Ako je moguće i u upotrebi, koriste seosnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.
Protaktinij (ranijeprotoaktinij; lat.protactinium) jestehemijski element sa simbolomPa iatomskim brojem 91. Spada u grupuaktinoida. On je teški, srebrenasto-sivi metal koji lahko reagira sakisikom,vodenom parom i neorganskim kiselinama. Gradi razne hemijske spojeve u kojima je protaktinij obično prisutan uoksidacijskom stanju +5, ali također može graditi spojeve i u stanjima +4, pa čak i +3 ili +2. Prosječna koncentracija protaktinija u Zemljinoj kori je otprilike reda nekoliko dijelova na bilion, ali može dostizati i do nekolikoppm u nekim depozitima rudeuraninita. Zbog svoje rijetkosti, velikeradioaktivnosti i otrovnosti, danas ne postoji nijedan značajniji vid upotrebe protaktinija izvan naučnih istraživanja, a u ove svrhe on se pretežno izdvaja iz potrošenog nuklearnog goriva.
Naučnici koji su prvi identificirali ovaj element 1913. bili suKasimir Fajans iOswald Helmuth Göhring, te mu dali imebrevij, zbog vrlo kratkog vremena poluraspada specifičnog izotopa kojeg su proučavali, protaktinija-234. Mnogo stabilniji izotop (231Pa) pronašli suOtto Hahn iLise Meitner 1918. i odabrali su ime "proto-aktinij", ali jeIUPAC mnogo kasnije, 1949. promijenio naziv u današnji, te potvrdio otkrića Hahna i Meitner. Ime elementa doslovno znači "roditelj (prethodnik)aktinija", reflektirajući činjenicu da je aktinij proizvod radioaktivnog raspada protaktinija. Također je zabilježeno da se otkriće protaktinija pripisujeJohnu Arnoldu Cranstonu (koji je radio zajedno saFrederickom Soddyjem iAdom Hitchins), otkrivši 1915. najstabilniji izotop elementa ali svoje otkriće nisu odmah objavili jer je Cranston mobiliziran za učešće uPrvom svjetskom ratu.[6]
Mendeljejev periodni sistem iz 1871. sa "rupom" na mjestu gdje bi se trebao nalaziti protaktinij, između torija i uranija
Godine 1871.Mendeljejev je predvidio postojanje nekog hemijskog elementa izmeđutorija iuranija.[7] U to vrijeme nije bila poznata grupa elemenata aktinoida u periodnom sistemu. Stoga, uranij je bio postavljen ispodvolframa u grupu VI, a torij se nalazio ispodcirkonija u grupi IV, ostavljajući prazno mjesto ispodtantala u grupi V, a sve do 1950ih,periodni sistem elemenata je objavljivan prema ovakvoj strukturi.[8] Drugo vremena, hemičari su tražili pretpostavljeni elementeka-tantal za kojeg se mislilo da ima slične hemijske osobine tantalu, što je otkriće protaktinija učinilo gotovo nemogućim. Kasnije se ispostavilo da je tantalov teži analog zapravo transuranijski elementdubnij.
Godine 1900.William Crookes je izdvojio protaktinij u vidu izuzetno radioaktivnog materijala iz uzorka uranija. Međutim, taj "materijal" nije identificirao kao novi hemijski element pa mu je dao ime uranij-x (UX).[7][9][10] Crookes je rastvoriouranij-nitrat uetru, gdje je ostatak u vodenoj fazi sadržavao uglavnom izotope234 90Th i234 91Pa. Njegova metoda za izoliranje izotopa234 90Th i234 91Pa iz spojeva uranija bila je u primjeni sve do 1950ih.[11] Prvi koji su identificirali protaktinij kao novi element 1913. bili suKasimir Fajans i Oswald Helmuth Göhring, otkrivši izotop234Pa tokom istraživanja lanca raspada uranija-238:238 92U →234 90Th →234 91Pa →234 92U. Novom elementu dali su imebrevij (od latinske riječibrevis, "kratak"), jer je234 91Pa imao vrlo kratko vrijeme poluraspada od 6,7 sati.[12][13][14][15][16] Tokom 1917/18. dvije grupe naučnika:Otto Hahn iLise Meitner izNjemačke teFrederick Soddy i John Cranston iz Ujedinjenog Kraljevstva, nezavisno jedna od druge, otkrili su drugi izotop protaktinija,231Pa, koji je imao znatno duževrijeme poluraspada od oko 32 hiljade godina.[16] Zbog toga je nazivbrevij promijenjen uprotoaktinij, pošto je novi element predstavljao dio lanca raspada uranija-235 a nalazio se prije aktinija (odgrčki:πρῶτος =protos,prvi,ranije,prije). Radi lakšeg izgovora, IUPAC je 1949. godine skratio naziv na današnju varijantu.[4][17] Otkrićem protaktinija popunjena je jedna od posljednjih "rupa" iz prvih verzija periodnog sistema koje je sastavio Mendeljejev 1869. te donio čast i slavu naučnicima koji su učestvovali u otkriću.[18]
Aristid von Grosse uspio je 1927. dobiti dva miligrama Pa2O5,[19] a 1934. je bio prvi naučnik koji je izolirao elementarni protaktinij u količini od 0,1 miligram iz Pa2O5.[20] Koristio je dvije različite procedure: prvu, gdje je protaktinij-oksid ozračio elektronima energije 35 keV u vakuumu. Druga metoda, poznata pod nazivom van Arkel–de Boerov proces, gdje se oksid hemijski prevodi u halide (hloride, bromide ili jodide) a nakon toga se reducira uvakuumu pomoću metalnog filamenta zagrijanog električnim putem:[4][21]
2 PaI5 → 2 Pa + 5 I2
Godine 1961. Odjel za atomsku energiju Ujedinjenog Kraljevstva (UKAEA) proizveo je 125 grama 99,9% čistog protaktinija preradom oko 60 tona upotrebljenog nuklearnog materijala pomoću dvanaestofaznog procesa, za šta je trebalo oko 500 hiljada US$.[4] Dugi niz godina, ovo je bila jedina značajnija zaliha protaktinija na svijetu, iz koje su isporučivane male količine raznim laboratorijama za naučna istraživanja.[7] Danas Nacionalna laboratorija Oak Ridge u SAD proizvodi protaktinij po cijeni od oko 280 US$ po gramu.[22]
Uperiodnom sistemu, protaktinij sa rednim brojem 91 nalazi se u seriji aktinoida, njegov prethodnik je torij, a nakon njega slijedi uranij. Njegov analog u seriji lantanoida jeprazeodij.
Protaktinij je srebreno-metalni element, koji pokazuje osobinesuperprovodljivosti na temperaturama ispod 1,4 K (274,53°C).[7][23]
Na sobnoj temperaturi, protaktinij se kristalizira u prostorno-centriranutetragonalnu strukturu koja bi se mogla opisati kao iskvarena prostorno-centrirana kubična rešetka. Ova struktura se ne mijenja nakon primjene pritiska do 53 GPa. Međutim, struktura se mijenja u plošno-centriranu kubičnu (fcc) nakon hlađenja, pošto je prethodno zagrijavana do oko 1200°C.[24][25] Koeficijent toplotne ekspanzije u tetragonalnoj fazi između sobne temperature i 700°C iznosi 9,9×10-6/°C.[24] Ovaj element je paramagnetičan i ne pokazuje nikakve magnetne tranzicije pri bilo kojoj temperaturi.[26] Protaktinij-tetrahlorid je paramagnetičan pri sobnoj temperaturi ali postaje feromagnetičan ako se ohladi do 182 K.[27]
Do danas je otkriveno 29 radioizotopa protaktinija, među kojim je najstabilniji231Pa savremenom poluraspada do 32.760 godina, zatim slijedi233Pa sa 27 dana te izotop230Pa sa vremenom poluraspada od 17,4 dana. Svi ostali izotopi imaju vremena poluraspada kraća od 1,6 dana, a većina od njih raspada se za kraće od 1,8 sekunde. Protaktinij također ima i dvanuklearna izomera,217mPa (vrijeme poluraspada 1,2 milisekunde) i234mPa (1,17 minuta).[28]
Osnovni način raspada izotopa protaktinija lakših od njegovog najstabilnijeg izotopa231Pa (uključujući i njega) odnosno od232Pa do240Pa jeste alfa raspad, dok je osnovni raspad za teže izotope (tj. od232Pa do240Pa) je beta raspad. Osnovni proizvod raspada lakših izotopa od231Pa (uključujući i njega) su izotopi aktinija, dok su osnovni proizvod raspada težih izotopa izotopiuranija.[28]
Protaktinij je jedan od najrjeđi i najskupljih prirodnih elemenata. Nalazi se u obliku dva izotopa,231Pa i234Pa, gdje se izotop234Pa javlja u dva različita energetska stanja. Gotovo sav protaktinij u prirodi je izotop231Pa. On je emiteralfa-zraka a nastaje raspadanje izotopa uranija-235, dok izotop234Pa je emiterbeta zračenja a nastaje kao rezultat raspada uranija-238. Gotovo sav uranij-238 (99,8%) najprije se rapada na kratkoživući izomer protaktinija234mPa.[29]
Protaktinij se javlja u rudiuraninita u koncentracijama od 0,3-3 dijelova231Pa na milion (ppm).[7] Dok se prosječni udio protaktinija kreće uglavnom oko 0,3 ppm[30] (naprimjer u nalazištuJáchymov uČeškoj[31]), neke rude nađene uKongu imaju udio protaktinija od oko 3 ppm.[4] On je prilično homogeno raspršen u većini prirodnih materijala kao ivodi, ali u značajno nižim koncentracijama reda jedan dio na bilion, što odgovara radioaktivnosti od 0,1 pikokirija (pCi)/g. Protaktinija ima oko 500 puta više u česticama pjeskovitog zemljišta nego u vodi, čak i kada je voda prisutna u istom uzorku zemljišta. Znatno veći odnosi od oko 2.000 i više su izmjereni u ilovači i glini, kao što jebentonit.[29][32]
Dva najvažnija izotopa,231Pa i233Pa, proizvode se od torija u nuklearnim reaktorima. Oba izotopa nisu poželjna za rad reaktora te se obično uklanjaju, zbog čega su dizajn i rad reaktora izrazito komplicirani. Naročito,232Th preko reakcija (n,2n) daje231Th koji se dalje vrlo brzo raspada (25,5 sati) na izotop231Pa. Posljednji izotop, dok još nije nastalo transuranijski otpad, ima vrlo dugo vrijeme poluraspada od 32.760 godina te je osnovni sastojak i "uzročnik" dugogodišnje radiološke otrovnosti potrošenog nuklearnog goriva.[33]
Protaktinij-233 nastaje nakon zahvata neutrona izotopa232Th. On se dalje raspada bilo na uranij-233 ili zahvata još jedanneutron i prelazi u nefisijski uranij-234.[34] Izotop233Pa ima relativno dugovrijeme poluraspada od 27 dana i veoma veliki poprečni presjek za zahvat neutrona (takozvani "otrov za neutrone"). Zbog toga, umjesto da se brzo raspadne na korisni233U, značajan dio protaktinija233Pa pretvara se u nefisijske izotope i "troše" neutrone, čime se degradira efikasnost nuklearnog reaktora. Da bi se to spriječilo,233Pa se izdvaja iz aktivne zone torijevih reaktora na bazi istopljenih soli, tokom njihovog rada, tako da se on raspada samo na233U. Izdvajanje protaktinija se odvija pomoću cijevi istopljenogbizmuta visokih nekoliko metara, uzlitij koji je rastvoren u njemu. U pojednostavljenoj proceduri, litij selektivno reducira soli protaktinija do metalnog protaktinija a koji se zatim izdvaja iz ciklusa istopljenih soli, dok je bizmut samo prenosnik. Odabran je zbog svoje vrlo niske tačke topljenja (271°C), niskog pritiska pare, dobre rastvorljivosti litija i aktinoida, te nemogućnosti miješanja sa istopljenim halidima.[33]
Iako se protaktinij u periodnom sistemu nalazi između torija i uranija, dva elementa koje se koriste u brojnim aplikacijama, zbog svoje rijetkosti, velike radioaktivnosti i otrovnosti, do danas nema nikakvih aplikacija koje koriste protaktinij osim naučnih istraživanja u laboratoriji.[29]
Protaktinij-231 nastaje u raspadu uranija-235 unutar nuklearnih reaktora, reakcijom232Th + n →231Th + 2n te naknadnim beta raspadom. Ranije se smatralo da bi on mogao podržavati lančanu nuklearnu reakciju koja bi se u principu mogla iskoristiti za pravljenjenuklearnog oružja. Naučnik Walter Seifritz je svojevremeno izračunao da bi kritična masa za takvu atomsku bombu iznosila oko 750 ± 180kg.[35] Ipak, mogućnost za dostizanje kritične mase sa231Pa je kasnije odbačena kao neprihvatljiva.[36]
Ovdjea,b ic su konstante rešetke u pikometrima, No je broj prostorne grupe aZ je broj formulskih jedinica po jediničnoj ćeliji;fcc odnosi se na plošno centrirani kubični kristalni sistem. Gustoća nije direktno mjerena nego je izračunata na osnovu parametara rešetke.
12Donohue, J. (1959). "On the crystal structure of protactinium metal".Acta Crystallographica.12 (9): 697.doi:10.1107/S0365110X59002031.
12345"Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds".Handbook of Chemistry and Physics(PDF) (81izd.). CRC press. Arhivirano s originala 14. 10. 2013. Pristupljeno 16. 10. 2017.CS1 održavanje: bot: nepoznat status originalnog URL-a (link)
↑EU ovaj element još uvijek nije stavila na spisak opasnih elemenata, međutim trenutno nije moguće pronaći pouzdani izvor ili literaturu o opasnim svojstvima ove supstance. Radioaktivnostne spada u opasna svojstva koja se ovdje navode.
↑Laing, Michael (2005). "A Revised Periodic Table: With the Lanthanides Repositioned".Foundations of Chemistry.7 (3): 203.doi:10.1007/s10698-004-5959-9.
↑National Research Council (U.S.). Conference on Glossary of Terms in Nuclear Science and Technology (1957).A Glossary of Terms in Nuclear Science and Technology. American Society of Mechanical Engineers. str.180. Pristupljeno 25. 7. 2015.
↑Fajans, K.; Gohring, O. (1913). "Über das Uran X2-das neue Element der Uranreihe".Physikalische Zeitschrift.14: 877–84.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
↑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.
↑Graue G.; Käding H. (1934). "Die technische Gewinnung des Protactiniums".Angewandte Chemie.47 (37): 650–653.doi:10.1002/ange.19340473706.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
↑Grosse A. V. (1934). "Metallic Element 91".Journal of the American Chemical Society.56 (10): 2200.doi:10.1021/ja01325a508.
↑"Protactinium". Arhivirano soriginala, 28. 9. 2011. Pristupljeno 21. 3. 2013. sa Nacionalne laboratorije Los Alamos
123"Protactinium"(PDF). Arhivirano soriginala(PDF), 7. 3. 2008. Pristupljeno 19. 10. 2017., Nacionalna laboratorija Argonne, podaci o utjecaju na ljudsko zdravlje, august 2005.
↑Članci "Protactinium" i "Protactinium-231 – thorium-230 dating" u:Encyclopædia Britannica, 15. izdanje, 1995, str. 737.
↑Grosse A. V.; Agruss M. S. (1934). "The Isolation of 0.1 Gram of the Oxide of Element 91 (Protactinium)".Journal of the American Chemical Society.56 (10): 2200.doi:10.1021/ja01325a507.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
123456Sellers Philip A.; Fried Sherman; Elson Robert E.; Zachariasen W. H. (1954). "The Preparation of Some Protactinium Compounds and the Metal".Journal of the American Chemical Society.76 (23): 5935.doi:10.1021/ja01652a011.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
↑Brown D.; Hall T.L.; Moseley P.T (1973). "Structural parameters and unit cell dimensions for the tetragonal actinide tetrachlorides(Th, Pa, U, and Np) and tetrabromides (Th and Pa)".J. Chem. Soc., Dalton Trans (6): 686–691.doi:10.1039/DT9730000686.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
↑Tahri Y.; Chermette H.; El Khatib N.; Krupa J.; etal. (1990). "Electronic structures of thorium and protactinium halide clusters of [ThX8]4− type".Journal of the Less Common Metals.158: 105.doi:10.1016/0022-5088(90)90436-N.Eksplicitna upotreba et al. u:|author= (pomoć)CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
↑Dodge R. P.; Smith G. S.; Johnson Q.; Elson R. E. (1967). "The crystal structure of protactinium pentachloride".Acta Crystallogr.22: 85–89.doi:10.1107/S0365110X67000155.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
↑Brown D.; Petcher T. J.; Smith A. J. (1969). "The crystal structure of β-protactinium pentabromide".Acta Crystallographica Section B.25 (2): 178.doi:10.1107/S0567740869007357.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
↑David F. Starks; Parsons Thomas C.; etal. (1974). "Bis(π-cyclooctatetraene) protactinium".Inorganic Chemistry.13 (6): 1307.doi:10.1021/ic50136a011.Eksplicitna upotreba et al. u:|author= (pomoć)CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
Greenwood Norman N.; Earnshaw Alan (1997).Chemistry of the Elements (2izd.). Butterworth–Heinemann.ISBN0080379419.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
