Протактиний

Протактиний
← Торий | Уран →
ВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесонПериодическая система элементов
91Pa
Orthorhombic.svg
Electron shell 091 Protactinium.svg
Внешний вид простого вещества
Блестящий серебристо-белый, очень радиоактивный металл
Protactinium.jpg
Кристаллы металлического протактиния, выращенные методом химического транспорта
Свойства атома
Название, символ, номер Протакти́ний / Protactinium (Pa), 91
Атомная масса
(молярная масса)
231,03588(2) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [Rn] 5f2 6d1 7s2
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 5, 4
Энергия ионизации
(первый электрон)
 568 (5,89) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.) 15,37 г/см³
Температура плавления 2113 (1840*С)
Температура кипения 4300 K
Уд. теплота плавления 16,7 кДж/моль
Уд. 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
231,0359
5f26d17s2

Протакти́ний (protactinium, ранее protoactinium) — химический элемент III группы таблицы Менделеева, 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 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 иодом образует летучие иодиды сложного состава.

Изотопы

Радиоактивные свойства некоторых изотопов протактиния:

Массовое число Период полураспада Тип распада
224 0,6 с α
225 2,0 с α
226 1,8 с 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
234М (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, 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

Skull and Crossbones.svg
Radiation warning symbol.svg
Logo iso radiation.svg

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.

Примечания

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
  2. Редкол.:Зефиров Н. С. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4. — С. 111. — 639 с. — 20 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8.
  3. WebElements Periodic Table of the Elements | Protactinium | crystal structures
  4. Protactinium // hpschapters.org
  5. John Arnold Cranston // University of Glasgow
  6. Кузнецов В. Ю., Арсланов X. А., Козлов В. Б., Максимов Ф. Е., Савельева Л. А., Чернов С. Б., Баранова Н. Г. Перспективы применения уран-ториевого метода неравновесной геохронологии для датирования межледниковых континентальных отложений // Вестник Санкт-Петербургского университета, № 2 / 2003
  7. Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4. — 639 с. — ISBN 5-82270-092-4.
  8. 1 2 Пальшин Е.С., Мясоедов Б.Ф., Давыдов А.В. Аналитическая химия протактиния. — М.: Издательство «Наука», 1968. — С. 15. — 240 с. — (Аналитическая химия элементов). — 2200 экз.

Ссылки


Материал из Википедии, свободной энциклопедии · Старая версия: оригинальная статья