Строение
Это не диаграмма 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 химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение протактиний среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 163 pm — это 0,163 нм, поэтому около 3,07 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Протактиний находится в жидком состоянии в диапазоне 2455 K — от 1845 K до 4300 K.
История
Один из самых редких и дорогих природных элементов: добыча 125 г когда-то стоила полмиллиона долларов.
История открытия протактиния сложна и связана с несколькими конкурирующими претензиями. Первые свидетельства были получены в 1913 году Казимierz Fajans и Oswald Helmuth Göhring, 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 Frederick Soddy и John Cranston, работавшими независимо от Otto Hahn и Lise Meitner в Германии. Обе группы исследовали ряд распада урана и обнаружили один и тот же долгоживущий изотоп.
Первое успешное выделение металлического протактиния было выполнено в 1927 году Aristid von Grosse, который получил 2 миллиграмма Pa₂O₅ примерно из 2 тонн остатка урановой смолки. Это стало результатом многолетней кропотливой работы по химическому разделению, включавшей тысячи дробных кристаллизаций.
Название элемента изменили 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 поэтому является «родительским» изотопом актиния.
Это открытие стало примером международного сотрудничества и соперничества 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 работы 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 исследований в ядерной физике и радиохимических лабораториях. Учёные используют изотопы протактиния для изучения процессов ядерного распада, механизмов альфа-излучения и фундаментальных свойств актиноидных элементов. Его положение между торием и ураном имеет решающее значение для понимания перехода от встречающихся в природе 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 отложений и определения возраста геологических формаций, сформировавшихся за сотни тысяч лет; этот метод особенно полезен для исследований палеоклимата.
Изотопы протактиния важны для изучения закономерностей альфа-распада и теорий ядерной структуры. Исследователи используют протактиний-233 и другие изотопы для проверки моделей ядерной устойчивости, изучения эффекта квантово-механического туннелирования при альфа-распаде и понимания ядерных свойств, влияющих на скорости радиоактивного распада.
Небольшие количества протактиния используются в углублённом обучении ядерной химии и учебных программах для специалистов и техников в области ядерной энергетики. Его относительно большой период полураспада (протактиний-231: 32,760 лет) делает его подходящим для контролируемых лабораторных экспериментов по изучению радиоактивного распада и принципов ядерной химии.
Исследования протактиния способствуют пониманию устойчивости сверхтяжёлых элементов и прогнозированию свойств 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 отложений 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 обучения специалистов в области ядерной науки. Его свойства делают его важным эталонным элементом для понимания всего ряда актиноидов и разработки методов обращения с другими радиоактивными материалами.
Соотношения протактиния в океанских отложениях помогают реконструировать условия климата прошлого и схемы циркуляции океана. Учёные используют соотношения Pa-231/Th-230 для изучения изменений циркуляции в Атлантическом океане и понимания изменений климата в геологических масштабах времени.
Исследователи используют изотопы протактиния для изучения механизмов ядерного распада и проверки теоретических моделей ядерной структуры. Эти исследования способствуют фундаментальному пониманию атомных ядер и процессов радиоактивного распада.
Откуда он происходит
1,40e-6 мг/кг земной коры · более распространён, чем 29% элементов
Протактиний встречается в природе в чрезвычайно малых количествах в составе урановых руд — обычно около 1-3 частей на триллион. Он образуется как промежуточный продукт цепочки распада урана-235, в которой уран-235 проходит через несколько стадий распада и в конечном итоге образует протактиний-231.
Природный протактиний можно найти везде, где существуют месторождения урана, включая основные уранодобывающие регионы Канады, Австралии, Казахстана, Нигера и США. Однако его количества настолько малы, что извлечение из природных источников непрактично для любых коммерческих целей.
Морские отложения содержат измеримые следовые количества протактиния-231, накопившиеся за геологическое время в результате естественного распада урана. Эти отложения, несмотря на чрезвычайно низкую концентрацию, достаточны для радиометрического датирования и исследований палеоклимата. Керны океанских отложений являются основным источником природного протактиния для научных исследований.
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), а также содержит следовые количества короткоживущих изотопов из различных цепочек распада. По оценкам, общее количество природного протактиния в земной коре составляет менее нескольких сотен килограммов по всему миру.
Обращение
Протактиний радиоактивен. У него нет стабильных изотопов — каждое ядро распадается. 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, что делает его источником долгосрочной опасности загрязнения.
Воздействие протактиния может вызвать острый радиационный 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 объектах, оснащённых соответствующей защитой, оборудованием для дистанционной работы и обширными протоколами безопасности. Персоналу необходимы углублённая подготовка по радиационной безопасности и постоянный медицинский контроль из-за чрезвычайной опасности.
При любом подозрении на загрязнение протактинием требуются немедленная эвакуация и специальные процедуры дезактивации. В аварийные работы должны быть привлечены квалифицированные специалисты по радиационной безопасности и специалисты по ядерной медицине, обученные ликвидации последствий серьёзных инцидентов с радиоактивным загрязнением.
Краткие ответы
Протактиний (символ Pa) — элемент 91 в периодической таблице, представитель семейства Актиноид в 7 периоде. Один из самых редких и дорогих природных элементов: добыча 125 г когда-то стоила полмиллиона долларов. При комнатной температуре это твёрдое вещество, и оно радиоактивно.
[Rn] 5f² 6d¹ 7s²; она включает 7 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 32, 20, 9, 2.Протактиний плавится при 1845 K (1571.9 °C) и кипит при 4300 K (4026.9 °C).
Стандартная атомная масса Протактиний составляет 231.036 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Протактиний составляет 15.37 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Протактиний примерно в 15.4× тяжелее.
Электроотрицательность Протактиний по шкале Полинга составляет 1.5. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Протактиний был открыт в 1913 году Fajans & Gohring. Назван в честь греческое protos + actinium, «до актиния».
На долю Протактиний приходится около 1.40e-6 мг/кг земной коры — это действительно редкий элемент, поэтому он дорог.
Да. Протактиний не имеет стабильных изотопов — каждое его ядро распадается. Следовые количества естественным образом образуются как продукты распада более тяжёлых элементов.