Protactinium (Pa): λήψη, εφαρμογές, ιστορικό

Ο πρωτακτίνιο, σύμβολο Pa, είναι το στοιχείο με αριθμό 91 του Περιοδικός Πίνακας. Σπάνιο και δύσκολο να αποκτηθεί, υπάρχουν λίγες εφαρμογές αυτού του στοιχείου. Είναι γνωστό, ωστόσο, ότι η πιο σταθερή κατάσταση οξείδωσης είναι +5, με χημική συμπεριφορά που μοιάζει με ταντάλιο και νιόβιο. Είναι το πρώτο στοιχείο της σειράς ακτινιδών που έχει ηλεκτρόνια στο υποεπίπεδο f.

Αυτό το στοιχείο έχει υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασίες κάτω από 1,4 Κ, επιπλέον των 29 γνωστών ισοτόπων. Από αυτά, μόνο δύο είναι φυσικά: αυτό με μάζα 231 και αυτό με μάζα 234. Το μεγαλύτερο μέρος του πρωτακτινίου λαμβάνεται από πυρηνικά απόβλητα ουρανίου. Ο Pa ανακαλύφθηκε μέσω εργασιών που έλαβαν χώρα τη δεκαετία του 1910.

Διαβάστε επίσης: Nobelium — ένα άλλο στοιχείο που ανήκει στην ομάδα των ακτινιδών

Θέματα σε αυτό το άρθρο

• 1 - Περίληψη για το protactinium
• 2 - Ιδιότητες του πρωτακτινίου
• 3 - Χαρακτηριστικά του πρωτακτινίου
• 4 - Πού μπορεί να βρεθεί το πρωτακτίνιο;
• 5 - Λήψη πρωτακτινίου
• 6 - Προφυλάξεις με το πρωτακτίνιο
• 7 - Εφαρμογές πρωτακτινίου
• 8 - Ιστορικό του πρωτακτινίου
• 9 - Λυμένες ασκήσεις στο πρωτακτίνιο

Περίληψη για το protactinium

• Το πρωτακτίνιο είναι α μέταλλο που ανήκουν στο τμήμα f του Περιοδικού Πίνακα.

• Σε μεταλλική μορφή, είναι όλκιμο και εύπλαστο.

• Σε διάλυμα, το κύριο NOx του είναι +5, όπως το ταντάλιο και το νιόβιο.

• Έχει 29 γνωστά ισότοπα, μόνο δύο από τα οποία βρίσκονται στη φύση: μάζα 231 και 234.

• Είναι δύσκολο να ληφθεί και να εξαχθεί. Η κύρια φυσική του πηγή είναι τα πυρηνικά απόβλητα ουρανίου.

• Δεν υπάρχουν σχεδόν γνωστές εφαρμογές για το πρωτακτίνιο, αν και είναι γνωστό ότι είναι εξαιρετικά επικίνδυνο.

Μη σταματάς τώρα... Υπάρχουν και άλλα μετά τη διαφήμιση ;)

Ιδιότητες πρωτακτινίου

• Σύμβολο: Φτυάρι.

• Ατομικός αριθμός: 91.

• Ατομική μάζα: 231.03588 κ.υ.σ.

• Ηλεκτραρνητικότητα: 1,5.

• Σημείο σύντηξης: 1572°C.

• Σημείο βρασμού: 4000°C.

• Πυκνότητα: 15,37 γρ.εκ^-3 (υπολογισμένο).

• Ηλεκτρονική διαμόρφωση: [Rn] 7s² 5στ² 6δ¹.

• Χημική σειρά: ακτινίδες, μπλοκ f, εσωτερικά μεταβατικά στοιχεία.

Χαρακτηριστικά του πρωτακτινίου

το πρωτακτίνιο, ατομικός αριθμός 91 και σύμβολο Pa, είναι ένα από τα στοιχεία που ονομάζεται ακτινίδες. αν και στοιχείο σπάνιο και δύσκολο να αποκτηθεί, είναι γνωστό ότι το Pa, στη μεταλλική του μορφή, είναι όλκιμο και ελατό. Δεν οξειδώνεται σε επαφή με τον αέρα σε θερμοκρασία δωματίου, η οποία αλλάζει με την αύξηση της θερμοκρασίας.

Η κύρια κατάσταση οξείδωσής του είναι +5, που μοιάζει με τα στοιχεία ταντάλιο και νιόβιο, κατά κάποιο τρόπο, όσον αφορά τη χημική συμπεριφορά σε υδατικό διάλυμα. Το Protactinium είναι επίσης το πρώτο στη σειρά ακτινιδών που έχει α ηλεκτρόνιο στο υποεπίπεδο f (πιο συγκεκριμένα 5f), με ενδιάμεσες ιδιότητες μεταξύ αυτών των θόριο Είναι από ουράνιο.

δέχεται επίθεση από υδροχλωρικό οξύ (8 mol. μεγάλο^-1), οξύ υδροφθορικό οξύ (12 mol. μεγάλο^-1) και θειικό οξύ (2,5 mol. μεγάλο^-1). Ακόμα στις αντιδραστικές του πτυχές, το πρωτακτίνιο μπορεί να αντιδράσει με το Ο₂, Χ₂O ή CO₂ σε θερμοκρασία μεταξύ 300 και 500 °C, παράγοντας το οξείδιο Pa₂Ο₅.

Με αμμωνία (NH₃), το πρωτακτίνιο αντιδρά σχηματίζοντας PaN₂, και με το αέριο υδρογόνο (Η₂), υπάρχει ο σχηματισμός PaH₃. Ανάμεσα σε αλογόνα, το πρωτακτίνιο αντιδρά με ιώδιο (ΕΓΩ₂) σε θερμοκρασία περίπου 400 °C για να σχηματιστεί PaI₅.

το πρωτακτίνιο ανγίνεται υπεραγωγός σε θερμοκρασία 1,4 Κ. Επιπλέον, παρατηρήθηκε ότι τέτοιες ιδιότητες ήταν συνέπεια του υποεπίπεδου 5f στη δομή του, γεγονός που έκανε προφανές ότι το Pa θα ήταν στην πραγματικότητα μια ακτινίδη.

Είναι γνωστά 29 ισότοπα του πρωτακτινίου, τονίζοντας μόνο τα ισότοπα ²³¹πα και ²³⁴Pa, που είναι φυσικά, και το ²³³Pa, που παράγεται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Μεταξύ αυτών, αυτό με το μεγαλύτερο ημιζωή και το ²³¹Pa, με 3,28 x 10⁴ χρονών.

Πού μπορεί να βρεθεί το πρωτακτίνιο;

Σε γεωλογικούς όρους, ο χρόνος ημιζωής του πρωτακτινίου (²³¹Pa) είναι πολύ μικρό. Επομένως, οποιοδήποτε και όλο το πρωτακτίνιο βρίσκεται στη φύση προέρχεται από τη ραδιενεργή διάσπαση του ²³⁵u.

Το θέμα είναι ότι, αν και το ουράνιο κατανέμεται καλά σε όλη την φλοιός της γης (με μέση περιεκτικότητα 2,7 ppm), μόνο το 0,711% αυτής της μάζας αντιστοιχεί στο ισότοπο μάζας 235 του ουρανίου. Με τον τρόπο αυτό εκτιμάται ότι η μέση περιεκτικότητα σε πρωτακτίνιο είναι 8,7 x 10^-7 ppm.

Λήψη πρωτακτινίου

Η εξαγωγή του στοιχείου 91 είναι μια από τις πιο δύσκολες μέσω φυσικών πηγών.. Μέχρι τότε το πρωτακτίνιο δεν έχει παραχθεί σε μεγάλη κλίμακα, καθώς δεν υπάρχει εμπορικό ενδιαφέρον. Οι μετρήσιμες ποσότητες αυτού του στοιχείου λαμβάνονται γενικά από απόβλητα ουρανίου.

Επί πλέον, κλασικές τεχνικές καθαρισμού, όπως οι ρητίνες ανταλλαγής ιόντων, η καθίζηση και η κρυστάλλωση, εκτός από την εκχύλιση με διαλύτη και τη χρωματογραφία, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη λήψη ενός προϊόντος πλουσιότερου σε πρωτακτίνιο.

Το 1959 και το 1961 ανακοινώθηκε ότι η Αρχή Ατομικής Ενέργειας της Μεγάλης Βρετανίας εξήγαγε, με μια διαδικασία 12 βήματα, 125 g 99,9% καθαρού πρωτακτινίου από 60 τόνους απορριμμάτων, με κόστος περίπου US$ 500.000.

Μάθετε περισσότερα: Αντιμόνιο — στοιχείο που θεωρείται σπάνιο και χρησιμοποιείται από την αρχαιότητα

Προφυλάξεις με το Protactinium

Το πρωτακτίνιο είναι πολύ επικίνδυνο και τοξικό. Αυτό καθιστά αναγκαία την υιοθέτηση προφυλάξεις χειρισμού παρόμοιες με το πλουτώνιο. Υπολογίζεται ότι το πρωτακτίνιο που διασπείρεται στον αέρα με τη μορφή αερολύματος μπορεί να είναι έως και 250 εκατομμύρια φορές πιο τοξικό από το υδροκυανικό οξύ στις ίδιες συγκεντρώσεις.

Εφαρμογές πρωτακτινίου

Όλη η τοξικότητα του πρωτακτινίου, που προστίθεται στο γεγονός ότι είναι ένα στοιχείο που είναι δύσκολο να εξαχθεί, περιορίζει τις εφαρμογές του. Ανάμεσα στις λίγες γνωστές εφαρμογές, το πρωτακτίνιο έχει ήδη χρησιμοποιηθεί σε σπινθηριστές για ανίχνευση ακτίνων Χ. Έχει επίσης χρησιμοποιηθεί για χρονολόγηση παλαιών αντικειμένων, μέσω της σχέσης ²³¹Φτυάρι/²³⁵U.

ιστορικό πρωτακτινίου

Ο Mendeleev προέβλεψε το στοιχείο 91 στον κενό χώρο μεταξύ θορίου και ουρανίου του Περιοδικού σας Πίνακα. Το ονόμασε «εκα-ταντάλιο», δίνοντάς του μια κατά προσέγγιση ατομική μάζα 235 και προέβλεψε ότι οι χημικές του ιδιότητες θα ήταν παρόμοιες με εκείνες του νιοβίου και του τανταλίου.

Ωστόσο, Μόλις το 1913 ο Kasimir Fajans και ο μαθητής του Oswald Göhring εντόπισαν το στοιχείο 91, βασισμένο σε πειράματα και προηγούμενες εργασίες του Έρνεστ Ράδερφορντ και Frederick Soddy.

Το νέο στοιχείο, που στην πραγματικότητα ήταν το ^{234 μ}Στο Pa (ένα μετασταθερό ισομερές του πρωτακτινίου-234), δόθηκε το όνομα «brevius» (σύμβολο Bv), λόγω της σύντομης ύπαρξής του: μόνο ένα λεπτό ημιζωής.

Ταυτόχρονα, υπήρχε ένα άλλο πρόβλημα εκείνη την εποχή: η προέλευση του ακτίνιο (Ac), στοιχείο 89. Ήταν ήδη γνωστό ότι το Ac δεν θα μπορούσε να είναι το κύριο ραδιενεργό στοιχείο, αφού ο χρόνος ημιζωής του ήταν περίπου 30 χρόνια, αλλά δεν ήταν γνωστό ποια σειρά αποσύνθεσης το παρήγαγε.

Από εκεί, ο Frederick Soddy πρότεινε ότι το στοιχείο που θα προκαλούσε το ακτίνιο θα ήταν ένας εκπομπός σωματιδίων άλφα, τοποθετημένος στην ομάδα 5 του Περιοδικού Πίνακα, μετά το ταντάλιο. Το όνομα "eka-tantalus" χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια για να δηλώσει αυτό το στοιχείο.

Αναμνηστικό γραμματόσημο της επιστήμονας Lise Meitner.

Μέχρι που τον Μάρτιο του 1918, ξεπερνώντας τον Soddy, Η Lise Meitner και ο Otto Hahn ανακάλυψαν το ισότοπο ²³¹Φτυάρι, ο οποίος έλαβε την κωδική ονομασία «abracadabra» στην αλληλογραφία του. Στην πραγματικότητα, αυτό το νέο στοιχείο παρήγαγε ακτίνιο με εκπομπή σωματιδίων άλφα και έλαβε το όνομα protactinium και από τα δύο, που σημαίνει «συγγενής του ακτινίου». Αυτή η ονοματολογία για το στοιχείο 91 κατέληξε να επικαλύπτεται με το «σύντομο» του Fajans και του Göhring, αφού ο χρόνος ημιζωής του ²³¹Ο Πα είναι περίπου 32 χιλιάδων ετών.

Λυμένες ασκήσεις στο πρωτακτίνιο

ερώτηση 1

Αν και μια ακτινίδη, το πρωτακτίνιο, σύμβολο Pa, έχει την ίδια κατάσταση οξείδωσης με το νιόβιο και το ταντάλιο (+5). Ίσως γι' αυτό, την εποχή της ανακάλυψής του, ονομαζόταν "eka-tantalum". Σε ποια από τις παρακάτω ενώσεις το πρωτακτίνιο εμφανίζει την προαναφερθείσα κατάσταση οξείδωσης;

Α) PaBr₂

Β) PaH₃

Γ) PaCl₄

Δ) Πα₂Ο₅

Και πατέρας

Ανάλυση:

Εναλλακτική Δ

Αλογόνα, απουσία άτομο σε οξυγόνο στον τύπο, έχουν φορτίο ίσο με -1. Το υδρογόνο έχει φορτίο ίσο με +1. Το οξυγόνο έχει φορτίο -2. Έτσι, ο υπολογισμός του NOx του πρωτακτινίου σε κάθε ουσία δίνεται ως εξής:

• paBr₂: x + 2(–1) = 0 → x = +2; τόσο λάθος απάντηση.

• PaH₃: x + 3(+1) = 0 → x + 3 = 0 → x = -3; τόσο λάθος απάντηση.

• PaCl₄: x + 4(–1) = 0 → x – 4 = 0 → x = +4; τόσο λάθος απάντηση.

• Φτυάρι₂Ο₅: 2x + 5(–2) = 0 → 2x – 10 = 0 → x = +5; άρα σωστή απάντηση.

• PaI: x + (–1) = 0 → x – 1 = 0 → x = +1; τόσο λάθος απάντηση.

Ερώτηση 2

Αρχικά, το πρωτακτίνιο, το στοιχείο 91, ονομαζόταν «brevius», σύμβολο Bv, αφού το πρώτο του ισότοπο, το 234, είχε περίπου ένα λεπτό χρόνο ημιζωής. Ποιο είναι το προκύπτον ποσοστό μάζας του «συνοπτικού» ισοτόπου μετά από πέντε λεπτά παρασκευής του;

Α) 50%

Β) 25%

Γ) 12,5%

Δ) 6,25%

Ε) 3,125%

Ανάλυση:

Εναλλακτική Ε

Ο χρόνος ημιζωής χαρακτηρίζεται από το χρόνο που απαιτείται για να μειωθεί στο μισό η μάζα του ραδιενεργού δείγματος. Εάν ο χρόνος ημιζωής είναι ένα λεπτό, σημαίνει ότι κάθε λεπτό η μάζα μειώνεται στο μισό.

Έτσι, σε πέντε λεπτά, η μάζα έπεσε από 2⁵, ίδιο με το 1/32 της αρχικής μάζας. Έτσι, η υπόλοιπη μάζα είναι 3,125%.

Του Stefano Araújo Novais
Καθηγητής Χημείας