Pa · Element 91 · Actinoid
Eines der seltensten und teuersten natürlichen Elemente – die Gewinnung von 125 g kostete einst eine halbe Million Dollar.
Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo Protactinium bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 163 pm — das entspricht 0,163 nm; etwa 3,07 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.
Temperaturbereich
Protactinium ist über einen Bereich von 2455 K flüssig, von 1845 K bis 4300 K.
Die Geschichte
Eines der seltensten und teuersten natürlichen Elemente – die Gewinnung von 125 g kostete einst eine halbe Million Dollar.
Die Entdeckungsgeschichte von Protactinium ist komplex und umfasst mehrere konkurrierende Ansprüche. Die ersten Hinweise wurden 1913 von Kazimierz Fajans und Oswald Helmuth Göhring, deutschen Forschern, gefunden, die ein kurzlebiges Isotop (Pa-234m) identifizierten und es wegen seiner kurzen Halbwertszeit von etwas mehr als einer Minute „brevium“ nannten.
Das langlebigere und bedeutendere Isotop Protactinium-231 wurde 1917 entdeckt, und zwar von den britischen Wissenschaftlern Frederick Soddy und John Cranston, die unabhängig von Otto Hahn und Lise Meitner in Deutschland arbeiteten. Beide Gruppen untersuchten die Uranzerfallsreihe und identifizierten dasselbe langlebige Isotop.
Die erste erfolgreiche Isolierung von Protactiniummetall gelang 1927 Aristid von Grosse, der 2 Milligramm Pa₂O₅ aus etwa 2 Tonnen Pechblenderückständen gewann. Dies war der Abschluss jahrelanger, sorgfältiger chemischer Trennarbeit mit Tausenden fraktionierten Kristallisationen.
Der Name des Elements wurde von „brevium“ in „Protactinium“ (bedeutet „vor Actinium“) geändert, als das langlebigere Pa-231-Isotop charakterisiert wurde. Dieser Name spiegelt seine Position in der Zerfallsreihe von Uran-235 wider, in der es zu Actinium-227 zerfällt und somit das „Mutterelement“ von Actinium ist.
Die Entdeckung war beispielhaft für internationale Zusammenarbeit und Konkurrenz in der Radiochemie des frühen 20. Jahrhunderts. Obwohl sie während des Ersten Weltkriegs arbeiteten, tauschten Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern Informationen aus und bauten auf der Arbeit der jeweils anderen auf. Dies zeigte die universelle Natur wissenschaftlicher Forschung selbst in Konfliktzeiten.
Die Isolierung von Protactinium erforderte die Entwicklung neuer radiochemischer Verfahren für den Umgang mit äußerst kleinen Mengen hochradioaktiver Materialien. Die für die Protactiniumtrennung entwickelten Methoden wurden zu grundlegenden Verfahren, die in der gesamten Kernchemie eingesetzt werden, und beeinflussen weiterhin moderne radiochemische Praktiken.
Anwendungen
Protactinium dient vor allem als Forschungsinstrument in der Kernphysik und in radiochemischen Laboratorien. Wissenschaftler verwenden Protactiniumisotope, um Kernzerfallsprozesse, Mechanismen der Alphastrahlung und die grundlegenden Eigenschaften von Actinoid-Elementen zu untersuchen. Seine Position zwischen Thorium und Uran macht es entscheidend für das Verständnis des Übergangs von natürlich vorkommenden zu künstlichen Transuran-Elementen.
Die bedeutendste praktische Anwendung von Protactinium liegt in Uran-Protactinium-Datierungsmethoden für geologische Proben. Die Zerfallsreihe von Uran-235 zu Protactinium-231 bietet eine zuverlässige Methode zur Datierung mariner Sedimente und zur Bestimmung des Alters geologischer Formationen, die sich über Hunderttausende von Jahren erstrecken, und ist besonders für die Forschung zur Paläoklimatologie geeignet.
Protactiniumisotope sind wertvoll für die Untersuchung der Systematik des Alphazerfalls und von Theorien zur Kernstruktur. Forscher verwenden Protactinium-233 und andere Isotope, um Modelle der Kernstabilität zu prüfen, den quantenmechanischen Tunneleffekt beim Alphazerfall zu untersuchen und die nuklearen Eigenschaften zu verstehen, die die Geschwindigkeit radioaktiver Zerfälle beeinflussen.
Kleine Mengen Protactinium werden in der fortgeschrittenen Ausbildung in Kernchemie und in Schulungsprogrammen für Kernwissenschaftler und Techniker verwendet. Seine relativ lange Halbwertszeit (Protactinium-231: 32,760 Jahre) macht es für kontrollierte Laborexperimente zur Untersuchung radioaktiver Zerfälle und grundlegender Prinzipien der Kernchemie geeignet.
Die Protactiniumforschung trägt zum Verständnis der Stabilität superschwerer Elemente und zur Vorhersage der Eigenschaften noch unentdeckter Elemente bei. Untersuchungen der chemischen und nuklearen Eigenschaften von Protactinium helfen, theoretische Modelle zu überprüfen, die zur Vorhersage des Verhaltens von Elementen jenseits des derzeitigen Periodensystems verwendet werden.
Die wichtigste moderne Verwendung von Protactinium ist die radiometrische Datierung mariner Sedimente und geologischer Proben. Die Pa-231/U-235-Datierungsmethode ist besonders wertvoll für die Datierung von Materialien, die zwischen 10,000 und 300,000 Jahre alt sind, und schließt eine wichtige Lücke in geochronologischen Verfahren.
Wissenschaftliche Einrichtungen verwenden Protactinium für die Forschung in der Kernchemie, zur Untersuchung des Verhaltens von Actinoiden und zur Ausbildung von Kernwissenschaftlern. Seine Eigenschaften machen es zu einem wichtigen Referenzelement für das Verständnis der gesamten Actinoidreihe und für die Entwicklung von Verfahren zum Umgang mit anderen radioaktiven Materialien.
Protactiniumverhältnisse in Meeressedimenten helfen dabei, vergangene Klimabedingungen und Muster der Ozeanzirkulation zu rekonstruieren. Wissenschaftler verwenden Pa-231/Th-230-Verhältnisse, um Veränderungen der Zirkulation im Atlantischen Ozean zu untersuchen und zu verstehen, wie sich das Klima über geologische Zeiträume hinweg verändert hat.
Forscher verwenden Protactiniumisotope, um Mechanismen des Kernzerfalls zu untersuchen und theoretische Modelle der Kernstruktur zu prüfen. Diese Studien tragen zu unserem grundlegenden Verständnis von Atomkernen und radioaktiven Zerfallsprozessen bei.
Woher es stammt
1,40e-6 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 29 % der Elemente
Protactinium kommt in der Natur in äußerst kleinen Mengen in Uranerzen vor, typischerweise mit Konzentrationen von etwa 1-3 Teilen pro Billion. Es entsteht als Zwischenprodukt in der Zerfallsreihe von Uran-235, in der Uran-235 über mehrere Schritte schließlich zu Protactinium-231 zerfällt.
Natürliches Protactinium ist überall dort zu finden, wo Uranvorkommen existieren, darunter bedeutende uranproduzierende Regionen in Kanada, Australien, Kasachstan, Niger und den Vereinigten Staaten. Die Mengen sind jedoch so gering, dass eine Gewinnung aus natürlichen Quellen für kommerzielle Zwecke nicht praktikabel ist.
Meeressedimente enthalten messbare Spuren von Protactinium-231, die sich im Laufe der Erdgeschichte durch den natürlichen Zerfall von Uran abgelagert haben. Diese Ablagerungen sind zwar extrem verdünnt, reichen aber für Anwendungen der radiometrischen Datierung und für paläoklimatologische Forschung aus. Sedimentkerne aus dem Ozean stellen die wichtigste natürliche Protactiniumquelle für wissenschaftliche Untersuchungen dar.
Praktisch sämtliches für die Forschung verwendete Protactinium wird künstlich hergestellt, indem Thorium-230-Ziele in Kernreaktoren mit Neutronen beschossen werden. Dabei entsteht Protactinium-231, das zur Verwendung in wissenschaftlichen Anwendungen chemisch vom Zielmaterial getrennt werden kann.
Natürliches Protactinium besteht fast vollständig aus dem Pa-231-Isotop (Halbwertszeit: 32,760 Jahre), mit Spuren kurzlebigerer Isotope aus verschiedenen Zerfallsreihen. Die Gesamtmenge an natürlichem Protactinium in der Erdkruste wird weltweit auf weniger als einige hundert Kilogramm geschätzt.
Handhabung
Protactinium ist radioaktiv. Es besitzt kein stabiles Isotop — jeder Atomkern zerfällt. Die Handhabung erfordert eine geeignete Abschirmung und Genehmigungen.
GEFAHR: Protactinium ist extrem radioaktiv und giftig. Alle Isotope stellen durch Alphastrahlung erhebliche Gesundheitsrisiken dar; Protactinium-231 hat eine Halbwertszeit von 32,760 Jahren und ist daher langfristig eine Kontaminationsgefahr.
Eine Exposition gegenüber Protactinium kann ein akutes Strahlensyndrom, ein erhöhtes Krebsrisiko und schwere Gewebeschäden verursachen. Alphateilchen aus dem Zerfall von Protactinium sind besonders gefährlich, wenn sie eingeatmet oder verschluckt werden, da sie in inneren Organen erhebliche Zell- und DNA-Schäden verursachen können.
Protactinium darf nur in spezialisierten kerntechnischen Einrichtungen mit geeigneter Abschirmung, Fernhantierungsausrüstung und umfassenden Sicherheitsprotokollen gehandhabt werden. Das Personal benötigt eine fortgeschrittene Ausbildung im Strahlenschutz und eine kontinuierliche Gesundheitsüberwachung aufgrund der damit verbundenen extremen Gefahren.
Bei jedem Verdacht auf eine Protactiniumkontamination sind eine sofortige Evakuierung und spezialisierte Dekontaminationsverfahren erforderlich. Die Notfallmaßnahmen müssen qualifizierte Strahlenschutzfachleute und Spezialisten für Nuklearmedizin einbeziehen, die für den Umgang mit schweren Vorfällen radioaktiver Kontamination ausgebildet sind.
Schnelle Antworten
Protactinium (Symbol Pa) ist Element 91 im Periodensystem, ein Actinoid in der 7. Eines der seltensten und teuersten natürlichen Elemente – die Gewinnung von 125 g kostete einst eine halbe Million Dollar. Bei Raumtemperatur ist es fest und radioaktiv.
[Rn] 5f² 6d¹ 7s²; sie ergibt 7 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 18, 32, 20, 9, 2.Protactinium schmilzt bei 1845 K (1571.9 °C) und siedet bei 4300 K (4026.9 °C).
Die Standardatommasse von Protactinium beträgt 231.036 u. Dabei handelt es sich um einen gewichteten Mittelwert seiner natürlich vorkommenden Isotope, weshalb sie nur selten eine ganze Zahl ist.
Protactinium hat eine Dichte von 15.37 g/cm³. Wasser hat eine Dichte von 1.0 g/cm³, daher ist ein Block aus Protactinium ungefähr 15.4× schwerer.
Protactinium hat eine Elektronegativität von 1.5 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Werte in diesem mittleren Bereich führen eher zur Bildung kovalenter als stark ionischer Bindungen.
Protactinium wurde 1913 von Fajans & Gohring entdeckt. Es ist nach griechisch protos + Actinium, „vor Actinium“ benannt.
Protactinium macht Über 1.40e-6 mg/kg der Erdkruste aus — es ist tatsächlich selten, weshalb es teuer ist.
Ja. Protactinium hat kein stabiles Isotop — jeder seiner Atomkerne zerfällt. Spurenmengen kommen natürlich als Zerfallsprodukte schwererer Elemente vor.