Протактиний (Hjkmgtmnunw)

Протактиний
← Торий | Уран →
91 Pr ↑ Pa ↓ (Uqp) Периодическая система элементов 91Pa
Внешний вид простого вещества
Кристаллы металлического протактиния, выращенные методом химического транспорта
Свойства атома
Название, символ, номер	Протакти́ний / Protactinium (Pa), 91
Группа, период, блок	3 (устар. 3), 7, f-элемент
Атомная масса (молярная масса)	231,03588(2) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Rn] 5f26d17s2
Радиус атома	161 пм
Химические свойства
Радиус иона	(+5e) 89 (+3e) 113 пм
Электроотрицательность	1,5 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	Th←Th4+ −1,83В Th←Th2+ 0,7В
Степени окисления	+2, +3, +4, +5
Энергия ионизации (первый электрон)	568 (5,89) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	15,37 г/см³
Температура плавления	1841 K (1568 °C)
Температура кипения	4300 K (4027 °C)
Мол. теплота плавления	16,7 кДж/моль
Мол. теплота испарения	481,2 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	27,7 Дж/(K·моль)
Молярный объём	15,0 (22 кг 602 г) см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Тетрагональная
Параметры решётки	a=3,925 c=3,238
Отношение c/a	0,82
Номер CAS	7440-13-3

91	Протактиний
Pa 231,0359
5f26d17s2

Протакти́ний (химический символ — Pa, от лат. Protactinium, устар. название — protoactinium) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB) седьмого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 91.

Относится к семейству актиноидов.

Простое вещество протактиний — это плотный радиоактивный металл светло-серого цвета.

История

В 1913 году Казимир Фаянс и Освальд Гельмут Гёринг открыли в продуктах распада урана изотоп UX₂ (²³⁴Pa) с периодом полураспада около 1 мин. и назвали элемент «бревием» (от лат. brevis — «короткий» или «краткий») 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 ИЮПАК 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, работавшему с Фредериком Содди и Адой Хитчинс, также приписывают открытие самого стабильного изотопа в 1915 году, но он отложил объявление этого из-за вызова на службу во время Первой мировой войны.

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.

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома протактиния: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶5f²6d¹7s².

Протактиний — это твёрдый радиоактивный 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.

Химические свойства

Протактиний — это 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 иметь степени окисления +4 и даже +3 и +2. Концентрации протактиния в земной коре обычно составляют несколько частиц на триллион, но в некоторых месторождениях уранинитной руды концентрация может достигать нескольких частиц на миллион.

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

Изотопы

Основная статья: Изотопы протактиния

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; этот распад используется 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.

Радиоактивные свойства некоторых изотопов протактиния:

Массовое число	Период полураспада	Тип распада
224	0,6 сек.	α
225	2,0 сек.	α
226	1,8 сек.	α
227	38,3 мин.	α (15%), электронный захват (85%)
228	22 час.	α (2%), электронный захват (98%)
229	1,4 дня	α (0,25%), электронный захват (99%)
230	17 дней	β− (10%), электронный захват (90%), α (0,003%), β+ (0,03%)
231	32480±260 лет	α
232	1,31 дня	β−
233	27,4 дня	β−
234m (UX2)	1,18 мин.	β−
234 (UZ)	6,7 час.	β−
235	23,7 мин.	β−
236	12,5 мин.	β−
237	10,5 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, 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

Из-за дефицита протактиния, его высокой радиоактивности и радиотоксичности в настоящее время он не находит применения вне научных исследований, и для этой цели его получают в основном из отработанного ядерного топлива. Используется в качестве добавки к топливному урану.

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. В Германии 3⋅10⁻⁴ Бк/м³.

Все работы с ²³¹Pa допускаются только в герметичном перчаточном боксе. В организме человека склонен накапливаться в почках, печени и костях.

Токсичность

Протактиний в зависимости от изотопного состава обладает средней, высокой и особо высокой радиотоксичностью. Кроме непосредственной ядовитости протактиний радиоактивен, при распаде испускает альфа-частицы с энергией 5 МэВ. Они эффективно задерживаются тонким слоем любого вещества, в том числе кожей, поэтому значительной опасности для здоровья не представляют. Однако при попадании внутрь ²³¹Pa наносит значительный вред организму, в первую очередь благодаря продуктам деления.

Дело в том, что сам ²³¹Pa имеет большой период полураспада, (33 тыс. лет), что означает низкую радиоактивность: всего 0,048 Ки/г. Продукты его распада — тоже нестабильные изотопы, в основном, короткоживущие, а значит, с высокой радиоактивностью. Испустив альфа-частицу, атом протактиния-231 превращается в ²²⁷Ac, (t_1⁄2 = 22 года, активность 73Ки/г.) Тот в свою очередь — в ²²⁷Th (t_1⁄2 = 19 дней, активность 31 000 Ки/г.) Основные продукты цепочки деления представлены в таблице:

Изотоп	231Pa	227Ac	227Th	223Ra	219Rn	215Po	211Pb	211Bi	207Tl
Активность (Ки/г.)	0.048	73	31 000	52 000	1.3⋅1010	3⋅1013	2.5⋅107	4.2⋅108	1.9⋅108
Тип распада	α	α, β	α	α	α	α	β	α, β	β
Период полураспада	33 тыс. л.	22 года	19 дней	11 дней	4 с	1,8 мс	36 мин	2,1 мин	4,8 мин

Суммарная радиоактивность всех звеньев этой цепочки имеет значительную величину.

В следовых количествах протактиний встречается в большинстве натуральных продуктов. Он попадает в организм с пищей, водой, вдыхается с воздухом. Только 0,05 % всасывается из желудочно-кишечного тракта в кровь. 40 % вещества, попавшего в системный кровоток, откладывается в костях, 15 % — в печени, 2 % — в почках. Остальное выводится с калом и мочой.

Период полувыведения весьма различен для разных тканей: для костей он составляет 50 лет. В других органах кинетика имеет сложный характер, условно можно выделить быструю и медленную компоненты. Так, 70 % протактиния, попавшего в печень, имеют T_1/2 = 10 дней, для оставшихся 30 % — 60 дней. В почках 20 % (T_1/2 = 10 дней), и 80 % (60 дней).

В этих органах из-за радиоактивности протактиний провоцирует возникновение онкологических заболеваний.

Максимальное безопасное количество протактиния при попадании в организм человека составляет 0,03 мкКи (1,1 кБк), что соответствует 0,5 мкг.

Повсеместно встречающееся утверждение «Протактиний в 250 миллионов раз токсичнее синильной кислоты» является, судя по всему, заблуждением.

Ссылки

• Протактиний на Webelements
• Протактиний в Популярной библиотеке химических элементов