Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Schalen – eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um 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. Mit ~ gekennzeichnete Werte sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 179 pm — that is 0.179 nm, so about 2793 million of them side by side would span a millimetre.
Temperaturbereich
Protactinium is liquid over a 2455 K window, from 1845 K to 4300 K.
Die Geschichte
One of the rarest and most expensive natural elements — extracting 125 g once cost half a million dollars.
Protactinium hat eine komplexe Entdeckungsgeschichte mit mehreren konkurrierenden Ansprüchen. Die ersten Hinweise wurden 1913 von Kazimierz Fajans und Oswald Helmuth Göhring, deutschen Forschern, gefunden. Sie identifizierten ein kurzlebiges Isotop (Pa-234m) und nannten es wegen seiner kurzen Halbwertszeit von etwas mehr als einer Minute „brevium“.
Das langlebigere und bedeutendere Isotop Protactinium-231 wurde 1917 entdeckt von den britischen Wissenschaftlern Frederick Soddy und John Cranston, die unabhängig von Otto Hahn und Lise Meitner in Deutschland arbeiteten. Beide Gruppen untersuchten die Zerfallsreihe des Urans 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 aufwendiger chemischer Trennarbeit mit Tausenden fraktionierter Kristallisationen.
Der Name des Elements wurde von „brevium“ in „Protactinium“ (bedeutet „vor Actinium“) geändert, als das langlebigere Isotop Pa-231 charakterisiert wurde. Dieser Name spiegelt seine Position in der Zerfallskette von Uran-235 wider, in der es zu Actinium-227 zerfällt und somit das „Mutternuklid“ 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 den Arbeiten der jeweils anderen auf. Damit zeigten sie den universellen Charakter wissenschaftlicher Forschung selbst in Zeiten des Konflikts.
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 der gesamten Kernchemie und beeinflussen bis heute moderne radiochemische Praktiken.
Anwendungen
Protactinium dient hauptsächlich als Forschungsinstrument in der Kernphysik und in radiochemischen Laboren. Wissenschaftler verwenden Protactinium-Isotope, um radioaktive Zerfallsprozesse, Mechanismen der Alphaemission 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 Zerfallskette von Uran-235 zu Protactinium-231 bietet eine zuverlässige Methode zur Altersbestimmung von Meeressedimenten und zur Bestimmung des Alters geologischer Formationen, die sich über Hunderttausende von Jahren erstrecken, und ist besonders für die Forschung zur Paläoklimatologie nützlich.
Protactinium-Isotope sind wertvoll für die Untersuchung von Systematiken des Alphazerfalls und 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 Zerfallsraten radioaktiver Stoffe beeinflussen.
In der analytischen Chemie dienen Protactiniumverbindungen als Tracer und Referenzstandards zur Untersuchung des chemischen Verhaltens von Actinoid-Elementen. Die einzigartigen chemischen Eigenschaften des Elements helfen Forschern, Trennverfahren für andere radioaktive Elemente zu entwickeln und die Actinoid-Chemie in verschiedenen chemischen Umgebungen zu verstehen.
Kleine Mengen Protactinium werden in der Ausbildung in fortgeschrittener Kernchemie und in Trainingsprogrammen für Kernwissenschaftler und Techniker verwendet. Seine relativ lange Halbwertszeit (Protactinium-231: 32,760 Jahre) macht es für kontrollierte Laborexperimente zur Untersuchung des radioaktiven Zerfalls und der Grundlagen 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 validieren, die zur Vorhersage des Verhaltens von Elementen jenseits des aktuellen Periodensystems verwendet werden.
Die wichtigste moderne Verwendung von Protactinium ist die radiometrische Altersbestimmung von Meeressedimenten und geologischen Proben. Die Pa-231/U-235-Datierungsmethode ist besonders wertvoll für die Altersbestimmung von Materialien, die zwischen 10,000 und 300,000 Jahre alt sind, und schließt damit 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 Actinoid-Reihe und für die Entwicklung von Verfahren zum Umgang mit anderen radioaktiven Materialien.
Protactiniumverhältnisse in Meeressedimenten helfen dabei, vergangene Klimabedingungen und Muster der Meereszirkulation 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 Protactinium-Isotope, um Mechanismen des radioaktiven Zerfalls zu untersuchen und theoretische Modelle der Kernstruktur zu prüfen. Diese Untersuchungen tragen zu unserem grundlegenden Verständnis von Atomkernen und radioaktiven Zerfallsprozessen bei.
Woher es stammt
1.40e-6 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 29% of elements
Protactinium kommt in der Natur in äußerst kleinen Mengen innerhalb von Uranerzen vor, typischerweise mit Konzentrationen von etwa 1-3 Teilen pro Billion. Es entsteht als Zwischenprodukt in der Zerfallskette 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 wichtige 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 unpraktikabel ist.
Meeressedimente enthalten messbare Spuren von Protactinium-231, die sich über geologische Zeiträume durch den natürlichen Zerfall von Uran abgelagert haben. Diese Ablagerungen sind zwar extrem verdünnt, reichen jedoch für Anwendungen der radiometrischen Altersbestimmung und für die paläoklimatologische Forschung aus. Sedimentkerne aus dem Meer liefern die wichtigste Quelle für natürliches Protactinium in wissenschaftlichen Untersuchungen.
Praktisch sämtliches für Forschungszwecke verwendete Protactinium wird künstlich hergestellt, indem Thorium-230-Ziele in Kernreaktoren mit Neutronen beschossen werden. Dieser Prozess liefert Protactinium-231, das zur Verwendung in wissenschaftlichen Anwendungen chemisch vom Zielmaterial getrennt werden kann.
Natürliches Protactinium besteht nahezu vollständig aus dem Pa-231-Isotop (Halbwertszeit: 32,760 Jahre), mit Spuren kurzlebigerer Isotope aus verschiedenen Zerfallsketten. Die Gesamtmenge an natürlichem Protactinium in der Erdkruste wird weltweit auf weniger als einige hundert Kilogramm geschätzt.
Handhabung
Protactinium ist radioaktiv. It has no stable isotope — every nucleus decays. Die Handhabung erfordert geeignete Abschirmung und eine Genehmigung.
GEFAHR: Protactinium ist extrem radioaktiv und giftig. Alle Isotope stellen durch Alphastrahlung erhebliche Gesundheitsrisiken dar, wobei Protactinium-231 eine Halbwertszeit von 32,760 Jahren hat und dadurch eine langfristige Kontaminationsgefahr darstellt.
Die 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 erhebliche Zell- und DNA-Schäden in inneren Organen verursachen können.
Protactinium darf nur in spezialisierten kerntechnischen Einrichtungen mit geeigneter Abschirmung, Geräten zur Fernhandhabung und umfassenden Sicherheitsprotokollen gehandhabt werden. Das Personal benötigt eine fortgeschrittene Ausbildung im Strahlenschutz und eine kontinuierliche Gesundheitsüberwachung aufgrund der damit verbundenen extremen Gefahren.
Bei jeder vermuteten Protactiniumkontamination sind eine sofortige Evakuierung und spezielle Dekontaminationsverfahren erforderlich. Die Notfallmaßnahmen müssen qualifizierte Strahlenschutzfachleute und Spezialisten für Nuklearmedizin einbeziehen, die im Umgang mit schweren Vorfällen radioaktiver Kontamination geschult sind.
Schnelle Antworten
Protactinium (symbol Pa) is element 91 on the periodic table, a actinoid in period 7. One of the rarest and most expensive natural elements — extracting 125 g once cost half a million dollars. At room temperature it is a solid, and it is radioactive.
[Rn] 5f² 6d¹ 7s², giving 7 occupied shells holding 2, 8, 18, 32, 20, 9, 2 electrons respectively.Protactinium melts at 1845 K (1571.9 °C) and boils at 4300 K (4026.9 °C).
The standard atomic weight of Protactinium is 231.036 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Protactinium has a density of 15.37 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of protactinium is about 15.4× heavier.
Protactinium has a Pauling electronegativity of 1.5. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Protactinium was discovered in 1913 by Fajans & Gohring. It is named after greek protos + actinium, "before actinium".
Protactinium makes up about 1.40e-6 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.
Yes. Protactinium has no stable isotope — every one of its nuclei decays. Trace amounts occur naturally as decay products of heavier elements.