Протактиниум (порано протоактиниум ) — хемиски елемент со симбол Pa и атомски број 91. Тој е густ, сребрено-сив актиноид метал кој лесно реагира со кислород , водена пареа и неоргански киселини. Формира различни хемиски соединенија во кои протокиниум обично е присутен во оксидациската состојба +5, но исто така може да претпостави +4, па дури и +3 или +2 состојби. Концентрациите на пропактиниум во Земјината кора обично се неколку делови на трилиони, но може да достигнат и до неколку делови на милион во некои депозити на уранинат руда. Поради нејзиниот недостиг, висока радиоактивност и висока токсичност, во моментов нема употреба на протактиниум надвор од научните истражувања, а за таа цел, протактинумнајчесто е извлечен од потрошено јадрено гориво.
Протактиниумот првпат беше идентификуван во 1913 година од страна на Касимир Фаџанс и Освалд Хемут Геринг и го нарече бревиум поради краткиот полуживот на изучениот специфичен изотоп , т.е. пропактиниум-234. Постабилен изотоп на пропактиниум, 231 Па, бил откриен во 1917/18 од Ото Хан и Лизе Мејтнер , и тие го избрале името прото-актиниум, но ИУПАК конечно го нарекол "протокиниум" во 1949 година и ги потврдил Хан и Мејтнер како откривачи. Новото име значело „(јадрен) претходник на актиниум“ и се рефлектирало дека актиниумот е производ на радиоактивното распаѓање на протокиниум. Џон Арнолд Кранстон (кој работи со Фредерик Содди и Ада Хичкин ) исто така е заслужен за откривање на најстабилниот изотоп во 1915 година, но го одложи неговото соопштение поради тоа што беше повикано на служба во Првата светска војна.Џон Арнолд Кранстон . Универзитетот во Глазгов
Најдолгиот и најизразен (речиси 100%) природен изотоп на протактиниум, протактиниум-231, има полуживот од 32.760 години и е производ на распаѓање на ураниум-235. Многу помали количини на траги од краткотрајниот протокиниум-234 и неговиот јадрен изомер- протокиниум-234m се појавуваат во синџирот на распаѓање на ураниум-238. Протактиниум-233 е резултат на распаѓањето на ториумот -233 како дел од синџирот на настани што се користат за производство на ураниум-233 со неутронска озрачување на ториум-232. Тоа е несакан полупроизвод во јадрените реактори засновани на ториум и затоа е отстранет од активната зона на реакторот за време на процесот на размножување. Анализа на релативните концентрации на различни ураниум, ториум и протактиниум изотопи во вода и минерали се користи во радиометриски датирање на седименти кои се стари 175.000 години и во моделирање на различни геолошки процеси.
Историја лево|мини| Периодична маса од 1871 година на Дмитриј Менделеев со јаз за протактиниум на долниот ред на табелата, помеѓу ториум и ураниум Во 1871 година, Дмитриј Менделеев предвиде постоење на елемент помеѓу ториум и ураниум. Групата елементи на актиноид во тоа време била непозната. Затоа, ураниумот бил поставен под волфрам во групата VI и ториумот под циркониум во IV група, оставајќи го просторот под тантал во групата V празен, а до 1950-тите периодични табели биле објавени со оваа структура. Долго време хемичарите го бараа ека-танталот како елемент со слични хемиски својства на тантал, правејќи откривање на протокиниум речиси невозможно. Потешкиот аналог на Тантал подоцна бил откриен како трансурански елемент дубниум - кој, сепак, не реагира како тантал, туку како протактиниум.
Во 1900 година Вилијам Крукс го изолирал протокиниумот како интензивно радиоактивен материјал од ураниум; сепак, тој не можеше да го карактеризира како нов хемиски елемент и на тој начин го именуваше ураниум-X (UX). Крукес го раствори ураниум нитратот во етер , а остатокот во водена фаза ги содржи повеќето од и и и и и. Неговиот метод сè уште беше употребен во 1950-тите за да се изолира и и и и и од соединенија на ураниум. Протактиниумот првпат бил идентификуван во 1913 година, кога Казимир Фаџанс и Освалд Хемут Геринг се сретнал со изотопот 234 Pa за време на нивните студии за синџирите на распаѓање на ураниум-238 : и и → и и → и и → и и. Тие го именуваа новиот елемент бревиум (од латинскиот збор, brevis , што значи краток или краток) поради краток полуживот, 6,7 часа за и и.Гринвуд , стр. 1250Гринвуд , стр. 1254Eric Scerri, A tale of seven elements, (Oxford University Press 2013) , p.67–74 Во 1917/18, две групи научници, Ото Хан и Лизе Мејтнер од Германија и Фредерик Соди и Џон Кранстон од Велика Британија , независно откриле друг изотоп на протактиниум, 231 Па, со многу подолг полуживот од околу 32.000 години. Така името бревиум беше променето во протактиниум како нов елемент беше дел од синџирот на распаѓање на ураниум-235 како родител на актиниум (од прво "прво, пред"). За олеснување на изговорот, името беше скратено до протактиниум од страна на IUPAC во 1949 година.Гринвуд , стр. 1251 Откривањето на протокиниум заврши едно од последните празнини во раните верзии на периодниот систем, предложени од Менделеев во 1869 година, и ги славеше вклучените научници.Shea, William R. (1983) Otto Hahn and the rise of nuclear physics, Springer, p. 213, .
Аристид фон Гросе произведе 2 милиграми на Pa 2 O 5 во 1927 година, и во 1934 година првиот изолиран елементарен пропактиниум од 0,1 милиграми на Pa 2 O 5. Тој користел две различни процедури: во првиот, оксидот на протактиниум бил озрачен од 35 keV електрони во вакуум. Во друг метод, наречен ван Аркел де Боер , оксидот хемиски се претвора во халид ( хлорид , бромид или јодид ), а потоа се намалува во вакуум со електрично загреан метален филамент:
2 PaI 5 → 2 Pa + 5 I 2
Во 1961 година, Управата за атомска енергија на Обединетото Кралство (UKAEA) произведе 127 грама од 99,9% чист пропактиниум-231 со преработка 60 тони отпад материјал во 12-фаза процес, по цена од околу 500.000 USD. Долги години, ова беше единствената значајна понуда на протактиниум во светот, која беше обезбедена на разни лаборатории за научни студии. Националната лабораторија во Оук Риџ во САД обезбеди профактиниум по цена од околу 280 USD / грам. from Los Alamos National Laboratory.
Изотопи Дваесет и девет радиоизотопи на протактиниум се откриени, најстабилните се 231 Па со полуживот од 32.760 години, 233 Па со полуживот од 27 дена и 230 Па со полуживот од 17.4 дена. Сите останати изотопи имаат полуживот помал од 1,6 дена, а повеќето од нив имаат полуживот помал од 1,8 секунди. Протактиниумот, исто така, има два јадрени изомера, 217m Па (полуживот 1,2 милисекунди) и 234m Па (полуживот 1,17 минути).
Примарниот начин на распаѓање за изотопи на протактиниум полесен од (и вклучувајќи) најстабилен изотоп 231 Pa (т.е. 212 Pa до 231 Pa) е алфа распаѓање и примарен режим за потешки изотопи (т.е. 232 Pa до 240 Pa) е бета распаѓање. Примарните продукти на распаѓање на изотопи на протактиниум полесни од (вклучувајќи и) 231 Pa се актиниум изотопи и примарни производи за распаѓање за потешки изотопи на протактиниум се ураниумсло изотопи.
Појави Протактиниумот е еден од најретките и најскапите природни елементи. Се наоѓа во форма на два изотопи - 231 Па и 234 Па, при што изотопот 234 Па се појавува во две различни енергетски состојби. Речиси сите природни пропактиниум е пропактиниум-231. Тоа е алфа-емитер и е формиран од распаѓањето на ураниум-235, додека бета-зрачечкиот протокиниум-234 е произведен како резултат на распаѓање на ураниум-238. Речиси сите ураниум-238 (99,8%) се распаѓаат најпрво до 234м Па изомер.
Протактиниум се јавува во уранинит (pitchblende) во концентрации од околу 0,3-3 делови 231 Па на милион делови (ppm) од руда. Додека вообичаената содржина е поблизу до 0,3 ppm Статии "Протактиниум" и "Протактиниум-231 - ториум-230 датираат" во Енциклопедија Британика, 15-то издание, 1995, стр. 737 (на пример, во Jáchymov , Чешка ), некои руди од Демократска Република Конго имаат околу 3 ppm. Протактиниумот е хомогено дисперзиран во повеќето природни материјали и во вода, но во многу пониски концентрации од еден дел на трилион, што одговара на радиоактивноста од 0,1 пикокури (pCi) / g. Има околу 500 пати повеќе протокиниум во песочните почвени честички отколку во водата, па дури и водата присутна во истиот примерок од почвата. Многу поголеми стапки од 2.000 и погоре се мерат во грутки и глини, како бентонит.Cornelis, Rita (2005) Handbook of elemental speciation II: species in the environment, food, medicine & occupational health, Vol. 2, John Wiley and Sons, pp. 520–521, .
Во јадрени реактори Два главни протоктиниум изотопи, 231 Pa и 233 Pa, се произведуваат од ториум во јадрени реактори ; и двата се несакани и обично се отстранети, со што се додава сложеност на дизајнот и работењето на реакторот. Особено, 232 Th преку ( n , 2 n ) реакции произведуваат 231 Th, кои брзо (полуживот 25,5 часа) се распаѓаат на 231 Pa. Последниот изотоп, иако не е трансурански отпад, има долг полуживот од 32.760 години и е главен фактор во долгорочната радиотоксичност на потрошеното јадрено гориво.Groult, Henri (2005) Fluorinated materials for energy conversion, Elsevier, pp. 562–565, .
Протактиниум-233 е формиран по заробување на неутроните од 232 Th. Таа понатаму се распаѓа или ураниум-233 или заробува друг неутрон и се претвора во нефизички ураниум-234. 233 Па има релативно долг полуживот од 27 дена и висок пресек за заробување на неутроните (т.н. " неутронски отров "). Така, наместо брзо распаѓање на корисното 233 U, значителен дел од 233 Pa се претвора во нефизички изотопи и троши неутрони, деградирајќи ја ефикасноста на реакторот. За да се избегне ова, 233 Па се екстрахира од активната зона на реалистите за топена сол , за време на нивното работење, така што се распаѓа само до 233 U. Ова се постигнува со користење на неколку метри високи столбови на стопена бизмут со литиум растворен во него. Во поедноставено сценарио, литиумот селективно ги редуцира соли на протоктиниум во металот на протактиниум, кој потоа се извлекува од циклусот на стопена сол, а бизмутот е само носител. Таа е избрана поради неговата ниска точка на топење (271 °C), низок притисок на пареа, добра растворливост за литиум и актиноиди, и неизмерливост со стопените халиди.
Подготовка десно|мини| Протактиниум се јавува во уранинитните руди. Пред доаѓањето на јадрените реактори, пропактиниумот беше одделен за научни експерименти од ураниумските руди. Денес, тоа најчесто се произведува како среден производ на јадрено цепење во ториумски реактори за висока температура:
^{232}_{90}Th + ^{1}_{0}n -> ^{233}_{90}Th ->[\beta^-][22.3\ \ce{min}] ^{233}_{91}Pa ->[\beta^-][26.967\ \ce{d}] ^{233}_{92}U (Временките периоди се полуживотите.)
Протактиниумски метал може да се подготви со редукција на неговиот флуорид со калциум флуорид, литиум или бариум на температура од 1300-1400 °C.
Физички и хемиски својства Протактиниумот е актиноид кој е позициониран во периодниот систем лево од ураниумот и десно од ториум , а многу од неговите физички својства се средно помеѓу овие две актиноиди. Значи, протокиниумот е повеќе густ и крут од ториум, но е полесен од ураниумот, а неговата точка на топење е пониска од онаа на ториум и повисока од ураниумот. Топлинското ширење, електричната и топлинската спроводливост на овие три елементи се споредливи и се типични за слаби метали. Проценетиот модул на смолкнување на протактиниум е сличен на оној на титаниум.Seitz, Frederick and Turnbull, David (1964) Solid state physics: advances in research and applications, Academic Press, pp. 289–291, . Протактиниумот е метал со сребрено-сив сјај кој е зачуван некое време во воздух. Протактиниумот лесно реагира со кислород, водена пареа и киселини, но не со алкалии.