Pa · Élément 91 · Actinide
L’un des éléments naturels les plus rares et les plus coûteux — l’extraction de 125 g a autrefois coûté un demi-million de dollars.
Structure
Il ne s’agit pas d’un diagramme de points sur des anneaux — mais d’un échantillon de Monte-Carlo de la véritable densité de probabilité |ψ|² pour chaque sous-couche occupée. Faites glisser pour faire pivoter. Le bleu et le violet indiquent les signes opposés de la fonction d’onde, ce qui rend la liaison possible.
Valeurs mesurées
Chaque barre indique où se situe protactinium parmi les 118 éléments pour cette propriété.
Sources : masses atomiques standard de l’IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Les valeurs marquées ~ sont prédites plutôt que mesurées.
Taille, à l’échelle
Rayon de 163 pm — soit 0,163 nm ; il en faudrait donc environ 3,07 millions côte à côte pour couvrir un millimètre.
Plage thermique
Protactinium est liquide dans une plage de 2455 K, de 1845 K à 4300 K.
L’histoire
L’un des éléments naturels les plus rares et les plus coûteux — l’extraction de 125 g a autrefois coûté un demi-million de dollars.
L’histoire de la découverte du protactinium est complexe et comporte plusieurs revendications concurrentes. Les premières preuves ont été trouvées en 1913 par Kazimierz Fajans et Oswald Helmuth Göhring, des chercheurs allemands qui ont identifié un isotope à vie courte (Pa-234m) et l’ont nommé « brevium » en raison de sa demi-vie très brève, d’un peu plus d’une minute.
L’isotope à vie plus longue et plus important, le protactinium-231, a été découvert en 1917 par les scientifiques britanniques Frederick Soddy et John Cranston, qui travaillaient indépendamment d’Otto Hahn et Lise Meitner en Allemagne. Les deux groupes étudiaient la série de désintégration de l’uranium et ont identifié le même isotope à vie longue.
Le premier isolement réussi du protactinium métallique a été réalisé en 1927 par Aristid von Grosse, qui a obtenu 2 milligrammes de Pa₂O₅ à partir d’environ 2 tonnes de résidus de pechblende. Cette réussite a couronné des années de travail minutieux de séparation chimique impliquant des milliers de cristallisations fractionnées.
Le nom de l’élément est passé de « brevium » à « protactinium » (signifiant « avant l’actinium ») lorsque l’isotope à vie plus longue Pa-231 a été caractérisé. Ce nom reflète sa position dans la chaîne de désintégration de l’uranium-235, où il se désintègre pour former l’actinium-227, étant ainsi le « parent » de l’actinium.
Cette découverte a illustré à la fois la collaboration internationale et la concurrence dans la radiochimie du début du XXe siècle. Malgré leurs travaux menés pendant la Première Guerre mondiale, des scientifiques de différents pays ont partagé des informations et se sont appuyés sur les travaux les uns des autres, démontrant le caractère universel de la recherche scientifique, même en période de conflit.
L’isolement du protactinium a nécessité la mise au point de nouvelles techniques radiochimiques pour manipuler des quantités extrêmement faibles de matériaux hautement radioactifs. Les méthodes développées pour la séparation du protactinium sont devenues des techniques fondamentales utilisées dans toute la chimie nucléaire et continuent d’influencer les pratiques radiochimiques modernes.
Applications
Le protactinium sert principalement d’outil de recherche en physique nucléaire et dans les laboratoires de radi chimie. Les scientifiques utilisent les isotopes du protactinium pour étudier les processus de désintégration nucléaire, les mécanismes d’émission alpha et les propriétés fondamentales des éléments actinides. Sa position entre le thorium et l’uranium le rend essentiel pour comprendre la transition entre les éléments transuraniens naturels et artificiels.
L’application pratique la plus importante du protactinium est son utilisation dans les méthodes de datation uranium-protactinium des échantillons géologiques. La chaîne de désintégration de l’uranium-235 en protactinium-231 fournit une méthode fiable pour dater les sédiments marins et déterminer l’âge de formations géologiques s’étendant sur des centaines de milliers d’années, particulièrement utile pour les recherches en paléoclimatologie.
Les isotopes du protactinium sont précieux pour étudier la systématique de la désintégration alpha et les théories de la structure nucléaire. Les chercheurs utilisent le protactinium-233 et d’autres isotopes pour tester les modèles de stabilité nucléaire, étudier l’effet tunnel de la mécanique quantique dans la désintégration alpha et comprendre les propriétés nucléaires qui influencent les taux de désintégration radioactive.
De petites quantités de protactinium sont utilisées dans l’enseignement avancé de la chimie nucléaire et dans les programmes de formation destinés aux scientifiques et aux techniciens du nucléaire. Sa demi-vie relativement longue (protactinium-231 : 32,760 ans) le rend adapté aux expériences de laboratoire contrôlées portant sur la désintégration radioactive et les principes de la chimie nucléaire.
Les recherches sur le protactinium contribuent à comprendre la stabilité des éléments superlourds et à prédire les propriétés des éléments encore inconnus. Les études des propriétés chimiques et nucléaires du protactinium aident à valider les modèles théoriques utilisés pour prédire le comportement des éléments au-delà du tableau périodique actuel.
L’utilisation moderne principale du protactinium est la datation radiométrique des sédiments marins et des échantillons géologiques. La méthode de datation Pa-231/U-235 est particulièrement utile pour dater des matériaux âgés de 10,000 à 300,000 ans, comblant une lacune essentielle des techniques de géochronologie.
Les institutions scientifiques utilisent le protactinium pour la recherche en chimie nucléaire, l’étude du comportement des actinides et la formation des scientifiques du nucléaire. Ses propriétés en font un élément de référence important pour comprendre l’ensemble de la série des actinides et mettre au point des techniques de manipulation d’autres matériaux radioactifs.
Les rapports de protactinium dans les sédiments océaniques contribuent à reconstituer les conditions climatiques passées et les schémas de circulation océanique. Les scientifiques utilisent les rapports Pa-231/Th-230 pour étudier les changements de la circulation de l’océan Atlantique et comprendre les variations du climat à l’échelle des temps géologiques.
Les chercheurs utilisent les isotopes du protactinium pour étudier les mécanismes de désintégration nucléaire et tester les modèles théoriques de la structure nucléaire. Ces études contribuent à notre compréhension fondamentale des noyaux atomiques et des processus de désintégration radioactive.
D’où il vient
1,40e-6 mg/kg de la croûte terrestre · plus abondant que 29 % des éléments
Le protactinium existe naturellement en quantités extrêmement faibles dans les minerais d’uranium, avec des concentrations généralement proches de 1-3 parties par billion. Il se forme comme produit intermédiaire de la chaîne de désintégration de l’uranium-235, où l’uranium-235 se désintègre en plusieurs étapes pour finalement produire du protactinium-231.
On trouve du protactinium naturel partout où existent des gisements d’uranium, notamment dans les principales régions productrices d’uranium du Canada, de l’Australie, du Kazakhstan, du Niger et des États-Unis. Toutefois, les quantités sont si infimes que l’extraction à partir de sources naturelles n’est pas réalisable à des fins commerciales.
Les sédiments marins contiennent des traces mesurables de protactinium-231 déposées au cours des temps géologiques par la désintégration naturelle de l’uranium. Ces dépôts, bien que très dilués, suffisent pour les applications de datation radiométrique et les recherches en paléoclimatologie. Les carottes de sédiments océaniques constituent la principale source de protactinium naturel pour les études scientifiques.
La quasi-totalité du protactinium utilisé pour la recherche est produite artificiellement dans des réacteurs nucléaires par bombardement neutronique de cibles de thorium-230. Ce processus produit du protactinium-231, qui peut être séparé chimiquement du matériau cible pour être utilisé dans des applications scientifiques.
Le protactinium naturel est constitué presque entièrement de l’isotope Pa-231 (demi-vie : 32,760 ans), avec des traces d’isotopes à vie plus courte provenant de diverses chaînes de désintégration. La quantité totale de protactinium naturel dans la croûte terrestre est estimée à moins de quelques centaines de kilogrammes dans le monde.
Manipulation
Protactinium est radioactif. Il ne possède aucun isotope stable : chaque noyau se désintègre. Sa manipulation exige un blindage et des autorisations appropriés.
DANGER : Le protactinium est extrêmement radioactif et toxique. Tous les isotopes présentent des risques importants pour la santé en raison des rayonnements alpha, le protactinium-231 ayant une demi-vie de 32,760 ans, ce qui en fait un danger de contamination à long terme.
L’exposition au protactinium peut provoquer un syndrome d’irradiation aiguë, accroître le risque de cancer et causer de graves lésions tissulaires. Les particules alpha issues de la désintégration du protactinium sont particulièrement dangereuses en cas d’inhalation ou d’ingestion, car elles peuvent causer d’importants dommages cellulaires et des lésions de l’ADN dans les organes internes.
Le protactinium ne doit être manipulé que dans des installations nucléaires spécialisées disposant d’un blindage approprié, d’équipements de manipulation à distance et de protocoles de sécurité complets. Le personnel doit recevoir une formation avancée en radioprotection et faire l’objet d’une surveillance médicale continue en raison des dangers extrêmes encourus.
Toute contamination présumée au protactinium exige une évacuation immédiate et des procédures spécialisées de décontamination. La réponse d’urgence doit faire intervenir des professionnels qualifiés de la radioprotection et des spécialistes en médecine nucléaire formés à la gestion des incidents de contamination radioactive grave.
Réponses rapides
Protactinium (symbole Pa) est l’élément 91 du tableau périodique, un actinide de la période 7. L’un des éléments naturels les plus rares et les plus coûteux — l’extraction de 125 g a autrefois coûté un demi-million de dollars. À température ambiante, c’est un solide et il est radioactif.
[Rn] 5f² 6d¹ 7s² ; elle comporte 7 couches occupées, avec la répartition 2, 8, 18, 32, 20, 9, 2.Protactinium fond à 1845 K (1571.9 °C) et bout à 4300 K (4026.9 °C).
La masse atomique standard de Protactinium est de 231.036 u. Il s’agit d’une moyenne pondérée de ses isotopes présents naturellement, ce qui explique qu’elle soit rarement un nombre entier.
Protactinium a une masse volumique de 15.37 g/cm³. L’eau a une masse volumique de 1.0 g/cm³ ; un bloc de Protactinium est donc environ 15.4× plus lourd.
Protactinium a une électronégativité de Pauling de 1.5. L’échelle va de 0.70 (le francium, le moins attiré par les électrons) à 3.98 (le fluor, le plus attiré). Les valeurs de cette plage intermédiaire tendent à former des liaisons covalentes plutôt que des liaisons fortement ioniques.
Protactinium a été découvert en 1913 par Fajans & Gohring. Il porte le nom de grec protos + actinium, « avant l’actinium ».
Protactinium constitue environ 1.40e-6 mg/kg de la croûte terrestre — véritablement rare, ce qui explique son prix élevé.
Oui. Protactinium ne possède aucun isotope stable — chacun de ses noyaux se désintègre. De faibles quantités sont présentes naturellement comme produits de désintégration d’éléments plus lourds.