Protactinium: Het element

Het element protactinium is een scheikundig element met symbool Pa en atoomnummer 91. Het is een dichte, zilverkleurig metaal die gemakkelijk reageert met zuurstof, waterdamp en anorganische zuren, maar niet met alkaliën. Het vormt verschillende chemische verbindingen waarin protactinium gewoonlijk aanwezig is in oxidatietoestand 5+, maar het kan ook toestand +4, +2 of +3 aannemen. De gemiddelde concentraties van protactinium in de aardkorst is enkele delen per biljoen, maar kan oplopen tot enkele delen per miljoen in uraninite ertsen. Vanwege zijn schaarste, hoge radioactiviteit en hoge toxiciteit, zijn er momenteel geen toepassingen voor protactinium buiten wetenschappelijk onderzoek, voor dit doel wordt protactinium meestal gewonnen uit gebruikte splijtstof.

Plaats van het element protactinium in het periodiek systeem

Een meer stabiele isotoop (231Pa) van protactinium werd ontdekt in 1917-1918 door Otto Hahn en Lise Meitner, ze kozen voor de naam proto-actinium, het werd eindelijk protactinium in 1949 en Hahn en Meitner werden aangewezen als ontdekkers. De nieuwe naam betekende "ouder van actinium".
De langste levensduur en meest (bijna 100%) natuurlijk voorkomende isotoop is protactinium-231, met een halfwaardetijd van 32760 jaar. Veel kleinere sporen van de kort levende isomeer protactinium-234m treden op in de vervalketen van uranium-238. Analyse van de relatieve concentraties van verschillende uranium, thorium en protactinium isotopen in het water en mineralen wordt gebruikt in radiometrische datering van sedimenten die tot circa 175.000 jaar oud zijn.

Algemene eigenschappen van het element protactinium

Chemische eigenschappen van het element protactinium

Fysische eigenschappen van het element protactinium

De isotopen van het element protactinium

Negenentwintig radio-isotopen van protactinium ontdekt, de meest stabiele zijn 231Pa met een halveringstijd van 32760 jaar, 233Pa met een halveringstijd van 27 dagen en 230Pa met een halveringstijd van 17,4 dagen. Alle overige isotopen hebben halveringstijden van minder dan 1,6 dagen en de meeste daarvan hebben een halveringstijd van minder dan 1,8 seconden. Protactinium heeft ook twee isomeren, 217mPa (halveringstijd 1,2 milliseconden) en 234mPa (halveringstijd 1,17 minuten).

Primaire verval voor isotopen van protactinium

Voor de meest stabiele isotopen 231Pa (dwz, 212Pa tot 231Pa) geldt alfa-verval en voor de zwaardere isotopen (dat wil zeggen, 232Pa tot en met 240Pa) geldt bètaverval. De primaire vervalproducten van isotopen van protactinium lichter dan 231Pa zijn actinium isotopen en de primaire verval producten voor zwaardere isotopen van protactinium zijn uranium isotopen.

De stabielste isotopen van het element protactinium

Geschiedenis

In 1917-1918, twee groepen wetenschappers, Otto Hahn en Lise Meitner Duitsland en Frederick Soddy en John Cranston Groot-Brittannië, ontdekten onafhankelijk van elkaar een andere isotoop van protactinium 231Pa met een veel langere halveringstijd van ongeveer 32.000 jaar. Het nieuwe element bleek onderdeel van de vervalketen van uranium-235.
Aristid von Grosse produceerde 2 milligram Pa2O5 in 1927 en in 1934 werd voor het eerst geïsoleerd 0,1 milligram elementaire protactinium uit Pa2O5. Hij gebruikte twee verschillende procedures: in de eerste, werd protactinium oxide bestraald met 35 keV elektronen in vacuüm. Bij een andere methode, genaamd de van Arkel-de Boer proces, werd het oxide chemisch omgezet a halogenide (in dit geval jodide) en vervolgens gereduceerd in een vacuüm:

2 PaJ 5 → 2 Pa + 5 J 2

In het Verenigd Koninkrijk werd in 1961 125 gram 99,9% zuiver protactinium aangemaakt door het verwerken van 60 ton reactor 'afval' in een 12-traps proces, tegen een kostprijs van ongeveer 500.000 USD. Jarenlang was dit 's werelds enige belangrijke voorraad protactinium voor wetenschappelijk onderzoek.

Het vóórkomen Van het element protactinium

Protactinium is een van de zeldzaamste en duurste elementen. Het wordt gevonden in de vorm van twee isotopen namelijk 231Pa en 234Pa. Bijna alle natuurlijke protactinium is protactinium 231Pa. Het is een alfastraler en wordt gevormd door het verval van uranium-235, terwijl de bèta stralende protactinium 234Pa gevolg is van uranium 238U verval. Bijna alle uranium 238U vervalt eerst naar de 234mPa isomeer.
Protactinium 231Pa komt voor in uraninite (pitchblende) in concentraties van ongeveer 0,3-3 delen per miljoen delen (ppm). De gebruikelijke inhoud is dichter bij 0,3 ppm (sommige ertsen uit de Democratische Republiek Congo hebben echter ongeveer 3 ppm).

Processen in kernreactoren

Twee belangrijke protactinium isotopen, 231Pa en 233Pa, komen voort uit thorium verval in kernreactoren; beide zijn ongewenst en worden verwijderd, waardoor de complexiteit toevoegt aan het reactorontwerp en werking. In het bijzonder, 232Th via (n, 2n) reacties produceert 231Th die snel (halveringstijd 25,5 uur) vervalt tot 231Pa. Deze isotoop heeft een lange halfwaardetijd van 32760 jaar en is een belangrijke veroorzaker van de lange termijn radiotoxiciteit van kernreactor afval.
Protactinium-233 wordt gevormd door neutronenvangst van 232Th. Voorts vervalt uranium-233 (of vangt een neutron) en wordt omgezet in de niet-splijtbare uranium-234. 233Pa heeft een relatief lange halveringstijd van 27 dagen en een relatief hoge neutronen vangst. Een aanzienlijke fractie van 233Pa wordt omgezet in niet-splijtbare isotopen en dat kost neutronen en is een verslechtering van de reactor efficiëntie.

Protactinium in uraninite ertsen.

Vóór de komst van kernreactoren, werd protactinium gescheiden voor wetenschappelijke experimenten van uranium erts. Tegenwoordig is het meestal geproduceerd als een tussenproduct van kernsplijting in de thorium hogetemperatuurreactor.

Fysische en chemische eigenschappen

Protactinium een actinide die is geplaatst in het periodiek systeem tussen uranium en thorium en veel van de eigenschappen van die twee actiniden bezit. Protactinium is dichter en stijver dan thorium maar lichter dan uranium. Smeltpunt is lager dan dat van thorium en hoger dan dat van uranium. De thermische uitzetting, elektrische en thermische geleidbaarheid van deze drie elementen zijn vergelijkbaar. De geschatte afschuifmodulus van protactinium is vergelijkbaar met dat van titanium.
Bij kamertemperatuur kristalliseert protactinium uit in een tetragonale structuur. Deze structuur verandert in kubisch vlakken gecenterd (KVC) na afkoelen van hoge temperatuur van ongeveer 1200 ° C. De thermische uitzettingscoëfficiënt van de tetragonale fase tussen 20 °C en 700 °C is 9,9 x 10-6 / °C.
Het element wordt supergeleidend bij temperaturen beneden 1,4 K. Protactinium tetrachloride is paramagnetisch bij kamertemperatuur maar verandert in ferromagnetisch bij afkoelen tot 182 K.
Protactinium bestaat in twee oxidatie staten, 4 en 5, zowel in vaste stof als in oplossingen, de 3 en 2 staten zijn waargenomen in een aantal vaste fasen. Zowel 4 en 5 staten vormen hydroxiden in water met de ionen: Pa (OH) 3+, Pa (OH) 2+, Pa (OH) +3 en Pa (OH) 4, alle kleurloos. Andere bekende protactinium ionen: PaCl2 + 2, PaSO2 +4, PaF3 +, PaF2 +2, PaF-6, PaF2-7 en PaF3-8.

Toepassingen van protactinium

Mede wegens hoge radioactiviteit en hoge toxiciteit, zijn er geen toepassingen voor protactinium buiten Wetenschappelijk Onderzoek. Met de komst van gevoelige massaspectrometers is toepassing van 231Pa als tracer in de geologie mogelijk geworden. men bepaalt daarbij de verhouding protactinium 231Pa en thorium 230Th voor radiometrische datering van sedimenten tot 175.000 jaar oud.

Protactinium in milieu en invloed de volksgezondheid

Protactinium is giftig en hoogradioactief en de behandeling van de stof wordt uitgevoerd in "handschoenenkastjes". De belangrijkste isotoop 231Pa heeft een activiteit van 1,8 GBq per gram en zendt vooral alfa-deeltjes uit, die kunnen worden gestopt door een dun laagje stof. Het vervalt echter langzaam met een halveringstijd van 32760 jaar tot 227Ac, die een activiteit van 2700 GBq per gram heeft en alfa- en bètastraling uitzendt met een kortere halveringstijd van 22 jaar. Element 227Ac vervalt naar lichtere isotopen met nog kortere halveringstijden en nog veel grotere radioactiviteit.
Protactinium is in kleine hoeveelheden aanwezig in de meeste natuurlijke materialen. Het wordt ingenomen met voedsel of water en met de lucht ingeademd. Slechts ongeveer 0,05% van de ingenomen protactinium wordt opgenomen in het bloed de rest verlaat het lichaam. Uit het bloed gaat ongeveer 40% van de protactinium naar de botten, ongeveer 15% naar de lever, 2% naar de nieren en de rest verlaat het lichaam.
De biologische halveringstijd van protactinium is ongeveer 50 jaar in de botten, terwijl in andere organen de actie een snelle en een langzame component heeft. In de lever heeft 70% van protactinium een halveringstijd van 10 dagen en 30% heeft 60 dagen. De overeenkomstige waarden voor nieren 20% (10 dagen) en 80% (60 dagen). In al deze organen is protactinium kanker bevorderend via zijn radioactiviteit. De maximale veilige dosis protactium Pa in het menselijk lichaam is 1,1 kBq, wat overeenkomt met 0,5 microgram 231Pa.