Строение
Это не схема из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место протактиний занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 179 pm — that is 0.179 nm, so about 2793 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Протактиний is liquid over a 2455 K window, from 1845 K to 4300 K.
История
One of the rarest and most expensive natural elements — extracting 125 g once cost half a million dollars.
История открытия протактиния сложна и связана с несколькими конкурирующими утверждениями. Первые свидетельства были получены в 1913 году Казимежем Фаянсом и Освальдом Хельмутом Гёрингом, немецкими исследователями, которые обнаружили короткоживущий изотоп (Pa-234m) и назвали его «brevium» из-за короткого периода полураспада — чуть более одной минуты.
Более долгоживущий и значимый изотоп протактиний-231 был открыт в 1917 году британскими учёными Фредериком Содди и Джоном Крэнстоном, работавшими независимо от Отто Гана и Лизы Мейтнер в Германии. Обе группы изучали ряд распада урана и обнаружили один и тот же долгоживущий изотоп.
Первое успешное выделение металлического протактиния было осуществлено в 1927 году Аристидом фон Гроссе, который получил 2 миллиграмма Pa₂O₅ примерно из 2 тонн остатков урановой смоляной руды. Это стало результатом многолетней кропотливой работы по химическому разделению, включавшей тысячи дробных кристаллизаций.
Название элемента изменилось с «brevium» на «protactinium» (что означает «перед актинием»), когда был охарактеризован долгоживущий изотоп Pa-231. Это название отражает его положение в цепочке распада урана-235: при распаде он образует актиний-227 и, следовательно, является «родителем» актиния.
Открытие стало примером как международного сотрудничества, так и конкуренции в радиохимии начала XX века. Несмотря на работу во время Первой мировой войны, учёные из разных стран обменивались информацией и развивали идеи друг друга, демонстрируя универсальный характер научного поиска даже во время конфликтов.
Выделение протактиния потребовало разработки новых радиохимических методов обращения с чрезвычайно малыми количествами высокорадиоактивных материалов. Методы, разработанные для разделения протактиния, стали фундаментальными методами ядерной химии и продолжают влиять на современные радиохимические практики.
Применение
Протактиний используется главным образом как инструмент для исследований в области ядерной физики и в радиохимических лабораториях. Учёные используют изотопы протактиния для изучения процессов ядерного распада, механизмов альфа-излучения и фундаментальных свойств актиноидов. Его положение между торием и ураном имеет важное значение для понимания перехода от природных к искусственным трансурановым элементам.
Наиболее значимое практическое применение протактиния — методы уран-протактиниевого датирования геологических образцов. Цепочка распада урана-235 до протактиния-231 обеспечивает надёжный метод датирования морских осадков и определения возраста геологических образований, сформировавшихся сотни тысяч лет назад; этот метод особенно полезен для исследований палеоклимата.
Изотопы протактиния важны для изучения закономерностей альфа-распада и теорий ядерного строения. Исследователи используют протактиний-233 и другие изотопы для проверки моделей ядерной стабильности, изучения эффекта квантово-механического туннелирования при альфа-распаде и понимания ядерных свойств, влияющих на скорость радиоактивного распада.
В аналитической химии соединения протактиния служат индикаторами и эталонными стандартами для изучения химического поведения актиноидов. Уникальные химические свойства элемента помогают исследователям разрабатывать методы разделения других радиоактивных элементов и изучать химию актиноидов в различных химических средах.
Небольшие количества протактиния используются в углублённом обучении ядерной химии и программах подготовки ядерных физиков и техников. Его относительно длительный период полураспада (протактиний-231: 32,760 лет) делает его подходящим для контролируемых лабораторных экспериментов по изучению радиоактивного распада и принципов ядерной химии.
Исследования протактиния помогают понять стабильность сверхтяжёлых элементов и предсказывать свойства ещё не открытых элементов. Изучение химических и ядерных свойств протактиния помогает проверять теоретические модели, используемые для прогнозирования поведения элементов за пределами современной периодической таблицы.
Основное современное применение протактиния — радиометрическое датирование морских осадков и геологических образцов. Метод датирования Pa-231/U-235 особенно ценен для определения возраста материалов от 10,000 до 300,000 лет, заполняя важный пробел в геохронологических методах.
Научные учреждения используют протактиний для исследований в области ядерной химии, изучения поведения актиноидов и подготовки ядерных физиков. Его свойства делают его важным эталонным элементом для понимания всего ряда актиноидов и разработки методов обращения с другими радиоактивными материалами.
Соотношения протактиния в океанских осадках помогают реконструировать климатические условия прошлого и характер океанской циркуляции. Учёные используют соотношения Pa-231/Th-230 для изучения изменений циркуляции в Атлантическом океане и понимания того, как менялся климат на протяжении геологических периодов.
Исследователи используют изотопы протактиния для изучения механизмов ядерного распада и проверки теоретических моделей ядерного строения. Эти исследования способствуют фундаментальному пониманию атомных ядер и процессов радиоактивного распада.
Откуда он берётся
1.40e-6 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 29% of elements
В природе протактиний встречается в чрезвычайно малых количествах в урановых рудах — обычно около 1-3 частей на триллион. Он образуется как промежуточный продукт цепочки распада урана-235, в которой уран-235 после нескольких стадий распада в конечном итоге образует протактиний-231.
Природный протактиний можно обнаружить везде, где существуют месторождения урана, в том числе в основных регионах добычи урана в Канаде, Австралии, Казахстане, Нигере и Соединённых Штатах. Однако его количества настолько малы, что извлечение из природных источников непрактично для любых коммерческих целей.
Морские осадки содержат измеримые следовые количества протактиния-231, отложившиеся на протяжении геологического времени в результате естественного распада урана. Эти отложения, несмотря на чрезвычайно низкую концентрацию, достаточны для радиометрического датирования и исследований палеоклимата. Основным источником природного протактиния для научных исследований служат керны океанских осадков.
Практически весь протактиний, используемый для исследований, получают искусственно в ядерных реакторах посредством облучения мишеней из тория-230 нейтронами. В результате этого процесса образуется протактиний-231, который можно химически отделить от материала мишени для использования в научных целях.
Природный протактиний почти полностью состоит из изотопа Pa-231 (период полураспада: 32,760 лет), с примесями изотопов с более коротким периодом полураспада из различных цепочек распада. По оценкам, общее количество природного протактиния в земной коре составляет менее нескольких сотен килограммов во всём мире.
Обращение
Протактиний радиоактивен. It has no stable isotope — every nucleus decays. Для обращения требуются соответствующие средства защиты и лицензия.
ОПАСНОСТЬ: Протактиний чрезвычайно радиоактивен и токсичен. Все изотопы представляют значительный риск для здоровья из-за альфа-излучения; период полураспада протактиния-231 составляет 32,760 лет, поэтому он создаёт долгосрочную опасность загрязнения.
Воздействие протактиния может вызвать острый лучевой синдром, повысить риск развития рака и привести к тяжёлому повреждению тканей. Альфа-частицы, образующиеся при распаде протактиния, особенно опасны при вдыхании или проглатывании, поскольку могут вызвать значительное повреждение клеток и ДНК внутренних органов.
С протактинием разрешается работать только в специализированных ядерных учреждениях, оснащённых надлежащей защитой, оборудованием для дистанционного обращения и обширными протоколами безопасности. Персоналу необходимы углублённая подготовка по радиационной безопасности и постоянный медицинский контроль из-за чрезвычайной опасности этого вещества.
При любом подозрении на загрязнение протактинием требуются немедленная эвакуация и специализированные процедуры дезактивации. В аварийных работах должны участвовать квалифицированные специалисты по радиационной безопасности и специалисты по ядерной медицине, обученные действиям при тяжёлом радиоактивном загрязнении.
Краткие ответы
Протактиний (symbol Pa) is element 91 on the periodic table, a актиноид 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.Протактиний melts at 1845 K (1571.9 °C) and boils at 4300 K (4026.9 °C).
The standard atomic weight of Протактиний is 231.036 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Протактиний has a density of 15.37 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of протактиний is about 15.4× heavier.
Протактиний 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.
Протактиний was discovered in 1913 by Fajans & Gohring. It is named after greek protos + actinium, "before actinium".
Протактиний makes up about 1.40e-6 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.
Yes. Протактиний has no stable isotope — every one of its nuclei decays. Trace amounts occur naturally as decay products of heavier elements.