Это хорошая статья. Для получения дополнительной информации нажмите здесь.
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Протактиний,  91 Па
Protactinium.jpg
Протактиний
Произношение/ ˌ р г oʊ т æ к т ɪ п I ə м / ( PrOH -tak- ТИН -ее-əm )
Внешностьяркий, серебристый металлический блеск
Стандартный атомный вес A r, std (Па) 231.035 88 (1) [1]
Протактиний в периодической таблице
ВодородГелий
ЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеон
НатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргон
КалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецУтюгКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптон
РубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийБанкаСурьмаТеллурЙодКсенон
ЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоМеркурий (элемент)ТаллийВестиВисмутПолонийАстатинРадон
ФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклиумКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБориумКалийМейтнерийДармштадтиумРентгенийКопернициумNihoniumФлеровийМосковиумЛиверморийTennessineОганессон
Pr
↑
Па
↓
(Uqp)
торий ← протактиний → уран
Атомный номер ( Z )91
Группагруппа н / д
Периодпериод 7
Блокировать  f-блок
Электронная конфигурация[ Rn ] 5f 2 6d 1 7s 2
Электронов на оболочку2, 8, 18, 32, 20, 9, 2
Физические свойства
Фаза на  СТПтвердый
Температура плавления1841  К (1568 ° С, 2854 ° F)
Точка кипения4300 К (4027 ° С, 7280 ° F) (?)
Плотность (около  rt )15,37 г / см 3
Теплота плавления12,34  кДж / моль
Теплота испарения481 кДж / моль
Атомные свойства
Состояния окисления+2, +3, +4, +5 (слабо основной оксид)
ЭлектроотрицательностьШкала Полинга: 1,5
Энергии ионизации
  • 1-я: 568 кДж / моль
Радиус атомаэмпирический: 163  pm
Ковалентный радиус200 вечера
Спектральные линии протактиния
Другие свойства
Естественное явлениеот разложения
Кристальная структураобъемно-центрированной тетрагональной [2]
Тепловое расширение~ 9,9 мкм / (м · К) [3] (при  комнатной температуре )
Теплопроводность47 Вт / (м · К)
Удельное электрическое сопротивление177 нОм · м (при 0 ° C)
Магнитный заказпарамагнитный [4]
Количество CAS7440-13-3
История
ПрогнозДмитрий Менделеев (1869)
Открытие и первая изоляцияКазимир Фаянс и Освальд Гельмут Геринг (1913)
НазванныйОтто Хан и Лиз Мейтнер (1917-198)
Основные изотопы протактиния
ИзотопИзбытокПериод полураспада ( t 1/2 )Режим распадаТовар
229 Пасин1,5 дняε229 Чт
230 Пасин17,4 гε230 Чт
231 Па100%3,276 × 10 4  гα227 Ас
232 Пасин1,31 дβ -232 U
233 Паслед26,967 гβ -233 U
234 Паслед6,75 чβ -234 U
234 м Паслед1,17 минβ -234 U
Категория Категория: Протактиниум
  • Посмотреть
  • разговаривать
  • редактировать
| Рекомендации

Протактиний (ранее протактиний ) представляет собой химический элемент с символом Ра и атомным номером 91. Это плотный серебристо-серый актинидный 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 принимать состояния +4 и даже +3 или +2. Концентрации протактиния в земной коре обычно составляют несколько частей на триллион, но могут достигать нескольких частей на миллион в некоторых уранинитах.рудные месторождения. Из-за его редкости, высокой радиоактивности и высокой токсичности в настоящее время протактиний не используется вне научных исследований, и для этой цели протактиний в основном извлекается из отработавшего ядерного топлива .

Протактиний был впервые идентифицирован в 1913 году Казимиром Фаянсом и Освальдом Гельмутом Герингом и назван бревиумом из-за короткого периода полураспада конкретного изученного изотопа , то есть протактиния-234. Более стабильный изотоп протактиния, 231 Па, был открыт в 1917/18 году Отто Ханом и Лиз Мейтнер , и они выбрали название протоактиний, но в 1949 году ИЮПАК окончательно назвал его «протактинием» и подтвердил, что Ган и Мейтнер являются первооткрывателями . Новое название означало «(ядерный) Предшественник [5] из актиний"и отразил, что актиний является продуктом радиоактивного распада протактиния. Джону Арнольду Крэнстону (работающему с Фредериком Содди и Адой Хитчинс ) также приписывают открытие самого стабильного изотопа в 1915 году, но он отложил свое объявление из-за того, что его призвали на службу в Первая мировая война . [6]

Самый долгоживущий и самый распространенный (почти 100%) изотоп протактиния природного происхождения , 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 цепочке распада урана-238 . Протактиний-233 образуется в результате распада тория- 233 как части цепи событий, используемых для получения урана-233 путем нейтронного облучения тория-232. Это нежелательный промежуточный продукт в ядерных реакторах на основе тория.и поэтому удаляется из активной зоны реактора в процессе воспроизводства. Анализ относительных концентраций различных урана, тория и протактиния изотопов в воде и минералов используется в радиометрического датирования от отложений , которые до 175000 лет , и при моделировании различных геологических процессов.

История [ править ]

Периодическая таблица Дмитрия Менделеева 1871 года с пробелом для протактиния в нижнем ряду таблицы, между торием и ураном

В 1871 году Дмитрий Менделеев предсказал существование элемента между торием и ураном . [7] В то время серия актинидов была неизвестна. Следовательно, уран располагался ниже вольфрама в группе VI, а торий ниже циркония в группе IV, оставляя пространство ниже тантала в группе V пустым; до принятия концепции актинидов в конце 1940-х годов периодические таблицы публиковались с такой структурой. [8]В течение долгого времени химики искали эка-тантал как элемент со сходными химическими свойствами с танталом, что делало открытие протактиния практически невозможным. Позднее было обнаружено, что более тяжелым аналогом тантала является трансурановый элемент дубний, который, однако, реагирует не как тантал, а как протактиний. [9]

В 1900 году Уильям Крукс выделил протактиний как сильно радиоактивный материал из урана; однако он не мог охарактеризовать его как новый химический элемент и поэтому назвал его уран-X (UX). [7] [10] [11] Крукс растворял нитрат урана в эфире , а остаточная водная фаза содержит большую часть234
90Чт
 и 234
91Па
. Его метод все еще использовался в 1950-х годах для выделения234
90Чт
 и 234
91Па
из соединений урана. [12] Протактиний был впервые идентифицирован в 1913 году, когда Казимир Фаянс и Освальд Гельмут Геринг столкнулись с изотопом 234 Па во время своих исследований цепочек распада урана-238 :238
92U
 → 234
90Чт
 → 234
91Па
 → 234
92U
. Они назвали новый элемент brevium (от латинского слова brevis , что означает краткий или короткий) из-за его короткого периода полураспада, 6,7 часов для234
91Па
. [13] [14] [15] [16] [17] В 1917/18 году две группы ученых, Отто Хан и Лиз Мейтнер из Германии и Фредерик Содди и Джон Крэнстон из Великобритании , независимо друг от друга открыли еще один изотоп протактиния, 231 Па, имеющий гораздо более длительный период полураспада - около 33000 лет. [17] Таким образом, название brevium было изменен на протактиний как новый элемент был частью цепочки распада урана-235 в качестве родителя актиния (от греческого : πρῶτος Протос«сначала, до»). Для удобства произношения название было сокращено до протактиния по ИЮПАК в 1949 году [18] [19] Открытие протактиния завершен один из последних пробелов в ранних версиях периодической таблицы, предложенной Менделеевым в 1869 году, и это принесло прославить привлеченных ученых. [20]

Аристид фон Гроссе произвел 2 миллиграмма Pa 2 O 5 в 1927 году [21], а в 1934 году впервые выделил элементарный протактиний из 0,1 миллиграмма Pa 2 O 5 . [22] Он использовал две разные процедуры: в первой оксид протактиния облучали электронами с энергией 35 кэВ в вакууме. В другом методе, называемом процессом Ван Аркеля – де Бура , оксид химически превращали в галогенид ( хлорид , бромид или йодид ), а затем восстанавливали в вакууме с помощью электрически нагреваемой металлической нити накала: [18] [23]

2 Па I 5 → 2 Па + 5 I 2

В 1961 году Управление по атомной энергии Соединенного Королевства (UKAEA) произвело 127 граммов протактиния-231 с чистотой 99,9% путем переработки 60 тонн отходов в 12-этапном процессе стоимостью около 500 000 долларов США. [18] [24] В течение многих лет это был единственный в мире значительный запас протактиния, который поставлялся в различные лаборатории для научных исследований. [7] Окриджская национальная лаборатория в США предоставила протактиний по цене около 280 долларов США за грамм. [25]

Изотопы [ править ]

Основная статья: Изотопы протактиния

Было обнаружено тридцать радиоизотопов протактиния, наиболее стабильным из которых является 231 Па с периодом полураспада 32 760 лет, 233 Па с периодом полураспада 27 дней и 230 Па с периодом полураспада 17,4 дня. Все оставшиеся изотопы имеют период полураспада менее 1,6 дня, а у большинства из них период полураспада менее 1,8 секунды. Протактиний также имеет два ядерных изомера : 217 млн Па (период полураспада 1,2 миллисекунды) и 234 млн Па (период полураспада 1,17 минуты). [26]

Основной способ распада наиболее стабильного изотопа 231 Па и более легкого (от 211 Па до 231 Па) - это альфа-распад с образованием изотопов актиния . Первичный режим для тяжелых изотопов ( 232 Па до 240 Па) является бета - распад , производя изотопы урана . [26]

Возникновение [ править ]

Протактиний - один из самых редких и дорогих природных элементов. Он находится в форме двух изотопов - 231 Па и 234 Па, причем изотоп 234 Па находится в двух различных энергетических состояниях. Почти весь природный протактиний - это протактиний-231. Он является альфа-излучателем и образуется при распаде урана-235, тогда как бета-излучающий протактиний-234 образуется в результате распада урана-238 . Почти весь уран-238 (99,8%) сначала распадается на более короткоживущий изомер 234m Pa. [27]

Протактиний встречается в уранините ( настуране ) в концентрациях примерно 0,3–3 части 231 Па на миллион частей (частей на миллион) руды. [7] В то время как обычное содержание ближе к 0,3 ppm [28] (например, в Яхимове , Чешская Республика [29] ), некоторые руды из Демократической Республики Конго содержат около 3 ppm. [18]Протактиний гомогенно диспергирован в большинстве природных материалов и в воде, но в гораздо более низких концентрациях, порядка одной части на триллион, что соответствует радиоактивности 0,1 пикокюри (пКи) / г. Протактиния в песчаных почвенных частицах примерно в 500 раз больше, чем в воде, даже в воде, содержащейся в том же образце почвы. Значительно более высокие отношения - 2000 и выше - измеряются в суглинистых почвах и глинах, таких как бентонит . [27] [30]

В ядерных реакторах [ править ]

Два основных изотопа протактиния, 231 Па и 233 Па, производятся из тория в ядерных реакторах ; оба являются нежелательными и обычно удаляются, что усложняет конструкцию и работу реактора. В частности, 232 Th в результате реакций ( n , 2 n ) производит 231 Th, который быстро (период полураспада 25,5 часов) распадается до 231 Па. Последний изотоп, хотя и не является трансурановыми отходами, имеет длительный период полураспада 32 760 лет и является одним из основных факторов долгосрочной радиотоксичности отработавшего ядерного топлива. [31]

Протактиний-233 образуется при захвате нейтронов 232 Th. Далее он либо распадается на уран-233, либо захватывает другой нейтрон и превращается в неделящийся уран-234. [32] 233 Па имеет относительно длительный период полураспада 27 дней и высокое сечение захвата нейтронов (так называемый « нейтронный яд »). Таким образом, вместо того, чтобы быстро распадаться до полезного 233 U, значительная часть 233 Па преобразуется в неделящиеся изотопы и потребляет нейтроны, снижая эффективность реактора . Чтобы избежать этого, 233 Па извлекается из активной зоны реакторов на расплавленной соли тория.во время их работы, так что он распадается только до 233 U. Это достигается с помощью нескольких метров высотой столбов расплавленного висмута с растворенным в нем литием. В упрощенном сценарии литий селективно восстанавливает соли протактиния до металлического протактиния, который затем извлекается из цикла расплавленных солей, а висмут является просто носителем. Он выбран из-за его низкой температуры плавления (271 ° C), низкого давления пара, хорошей растворимости лития и актинидов и несмешиваемости с расплавленными галогенидами . [31]

Подготовка [ править ]

Протактиний встречается в уранинитовых рудах.

До появления ядерных реакторов протактиний отделяли для научных экспериментов от урановых руд. В настоящее время он в основном производится в качестве промежуточного продукта ядерного деления в ториевых высокотемпературных реакторах (время полураспада указано):

Изотоп 231 можно получить, излучая торий-230 медленными нейтронами, превращая его в бета-распадающийся торий-231, или облучая торий-232 быстрыми нейтронами, генерируя торий-231 и 2 нейтрона.

Протактиний металл , может быть получен путем восстановлением его фторида с кальцием , [33] лития или барий при температуре 1300-1400 ° С. [34] [35]

Физические и химические свойства [ править ]

Протактиний - это актинид, который расположен в периодической таблице слева от урана и справа от тория , и многие из его физических свойств являются промежуточными между этими двумя актинидами. Итак, протактиний более плотный и жесткий, чем торий, но легче, чем уран, и его температура плавления ниже, чем у тория, и выше, чем у урана. Тепловое расширение, электрическая и теплопроводность этих трех элементов сопоставимы и типичны для пост-переходных металлов . Оценивается модуль сдвига протактиния подобен тому из титана . [36]Протактиний - металл с серебристо-серым блеском, сохраняющийся некоторое время на воздухе. [18] [24] Протактиний легко реагирует с кислородом, водяным паром и кислотами, но не со щелочами. [7]

При комнатной температуре протактиний кристаллизуется в объемноцентрированной тетрагональной структуре, которую можно рассматривать как искаженную объемноцентрированную кубическую решетку; эта структура не меняется при сжатии до 53 ГПа. Структура меняется на гранецентрированную кубическую ( ГЦК ) при охлаждении от высокой температуры, примерно до 1200 ° C. [33] [37] Коэффициент теплового расширения тетрагональной фазы между комнатной температурой и 700 ° C составляет 9,9 × 10 - 6 / ° C. [33]

Протактиний парамагнитен, и для него неизвестны магнитные переходы при любой температуре. [38] Он становится сверхпроводящим при температурах ниже 1,4 К. [7] [34] Тетрахлорид протактиния парамагнитен при комнатной температуре, но становится ферромагнитным при охлаждении до 182 К. [39]

Протактиний существует в двух основных степенях окисления , +4 и +5, как в твердых телах, так и в растворах, а состояния +3 и +2 наблюдались в некоторых твердых фазах. Поскольку электронная конфигурация нейтрального атома - [Rn] 5f 2 6d 1 7s 2 , степень окисления +5 соответствует низкоэнергетической (и, следовательно, предпочтительной) конфигурации 5f 0 . И +4, и +5 состояния легко образуют гидроксиды в воде с преобладающими ионами Pa (OH) 3+ , Pa (OH).2+
2, Па (ОН)+
3и Ра (ОН) 4 все бесцветные. [40] Другие известные ионы протактиния включают PaCl.2+
2, PaSO2+
4, ПаФ 3+ , ПаФ2+
2, ПаФ-
6, ПаФ2-
7и PaF3-
8. [41] [42]

Химические соединения [ править ]

Формулацветсимметриякосмическая группаНетСимвол Пирсонаа (вечера)б (пп)c (pm)Zплотность (г / см 3 )
Пасеребристо-серыйтетрагональный [2]I4 / ммм139tI2392,5392,5323,8215,37
PaOкаменная соль [35]FM 3 м225cF8496,1413,44
PaO 2чернитьfcc [35]FM 3 м225cF12550,5410,47
Па 2 О 5белыйFm 3 m [35]225cF16547,6547,6547,6410,96
Па 2 О 5белыйорторомбический [35]692402418
PaH 3чернитькубический [35]Pm 3 n223cP32664,8664,8664,8810,58
PaF 4коричнево-красныймоноклинический [35]C2 / c15мс602
PaCl 4желто-зеленыйтетрагональный [43]I4 1 / драм141tI20837,7837,7748,144,72
PaBr 4коричневыйтетрагональный [44] [45]I4 1 / драм141tI20882,4882,4795,7
PaCl 5желтыймоноклинический [46]C2 / c15mS24797113583643,74
PaBr 5красныймоноклинический [45] [47]P2 1 / c14mP24838,51120,51214,644,98
ПаОБР 3моноклинический [45]C21691,1387,1933,4
Па (PO 3 ) 4орторомбический [48]696,9895,91500,9
Па 2 P 2 O 7кубический [48]Pa3865865865
Па (C 8 H 8 ) 2золотисто-желтыймоноклинический [49]7098751062

Здесь a , b и c - постоянные решетки в пикометрах, No - номер пространственной группы, Z - количество формульных единиц на элементарную ячейку ; fcc обозначает гранецентрированную кубическую симметрию. Плотность не измеряли напрямую, а рассчитывали по параметрам решетки.

Оксиды и кислородсодержащие соли [ править ]

Оксиды протактиния известны степенью окисления металлов +2, +4 и +5. Наиболее стабильным является белый пентоксид Pa 2 O 5 , который можно получить путем воспламенения гидроксида протактиния (V) на воздухе при температуре 500 ° C. [50] Его кристаллическая структура кубическая, а химический состав часто нестехиометрический, описываемый как PaO 2,25 . Сообщалось также о другой фазе этого оксида с орторомбической симметрией. [35] [51] Черный диоксид PaO 2 получают из пентоксида путем восстановления его при 1550 ° C водородом. Он плохо растворяется ни в разбавленной, ни в концентрированной азотной , соляной илисерные кислоты , но легко растворяется в плавиковой кислоте . [35] Диоксид можно превратить обратно в пентоксид путем нагревания в кислородсодержащей атмосфере до 1100 ° C. [51] Монооксид PaO наблюдался только в виде тонкого покрытия на металлическом протактинии, но не в изолированной объемной форме. [35]

Протактиний образует смешанные бинарные оксиды с различными металлами. В случае щелочных металлов A кристаллы имеют химическую формулу APaO 3 и структуру перовскита , или A 3 PaO 4 и искаженную структуру каменной соли, или A 7 PaO 6, где атомы кислорода образуют гексагональную плотноупакованную решетку. Во всех этих материалах ионы протактиния координированы октаэдрически. [52] [53] Пентоксид Pa 2 O 5 соединяется с оксидами редкоземельных металлов R 2 O 3 с образованием различных нестехиометрических смешанных оксидов, также имеющих структуру перовскита. [54]

Оксиды протактиния являются основными ; они легко превращаются в гидроксиды и могут образовывать различные соли, такие как сульфаты , фосфаты , нитраты и т. д. Нитрат обычно белый, но может быть коричневым из-за радиолитического разложения. Нагревание нитрата на воздухе до 400 ° C превращает его в белый пятиокись протактиния. [55] Политриоксофосфат Pa (PO 3 ) 4 может быть получен путем взаимодействия сульфата дифторида PaF 2 SO 4 с фосфорной кислотой (H 3 PO 4) в атмосфере инертного газа. Нагревание продукта примерно до 900 ° C устраняет побочные продукты реакции, такие как фтористоводородная кислота , триоксид серы и фосфорный ангидрид. Нагревание до более высоких температур в инертной атмосфере разлагает Pa (PO 3 ) 4 на дифосфат PaP 2 O 7 , который аналогичен дифосфатам других актинидов. В дифосфате группы PO 3 образуют пирамиды симметрии C 2v . Нагревание PaP 2 O 7 на воздухе до 1400 ° C разлагает его на пентоксиды фосфора и протактиний. [48]

Галиды [ править ]

Фторид протактиния (V) образует белые кристаллы, в которых ионы протактиния расположены в пентагональных бипирамидах и координированы 7 другими ионами. В хлориде протактиния (V) координация такая же, но цвет желтый. Координация изменяется на октаэдрическую в коричневом бромиде протактиния (V) и неизвестна для иодида протактиния (V). Координация протактиния во всех его тетрагалогенидах равна 8, но расположение является квадратным антипризматическим во фториде протактиния (IV) и додекаэдром во хлориде и бромиде. Сообщалось о коричневом иодиде протактиния (III), в котором ионы протактиния 8-координированы в треугольной призматической структуре с двумя выступами. [56]

Координация протактиния (закрашенные кружки) и атомов галогена (светлые кружки) во фториде или хлориде протактиния (V).

Фторид протактиния (V) и хлорид протактиния (V) имеют полимерную структуру моноклинной симметрии. Там, внутри одной полимерной цепи, все атомы галогенидов лежат в одной графитоподобной плоскости и образуют плоские пятиугольники вокруг ионов протактиния. Координация 7 протактиния происходит от 5 атомов галогенида и двух связей с атомами протактиния, принадлежащими соседним цепям. Эти соединения легко гидролизуются в воде. [57] Пентахлорид плавится при 300 ° C и сублимируется при еще более низких температурах.

Фторид протактиния (V) может быть получен реакцией оксида протактиния либо с пентафторидом брома, либо с трифторидом брома при температуре около 600 ° C, а фторид протактиния (IV) получается из оксида и смеси водорода и фтороводорода при 600 ° C; большой избыток водорода требуется для устранения утечек кислорода из атмосферы в реакцию. [35]

Хлорид протактиния (V) получают взаимодействием оксида протактиния с четыреххлористым углеродом при температуре 200–300 ° C. [35] Побочные продукты (такие как PaOCl 3 ) удаляются фракционной сублимацией. [46] Восстановление хлорида протактиния (V) водородом при температуре около 800 ° C дает хлорид протактиния (IV) - желто-зеленое твердое вещество, которое сублимируется в вакууме при 400 ° C; его также можно получить непосредственно из диоксида протактиния обработкой его четыреххлористым углеродом при 400 ° C. [35]

Протактиний бромиды получают действием бромида алюминия , бромистого водорода , четыреххлористого углерода или смеси бромистого водорода и тионилбромид на окиси протактиния. Альтернативная реакция - между пентахлоридом протактиния и бромистым водородом или тионилбромидом. [35] Бромид протактиния (V) имеет две похожие моноклинные формы: одну получают сублимацией при 400–410 ° C, а другую - сублимацией при несколько более низкой температуре 390–400 ° C. [45] [47]

Иодиды протактиния образуются в результате нагревания оксидов и йодида алюминия или йодида аммония до 600 ° C. [35] Иодид протактиния (III) был получен нагреванием иодида протактиния (V) в вакууме. [57] Как и оксиды, протактиний образует смешанные галогениды с щелочными металлами. Среди них наиболее примечательным является Na 3 PaF 8, в котором ион протактиния симметрично окружен 8 ионами F - , которые образуют почти идеальный куб. [41]

Также известны более сложные фториды протактиния, такие как Pa 2 F 9 [57] и тройные фториды типа MPaF 6 (M = Li, Na, K, Rb, Cs или NH 4 ), M 2 PaF 7 (M = K, Rb, Cs или NH 4 ) и M 3 PaF 8 (M = Li, Na, Rb, Cs), все являются белыми кристаллическими твердыми веществами. Формулу MPaF 6 можно представить как комбинацию MF и PaF 5.. Эти соединения могут быть получены путем выпаривания раствора плавиковой кислоты, содержащего оба этих комплекса. Для небольших щелочных катионов, таких как Na, кристаллическая структура является тетрагональной, тогда как для более крупных катионов K + , Rb + , Cs + или NH 4 + она понижается до орторомбической . Аналогичное изменение наблюдалось для фторидов M 2 PaF 7 , а именно, симметрия кристалла зависела от катиона и различалась для Cs 2 PaF 7 и M 2 PaF 7 (M = K, Rb или NH 4 ). [42]

Другие неорганические соединения [ править ]

Известны оксигалогениды и оксисульфиды протактиния. PaOBr 3 имеет моноклинную структуру, состоящую из двухцепочечных звеньев, где протактиний имеет координацию 7 и организован в пентагональные бипирамиды. Цепочки связаны между собой через атомы кислорода и брома, и каждый атом кислорода связан с тремя атомами протактиния. [45] PaOS представляет собой светло-желтое нелетучее твердое вещество с кубической кристаллической решеткой, изоструктурной по отношению к другим оксисульфидам актинидов. Его получают реакцией хлорида протактиния (V) со смесью сероводорода и сероуглерода при 900 ° C. [35]

В гидридах и нитридах протактиний имеет низкую степень окисления около +3. Гидрид получают прямым воздействием водорода на металл при 250 ° C, а нитрид является продуктом аммиака и тетрахлорида или пентахлорида протактиния. Это ярко-желтое твердое вещество устойчиво к нагреванию до 800 ° C в вакууме. Карбид протактиния PaC образуется путем восстановления тетрафторида протактиния барием в углеродном тигле при температуре около 1400 ° C. [35] Протактиний образует боргидриды, которые включают Pa (BH 4 ) 4 . Он имеет необычную полимерную структуру со спиральными цепями, в которых атом протактиния имеет координационное число 12 и окружен шестью ионами BH 4 - . [58]

Металлоорганические соединения [ править ]

Предлагаемая структура молекулы протактиноцена (Pa (C 8 H 8 ) 2 )

Протактиний (IV) образует тетраэдрический комплекс тетракис (циклопентадиенил) протактиний (IV) (или Pa (C 5 H 5 ) 4 ) с четырьмя циклопентадиенильными кольцами, который может быть синтезирован путем взаимодействия хлорида протактиния (IV) с расплавленным Be (C 5 H 5 ) 2 . Одно кольцо может быть замещено атомом галогенида. [59] Другой металлоорганический комплекс - это золотисто-желтый бис (π-циклооктатетраен) протактиний, или протактиноцен, Pa (C 8 H 8 ) 2 , который по структуре аналогичен ураноцену . Здесь атом металла зажат между двумя циклооктатетраенами.лиганды. Подобно ураноцену, он может быть получен реакцией тетрахлорида протактиния с циклооктатетраенидом дикалия , K 2 C 8 H 8 , в тетрагидрофуране . [49]

Приложения [ править ]

Хотя протактиний находится в периодической таблице между ураном и торием, оба из которых имеют множество применений, в настоящее время протактиний не используется вне научных исследований из-за его редкости, высокой радиоактивности и высокой токсичности. [27]

Протактиний-231 возникает в результате распада урана-235, образующегося в ядерных реакторах, а также в результате реакции 232 Th + n →  231 Th + 2n и последующего бета-распада . Когда-то считалось, что он может поддерживать цепную ядерную реакцию, которая в принципе может быть использована для создания ядерного оружия : физик Вальтер Зейфриц  [ де ] однажды оценил связанную критическую массу как750 ± 180 кг . [60] Однако с тех пор возможность критичности 231 Па была исключена. [61]

С появлением высокочувствительных масс-спектрометров стало возможным применение 231 Па в качестве индикатора в геологии и палеоокеанографии . Таким образом, соотношение протактиния-231 и тория-230 используется для радиометрического датирования отложений возрастом до 175 000 лет и моделирования образования минералов. [28] В частности, его оценка в океанических отложениях позволила реконструировать движения водоемов Северной Атлантики во время последнего таяния ледников ледникового периода . [62]Некоторые вариации датировки, связанные с протактинием, основаны на анализе относительных концентраций нескольких долгоживущих членов цепочки распада урана - например, урана, протактиния и тория. Эти элементы имеют 6, 5 и 4 валентных электрона и, таким образом, благоприятствуют состояниям окисления +6, +5 и +4 соответственно и обладают различными физическими и химическими свойствами. Так, торий и протактиний, но не соединения урана, плохо растворяются в водных растворах и выпадают в осадок; скорость осаждения тория выше, чем протактиния. Кроме того, анализ концентрации как протактиния-231 (период полураспада 32 760 лет), так и тория-230 (период полураспада 75 380 лет) позволяет повысить точность по сравнению с измерением только одного изотопа;этот метод двойных изотопов также слабо чувствителен к неоднородностям в пространственном распределении изотопов и к вариациям скорости их осаждения.[28] [63]

Меры предосторожности [ править ]

Протактиний токсичен и высокорадиоактивен, поэтому все манипуляции с ним проводятся в герметичном перчаточном ящике . Его основной изотоп 231 Па имеет удельную активность 0,048 кюри (1,8  ГБк ) на грамм и в основном испускает альфа-частицы с энергией 5 МэВ, которые можно остановить тонким слоем любого материала. Однако он медленно распадается с периодом полураспада 32 760 лет до 227 Ас, который имеет удельную активность 74 кюри (2700 ГБк) на грамм, испускает как альфа-, так и бета-излучение и имеет гораздо более короткий период полураспада, составляющий 22 года. 227Ас, в свою очередь, распадается на более легкие изотопы с еще более короткими периодами полураспада и гораздо большей удельной активностью (SA), как показано в таблице ниже, показывающей цепочку распада протактиния-231. [27]

Изотоп231 Па227 Ас227 Чт223 Ra219 р- н215 По211 Пб211 Би207 тл
SA ( Ки / г)0,048733,1 × 10 45,2 × 10 41,3 × 10 103 × 10 132,5 × 10 74,2 × 10 81,9 × 10 8
Разлагатьсяαα, βααααβα, ββ
Период полураспада33 ка22 а19 дней11 дней4 с1,8 мс36 мин2,1 мин4,8 мин

Поскольку протактиний присутствует в небольших количествах в большинстве натуральных продуктов и материалов, его принимают с пищей или водой и вдыхают с воздухом. Только около 0,05% проглоченного протактиния всасывается в кровь, а остальная часть выводится из организма. Из крови около 40% протактиния откладывается в костях, около 15% попадает в печень, 2% - в почки, а остальное покидает организм. Биологический период полураспада протактиния в костях составляет около 50 лет, тогда как в других органах кинетика имеет быстрый и медленный компоненты. Например, 70% протактиния в печени имеет биологический период полураспада 10 дней, а оставшиеся 30% - 60 дней. Соответствующие значения для почек составляют 20% (10 дней) и 80% (60 дней). Во всех этих органах протактиний способствует развитию рака за счет своей радиоактивности. [27] [55]Максимальная безопасная доза Па в организме человека составляет 0,03 мкКи (1,1 кБк), что соответствует 0,5 микрограмма 231 Па. Этот изотоп в 2,5 × 10 8 раз более токсичен, чем синильная кислота . [64] Максимально допустимая концентрация 231 Па в воздухе в Германии составляет3 × 10 −4  Бк / м 3 . [55]

См. Также [ править ]

  • Ада Хитчинс , которая помогла Содди открыть элемент протактиний

Ссылки [ править ]

  1. ^ Мейджа, Юрис; и другие. (2016). «Атомный вес элементов 2013 (Технический отчет IUPAC)» . Чистая и прикладная химия . 88 (3): 265–91. DOI : 10,1515 / пак-2015-0305 .
  2. ^ a b Донохью, Дж. (1959). «О кристаллической структуре металлического протактиния». Acta Crystallographica . 12 (9): 697. DOI : 10,1107 / S0365110X59002031 .
  3. ^ Cverna, Fran, изд. (2002). «Глава 2. Тепловое расширение». Справочник по ASM: Тепловые свойства металлов (PDF) . ASM International. п. 11. ISBN  0871707683.
  4. ^ Лиде, DR, изд. (2005). «Магнитная восприимчивость элементов и неорганических соединений». CRC Handbook of Chemistry and Physics (PDF) (86-е изд.). Бока-Ратон (Флорида): CRC Press. ISBN  0-8493-0486-5.
  5. ^ [1]
  6. ^ Джон Арнольд Крэнстон . Университет Глазго
  7. ^ Б с д е е Эмсли, Джон (2003) [2001]. «Протактиниум» . Природа Строительные блоки: AZ Руководство по элементам . Оксфорд, Англия, Великобритания: Издательство Оксфордского университета. С.  347–349 . ISBN 978-0-19-850340-8.
  8. ^ Лэнг, Майкл (2005). «Пересмотренная периодическая таблица: с измененным расположением лантаноидов». Основы химии . 7 (3): 203. DOI : 10.1007 / s10698-004-5959-9 . S2CID 97792365 . 
  9. ^ Fessl, Софи (2 января 2019). "Как далеко заходит Периодическая таблица?" . JSTOR . Проверено 9 января 2019 .
  10. ^ Национальный исследовательский совет (США). Конференция по глоссарию терминов в области ядерной науки и технологий (1957 г.). Глоссарий терминов в области ядерной науки и технологий . Американское общество инженеров-механиков. п. 180 . Проверено 25 июля 2015 года .
  11. ^ Крукс, W. (1899). «Радиоактивность урана» . Труды Лондонского королевского общества . 66 (424–433): 409–423. DOI : 10,1098 / rspl.1899.0120 . S2CID 93563820 . 
  12. ^ Йоханссон, Свен (1954). «Распад UX1, UX2 и UZ». Физический обзор . 96 (4): 1075–1080. Bibcode : 1954PhRv ... 96.1075J . DOI : 10.1103 / PhysRev.96.1075 .
  13. ^ Гринвуд , стр. 1250
  14. ^ Гринвуд , стр. 1254
  15. ^ Фаянс, К. & Gohring, О. (1913). "Über die komplexe Natur des Ur X" . Naturwissenschaften . 1 (14): 339. Bibcode : 1913NW ...... 1..339F . DOI : 10.1007 / BF01495360 . S2CID 40667401 . 
  16. ^ Фаянс, К. & Gohring, О. (1913). "Uber das Uran X 2 -das neue Element der Uranreihe". Physikalische Zeitschrift . 14 : 877–84.
  17. ^ a b Эрик Шерри , Рассказ о семи элементах, (Oxford University Press, 2013) ISBN 978-0-19-539131-2 , стр.67–74 
  18. ^ a b c d e Хаммонд, CR (29 июня 2004 г.). Элементы в Справочнике по химии и физике (81-е изд.). CRC Press. ISBN 978-0-8493-0485-9.
  19. ^ Гринвуд , стр. 1251
  20. ^ Ши, Уильям Р. (1983) Отто Хан и рост ядерной физики , Springer, стр. 213, ISBN 90-277-1584-X . 
  21. ^ фон Гросс, Аристид (1928). "Das Element 91; seine Eigenschaften und seine Gewinnung". Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft . 61 (1): 233–245. DOI : 10.1002 / cber.19280610137 .
  22. ^ Graue, G .; Кединг, Х. (1934). "Die technische Gewinnung des Protactiniums". Angewandte Chemie . 47 (37): 650–653. DOI : 10.1002 / ange.19340473706 .
  23. Перейти ↑ Grosse, AV (1934). «Металлический элемент 91». Журнал Американского химического общества . 56 (10): 2200–2201. DOI : 10.1021 / ja01325a508 .
  24. ^ а б Мясоедов Б.Ф .; Кирби, HW; Тананаев И.Г. (2006). «Глава 4: Протактиниум». In Morss, LR; Эдельштейн, Нью-Мексико; Фугер, Дж. (Ред.). Химия актинидных и трансактинидных элементов . Химия элементов актинидов и трансактинидов (3-е изд.). Дордрехт, Нидерланды: Springer. Bibcode : 2011tcot.book ..... M . DOI : 10.1007 / 978-94-007-0211-0 . ISBN 978-1-4020-3555-5. S2CID  93796247 .
  25. ^ "Периодическая таблица элементов: Протактиний" . Лос-Аламосская национальная лаборатория . Архивировано из оригинального 28 сентября 2011 года . Проверено 21 марта 2013 года .
  26. ^ a b Audi, Жорж; Берсильон, Оливье; Blachot, Жан; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), " Оценка ядерных свойств и свойств распада N UBASE " , Nuclear Physics A , 729 : 3–128, Bibcode : 2003NuPhA.729 .... 3A , doi : 10.1016 / j.nuclphysa.2003.11 0,001
  27. ^ a b c d e Protactinium Архивировано 7 марта 2008 г. в Wayback Machine , Аргоннская национальная лаборатория, Информационный бюллетень о здоровье человека, август 2005 г.
  28. ^ a b c Статьи "Protactinium" и "Protactinium-231 - торий-230 датировка" в Encyclopdia Britannica, 15-е издание, 1995, с. 737
  29. ^ Гросс, А.В.; Agruss, MS (1934). «Выделение 0,1 грамма оксида элемента 91 (протактиний)». Журнал Американского химического общества . 56 (10): 2200. DOI : 10.1021 / ja01325a507 .
  30. ^ Корнелис, Рита (2005) Справочник по видообразованию II: виды в окружающей среде, пище, медицине и гигиене труда, Vol. 2 , John Wiley and Sons, стр. 520–521, ISBN 0-470-85598-3 . 
  31. ^ a b Гроулт, Анри (2005) Фторированные материалы для преобразования энергии , Elsevier, стр. 562–565, ISBN 0-08-044472-5 . 
  32. ^ Эбер, Ален (июль 2009). Прикладная реакторная физика . Прессы меж Политехнический. п. 265. ISBN 978-2-553-01436-9.
  33. ^ a b c Марплз, JAC (1965). «О тепловом расширении металлического протактиния». Acta Crystallographica . 18 (4): 815–817. DOI : 10.1107 / S0365110X65001871 .
  34. ^ а б Фаулер, РД; Matthias, B .; Asprey, L .; Hill, H .; и другие. (1965). «Сверхпроводимость протактиния». Письма с физическим обзором . 15 (22): 860. Bibcode : 1965PhRvL..15..860F . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.15.860 .
  35. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q Продавцы, Филип А .; Фрид, Шерман; Элсон, Роберт Э .; Захариасен, WH (1954). «Получение некоторых соединений протактиния и металла» . Журнал Американского химического общества . 76 (23): 5935. DOI : 10.1021 / ja01652a011 .
  36. ^ Зейтц, Фредерик и Тернбулл, Дэвид (1964) Физика твердого тела: достижения в исследованиях и приложениях , Academic Press, стр. 289–291, ISBN 0-12-607716-9 . 
  37. ^ Янг, Дэвид А. (1991) Фазовые диаграммы элементов , University of California Press, стр. 222, ISBN 0-520-07483-1 . 
  38. ^ Buschow, КХЧ (2005) Краткая энциклопедия магнитных и сверхпроводящих материалов , Elsevier, стр. 129-130, ISBN 0-08-044586-1 . 
  39. ^ Хендрикс, ME (1971). «Магнитные свойства тетрахлорида протактиния». Журнал химической физики . 55 (6): 2993–2997. Bibcode : 1971JChPh..55.2993H . DOI : 10.1063 / 1.1676528 .
  40. ^ Гринвуд , стр. 1265
  41. ^ a b Гринвуд , стр. 1275
  42. ^ а б Эспри, LB; Kruse, FH; Розенцвейг, А .; Пеннеман, Р.А. (1966). «Синтез и рентгеновские свойства комплексов фторид щелочного металла-пентафторид протактиния». Неорганическая химия . 5 (4): 659. DOI : 10.1021 / ic50038a034 .
  43. ^ Браун D .; Зал TL; Moseley PT (1973). «Структурные параметры и размеры элементарной ячейки для тетрахлоридов тетрагонального актинида (Th, Pa, U и Np) и тетрабромидов (Th и Pa)». Журнал химического общества, Dalton Transactions (6): 686–691. DOI : 10.1039 / DT9730000686 .
  44. ^ Tahri, Y .; Chermette, H .; El Khatib, N .; Krupa, J .; и другие. (1990). «Электронные структуры кластеров галогенидов тория и протактиния типа [ThX8] 4−». Журнал менее распространенных металлов . 158 : 105–116. DOI : 10.1016 / 0022-5088 (90) 90436-N .
  45. ^ a b c d e Браун, D .; Petcher, TJ; Смит, AJ (1968). «Кристаллические структуры некоторых бромидов протактиния». Природа . 217 (5130): 737. Bibcode : 1968Natur.217..737B . DOI : 10.1038 / 217737a0 . S2CID 4264482 . 
  46. ^ a b Додж, РП; Смит, GS; Johnson, Q .; Элсон, RE (1967). «Кристаллическая структура пентахлорида протактиния». Acta Crystallographica . 22 : 85–89. DOI : 10.1107 / S0365110X67000155 .
  47. ^ a b Браун, D .; Petcher, TJ; Смит, AJ (1969). «Кристаллическая структура пентабромида β-протактиния». Acta Crystallographica Б . 25 (2): 178. DOI : 10,1107 / S0567740869007357 .
  48. ^ a b c Брандел, V .; Даше, Н. (2004). «Химия четырехвалентных актиноидфосфатов - Часть I». Журнал химии твердого тела . 177 (12): 4743. Bibcode : 2004JSSCh.177.4743B . DOI : 10.1016 / j.jssc.2004.08.009 .
  49. ^ a b Старкс, Дэвид Ф .; Parsons, Thomas C .; Штрейтвизер, Эндрю ; Эдельштейн, Норман (1974). «Бис (π-циклооктатетраен) протактиний». Неорганическая химия . 13 (6): 1307. DOI : 10.1021 / ic50136a011 .
  50. ^ Гринвуд , стр. 1268
  51. ^ a b Elson, R .; Фрид, Шерман; Продавцы, Филипп; Захариасен, WH (1950). «Четырехвалентные и пятивалентные состояния протактиния». Журнал Американского химического общества . 72 (12): 5791. DOI : 10.1021 / ja01168a547 .
  52. ^ Гринвуд , стр. 1269
  53. ^ Айер, ПН; Смит, AJ (1971). «Двойные оксиды, содержащие ниобий, тантал или протактиний. IV. Другие системы с участием щелочных металлов». Acta Crystallographica Б . 27 (4): 731. DOI : 10,1107 / S056774087100284X .
  54. ^ Айер, ПН; Смит, AJ (1967). «Двойные оксиды, содержащие ниобий, тантал или протактиний. III. Системы с участием редкоземельных элементов». Acta Crystallographica . 23 (5): 740. DOI : 10,1107 / S0365110X67003639 .
  55. ^ a b c Grossmann, R .; Maier, H .; Szerypo, J .; Friebel, Х. (2008). «Подготовка мишеней 231Pa». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях А . 590 (1–3): 122. Bibcode : 2008NIMPA.590..122G . DOI : 10.1016 / j.nima.2008.02.084 .
  56. ^ Гринвуд , стр. 1270
  57. ^ a b c Гринвуд , стр. 1271
  58. ^ Гринвуд , стр. 1277
  59. Перейти ↑ Greenwood , pp. 1278–1279
  60. ^ Seifritz, Вальтер (1984) Nukleare Sprengkörper - Bedrohung Одер Energieversorgung für умирают Menschheit , Thiemig-Verlag, ISBN 3-521-06143-4 . 
  61. ^ Ganesan, S. (1999). «Пересчет критичности 231 Па с использованием новых ядерных данных» (PDF) . Современная наука . 77 (5): 667–677.
  62. ^ Макманус, JF; Francois, R .; Gherardi, J.-M .; Кейгвин, LD; и другие. (2004). «Коллапс и быстрое возобновление атлантической меридиональной циркуляции, связанные с дегляциальными изменениями климата» (PDF) . Природа . 428 (6985): 834–837. Bibcode : 2004Natur.428..834M . DOI : 10,1038 / природа02494 . PMID 15103371 . S2CID 205210064 .   
  63. ^ Cheng, H .; Эдвардс, Р. Лоуренс; Murrell, MT; Бенджамин, TM (1998). «Систематика уран-торий-протактиниевого датирования». Geochimica et Cosmochimica Acta . 62 (21–22): 3437. Bibcode : 1998GeCoA..62.3437C . DOI : 10.1016 / S0016-7037 (98) 00255-5 .
  64. ^ Палшин, Е.С.; и другие. (1968). Аналитическая химия протактиния . Москва: Наука.

Библиография [ править ]

  • Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0080379418.

Внешние ссылки [ править ]

  • Протактиний в Периодической таблице видео (Ноттингемский университет)