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.

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 UX ₂ ( ²³⁴ Pa) 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 ( ²³⁴ Pa). Более стабильный изотоп протактиния ( ²³¹ Pa) 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 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 .

Затем Блек, Ган и Мейтнер обнаружили сходство свойств UX ₂ 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 ²³¹ Pa образуется ²²⁷ Ac), ему было присвоено современное название.

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома протактиния: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁶ 5s ² 4d ¹⁰ 5p ⁶ 6s ² 4f ¹⁴ 5d ¹⁰ 6p ⁶ 5f ² 6d ¹ 7s ² .

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 PaH ₃ . 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 −
234 М (UX 2 )	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 ²³¹ Pa. Кроме того, ²³¹ Pa можно получить облучением ²³⁰ Th медленными нейтронами:

²³⁰ Th(n, γ) ²³¹ Th (β ⁻ -распад, T _1/2 = 25.6 ч) → ²³¹ Pa

или при облучении ²³² Th быстрыми нейтронами по реакции

²³² Th(n, 2n) ²³¹ Th (β ⁻ -распад, T _1/2 = 25.6 ч) → ²³¹ Pa

Изотоп ²³³ Pa также получают из тория:

²³² Th(n, γ) ²³³ Th (β ⁻ -распад, T _1/2 = 23.5 мин.) → ²³³ Pa

Металлический протактиний получают при восстановлении PaF ₄ 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 ²³⁰ Th и ²³¹ Pa над материнскими изотопами урана в колонке осадочной толщи используется для установления возраста донных осадков .

Биологическая роль и особенности экспериментальной работы

ПДК для ²³¹ Pa в воздухе рабочих помещений 5,6⋅10 ⁻⁴ Бк/м³ . В Германии 3⋅10 ⁻⁴ Бк/м ³ .

Все работы с ²³¹ Pa 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 . 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 ²³¹ Pa 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 ²²⁷ Ac, ( t _1⁄2 = 22 года, активность 73Ки/г.) Тот в свою очередь — в ²²⁷ Th ( t _1⁄2 = 19 дней, активность 31 000 Ки/г.) Основные продукты цепочки деления представлены в таблице:

Изотоп	231 Pa	227 Ac	227 Th	223 Ra	219 Rn	215 Po	211 Pb	211 Bi	207 Tl
Активность ( Ки /г.)	0.048	73	31 000	52 000	1.3⋅10 10	3⋅10 13	2.5⋅10 7	4.2⋅10 8	1.9⋅10 8
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 .

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

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

Примечания

Ссылки