91 Pa بروتكتينيوم 231.036
أكتينيد المستوى الفرعي f الدورة 7 مشعة

بروتكتينيوم

Pa · العنصر 91 · أكتينيد

واحد من أندر العناصر الطبيعية وأغلاها — إذ كلف استخراج 125 g ذات مرة نصف مليون دولار.

الحالة عند 20°C صلب
الكتلة الذرية 231.036 u
التوزيع الإلكتروني[Rn] 5f² 6d¹ 7s²
90Th كل العناصر الـ118 92U

البنية

ذرة بروتكتينيوم

ليس مخططًا لنقاط على حلقات — بل عينة مونتِ كارلو من كثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل غلاف فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين لدالة الموجة، وهذا ما يجعل الترابط ممكنًا.

سحابة المدار

القيم المقاسة

ورقة الخصائص

يوضح كل شريط موضع بروتكتينيوم بين جميع العناصر الـ118 بالنسبة إلى تلك الخاصية.

الفيزيائية

الكثافة 15.37 g/cm³ 82%
نقطة الانصهار 1845 K 80%
نقطة الغليان 4300 K 86%
الحرارة النوعية 0.12 J/g·K
الموصلية الحرارية 47 W/m·K 63%

الذرية

نصف القطر الذري 163 pm 55%
نصف القطر التساهمي 200 pm
نصف قطر فان دير فالس 243 pm

الإلكترونية

الكهروسلبية 1.5 44%
طاقة التأين 568.3 kJ/mol 19%
الألفة الإلكترونية —

الوجود

الوفرة في القشرة 1.40e-6 mg/kg 29%

الهوية

الرمزPa
العدد الذري91
الكتلة الذرية231.0359 u
الفئةأكتينيد
المستوى الفرعيf
البنية البلوريةرباعي الزوايا
حالات الأكسدة+4, +5
سنة الاكتشاف1913
اكتشفهFajans & Gohring

المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.

الحجم، وفق المقياس

ما حجم ذرة بروتكتينيوم؟

نصف القطر 163 pm — أي 0.163 nm، ولذلك فإن نحو 3.07 مليون ذرة منها متجاورة ستغطي ملليمترًا واحدًا.

المدى الحراري

صلب، سائل، غاز — ومتى

يكون بروتكتينيوم سائلًا ضمن مجال 2455 K، من 1845 K إلى 4300 K.

موضعه

موضعه في الجدول

تقع بروتكتينيوم في سلسلة أكتينيد، المطبوعة أسفل الشبكة الرئيسية.

عناصر الأكتينيدات الأخرى

89Ac 90Th 92U 93Np 94Pu 95Am 96Cm 97Bk 98Cf 99Es 100Fm 101Md 102No 103Lr
جميع عناصر الأكتينيدات

القصة

ماهيّة بروتكتينيوم وكيف اكتشفناه

واحد من أندر العناصر الطبيعية وأغلاها — إذ كلف استخراج 125 g ذات مرة نصف مليون دولار.

اكتشاف بروتكتينيوم

ادعاءات اكتشاف متعددة

يمتلك البروكتينيوم تاريخ اكتشاف معقدًا يتضمن ادعاءات متعددة متنافسة. عُثر على أول دليل عليه عام 1913 على يد كازيمير فاجانس وأوزفالد هيلموت غورينغ، وهما باحثان ألمانيان حددا نظيرًا قصير العمر (Pa-234m) وأطلقا عليه اسم "بريفيوم" بسبب عمر نصفه القصير الذي يزيد قليلًا على دقيقة واحدة.

الاختراق البريطاني

اكتشف العلماء البريطانيون النظير الأطول عمرًا والأهم، البروكتينيوم-231، عام 1917، وهم فريدريك سودي وجون كرَنستون، بالتزامن وبشكل مستقل عن أوتو هان وليزه مايتنر في ألمانيا. وكانت المجموعتان تدرسان سلسلة تحلل اليورانيوم وحددتا النظير نفسه طويل العمر.

إنجاز العزل

تحقق أول عزل ناجح لمعدن البروكتينيوم عام 1927 على يد أريستيد فون غروسه، الذي حصل على 2 مليغرام من Pa₂O₅ من نحو 2 طن من بقايا البتشبلند. ومثّل ذلك تتويجًا لسنوات من العمل الشاق في الفصل الكيميائي، شمل آلاف عمليات التبلور التجزيئي.

الجدل حول التسمية

تغير اسم العنصر من "بريفيوم" إلى "بروكتينيوم" (بمعنى "قبل الأكتينيوم") عندما جرى توصيف النظير الأطول عمرًا Pa-231. ويعكس هذا الاسم موقعه في سلسلة تحلل اليورانيوم-235، حيث يتحلل ليكوّن الأكتينيوم-227، ومن ثم فهو "أصل" الأكتينيوم.

التعاون العلمي

جسّد الاكتشاف التعاون والمنافسة الدوليين في الكيمياء الإشعاعية في أوائل القرن العشرين. فعلى الرغم من عملهم خلال الحرب العالمية الأولى، تبادل العلماء من بلدان مختلفة المعلومات واستفادوا من أعمال بعضهم بعضًا، مما أظهر الطبيعة العالمية للاستقصاء العلمي حتى في أوقات الصراع.

التحديات التقنية

تطلب عزل البروكتينيوم تطوير تقنيات كيميائية إشعاعية جديدة للتعامل مع كميات صغيرة للغاية من المواد شديدة النشاط الإشعاعي. وأصبحت الأساليب المطورة لفصل البروكتينيوم تقنيات أساسية مستخدمة في الكيمياء النووية على نطاق واسع، ولا تزال تؤثر في الممارسات الحديثة للكيمياء الإشعاعية.

الاستخدامات

استخدامات بروتكتينيوم

أبحاث الفيزياء النووية

يُستخدم البروتكتينيوم أساسًا أداةً بحثية في مختبرات الفيزياء النووية والكيمياء الإشعاعية. يستخدم العلماء نظائر البروتكتينيوم لدراسة عمليات التحلل النووي، وآليات انبعاث جسيمات ألفا، والخصائص الأساسية لعناصر الأكتينيد. ويجعل موقعه بين الثوريوم واليورانيوم منه عنصرًا مهمًا لفهم الانتقال من العناصر العابرة لليورانيوم الموجودة طبيعيًا إلى العناصر الاصطناعية.

التسلسل الزمني الجيولوجي والتأريخ

يتمثل أهم تطبيق عملي للبروتكتينيوم في أساليب التأريخ باليورانيوم-البروكتينيوم للعينات الجيولوجية. وتوفر سلسلة تحلل اليورانيوم-235 إلى البروكتينيوم-231 طريقة موثوقة لتأريخ الرواسب البحرية وتحديد عمر التكوينات الجيولوجية التي تمتد لمئات الآلاف من السنين، وهي مفيدة خصوصًا في أبحاث علم المناخ القديم.

دراسات التحلل النووي

تُعد نظائر البروكتينيوم قيّمة لدراسة منهجيات تحلل ألفا ونظريات البنية النووية. يستخدم الباحثون البروكتينيوم-233 ونظائر أخرى لاختبار نماذج الاستقرار النووي، ودراسة تأثير النفق الكمومي في تحلل ألفا، وفهم الخصائص النووية التي تؤثر في معدلات التحلل المشع.

التطبيقات التعليمية والتدريبية

تُستخدم كميات صغيرة من البروكتينيوم في التعليم المتقدم للكيمياء النووية وبرامج تدريب العلماء والفنيين النوويين. ويجعل عمر النصف الطويل نسبيًا له (البروكتينيوم-231: 32,760 سنة) مناسبًا للتجارب المختبرية المضبوطة التي تدرس التحلل المشع ومبادئ الكيمياء النووية.

الأبحاث الأساسية

يسهم البحث في البروكتينيوم في فهم استقرار العناصر فائقة الثقل والتنبؤ بخصائص العناصر التي لم تُكتشف بعد. وتساعد دراسة الخصائص الكيميائية والنووية للبروكتينيوم على التحقق من صحة النماذج النظرية المستخدمة للتنبؤ بسلوك العناصر الواقعة بعد الجدول الدوري الحالي.

التأريخ الجيولوجي

يتمثل الاستخدام الحديث الأساسي للبروكتينيوم في التأريخ الإشعاعي للرواسب البحرية والعينات الجيولوجية. وتتميز طريقة التأريخ Pa-231/U-235 بقيمتها الخاصة لتأريخ المواد التي يتراوح عمرها بين 10,000 و300,000 سنة، مما يسد فجوة مهمة في تقنيات التسلسل الزمني الجيولوجي.

التطبيقات البحثية

تستخدم المؤسسات العلمية البروكتينيوم في أبحاث الكيمياء النووية، ودراسة سلوك الأكتينيد، وتدريب العلماء النوويين. وتجعل خصائصه منه عنصرًا مرجعيًا مهمًا لفهم سلسلة الأكتينيد بأكملها وتطوير تقنيات التعامل مع المواد المشعة الأخرى.

أبحاث المناخ

تساعد نسب البروكتينيوم في رواسب المحيطات على إعادة بناء الظروف المناخية السابقة وأنماط دوران المحيطات. ويستخدم العلماء نسب Pa-231/Th-230 لدراسة التغيرات في دوران المحيط الأطلسي وفهم كيفية تغير المناخ عبر المقاييس الزمنية الجيولوجية.

دراسات الفيزياء النووية

يستخدم الباحثون نظائر البروكتينيوم لدراسة آليات التحلل النووي واختبار النماذج النظرية للبنية النووية. وتسهم هذه الدراسات في فهمنا الأساسي لنوى الذرات وعمليات التحلل المشع.

مصدره

الوجود الطبيعي

1.40e-6 mg/kg من القشرة الأرضية · أوفر من 29% من العناصر

كميات ضئيلة في خامات اليورانيوم

يوجد البروكتينيوم طبيعيًا بكميات صغيرة للغاية داخل خامات اليورانيوم، بتركيزات تبلغ عادةً نحو 1-3 أجزاء من كل تريليون. ويتكون بوصفه ناتجًا وسيطًا في سلسلة تحلل اليورانيوم-235، حيث يتحلل اليورانيوم-235 عبر عدة خطوات لينتج في النهاية البروكتينيوم-231.

التوزيع العالمي

يمكن العثور على البروكتينيوم الطبيعي حيثما توجد رواسب اليورانيوم، بما في ذلك المناطق الرئيسية المنتجة لليورانيوم في كندا وأستراليا وكازاخستان والنيجر والولايات المتحدة. ومع ذلك، فإن الكميات ضئيلة جدًا بحيث يجعل استخراجها من المصادر الطبيعية غير عملي لأي غرض تجاري.

الرواسب المحيطية

تحتوي الرواسب البحرية على آثار قابلة للقياس من البروكتينيوم-231 ترسبت عبر الزمن الجيولوجي نتيجة التحلل الطبيعي لليورانيوم. وهذه الرواسب، رغم تخفيفها الشديد، كافية لتطبيقات التأريخ الإشعاعي وأبحاث علم المناخ القديم. وتوفر عينات لباب الرواسب المحيطية المصدر الأساسي للبروكتينيوم الطبيعي المستخدم في الدراسات العلمية.

الإنتاج الاصطناعي

يُنتج معظم البروكتينيوم المستخدم في الأبحاث اصطناعيًا في المفاعلات النووية من خلال قذف أهداف الثوريوم-230 بالنيوترونات. وتنتج هذه العملية البروكتينيوم-231، الذي يمكن فصله كيميائيًا عن المادة الهدف لاستخدامه في التطبيقات العلمية.

توافر النظائر

يتكون البروكتينيوم الطبيعي تقريبًا بالكامل من نظير Pa-231 (عمر النصف: 32,760 سنة)، مع آثار من نظائر أقصر عمرًا ناتجة عن سلاسل تحلل مختلفة. ويُقدّر أن الكمية الإجمالية للبروكتينيوم الطبيعي في القشرة الأرضية تقل عالميًا عن بضع مئات من الكيلوجرامات.

التعامل

السلامة

بروتكتينيوم مشع. لا يملك نظيرًا مستقرًا — تتحلل كل نواة. يتطلب التعامل معه تدريعًا وترخيصًا مناسبين.

مشع للغاية

خطر: البروكتينيوم مشع وسام للغاية. وتشكل جميع نظائره مخاطر صحية كبيرة بسبب إشعاع ألفا، إذ يبلغ عمر النصف للبروكتينيوم-231 32,760 سنة، مما يجعله خطر تلوث طويل الأمد.

مخاطر صحية شديدة

يمكن أن يسبب التعرض للبروكتينيوم متلازمة الإشعاع الحادة وزيادة خطر الإصابة بالسرطان وتلفًا شديدًا للأنسجة. وتُعد جسيمات ألفا الناتجة عن تحلل البروكتينيوم خطيرة بصفة خاصة عند استنشاقها أو ابتلاعها، إذ يمكن أن تسبب تلفًا كبيرًا للخلايا والحمض النووي في الأعضاء الداخلية.

يتطلب التعامل معه تجهيزات متخصصة

يجب التعامل مع البروكتينيوم فقط في منشآت نووية متخصصة مزودة بالحماية المناسبة ومعدات التعامل عن بُعد وبروتوكولات سلامة شاملة. ويحتاج العاملون إلى تدريب متقدم في السلامة الإشعاعية ومراقبة صحية مستمرة بسبب المخاطر البالغة المرتبطة به.

إجراءات الطوارئ

يتطلب أي اشتباه في تلوث بالبروكتينيوم إخلاءً فوريًا وإجراءات متخصصة لإزالة التلوث. ويجب أن تشمل الاستجابة للطوارئ متخصصين مؤهلين في السلامة الإشعاعية واختصاصيي الطب النووي المدربين على التعامل مع حوادث التلوث الإشعاعي الشديد.

إجابات سريعة

أسئلة شائعة عن بروتكتينيوم

ما هو بروتكتينيوم؟

بروتكتينيوم (رمزه Pa) هو العنصر 91 في الجدول الدوري، وينتمي إلى أكتينيد في الدورة 7. واحد من أندر العناصر الطبيعية وأغلاها — إذ كلف استخراج 125 g ذات مرة نصف مليون دولار. في درجة حرارة الغرفة، يكون صلباً، وهو مشع.

ما التوزيع الإلكتروني لـ بروتكتينيوم؟

التوزيع الإلكتروني للحالة الأرضية لـبروتكتينيوم هو [Rn] 5f² 6d¹ 7s²، ويشغل 7 مستويات من مستويات الطاقة بتوزيع 2, 8, 18, 32, 20, 9, 2.

ما نقطتا انصهار وغليان بروتكتينيوم؟

ينصهر بروتكتينيوم عند 1845 K (1571.9 °C) ويغلي عند 4300 K (4026.9 °C).

ما الكتلة الذرية لـ بروتكتينيوم؟

تبلغ الكتلة الذرية القياسية لـ بروتكتينيوم ‏231.036 u. وهذا متوسط موزون لنظائره الموجودة طبيعياً، ولذلك نادراً ما يكون عدداً صحيحاً.

ما كثافة بروتكتينيوم؟

تبلغ كثافة بروتكتينيوم مقدار 15.37 g/cm³. تبلغ كثافة الماء 1.0 g/cm³، لذا تكون كتلة من بروتكتينيوم أثقل بنحو 15.4×.

ما الكهروسلبية لـ بروتكتينيوم؟

تبلغ كهروسلبية بروتكتينيوم وفق مقياس باولنغ 1.5. ويتراوح المقياس من 0.70 (الفرانسيوم، الأقل ميلاً إلى جذب الإلكترونات) إلى 3.98 (الفلور، الأكثر ميلاً). تميل القيم ضمن هذا النطاق المتوسط إلى تكوين روابط تساهمية بدلًا من الروابط الأيونية القوية.

من اكتشف بروتكتينيوم ومتى؟

اكتُشف بروتكتينيوم في 1913 على يد Fajans & Gohring. سُمّي على اسم protos + أكتينيوم باليونانية، وتعني «قبل الأكتينيوم».

ما مدى وفرة بروتكتينيوم على الأرض؟

يشكّل بروتكتينيوم حوالي 1.40e-6 mg/kg من قشرة الأرض — وهو نادر فعلًا، ولذلك فهو باهظ الثمن.

هل بروتكتينيوم مشع؟

نعم. لا يوجد لـ بروتكتينيوم أي نظير مستقر — إذ تتحلل كل نواته. توجد كميات ضئيلة منه طبيعيًا بوصفها نواتج اضمحلال العناصر الأثقل.

→ السابق Th ثوريوم العنصر 90 · أكتينيد التالي ← U يورانيوم العنصر 92 · أكتينيد