Протактиний

Протактиний
Протактиний
	← Торий \| Уран →
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)
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

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.

91	Протактиний
Pa 231,0359
5f²6d¹7s²

Относится к семейству актиноидов.

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

ИсторияПравить

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^[4] 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^[5].

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 природеПравить

МесторожденияПравить

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

Происхождение названияПравить

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

Физические свойстваПравить

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 свойстваПравить

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.

ИзотопыПравить

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⁻
234^М (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⁻

ПолучениеПравить

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.

ПрименениеПравить

Из-за дефицита протактиния, его высокой радиоактивности и радиотоксичности в настоящее время он не находит применение 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^[6].

Биологическая роль и особенности экспериментальной работыПравить

ПДК для ²³¹Pa в воздухе рабочих помещений 5,6⋅10⁻⁴ Бк/м³^[7]. В Германии 3⋅10^-4 Бк/м³.^[8]

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

ТоксичностьПравить

Протактиний в зависимости от изотопного состава обладает средней, высокой и особо высокой радиотоксичностью^[9]. 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^[10]^[8].

Максимальное безопасное количество протактиния при попадании в организм человека составляет 0,03 мкКи (1,1 кБк), что соответствует 0,5 мкг^[11].

Повсеместно встречающееся утверждение «Протактиний в 250 миллионов раз токсичнее синильной кислоты» является, судя по всему, заблуждением^[12].

ПримечанияПравить

↑ 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.
↑ 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.
↑ WebElements Periodic Table of the Elements | Protactinium | crystal structures (неопр.). Дата обращения: 10 августа 2010. Архивировано 22 июля 2010 года.
↑ Protactinium Архивная копия от 29 июля 2020 на Wayback Machine // hpschapters.org
↑ John Arnold Cranston Архивная копия от 11 марта 2020 на Wayback Machine // University of Glasgow
↑ 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 Архивная копия от 26 января 2021 на Wayback Machine // Вестник Санкт-Петербургского университета, № 2 / 2003
↑ Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4. — 639 с. — ISBN 5-82270-092-4.
↑ ¹ ² R. Grossmann, H.J. Maier, J. Szerypo, H.U. Friebel. Preparation of 231Pa targets (англ.) // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2008-06. — Vol. 590, iss. 1—3. — P. 122–125. — doi:10.1016/j.nima.2008.02.084. Архивировано 15 июня 2020 года.
↑ Вредные химические вещества. Радиоактивные вещества: Справ. изд. / В.А. Баженов, Л. А. Булдаков, И. Я. Василенко и др.; Под. ред. В. А. Филова и др.. — Л. : Химия, 1990. — С. 35, 181. — ISBN 5-7245-0216-X.
↑ Argonne National Laboratory. Human Health Fact Sheet, August 2005 (англ.) (7 марта 2008).
↑ 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.
↑ Обсуждение:Протактиний#Ошибка в источнике АХП

СсылкиПравить

[iupac_atomic_weights-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.

[ХЭ-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 (неопр.). Дата обращения: 10 августа 2010. Архивировано 22 июля 2010 года.

[4] Protactinium Архивная копия от 29 июля 2020 на Wayback Machine // hpschapters.org

[5] John Arnold Cranston Архивная копия от 11 марта 2020 на Wayback Machine // 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 Архивная копия от 26 января 2021 на Wayback Machine // 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.

[автоссылка1-8] ¹ ² R. Grossmann, H.J. Maier, J. Szerypo, H.U. Friebel. Preparation of 231Pa targets (англ.) // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2008-06. — Vol. 590, iss. 1—3. — P. 122–125. — doi:10.1016/j.nima.2008.02.084. Архивировано 15 июня 2020 года.

[9] Вредные химические вещества. Радиоактивные вещества: Справ. изд. / В.А. Баженов, Л. А. Булдаков, И. Я. Василенко и др.; Под. ред. В. А. Филова и др.. — Л. : Химия, 1990. — С. 35, 181. — ISBN 5-7245-0216-X.

[10] Argonne National Laboratory. Human Health Fact Sheet, August 2005 (англ.) (7 марта 2008).

[АХП-11] 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.

[12] Обсуждение:Протактиний#Ошибка в источнике АХП

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]