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镤   91Pa
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钍(锕系元素)
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铀(锕系元素)
镎(锕系元素)
钚(锕系元素)
镅(锕系元素)
锔(锕系元素)
锫(锕系元素)
锎(锕系元素)
锿(锕系元素)
镄(锕系元素)
钔(锕系元素)
锘(锕系元素)
铹(锕系元素)
쬻(过渡金属)
쭊(过渡金属)
쭳(过渡金属)
쭛(过渡金属)
쭶(过渡金属)
鿏(预测为过渡金属)
럼(预测为过渡金属)
쬭(预测为过渡金属)
鿔(过渡金属)
鉨(预测为贫金属)
듧(贫金属)
镆(预测为贫金属)
럷(预测为贫金属)
鿬(预测为卤素)
鿫(预测为惰性气体)




(Uqu)
外观
明亮,银色的金属光泽
概况
名称·符号·序数 镤(protactinium)·Pa·91
元素类别 锕系金属
·周期· 3 ·7·f
标准原子质量 231.03588
电子排布

[]5f26d17s2
2,8,18,32,20,9,2

历史
预测 门得列夫(1869年)
发现 威廉·克鲁克斯(1900年)
分离 威廉·克鲁克斯(1900年)
命名 奥托·汉恩 、莉斯·麦特纳(1917–8年)
物理性质
物态 固态
密度 (接近室温
15.37 g·cm−3
熔点 1841 K,1568 °C,2854 °F
沸点 4300 K,4027 °C,7280 °F
熔化热 12.34 kJ·mol−1
汽化热 481 kJ·mol−1
蒸气压
原子性质
氧化态 2, 3, 4, 5
(弱碱性)
电负性 1.5(鲍林标度)
电离能 第一:568 kJ·mol−1
原子半径 163 pm
共价半径 200 pm
杂项
晶体结构 立方晶[1]
磁序 顺磁性[2]
电阻率 (0 °C)177 n Ω·m
热导率 47 W·m−1·K−1
CAS号7440-13-3
最稳定同位素

主条目:镤的同位素

同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰变
方式 能量MeV 产物
229Pa 人造 1.5天 ε 0.311 229Th
230Pa 人造 17.4天 ε 1.310 230Th
231Pa ~100% 3.276×104 α 5.150 227Ac
232Pa 人造 1.31天 β 1.337 232U
233Pa 微量 26.967 β 0.5701 233U
234mPa 微量 1.17 β 2.29 234U
234Pa 微量 6.75 小时 β 2.195 234U

(英语:Protactinium,旧译作[3])是一种放射性化学元素化学符号Pa原子序为91。镤是一种银灰色、密度大的锕系元素,容易与水蒸汽和无机反应。

镤在自然界中非常稀少,在地壳中的平均浓度是通常为兆分之一,但在一些晶质铀矿的矿床中可能达到百万分之一。镤因为稀少,具有高放射性和高毒性,除了科学研究之外没有其他用途。由于由于镤和其他锕系元素的化学和物理特性过于接近,难以分离,故目前研究用的镤主要是从用过核燃料中提炼。镤寿命最长且最主要的天然同位素235U的衰变产物231Pa,半衰期为32760年。

历史

1871年门得列夫的周期表,钍和铀间预留一个空格。
1871年门得列夫的周期表,间预留一个空格。

早在1871年,德米特里·门得列夫便预测之间有元素的存在,并在周期表中预留位置。[4]由于当时锕系元素还没有被发现,所以在1871版年门得列夫周期表的排序方式中,位于第Ⅵ族,位于第Ⅳ族中,并在第V组中的以下的位置留空。这样的编排方式一直持续到1950年代[5],并造成很长一段时间化学家都积极在寻找与钽相似性质的元素,而使发现镤的机率趋近于零。实际上,下一个与钽有相似化性的元素为人造元素𬭊

1900年,威廉·克鲁克斯硝酸铀酰溶解于乙醚中,发现剩馀的中含有234Th和另一未知强烈放射性物质。他将它从硝酸铀酰分离,这个物质便是镤。但他不知道他发现了一个新的化学元素,并将其命名为铀-X。[4][6][7]

镤真正首次发现于1913年,当时法扬斯奥斯瓦尔德·格林西班牙语Oswald Helmuth Göhring,在他们的研究的铀-238衰变链(238铀→234钍→234镤→234铀)中,发现了镤的同位素234镤。因为它的半衰期短只有6.7小时,所以他们将他们发现的新元素命名为Brevium(拉丁语,意思是短暂、短期)。

1917年至1918年间,两组科学家奥托·哈恩莉泽·迈特纳,以及德国和英国的弗雷德里克·索迪和约翰·克兰斯登(John Cranston)的,发现了镤的另一个同位素231镤,半衰期约32000年。因此,他们将名称从Brevium变更为镤(proto-actinium)(希腊文:πρῶτος,意义为之前,首先),因为镤在铀-235衰变链的位置在之前。

1927年,阿里斯蒂德·冯·格罗斯英语Aristid von Grosse提取出2毫克的五氧化二镤(Pa2O5),并于1934年首次在0.1毫克的五氧化二镤中分离出纯镤。

英国原子能管理局英语United Kingdom Atomic Energy Authority(UKAEA)在1961年花了50万美元处理了60吨的用过核燃料,提炼出约125克纯度为99.9%的镤[8][9] ,并成为多年来世界上唯一的镤来源,提供给各实验室进行科学研究。[4]镤目前的价格非常昂贵,美国橡树岭国家实验室于2011年公布1克的镤约为280美元。[10]

生成

镤产生于沥青铀矿
镤产生于沥青铀矿

镤是天然存在的最罕见和最昂贵元素之一。由于-235的α衰变(产生镤-231),以及铀-238的β衰变(产生镤-234),以至于镤通常是以231Pa和234Pa的形式存在。而几乎所有的铀238(99.8%)都会衰变成234mPa。

镤-233是钍-232中子俘获所形成的。而它会再衰变成铀-233,或者捕捉另一个中子,并转换成非裂变的铀-234。

镤出现在晶质铀矿(沥青铀矿)的浓度约0.3至3百万分浓度(ppm)。大部分的浓度为0.3ppm,但部分从刚果民主共和国产的矿物约有3ppm。在大多数的天然材料和在水中,镤以一分之一以下的浓度均匀分布,放射性约为0.1微居里/克。

制备

在核反应堆的出现之前,镤是从铀矿石用科学实验方法分离。如今,它主要是的高温反应器中的中间产物:

物理及化学性质

物理性质

镤是银灰色光泽的金属,可保存于空气中一段时间。

镤是周期表中位于铀的左侧;钍的右侧,而其物理性质正介于这两个锕系元素之间。镤的密度比钍大,而比铀轻;其熔点低于钍,而比铀高。这三个元素的热膨胀,电导率和导热程度互相媲美,是典型的“穷金属”。

估计镤的剪切模量类似

在室温下,镤是体心四方结构,其可以被视为扭曲的体心立方晶格结晶;而这种结构在被压缩高达53 GPa时仍然不改变。 镤目前已知在任何温度下具有顺磁性而不会转变磁性。 在温度低于1.4K时将成为超导体。 在室温下镤四氯化碳是顺磁性的,而冷却至182K后会变成铁磁。

化学性质

镤容易与氧,水蒸气和酸反应,但不与碱金属反应。

无论是在固体和水溶液,镤存在两个主要的氧化态:+4和+5,而+3和+2的状态存在于一些固相。由于它的电子组态是[Rn]7s26d15f2,+5氧化态对应的低能量有利于5f0的电子填入。+4和+5都状态很容易在水中形成氢氧化物,主要离子包括Pa(OH)3+, Pa(OH)2+
2
, Pa(OH)+
3
a以及 Pa(OH)4,皆无色。其他已知的离子包括PaCl2+
2
, PaSO2+
4
, PaF3+, PaF2+
2
, PaF6-, PaF2−
7
以及 PaF3−
8

化合物

化学式 颜色 结构 空间群 空间群编号 皮尔逊符号 a (pm) b (pm) c (pm) Z 密度, g/cm3
Pa 银灰 四方晶系 I4/mmm 139 tI2 392.5 392.5 323.8 2 15.37
PaO 岩盐[11] Fm3m 225 cF8 496.1 4 13.44
PaO2 fcc[11] Fm3m 225 cF12 550.5 4 10.47
Pa2O5 Fm3m[11] 225 cF16 547.6 547.6 547.6 4 10.96
Pa2O5 斜方晶系[11] 692 402 418
PaH3 立方晶系[11] Pm3n 223 cP32 664.8 664.8 664.8 8 10.58
PaF4 红棕 单斜晶系[11] C2/c 15 mS60 2
PaCl4 黄绿 四方晶系[12] I41/amd 141 tI20 837.7 837.7 748.1 4 4.72
PaBr4 四方晶系[13] I41/amd 141 tI20 882.4 882.4 795.7
PaCl5 单斜晶系[14] C2/c 15 mS24 797 1135 836 4 3.74
PaBr5 单斜晶系[15] P21/c 14 mP24 838.5 1120.5 1214.6 4 4.98
PaOBr3 单斜晶系 C2 1691.1 387.1 933.4
Pa(PO3)4 斜方晶系[16] 696.9 895.9 1500.9
Pa2P2O7 立方晶系[16] Pa3 865 865 865
Pa(C8H8)2 金黄 单斜晶系[17] 709 875 1062

a,b和c是指每皮米的晶格常数,空间群编码和Z是每单位晶格的数目;fcc表示面心立方对称性。

同位素

目前已发现29个镤的同位素,其中最稳定的是231Pa,半衰期为32760年,233Pa的半衰期为27天,230Pa的半衰期为17.4天。其它的大部分都小于1.6天,其中的大部分又小于1.8秒。镤还有两个核异构体:217mPa(半衰期 1.2毫秒)和234mPa(半衰期 1.17分)。[18]

镤主要有两种衰变模式:变成较轻原子的α衰变231Pa(212Pa 至 231Pa)以及变成较重原子的β衰变(232Pa 至 240Pa)。 同位素镤 231Pa主要的衰变产物为较轻的锕、较重的240Pa以及右的同位素。[18]

注意事项

镤既有毒性,又有很高的放射性,因此须在一个密封的手套箱进行操作。

其主要的同位素231镤0.048居里/克,主要是发射α-粒子5 MeV,用薄的金属即可阻挡。 然后它会慢慢的衰变(半衰期为32760年)成227Ac, 能量为 74 居里/g,进行α和β衰变,半衰期为22年。接着会衰变成半衰期更短、能量更大的元素 , 其结果整理于下表:

种类 231Pa 227Ac 227Th 223Ra 219Rn 215Po 211Pb 211Bi 207Tl
放射剂量 (居里/克) 0.048 73 3.1×104 5.2×104 1.3×1010 3×1013 2.5×107 4.2×108 1.9×108
衰变模式 α α, β α α α α β α, β β
半衰期 33 ka 22 a 19 days 11 days 4 s 1.8 ms 36 min 2.1 min 4.8 min

镤是存在于自然界少量的天然元素,它是由食物或摄入,或从空气吸入。 会存在于中的只会有0.05%,其余的会排出体外。其中的0.05%会进入骨骼, 有15%会进入肝脏,2% 进入肾脏,急于的再度离开身体。因此,在肝脏中的镤有70%的半衰期为10天,30%保持60天。肾脏的相应值分别为20%(10天)和80%(60天)。所有这些器官中,镤的放射性会促进肿瘤生成。[19] 在人体内的231Pa最大安全剂量是0.03 微居里,相当于0.5微克,这种同位素是氢氰酸毒性的2.5 × 108倍。[20] 231Pa 在空气中的最大存在量为 3×10-4 Bq/m3.[19]

参考文献

  1. ^ Donohue, J. On the crystal structure of protactinium metal. Acta Crystallographica. 1959, 12 (9): 697. doi:10.1107/S0365110X59002031. 
  2. ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds 互联网档案馆存档,存档日期2012-01-12., in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  3. ^ 异体字字典
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 Emsley, John. Protactinium. Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, England, UK: Oxford University Press. 2003: 347–349 [2001]. ISBN 0-19-850340-7. 
  5. ^ Laing, Michael. A Revised Periodic Table: With the Lanthanides Repositioned. Foundations of Chemistry. 2005, 7 (3): 203. doi:10.1007/s10698-004-5959-9. 
  6. ^ National Research Council (U.S.). Conference on Glossary of Terms in Nuclear Science and Technology. A Glossary of Terms in Nuclear Science and Technology. American Society of Mechanical Engineers. 1957: 180 [25 July 2015]. 
  7. ^ Crookes, W. Radio-Activity of Uranium. Proceedings of the Royal Society of London. 1899, 66: 409–423. doi:10.1098/rspl.1899.0120. 
  8. ^ Hammond, C. R. The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics 81st. CRC press. ISBN 0-8493-0485-7. 
  9. ^ Myasoedov, B. F.; Kirby, H. W.; Tananaev, I. G. Chapter 4: Protactinium. (编) Morss, L. R.; Edelstein, N. M.; Fuger, J. The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements 3rd. Dordrecht, The Netherlands: Springer. 2006. ISBN 978-1-4020-3555-5. 
  10. ^ Protactinium. [2013-03-21]. (原始内容存档于2011年9月28日).  橡树岭国家实验室.
  11. ^ 11.0 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 Sellers, Philip A.; Fried, Sherman; Elson, Robert E.; Zachariasen, W. H. The Preparation of Some Protactinium Compounds and the Metal. Journal of the American Chemical Society. 1954, 76 (23): 5935. doi:10.1021/ja01652a011. 
  12. ^ Brown D., Hall T.L., Moseley P.T. Structural parameters and unit cell dimensions for the tetragonal actinide tetrachlorides(Th, Pa, U, and Np) and tetrabromides (Th and Pa). J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1973, (6): 686–691. doi:10.1039/DT9730000686. 
  13. ^ Tahri, Y; Chermette, H; Elkhatib, N; Krupa, J; Simoni, E. Electronic structures of thorium and protactinium halide clusters of [ThX8]4− type. Journal of the Less Common Metals. 1990, 158: 105. doi:10.1016/0022-5088(90)90436-N. 
  14. ^ Dodge, R. P.; Smith, G. S.; Johnson, Q.; Elson, R. E. The crystal structure of protactinium pentachloride. Acta Cryst. 1967, 22: 85–89. doi:10.1107/S0365110X67000155. 
  15. ^ Brown, D.; Petcher, T. J.; Smith, A. J. The crystal structure of β-protactinium pentabromide. Acta Crystallographica Section B Structural Crystallography and Crystal Chemistry. 1969, 25 (2): 178. doi:10.1107/S0567740869007357. 
  16. ^ 16.0 16.1 Brandel, V.; Dacheux, N. Chemistry of tetravalent actinide phosphates—Part I. Journal of Solid State Chemistry. 2004, 177 (12): 4743. Bibcode:2004JSSCh.177.4743B. doi:10.1016/j.jssc.2004.08.009. 
  17. ^ Starks, David F.; Parsons, Thomas C.; Streitwieser, Andrew.; Edelstein, Norman. Bis(π-cyclooctatetraene) protactinium. Inorganic Chemistry. 1974, 13 (6): 1307. doi:10.1021/ic50136a011. 
  18. ^ 18.0 18.1 Audi, G. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties (PDF). Nuclear Physics A. 2003, 729: 3. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. (原始内容 (PDF)存档于2008-09-23). 
  19. ^ 19.0 19.1 Grossmann, R; Maier, H; Szerypo, J; Friebel, H. Preparation of 231Pa targets. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2008, 590: 122. Bibcode:2008NIMPA.590..122G. doi:10.1016/j.nima.2008.02.084. 
  20. ^ Palshin, E.S.; 等. Analytical chemistry of protactinium. Moscow: Nauka. 1968. 

外部链接

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