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.
| 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)[1] 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[2] 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[3] | |||
| Отношение c/a | 0,82 | |||
| Номер CAS | 7440-13-3 | |||
| 91 | Протактиний |
| 5f26d17s2 | |
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[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 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
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, 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
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[6].
Биологическая роль и особенности экспериментальной работы
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.
Токсичность
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, (t1⁄2 = 22 года, активность 73Ки/г.) Тот в свою очередь — в 227Th (t1⁄2 = 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 T1/2 = 10 дней, для оставшихся 30 % — 60 дней. В почках 20 % (T1/2 = 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].
Примечания
Ссылки
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
