Протактинијум

Протактинијум
Општа својства
Име, симболпротактинијум, Pa
Изгледсветао, сребрнасто-метални сјај
У периодном систему
Водоник Хелијум
Литијум Берилијум Бор Угљеник Азот Кисеоник Флуор Неон
Натријум Магнезијум Алуминијум Силицијум Фосфор Сумпор Хлор Аргон
Калијум Калцијум Скандијум Титанијум Ванадијум Хром Манган Гвожђе Кобалт Никл Бакар Цинк Галијум Германијум Арсен Селен Бром Криптон
Рубидијум Стронцијум Итријум Цирконијум Ниобијум Молибден Технецијум Рутенијум Родијум Паладијум Сребро Кадмијум Индијум Калај Антимон Телур Јод Ксенон
Цезијум Баријум Лантан Церијум Празеодијум Неодијум Прометијум Самаријум Европијум Гадолинијум Тербијум Диспрозијум Холмијум Ербијум Тулијум Итербијум Лутецијум Хафнијум Тантал Волфрам Ренијум Осмијум Иридијум Платина Злато Жива Талијум Олово Бизмут Полонијум Астат Радон
Францијум Радијум Актинијум Торијум Протактинијум Уранијум Нептунијум Плутонијум Америцијум Киријум Берклијум Калифорнијум Ајнштајнијум Фермијум Мендељевијум Нобелијум Лоренцијум Радерфордијум Дубнијум Сиборгијум Боријум Хасијум Мајтнеријум Дармштатијум Рендгенијум Коперницијум Нихонијум Флеровијум Московијум Ливерморијум Тенесин Оганесон
Pr
↑
Pa
↓
(Uqp)
торијум ← протактинијум → уранијум ‍
Атомски број (Z)91
Група, периодагрупа Н/Д, периода 7
Блокf-блок
Категорија  актиноид
Рел. ат. маса (Ar)231,0358842(24)[1]
Ел. конфигурација
по љускама
2, 8, 18, 32, 20, 9, 2
Физичка својства
Тачка топљења1841 K ​(1568 °‍C, ​2854 °F)
Тачка кључања4300 K ​(4027 °‍C, ​7280 °F) (?)
Густина при с.т.15,37 g/cm3
Топлота фузије12,34 kJ/mol
Топлота испаравања481 kJ/mol
Атомска својства
Електронегативност1,5
Енергије јонизације1: 568 kJ/mol
Атомски радијус163 pm
Ковалентни радијус200 pm
Линије боје у спектралном распону
Спектралне линије
Остало
Кристална структура ​телоцентрирана тетрагонална[2]
Телоцентрирана тетрагонална кристална структура за протактинијум
Топл. ширење~9,9 µm/(m·K)[3] (на с.т.)
Топл. водљивост47 W/(m·K)
Електрична отпорност177 nΩ·m (на 0 °‍C)
Магнетни распоредпарамагнетичан[4]
CAS број7440-13-3
Историја
ПредвиђањеДмитриј Мендељејев (1869)
Откриће и прва изолацијаКасимир Фајанс и Освалд Хелмут Геринг (1913)
Именовање и епонимОто Хан и Лиза Мајтнер (1917–8)
Главни изотопи
изотоп расп. пж. (t1/2) ТР ПР
229Pa syn 1,5 d ε 229Th
230Pa syn 17,4 d ε 230Th
231Pa 100% 3,276×104 y α 227Ac
232Pa syn 1,31 d β− 232U
233Pa трагови 26,967 d β− 233U
234Pa трагови 6,75 h β− 234U
234mPa трагови 1,17 min β− 234U
референце • Википодаци

Протактинијум (Pa, лат. protactinium) је хемијски елемент из групе актиноида са атомским бројем 91.[5] Име је добио склапањем две латинске речи prot и actinium, које заједно означавају претходника актинијума.[6]

Он је тешки, сребрнасто-сиви метал који лако реагује са кисеоником, воденом паром и неорганским киселинама. Гради разна хемијска једињења у којима је протактинијум обично присутан у оксидационом стању +5, али такође може градити једињења и у стањима +4, па чак и +3 или +2. Просечна концентрација протактинијума у Земљиној кори је отприлике реда неколико делова на билион, али може достизати и до неколико ppm у неким депозитима руде уранинита. Због своје реткости, велике радиоактивности и отровности, данас не постоји ниједан значајнији вид употребе протактинијума изван научних истраживања, а у ове сврхе он се претежно издваја из потрошеног нуклеарног горива.

Научници који су први идентификовали овај елемент 1913. били су Касимир Фајанс и Освалд Хелмут Геринг, те му дали име бревијум, због врло кратког времена полураспада специфичног изотопа који су проучавали, протактинијума-234. Много стабилнији изотоп (231Pa) пронашли су Ото Хан и Лиза Мајтнер 1918. и одабрали су име „прото-актинијум”, али је IUPAC много касније, 1949. променио назив у данашњи, те потврдио открића Хана и Мајтнера. Име елемента дословно значи „родитељ (претходник) актинијума”, рефлектирајући чињеницу да је актинијум производ радиоактивног распада протактинијума. Такође је забележено да се откриће протактинијума приписује Џону Арнолду Кранстону (који је радио заједно са Фредериком Содијем и Адом Хичинс), откривши 1915. најстабилнији изотоп елемента али своје откриће нису одмах објавили јер је Кранстон мобилизован за учешће у Првом светском рату.[7]

Историја

Мендељејев периодни систем из 1871. са „рупом” на месту где би се требао налазити протактинијум, између торијума и уранијума

Године 1871. Мендељејев је предвидео постојање неког хемијског елемента између торијума и уранијума.[8] У то време није била позната група елемената актиноида у периодном систему. Стога, уранијум је био постављен испод волфрама у групу VI, а торијум се налазио испод цирконијума у групи IV, остављајући празно место испод тантала у групи V, а све до 1950-их, периодни систем елемената је објављиван према оваквој структури.[9] Друго времена, хемичари су тражили претпостављени елемент ека-тантал за којег се мислило да има сличне хемијске особине танталу, што је откриће протактинијума учинило готово немогућим. Касније се испоставило да је танталов тежи аналог заправо трансуранијски елемент дубнијум.

Године 1900. Вилијам Крукс је издвојио протактинијум у виду изузетно радиоактивног материјала из узорка уранијума. Међутим, тај „материјал” није идентификовао као нови хемијски елемент те му је дао име уранијум-x (UX).[8][10][11] Крукс је растворио уранијум нитрат у етру, где је остатак у воденој фази садржавао углавном изотопе 234
90Th и 234
91Pa. Његова метода за изоловање изотопа 234
90Th и 234
91Pa из једињења уранијум била је у примени све до 1950-их.[12] Први који су идентификовали протактинијум као нови елемент 1913. били су Касимир Фајанс и Освалд Хелмутх Геринг, откривши изотоп 234Pa током истраживања ланца распада уранијума-238: 238
92U → 234
90Th → 234
91Pa → 234
92U. Новом елементу дали су име бревијум (од латинске речи brevis, „кратак”), јер је 234
91Pa имао врло кратко време полураспада од 6,7 сати.[13][14][15][16][17] Током 1917/18. две групе научника: Ото Хан и Лиза Мајтнер из Немачке те Фредерик Соди и Џон Кранстон из Уједињеног Краљевства, независно једна од друге, открили су други изотоп протактинијума, 231Pa, који је имао знатно дуже време полураспада од око 32 хиљаде година.[17] Због тога је назив бревијум промењен у протоактинијум, пошто је нови елемент представљао део ланца распада уранијума-235 а налазио се пре актинијума (од грч. πρῶτος = protos, први, раније, пре). Ради лакшег изговора, IUPAC је 1949. године скратио назив на данашњу варијанту.[18][19] Открићем протактинијума попуњена је једна од последњих „рупа” из првих верзија периодног система које је саставио Мендељејев 1869.[20]

Аристид фон Грос је успео да 1927. добије два милиграма Pa2O5,[21] а 1934. је био први научник који је изолирао елементарни протактинијум у количини од 0,1 милиграм из Pa2O5.[22] Користио је две различите процедуре: прву, где је протактинијум-оксид озрачио електронима енергије 35 keV у вакууму. Друга метода, позната под називом ван Аркел-де Боров експеримент, где се оксид хемијски преводи у халиде (хлориде, бромиде или јодиде) а након тога се редукује у вакууму помоћу металног филамента загрејаног електричним путем:[18][23]

2 PaI5 → 2 Pa + 5 I2

Године 1961. Департман за атомску енергију Уједињеног Краљевства (UKAEA) произвео је 125 грама 99,9% чистог протактинијума прерадом око 60 тона употребљеног нуклеарног материјала помоћу дванаестофазног процеса, за шта је требало око 500 хиљада УС$.[18] Дуги низ година, ово је била једина значајнија залиха протактинијума на свету, из које су испоручиване мале количине разним лабораторијама за научна истраживања.[8] Данас Национална лабораторија Оук Риџ у САД производи протактинијум по цени од око 280 УС$ по граму.[24]

Особине

У периодном систему, протактинијум са редним бројем 91 налази се у серији актиноида, његов претходник је торијум, а након њега следи уранијум. Његов аналог у серији лантаноида је празеодијум.

Физичке

Протактинијум је сребрено-метални елемент, који показује особине суперпроводљивости на температурама испод 1,4 K (274,53 °C).[8][25]

На собној температури, протактинијум се кристализује у просторно-центрирану тетрагоналну структуру која би се могла описати као искварена просторно-центрирана кубна решетка. Ова структура се не мења након примене притиска до 53 GPa. Међутим, структура се мења у равански-центрирану кубну (fcc) након хлађења, пошто је претходно загрејавана до око 1200 °C.[26][27] Коефицијент топлотне експанзије у тетрагоналној фази између собне температуре и 700 °C износи 9,9×10-6/°C.[26] Ovaj element je paramagnetičan i ne pokazuje nikakve magnetne tranzicije pri bilo kojoj temperaturi.[28] Протактинијум-тетрахлорид је парамагнетичан при собној температури али постаје феромагнетичан ако се охлади до 182 K.[29]

Хемијске

Протактинијум се углавном налази у два оксидациона стања, +4 и +5, како у чврстом стању тако и у растворима.

Изотопи

До данас је откривено 29 радиоизотопа протактинијума, међу којим је најстабилнији 231Pa са временом полураспада до 32.760 година, затим следи 233Pa са 27 дана те изотоп 230Pa са временом полураспада од 17,4 дана. Сви остали изотопи имају времена полураспада краћа од 1,6 дана, а већина од њих распада се за краће од 1,8 секунде. Протактинијум такође има и два нуклеарна изомера, 217mPa (време полураспада 1,2 милисекунде) и 234mPa (1,17 минута).[30]

Основни начин распада изотопа протактинијума лакших од његовог најстабилнијег изотопа 231Pa (укључујући и њега) односно од 232Pa до 240Pa јесте алфа распад, док је основни распад за теже изотопе (тј. од 232Pa до 240Pa) је бета распад. Основни производ распада лакших изотопа од 231Pa (укључујући и њега) су изотопи актинијума, док су основни производ распада тежих изотопа изотопи уранијума.[30]

Референце

  1. ^ Meija, J.; et al. (2016). „Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265—291. doi:10.1515/pac-2015-0305. 
  2. ^ Donohue, J. (1959). „On the crystal structure of protactinium metal”. Acta Crystallographica. 12 (9): 697. doi:10.1107/S0365110X59002031. 
  3. ^ Cverna, Fran, ур. (2002). „Chapter 2. Thermal Expansion”. ASM Ready Reference: Thermal Properties of Metals (PDF). ASM International. стр. 11. ISBN 0871707683. 
  4. ^ Lide, D. R., ур. (2005). „Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds”. CRC Handbook of Chemistry and Physics (PDF) (86th изд.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5. Архивирано из оригинала 03. 03. 2011. г. Приступљено 14. 01. 2021. 
  5. ^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. изд.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6. 
  6. ^ Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga. 
  7. ^ „John Arnold Cranston”. Univerzitet u Glasgowu. Архивирано из оригинала 11. 03. 2020. г. Приступљено 17. 10. 2017. 
  8. ^ а б в г Emsley John (2001). „Protactinium”. Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, Engleska, UK: Oxford University Press. стр. 347—349. ISBN 0-19-850340-7. 
  9. ^ Laing, Michael (2005). „A Revised Periodic Table: With the Lanthanides Repositioned”. Foundations of Chemistry. 7 (3): 203. doi:10.1007/s10698-004-5959-9. 
  10. ^ A Glossary of Terms in Nuclear Science and Technology. National Research Council (U.S.). Conference on Glossary of Terms in Nuclear Science and Technology. American Society of Mechanical Engineers. 1957. стр. 180. Приступљено 25. 7. 2015. 
  11. ^ Crookes, W. (1899). „Radio-Activity of Uranium”. Proceedings of the Royal Society of London. 66: 409—423. doi:10.1098/rspl.1899.0120. 
  12. ^ Johansson Sven (1954). „Decay of UX1, UX2, and UZ”. Physical Review. 96 (4): 1075. Bibcode:1954PhRv...96.1075J. doi:10.1103/PhysRev.96.1075. 
  13. ^ Greenwood, стр. 1250
  14. ^ Greenwood, стр. 1254
  15. ^ Fajans, K.; Gohring, O. (1913). „Über die komplexe Natur des Ur X”. Naturwissenschaften. 14 (14): 339. Bibcode:1913NW......1..339F. doi:10.1007/BF01495360. 
  16. ^ Fajans, K.; Gohring, O. (1913). „Über das Uran X2-das neue Element der Uranreihe”. Physikalische Zeitschrift. 14: 877—84. 
  17. ^ а б Eric Scerri (2013). A tale of seven elements. Oxford University Press. стр. 67-74. ISBN 978-0-19-539131-2. 
  18. ^ а б в „Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds”. Handbook of Chemistry and Physics (PDF) (81 изд.). CRC press. Архивирано из оригинала 14. 10. 2013. г. Приступљено 14. 01. 2021. 
  19. ^ Greenwood, стр. 1251
  20. ^ Shea, William R. (1983). Otto Hahn and the rise of nuclear physics. Springer. стр. 213. ISBN 90-277-1584-X. .
  21. ^ von Grosse, Aristid (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.; Käding, H. (1934). „Die technische Gewinnung des Protactiniums”. Angewandte Chemie. 47 (37): 650—653. doi:10.1002/ange.19340473706. 
  23. ^ Grosse A. V. (1934). „Metallic Element 91”. Journal of the American Chemical Society. 56 (10): 2200. doi:10.1021/ja01325a508. 
  24. ^ „Protactinium”. Архивирано из оригинала 28. 9. 2011. г. Приступљено 21. 3. 2013.  sa Nacionalne laboratorije Los Alamos
  25. ^ R. D. Fowler; B. T. Matthias; et al. (1965). „Superconductivity of Protactinium”. Phys. Rev. Lett. 15 (22): 860—862. Bibcode:1965PhRvL..15..860F. doi:10.1103/PhysRevLett.15.860. 
  26. ^ а б Marples J. A. C. (1965). „On the thermal expansion of protactinium metal”. Acta Crystallographica. 18 (4): 815. doi:10.1107/S0365110X65001871. 
  27. ^ Young, David A. (1991). Phase diagrams of the elements. University of California Press. стр. 222. ISBN 0-520-07483-1. .
  28. ^ Buschow, K. H. J. (2005). Concise encyclopedia of magnetic and superconducting materials. Elsevier. стр. 129—130. ISBN 0-08-044586-1. 
  29. ^ Hendricks M. E. (1971). „Magnetic Properties of Protactinium Tetrachloride”. The Journal of Chemical Physics. 55 (6): 2993. Bibcode:1971JChPh..55.2993H. doi:10.1063/1.1676528. 
  30. ^ а б Audi, G.; Bersillon, O.; et al. (2003). „The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties” (PDF). Nuclear Physics A. 729: 3. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Архивирано из оригинала (PDF) 23. 9. 2008. г. 

Спољашње везе

Протактинијум на Викимедијиној остави.
  • Protactinium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)