5 мин.β
23710,5 мин (?)/39 мин.β

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, T1/2 = 25.6 ч) → 231Pa

или при облучении 232Th быстрыми нейтронами по реакции

232Th(n, 2n)231Th (β-распад, T1/2 = 25.6 ч) → 231Pa

Изотоп 233Pa также получают из тория:

232Th(n, γ)233Th (β-распад, T1/2 = 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
Протактиний
Протактиний

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.