Protaktinium

Protactinium, ₉₁ Pa
Protaktinium
Uttal	/ ˌ p r oʊ t æ k ˈ t ɪ n i ə m / <a i=17>( ( PROH -tak- TIN -ee-əm )
Utseende	ljus, silverglänsande metallisk lyster
Standard atomvikt A r °(Pa)
	231,035 88 ± 0,000 01 ; 231,04 ± 0,01 (förkortat) ;
Protactinium i det periodiska systemet
	torium ← protactinium → uran
Atomnummer ( Z )	91
Grupp	f-block grupper (inget nummer)
Period	period 7
Blockera	f-block
Elektronkonfiguration	[ Rn ] 5f 2 6d 1 7s 2
Elektroner per skal	2, 8, 18, 32, 20, 9, 2
Fysikaliska egenskaper
Fas vid STP	fast
Smältpunkt	1841 K (1568 °C, 2854 °F)
Kokpunkt	4300 K (4027 °C, 7280 °F) (?)
Densitet (nära rt )	15,37 g/cm 3
Värme av fusion	12,34 kJ/mol
Förångningsvärme	481 kJ/mol
Atomegenskaper
Oxidationstillstånd	+2, +3, +4, +5 (en svagt basisk oxid)
Elektronnegativitet	Pauling-skala: 1,5
Joniseringsenergier	1:a: 568 kJ/mol; ;
Atom radie	empiri: 163 pm
Kovalent radie	200 pm
	Spektrallinjer av protactinium
Andra egenskaper
Naturlig förekomst	från förfall
Kristallstruktur	<a i=0>kroppscentrerad tetragonal
Termisk expansion	~9,9 µm/(m⋅K) (vid rt )
Värmeledningsförmåga	47 W/(m⋅K)
Elektrisk resistans	177 nΩ⋅m (vid 0 °C)
Magnetisk beställning	paramagnetisk
CAS-nummer	7440-13-3
Historia
Förutsägelse	Dmitri Mendeleev (1869)
Upptäckt och första isolering	Kasimir Fajans och Oswald Helmuth Göhring (1913)
Namngiven av	Otto Hahn och Lise Meitner (1917–8)
Isotoper av protactinium
β −	230 U
α	227 Ac
	; Kategori: Protactinium \| referenser

Protactinium (tidigare protoactinium ) är ett kemiskt element med symbolen Pa och atomnummer 91. Det är en tät, silvergrå aktinidmetall som lätt reagerar med syre , vattenånga och oorganiska syror . Det bildar olika kemiska föreningar där protactinium vanligtvis finns i oxidationstillståndet +5 , men det kan också anta +4 och till och med +3 eller +2 tillstånd. Koncentrationer av protactinium i jordskorpan är vanligtvis några få delar per biljon, men kan nå upp till några miljondelar i vissa uraninitmalmfyndigheter . På grund av dess brist, höga radioaktivitet och höga toxicitet finns det för närvarande inga användningsområden för protactinium utanför vetenskaplig forskning, och för detta ändamål utvinns protactinium mestadels från använt kärnbränsle .

Grundämnet identifierades första gången 1913 av Kazimierz Fajans och Oswald Helmuth Göhring och fick namnet brevium på grund av den korta halveringstiden för den specifika isotopen som studerades, dvs. protactinium-234. En mer stabil isotop av protactinium, ²³¹ Pa, upptäcktes 1917/18 av Lise Meitner i samarbete med Otto Hahn , och de valde namnet protactinium. IUPAC valde namnet "protactinium" 1949 och bekräftade Hahn och Meitner som upptäckare . Det nya namnet betydde "(nukleär) prekursor för aktinium " och återspeglade att aktinium är en produkt av radioaktivt sönderfall av protaktinium. John Arnold Cranston (som arbetar med Frederick Soddy och Ada Hitchins ) är också krediterad för att ha upptäckt den mest stabila isotopen 1915, men försenade sitt tillkännagivande på grund av att han kallades till tjänst under första världskriget .

Den längsta och vanligaste (nästan 100 %) naturligt förekommande isotopen av protactinium, protactinium-231, har en halveringstid på 32 760 år och är en sönderfallsprodukt av uran-235 . Mycket mindre spårmängder av det kortlivade protactinium-234 och dess nukleära isomer protactinium-234m förekommer i sönderfallskedjan av uran-238 . Protactinium-233 är ett resultat av sönderfallet av torium -233 som en del av händelsekedjan som används för att producera uranium-233 genom neutronbestrålning av torium-232. Det är en oönskad mellanprodukt i toriumbaserade kärnreaktorer och avlägsnas därför från reaktorns aktiva zon under förädlingsprocessen. Havsvetenskapen använder elementet för att förstå det antika havet. Analys av de relativa koncentrationerna av olika uran-, torium- och protaktiniumisotoper i vatten och mineraler används vid radiometrisk datering av sediment som är upp till 175 000 år gamla och vid modellering av olika geologiska processer.

Historia

Dmitri Mendeleevs periodiska system från 1871 med ett gap för protactinium på den nedre raden av diagrammet, mellan torium och uran

1871 förutspådde Dmitri Mendeleev förekomsten av ett grundämne mellan torium och uran . Aktinidserien var okänd vid den tiden. Därför placerades uran under volfram i grupp VI, och torium under zirkonium i grupp IV, vilket lämnade utrymmet under tantal i grupp V tomt; fram till acceptansen av aktinidkonceptet i slutet av 1940-talet publicerades periodiska tabeller med denna struktur. Under en lång tid sökte kemister efter eka-tantal som ett grundämne med liknande kemiska egenskaper som tantal, vilket gjorde en upptäckt av protactinium nästan omöjlig. Tantals tyngre analog visade sig senare vara det transuraniska grundämnet dubnium – som dock inte reagerar som tantal, utan som protactinium.

År 1900 isolerade William Crookes protactinium som ett intensivt radioaktivt material från uran; han kunde dock inte karakterisera det som ett nytt kemiskt grundämne och gav det därför namnet uranium-X (UX). Crookes löste upp uraniumnitrat i eter , och den återstående vattenfasen innehåller det mesta av
²³⁴₉₀ Th
och
²³⁴₉₁ Pa
. Hans metod användes fortfarande på 1950-talet för att isolera
²³⁴₉₀ Th
och
²³⁴₉₁ Pa
från uranföreningar. Protactinium identifierades första gången 1913, när Kasimir Fajans _U²³⁴
och
Oswald Helmuth Göhring mötte isotopen ²³⁴ Pa under sina studier av sönderfallskedjorna av uran- ²³⁴
₂₃₈ Pa
:
²³⁸₉₂ U
→
²³⁴₉₀ Th
→ → . De döpte det nya elementet brevium (från det latinska ordet brevis , som betyder kort eller kort) på grund av dess korta halveringstid, 6,7 timmar för
²³⁴₉₁ Pa
. År 1917/18 upptäckte två grupper av forskare, Lise Meitner i samarbete med Otto Hahn från Tyskland och Frederick Soddy och John Cranston från Storbritannien , oberoende en annan isotop av protactinium, ²³¹ Pa, med en mycket längre halveringstid på cirka 33 000 år . Således ändrades namnet brevium till protactinium eftersom det nya elementet var en del av sönderfallskedjan av uranium-235 som förälder till actinium (från grekiska : πρῶτος prôtos "först, före"). IUPAC bekräftade detta namn 1949. Upptäckten av protactinium fullbordade en av de sista luckorna i de tidiga versionerna av det periodiska systemet, föreslog av Mendeleev 1869, och det gjorde de inblandade forskarna kända .

Aristid von Grosse producerade 2 milligram Pa ₂ O ₅ 1927 och 1934 isolerade först elementärt protactinium från 0,1 milligram Pa ₂ O ₅ . Han använde två olika procedurer: i den första bestrålades protactiniumoxid med 35 keV elektroner i vakuum. I en annan metod, kallad van Arkel–de Boer-processen , omvandlades oxiden kemiskt till en halogenid ( klorid , bromid eller jodid ) och reducerades sedan i vakuum med en elektriskt uppvärmd metalltråd:

2 PaI ₅ → 2 Pa + 5 I ₂

År 1961 producerade United Kingdom Atomic Energy Authority (UKAEA) 127 gram 99,9 % rent protactinium-231 genom att bearbeta 60 ton avfallsmaterial i en 12-stegsprocess, till en kostnad av cirka 500 000 USD. Under många år var detta världens enda betydande förråd av protactinium, som gavs till olika laboratorier för vetenskapliga studier. Oak Ridge National Laboratory i USA tillhandahöll protactinium till en kostnad av cirka 280 USD/gram.

Isotoper

Tjugonio radioisotoper av protactinium har upptäckts, den mest stabila är ²³¹ Pa med en halveringstid på 32 760 år, ²³³ Pa med en halveringstid på 27 dagar och ²³⁰ Pa med en halveringstid på 17,4 dagar. Alla de återstående isotoper har halveringstider kortare än 1,6 dagar, och majoriteten av dessa har halveringstider mindre än 1,8 sekunder. Protactinium har också två nukleära isomerer , ^217m Pa (halveringstid 1,2 millisekunder) och ^234m Pa (halveringstid 1,17 minuter).

Det primära sönderfallsläget för den mest stabila isotopen ²³¹ Pa och lättare ( ²¹¹ Pa till ²³¹ Pa) är alfa-sönderfall, som producerar isotoper av aktinium . Det primära läget för de tyngre isotoperna ( ²³² Pa till ²³⁹ Pa) är beta-sönderfall, som producerar isotoper av uran .

Kärnfission

Den längsta levande och mest förekommande isotopen, ²³¹ Pa, kan klyvas från snabba neutroner som överstiger ~1 MeV. ²³³ Pa, den andra isotopen av protactinium som produceras i kärnreaktorer, har också en fissionströskel på 1 MeV.

Förekomst

Protactinium är ett av de mest sällsynta och dyraste naturligt förekommande grundämnena. Det finns i form av två isotoper - ²³¹ Pa och ²³⁴ Pa, med isotopen ²³⁴ Pa som förekommer i två olika energitillstånd. Nästan allt naturligt protactinium är protactinium-231. Det är en alfasändare och bildas genom sönderfallet av uran-235, medan beta-utstrålande protactinium-234 produceras som ett resultat av uran-238-sönderfall . Nästan allt uran-238 (99,8%) sönderfaller först till den kortlivade ^234m Pa isomeren.

Protactinium förekommer i uraninit (beckblende) i koncentrationer av cirka 0,3-3 delar ²³¹ Pa per miljon delar (ppm) malm. Medan det vanliga innehållet är närmare 0,3 ppm (t.ex. i Jáchymov , Tjeckien ), har vissa malmer från Demokratiska republiken Kongo cirka 3 ppm. Protactinium är homogent dispergerat i de flesta naturliga material och i vatten, men i mycket lägre koncentrationer i storleksordningen en del per biljon, vilket motsvarar radioaktiviteten på 0,1 picocuries (pCi)/g. Det finns cirka 500 gånger mer protactinium i sandiga jordpartiklar än i vatten, till och med vattnet som finns i samma jordprov. Mycket högre kvoter på 2 000 och däröver mäts i lerjordar och leror, såsom bentonit .

I kärnreaktorer

Två stora protactiniumisotoper, ²³¹ Pa och ²³³ Pa, produceras från torium i kärnreaktorer ; båda är oönskade och tas vanligtvis bort, vilket ger komplexitet till reaktorkonstruktionen och driften. Speciellt ²³² Th via ( n ,2 n ) reaktioner ²³¹ Th som snabbt (halveringstid 25,5 timmar) sönderfaller till ²³¹ Pa. Den sista isotopen, även om den inte är ett transuranavfall, har en lång halveringstid på 32 760 år och är en stor bidragande orsak till den långvariga radiotoxiciteten hos använt kärnbränsle.

Protactinium-233 bildas vid neutronfångning av ²³² Th. Den sönderfaller vidare antingen till uran-233 eller fångar en annan neutron och omvandlas till det icke-klyvbara uran-234. ²³³ Pa har en relativt lång halveringstid på 27 dagar och högt tvärsnitt för neutroninfångning (det så kallade " neutrongiftet "). I stället för att snabbt sönderfalla till det användbara ^{233 U} , omvandlas en betydande del av ^{233 Pa till icke-klyvbara isotoper och förbrukar neutroner, vilket försämrar} reaktorns effektivitet . För att undvika detta extraheras ^{233 Pa från den aktiva zonen av} toriumsmälta saltreaktorer under deras drift, så att det bara sönderfaller till ²³³ U. Detta uppnås med hjälp av flera meter höga kolonner av smält vismut med litium löst i den. I ett förenklat scenario reducerar litium selektivt protactiniumsalter till protactiniummetall som sedan extraheras från den smälta saltcykeln, och vismut är bara en bärare. Den är vald på grund av dess låga smältpunkt (271 °C), låga ångtryck, goda löslighet för litium och aktinider och oblandbarhet med smälta halogenider .

Förberedelse

Protactinium förekommer i uranitmalmer .

Före tillkomsten av kärnreaktorer separerades protactinium för vetenskapliga experiment från uranmalmer. Nuförtiden produceras det mestadels som en mellanprodukt av kärnklyvning i torium-högtemperaturreaktorer (de angivna tiderna är halveringstider):

{\ce {^{232}_{90}Th + ^{1}_{0 }n -> ^{233}_{90}Th ->[\beta^-][22.3\ {\ce {min}}] ^{233}_{91}Pa ->[\beta^-][ 26.967\ {\ce {d}}] ^{233}_{92}U}}

231-isotopen kan framställas genom att utstråla torium-230 med långsamma neutroner, omvandla den till beta-sönderfallande torium-231, eller genom att bestråla torium-232 med snabba neutroner, generera torium-231 och 2 neutroner.

Protactiniummetall kan framställas genom reduktion av dess fluorid med kalcium , litium eller barium vid en temperatur av 1300–1400 °C.

Fysiska och kemiska egenskaper

Protactinium är en aktinid som är placerad i det periodiska systemet till vänster om uran och till höger om torium , och många av dess fysikaliska egenskaper är mellanliggande mellan dessa två aktinider. Så protactinium är tätare och styvare än torium men är lättare än uran, och dess smältpunkt är lägre än toriums och högre än uranets. Den termiska expansionen, elektriska och termiska ledningsförmågan för dessa tre element är jämförbara och är typiska för metaller efter övergång . Den uppskattade skjuvmodulen för protactinium liknar den för titan . Protactinium är en metall med silvergrå lyster som bevaras en tid i luften. Protactinium reagerar lätt med syre, vattenånga och syror, men inte med alkalier.

Vid rumstemperatur kristalliseras protactinium i den kroppscentrerade tetragonala strukturen som kan betraktas som förvrängt kroppscentrerat kubiskt gitter; denna struktur förändras inte vid kompression upp till 53 GPa. Strukturen ändras till ansiktscentrerad kubisk ( fcc ) vid kylning från hög temperatur, vid cirka 1200 °C. Den termiska expansionskoefficienten för den tetragonala fasen mellan rumstemperatur och 700 °C är 9,9 × 10 ⁻⁶ /°C.

Protactinium är paramagnetiskt och inga magnetiska övergångar är kända för det vid någon temperatur. Den blir supraledande vid temperaturer under 1,4 K. Protactiniumtetraklorid är paramagnetisk vid rumstemperatur men blir ferromagnetisk vid kylning till 182 K.

⁰ Protactinium finns i två huvudsakliga oxidationstillstånd , +4 och +5, både i fasta ämnen och lösningar, och tillstånden +3 och +2 observerades i vissa fasta faser. Eftersom elektronkonfigurationen för den neutrala atomen är [Rn]5f ² 6d ¹ 7s ² , motsvarar +5 oxidationstillståndet lågenergi- (och därmed gynnade) 5f- konfigurationen. Både +4 och +5 tillstånd bildar lätt hydroxider i vatten med de dominerande jonerna Pa(OH) ³⁺ , Pa(OH)
²⁺₂ , Pa(OH)
⁺₃ och Pa(OH) ₄ , alla färglösa. Andra kända protactiniumjoner inkluderar PaCl
²⁺₂ , PaSO
²⁺₄ , PaF ³⁺ , PaF
²⁺₂ , PaF
⁻₆ , PaF
²⁻₇ och PaF
³⁻₈ .

Kemiska föreningar

Formel	Färg	symmetri	rymdgrupp	Nej	Pearson symbol	a (pm)	b (pm)	c (pm)	Z	densitet (g/cm ³ )
Pa	silvergrå	tetragonal	I4/mmm	139	tI2	392,5	392,5	323,8	2	15.37
PaO		bergsalt	Fm 3 m	225	cF8	496,1			4	13.44
PaO ₂	svart	fcc	Fm 3 m	225	cF12	550,5			4	10.47
Pa ₂ O ₅	vit		Fm 3 m	225	cF16	547,6	547,6	547,6	4	10,96
Pa ₂ O ₅	vit	ortorombisk				692	402	418
PaH ₃	svart	kubisk	Kl 3 n	223	cP32	664,8	664,8	664,8	8	10,58
PaF ₄	brun-röd	monoklinisk	C2/c	15	mS60				2
PaCl ₄	grön gul	tetragonal	I4 ₁ /amd	141	tI20	837,7	837,7	748,1	4	4,72
PaBr ₄	brun	tetragonal	I4 ₁ /amd	141	tI20	882,4	882,4	795,7
PaCl ₅	gul	monoklinisk	C2/c	15	mS24	797	1135	836	4	3,74
PaBr ₅	röd	monoklinisk	P21 _/ c	14	mP24	838,5	1120,5	1214,6	4	4,98
PaOBr ₃		monoklinisk	C2			1691.1	387,1	933,4
Pa( _PO3 ) ₄		ortorombisk				696,9	895,9	1500,9
Pa ₂ P ₂ O ₇		kubisk	Pa3			865	865	865
Pa ₍_C8H8 ) ₂ _	guldgul	monoklinisk				709	875	1062

Här är a , b och c gitterkonstanter i pikometer, No är rymdgruppsnummer och Z är antalet formelenheter per enhetscell ; fcc står för ansiktscentrerad kubisk symmetri. Densiteten mättes inte direkt utan beräknades från gitterparametrarna.

Oxider och syrehaltiga salter

Protactiniumoxider är kända för metalloxidationstillstånden +2, +4 och +5. Den mest stabila är vit pentoxid Pa ₂ O ₅ , som kan framställas genom att antända protactinium(V)-hydroxid i luft vid en temperatur av 500 °C. Dess kristallstruktur är kubisk, och den kemiska sammansättningen är ofta icke-stökiometrisk, beskriven som PaO _2,25 . En annan fas av denna oxid med ortorombisk symmetri har också rapporterats. Svartdioxiden PaO ₂ erhålls från pentoxiden genom att reducera den vid 1550 °C med väte. Det är inte lättlösligt i vare sig utspädd eller koncentrerad salpetersyra , saltsyra eller svavelsyra , men löser sig lätt i fluorvätesyra . Dioxiden kan omvandlas tillbaka till pentoxid genom upphettning i syrehaltig atmosfär till 1100 °C. Monoxiden PaO har endast observerats som en tunn beläggning på protactiniummetall, men inte i en isolerad bulkform.

Protactinium bildar blandade binära oxider med olika metaller. Med alkalimetaller A har kristallerna en kemisk formel APaO ₃ och perovskitstruktur , eller A ₃ PaO ₄ och förvrängd stensaltstruktur, eller A ₇ PaO ₆ där syreatomer bildar ett hexagonalt tätpackat gitter. I alla dessa material är protaktiniumjoner oktaedriskt koordinerade. Pentoxiden Pa ₂ O ₅ kombineras med sällsynta jordartsmetalloxider R ₂ O ₃ för att bilda olika icke-stökiometriska blandoxider, även av perovskitstruktur.

Protactiniumoxider är basiska ; de omvandlas lätt till hydroxider och kan bilda olika salter, såsom sulfater , fosfater , nitrater , etc. Nitratet är vanligtvis vitt men kan vara brunt på grund av radiolytisk nedbrytning. Uppvärmning av nitratet i luft vid 400 °C omvandlar det till den vita protaktiniumpentoxiden. Polytrioxofosfat Pa(PO3 ₎ 4 _kan framställas _genom att reagera difluoridsulfat PaF2SO4 _med fosforsyra ( H3P04 ) _under inert _gasatmosfär . Upphettning av produkten till cirka 900 °C eliminerar reaktionsbiprodukter såsom fluorvätesyra , svaveltrioxid och fosforsyraanhydrid. Upphettning av den till högre temperaturer i en inert atmosfär sönderdelar Pa(PO ₃ ) ₄ till difosfatet PaP ₂ O ₇ , som är analog med difosfater av andra aktinider. I difosfatet bildar PO ₃ -grupperna pyramider av C _2v- symmetri. Uppvärmning av PaP ₂ O ₇ i luft till 1400 °C sönderdelas till pentoxider av fosfor och protactinium.

Halider

Protactinium(V)fluorid bildar vita kristaller där protactiniumjoner är arrangerade i pentagonala bipyramider och koordineras av 7 andra joner. Koordinationen är densamma i protactinium(V)klorid, men färgen är gul. Koordinationen ändras till oktaedrisk i den bruna protactinium(V)-bromiden och är okänd för protactinium(V)jodid. Protactiniumkoordinationen i alla dess tetrahalider är 8, men arrangemanget är kvadratiskt antiprismatiskt i protactinium(IV)fluorid och dodekaedriskt i kloriden och bromiden. Brunfärgad protactinium(III)jodid har rapporterats där protactiniumjoner är 8-koordinerade i ett dubbelt trigonalt prismatiskt arrangemang.

Koordinering av protactinium (fyllda cirklar) och halogenatomer (öppna cirklar) i protactinium(V)fluorid eller klorid.

Protactinium(V)fluorid och protactinium(V)klorid har en polymerstruktur av monoklinisk symmetri. Där, inom en polymerkedja, ligger alla halogenidatomer i ett grafitliknande plan och bildar plana pentagoner runt protactiniumjonerna. Koordinationen 7 av protactinium härstammar från de 5 halogenidatomerna och två bindningar till protactiniumatomer som tillhör de närliggande kedjorna. Dessa föreningar hydrolyserar lätt i vatten. Pentakloriden smälter vid 300 °C och sublimeras vid ännu lägre temperaturer.

Protactinium(V)fluorid kan framställas genom att reagera protactiniumoxid med antingen brompentafluorid eller bromtrifluorid vid cirka 600 °C, och protactinium(IV)fluorid erhålls från oxiden och en blandning av väte och vätefluorid vid 600 °C; ett stort överskott av väte krävs för att avlägsna atmosfäriskt syreläckage in i reaktionen.

Protactinium(V)klorid framställs genom att reagera protactiniumoxid med koltetraklorid vid en temperatur av 200–300 °C. Biprodukterna (såsom PaOCl3 ₎ avlägsnas genom fraktionerad sublimering. Reduktion av protactinium(V)klorid med väte vid cirka 800 °C ger protactinium(IV)klorid – en gulgrön fast substans som sublimeras i vakuum vid 400 °C; den kan också erhållas direkt från protactiniumdioxid genom att behandla den med koltetraklorid vid 400 °C.

Protactiniumbromider produceras genom inverkan av aluminiumbromid , vätebromid , koltetrabromid eller en blandning av vätebromid och tionylbromid på protactiniumoxid. En alternativ reaktion är mellan protactiniumpentaklorid och vätebromid eller tionylbromid. Protactinium(V)bromid har två liknande monoklina former, en erhålls genom sublimering vid 400–410 °C och en annan genom sublimering vid något lägre temperatur på 390–400 °C.

Protactiniumjodider härrör från oxiderna och aluminiumjodid eller ammoniumjodid upphettad till 600 °C. Protactinium(III)jodid erhölls genom att värma protactinium(V)jodid i vakuum. Som med oxider bildar protactinium blandade halogenider med alkalimetaller. Bland dessa är det mest anmärkningsvärda Na ₃ PaF ₈ där protactiniumjonen är symmetriskt omgiven av 8 F ⁻ joner som bildar en nästan perfekt kub.

Mer komplexa protactiniumfluorider är också kända såsom Pa ₂ F ₉ och ternära fluorider av typerna MPaF ₆ (M = Li, Na, K, Rb, Cs eller NH ₄ ), M ₂ PaF ₇ (M = K, Rb, Cs eller NH4 ₎ och _M3PaF8 (M = Li, Na, Rb, Cs), alla är vita kristallina fasta ämnen _. MPaF ₆ -formeln kan representeras som en kombination av MF och PaF ₅ . Dessa föreningar kan erhållas genom att indunsta en fluorvätesyralösning innehållande dessa båda komplex. För de små alkaliska katjonerna som Na är kristallstrukturen tetragonal, medan den sänks till ortorfombisk för större katjoner K+, ^Rb + ^, Cs ⁺ eller _NH4⁺ . En liknande variation observerades för M2PaF7- _fluoriderna_,_nämligen kristallsymmetrin var beroende av katjonen och skilde sig för Cs2PaF7 _och M2PaF7 ₍ M ₌ K, Rb eller _NH4 ) .

Andra oorganiska föreningar

Oxihalider och oxisulfider av protactinium är kända. PaOBr ₃ har en monoklinisk struktur som består av dubbelkedjiga enheter där protactinium har koordination 7 och är arrangerat i pentagonala bipyramider. Kedjorna är sammankopplade genom syre- och bromatomer, och varje syreatom är relaterad till tre protactiniumatomer. PaOS är ett ljusgult icke-flyktigt fast ämne med ett kubiskt kristallgitter som är isostrukturellt med det hos andra aktinidoxisulfider. Det erhålls genom att reagera protactinium(V)klorid med en blandning av vätesulfid och koldisulfid vid 900 °C.

I hydrider och nitrider har protactinium ett lågt oxidationstillstånd på cirka +3. Hydriden erhålls genom direkt verkan av väte på metallen vid 250 °C, och nitriden är en produkt av ammoniak och protaktiniumtetraklorid eller pentaklorid. Denna klargula fasta substans är stabil mot uppvärmning till 800 °C i vakuum. Protactiniumkarbid PaC bildas genom reduktion av protactiniumtetrafluorid med barium i en koldegel vid en temperatur av cirka 1400 °C. Protactinium bildar borhydrider som inkluderar Pa( _BH4 ) ₄ . Den har en ovanlig polymerstruktur med spiralformade kedjor där protaktiniumatomen har koordinationsnummer 12 och är omgiven av sex BH ₄⁻ joner.

Organometalliska föreningar

Den föreslagna strukturen av protactinocene (Pa(C ₈ H ₈ ) ₂ ) molekylen

Protactinium(IV) bildar ett tetraedriskt komplex tetrakis(cyklopentadienyl)protactinium(IV) (eller Pa(C ₅ H ₅ ) ₄ ) med fyra cyklopentadienylringar , som kan syntetiseras genom att reagera protactinium(IV)klorid med smält Be(C _5H ) ₅ ) ₂ . En ring kan ersättas med en halogenidatom. Ett annat organometalliskt komplex är guldgul bis(π-cyklooktatetraen)protactinium, eller protactinocene, Pa(C8H8) ₂_, som _till sin struktur är analog med uranocen . Där är metallatomen inklämd mellan två cyklooktatetraenligander . I likhet med uranocen kan det framställas genom att reagera protaktiniumtetraklorid med dikaliumcyklooktatetraenid, K 2 _C 8 _H 8 _, i tetrahydrofuran .

Ansökningar

Även om protactinium finns i det periodiska systemet mellan uran och torium, som båda har många tillämpningar, finns det för närvarande inga användningsområden för protactinium utanför vetenskaplig forskning på grund av dess brist, höga radioaktivitet och höga toxicitet.

Protactinium-231 uppstår från sönderfallet av naturligt uran-235, och i kärnreaktorer genom reaktionen ²³² Th + n → ²³¹ Th + 2n och efterföljande beta-sönderfall . Det ansågs en gång kunna stödja en kärnkedjereaktion, som i princip kunde användas för att bygga kärnvapen : fysikern Walter Seifritz [ de ] uppskattade en gång den tillhörande kritiska massan till 750 ± 180 kg . Möjligheten för kritikalitet på ²³¹ Pa har dock uteslutits sedan dess.

Med tillkomsten av mycket känsliga masspektrometrar har en tillämpning av ²³¹ Pa som spårämne i geologi och paleoceanografi blivit möjlig. Så, förhållandet mellan protactinium-231 och torium-230 används för radiometrisk datering av sediment som är upp till 175 000 år gamla och vid modellering av bildningen av mineraler. I synnerhet tillät dess utvärdering i oceaniska sediment att rekonstruera rörelserna av nordatlantiska vattenkroppar under den sista smältningen av istidens glaciärer . Några av de protactiniumrelaterade dateringsvariationerna är beroende av analysen av de relativa koncentrationerna för flera långlivade medlemmar av uranförfallskedjan - uran, protactinium och torium, till exempel. Dessa grundämnen har 6, 5 och 4 valenselektroner och gynnar således +6, +5 respektive +4 oxidationstillstånd och uppvisar olika fysikaliska och kemiska egenskaper. Så, torium och protactinium, men inte uranföreningar, är dåligt lösliga i vattenlösningar och faller ut i sediment; utfällningshastigheten är snabbare för torium än för protactinium. Dessutom tillåter koncentrationsanalysen för både protactinium-231 (halveringstid 32 760 år) och torium-230 (halveringstid 75 380 år) att förbättra noggrannheten jämfört med när endast en isotop mäts; denna dubbelisotopmetod är också svagt känslig för inhomogeniteter i isotopernas rumsliga fördelning och för variationer i deras nederbördshastighet.

Försiktighetsåtgärder

Protactinium är både giftigt och mycket radioaktivt och därför utförs alla manipulationer med det i ett förseglat handskfack . Dess huvudisotop ²³¹ Pa har en specifik aktivitet på 0,048 curies (1,8 GBq ) per gram och avger i första hand alfapartiklar med en energi på 5 MeV, som kan stoppas av ett tunt lager av vilket material som helst. Den sönderfaller dock långsamt, med en halveringstid på 32 760 år, till ²²⁷ Ac, som har en specifik aktivitet på 74 curies (2 700 GBq) per gram, avger både alfa- och betastrålning och har en mycket kortare halveringstid på 22 år. ²²⁷ Ac sönderfaller i sin tur till lättare isotoper med ännu kortare halveringstider och mycket större specifika aktiviteter (SA), som sammanfattas i tabellen nedan som visar sönderfallskedjan för protactinium-231.

Isotop	²³¹ Pa	²²⁷ Ac	²²⁷ Th	²²³ Ra	²¹⁹ Rn	²¹⁵ Po	²¹¹ Pb	²¹¹ Bi	²⁰⁷ Tl
SA ( Ci /g)	0,048	73	3,1 × 10 ⁴	5,2 × 10 ⁴	1,3 × 10 ¹⁰	3 × 10 ¹³	2,5 × 10 ⁷	4,2 × 10 ⁸	1,9 × 10 ⁸
Förfall	α	α, β	α	α	α	α	β	α, β	β
Halveringstid	33 ka	22 a	19 dagar	11 dagar	4 s	1,8 ms	36 min	2,1 min	4,8 min

Eftersom protactinium finns i små mängder i de flesta naturliga produkter och material, intas det med mat eller vatten och andas in med luft. Endast cirka 0,05 % av intaget protactinium absorberas i blodet och resten utsöndras. Från blodet avsätts cirka 40 % av protactinium i benen, cirka 15 % går till levern, 2 % till njurarna och resten lämnar kroppen. Den biologiska halveringstiden för protactinium är cirka 50 år i benen, medan kinetiken i andra organ har en snabb och långsam komponent. Till exempel har 70 % av protactinium i levern en biologisk halveringstid på 10 dagar, och de återstående 30 % i 60 dagar. Motsvarande värden för njurar är 20 % (10 dagar) och 80 % (60 dagar). I alla dessa organ främjar protactinium cancer via sin radioaktivitet. Den maximala säkra dosen av Pa i människokroppen är 0,03 μCi (1,1 kBq), vilket motsvarar 0,5 mikrogram av ²³¹ Pa. Den högsta tillåtna koncentrationen av ²³¹ Pa i luften i Tyskland är 3 × 10 ⁻⁴ Bq/m ³ .

Se även

Ada Hitchins , som hjälpte Soddy att upptäcka grundämnet protactinium

Bibliografi

Greenwood, Norman N. ; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth–Heinemann . ISBN 978-0080379418 .

externa länkar

Protactinium vid The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)

Protactiniumföreningar _
Pa(IV)	PaO ₂ PaCl ₄ PaBr ₄ Pa ₍_C8H8 ) ₂ _
Pa(V)	Pa ₂ O ₅ PaF ₅ PaCl ₅ PaBr ₅ PaI ₅