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
правитьВ 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
правитьМесторождения
правитьПротактиний входит в состав урановых руд, которые находятся на территории США, Швеции, Конго, Испании, Чехии, ЮАР, России, Канады, Марокко.
Происхождение названия
правитьТак как протактиний служит родоначальником актиния (при α-распаде 231Pa образуется 227Ac), ему было присвоено современное название.
Физические свойства
правитьПолная 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
правитьПротактиний — 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
правитьСамый 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
правитьИз 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
правитьИз-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
правитьПДК 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
правитьПротактиний 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
править- ↑ 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. Архивировано 5 февраля 2014 года.
- ↑ 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. 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). Дата обращения: 2 сентября 2021. Архивировано 7 марта 2008 года.
- ↑ 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
