镤

鏷
	91Pa
	釷 ← 鏷 → 鈾
外观
	明亮，銀色的金屬光澤
概况
名称 · 符号 · 序数	鏷 · Pa · 91
元素类别	錒系金屬
族 · 週期 · 区	3 · 7 · f
标准原子质量	231.03588
电子排布	[氡]5f26d17s2; 2,8,18,32,20,9,2
历史
预测	門得列夫（1869年）
发现	William Crookes（1900年）
首次得到单质	William Crookes（1900年）
命名	奧托·漢恩 and 莉斯·麥特納（1917–8年）
物理性质
状态	固態
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
原子性质
氧化态	2, 3, 4, 5; (弱鹼性)
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
磁序	順磁性
电阻率	（(0 °C）177 nΩ·m
热导率	47 W·m−1·K−1
CAS号	7440-13-3
最稳定同位素
	主条目：鏷的同位素
	查; 论; 编;

Pa 也是國際單位制中的壓力單位帕斯卡的縮寫。

镤（舊譯作鎃）是一种放射性化学元素，它的化学符号是Pa，它的原子序数是91，属于锕系元素之一。它是一個密度大、銀灰色的金屬，容易與氧，水蒸汽和無機酸反應。它形成的各種化合物通常是氧化價+5，但也可以是+4，甚至是+2或+3的狀態。镤在地殼中的平均濃度是通常在幾兆分之一，但在一些晶質鈾礦的礦床可能達到百萬分之一。由於稀有、高放射性以及高毒性，現在除科學研究以外，镤沒有实际的用途，目前主要是從廢核燃料中提取镤。

镤是首次發現於1913年，由法揚斯巴(Kasimir Fajans)和格林(Oswald Helmuth Göhring)所發現，因為正在研究短期特定同位素的半衰期，而命名為Brevium(此為镤-234)。在1917年至1918年由奧托·漢恩(Otto Hahn)和莉斯·麥特納(Lise Meitner)（²³¹Pa）發現了镤更穩定的同位素，他們選擇的名稱為“原錒”，後來終於在1949年由IUPAC命名為“鏷”，並確認漢恩和麥特納為發現者。新名字的意思是「錒之父」，這反映了一個事實，即錒是镤放射性衰變的產物。

壽命最長且最豐富的（接近100％）為天然的同位素镤-231，半衰期為32760年，是鈾-235的衰變產物。更少的微量短命核異構體镤234m產生於鈾-238衰變鏈。镤-233是作為產生鈾-233釷-232的中子輻射的事件鏈的一部分(釷 -233 衰變鏈)。镤-233是一種在釷基核的反應器中不希望被產生的一種中間產物，因此在反應過程中常從反應器中的活性區域除去。

歷史 [编辑]

1871年，門得列夫預言釷和鈾之間有元素的存在。當時錒系元素還沒有被發現。因此1950年代出版的週期表，先是鈾、鎢、鋯、釷、鉭，而鉭下面的空格是空的。造成很長一段時間的化學家以EKA-鉭作為搜索的結果來搜尋相似的化學性質如鉭的元素，而使得發現镤幾乎不可能。在1900年，威廉·克魯克斯從鈾分離出強烈的放射性物質鏷，然而他不知道他發現一個新的化學元素，因此將其命名為鈾-X。克魯克斯將硝酸鈾醯溶解於乙醚中，發現剩餘的水中含有²³⁴ 釷和²³⁴鏷。他的方法是1950年代從鈾化合物分離出²³⁴釷和²³⁴鏷。镤首次發現於1913年，當時法揚斯巴(Kasimir Fajans)和格林(Oswald Helmuth Göhring)，在他們的研究鈾-238衰變鏈：²³⁸鈾→²³⁴釷→²³⁴鏷→²³⁴鈾，發現了鏷的同位素²³⁴鏷。因為它的半衰期短(6.7小時，²³⁴鏷)，他們將他們發現的新元素命名為Brevium（拉丁語，意思是短暫或短期）。在1917年至1918年，兩組科學家奧托·漢恩(Otto Hahn)和莉斯·麥特納(Lise Meitner)，以及德國和英國的弗雷德里克·索迪(Frederick Soddy)和約翰·克蘭斯登(John Cranston)的，另外發現了另一種同位素镤²³¹鏷，半衰期約32000年。因此，他們將名稱從Brevium變更為镤(protoactinium)（希臘文：πρῶτος，意義為之前，首先），因為鏷在鈾-235衰變鏈的在錒之前。

Aristid von Grosse於1927年提取2毫克的Pa₂O₅，並於1934年首次分離出元素镤於0.1毫克的Pa₂O₅。他用兩種不同的方法：第一個，氧化镤在真空中照射35 keV的電子。在另一種方法中，被稱為范亞克-戴波耳法，將氧化物的化學置換為一個鹵化物（氯化物，溴化物或碘化物），然後在真空用一個電加熱的金屬絲:

2 PaI₅ → 2 Pa + 5 I₂

1961年，英國原子能管理局（UKAEA）用125克純度為99.9％镤，用一個12級的過程處理60噸的廢料，成本約50萬美元。

美國橡樹嶺國家實驗室提供目前镤的成本約280美元/克。

門得列夫於1869年的週期表，它在最後一行釷和鈾之間留了一個空格。

生成 [编辑]

镤是最稀有，最昂貴的自然產生的元素之一。幾乎是以兩種同位素²³¹Pa和²³⁴Pa的形式存在。它是一種鈾-235的α衰變成鏷-231，或是鈾-238進行β衰變產生镤-234。幾乎所有的鈾238（99.8％）都繪衰變成鏷異構體^234m鏷。

镤出現在晶質鈾礦（瀝青鈾礦）的濃度約3百萬分濃度（ppm）的²³¹鏷礦石，部分礦石從剛果民主共和國生產的有大約3ppm。在大多數的天然材料和在水中，镤被均勻地分布，濃度為一兆分之一以下，即對應的放射性為0.1微居里/克。

核反應堆 [编辑]

有兩個主要镤同位素，²³¹鏷和²³³鏷，在釷核反應堆中產生，兩者都是不需要的產物而被除去，所以添加了反應器的設計和操作的複雜性。特別是，²³²釷通過中子（n，2n）反應產生²³¹釷然後迅速（半衰期25.5小時）衰變成²³¹鏷。最後的同位素，是一個半衰期長，整整有32760年，是用過的核燃的長期放射線的主要產生者。

镤-233是釷-232中子俘獲所形成的。它會衰變成鈾-233或捕捉另一個中子，並將其轉換成非裂變的鈾-234。因此，不是迅速衰減到有用的²³³鈾，而變成²³³鏷，降低了反應器的效率。為了避免這種情況，²³³鏷從釷熔鹽反應堆活性區提取，在其操作期間，方便它衰變到²³³鈾，使用數米的高大圓柱鋰溶解於熔融鉍。在簡化的情況下，鋰選擇性降低镤鹽，然後，從熔融鹽循環萃取(鉍是載體)。它之所以被選擇，因為其低的熔點（271℃）以及低蒸氣壓，與錒系元素的良好的溶解性，以及與熔融鹵化物的不混溶性。

反應 [编辑]

镤產生於瀝青鈾礦

镤在核反應堆的出現之前，從鈾礦石用於科學實驗方法分離。如今，它主要是釷的高溫反應器中作為中間產物的核衰變產生的：

$\mathrm{^{232}_{\ 90}Th \ + \ ^{1}_{0}n \ \longrightarrow \ ^{233}_{\ 90}Th \ \xrightarrow[22.3\ min]{\beta^-} \ ^{233}_{\ 91}Pa \ \xrightarrow[26.967\ d]{\beta^-} \ ^{233}_{\ 92}U}$

镤金屬可以用氟化鈣，鋰或鋇製備於1300至1400℃。

物理及化學性質 [编辑]

镤是週期表中的位於鈾的左側以及釷的右側，而其物理性質介於這兩個錒系元素之間。镤的密度比釷大，但比鈾輕，其熔點低於釷而比鈾高。這三個元素的熱膨脹，電導率和導熱程度互相媲美，是典型的“窮金屬”。估計镤的剪切模量類似鈦。镤是銀灰色光澤的金屬，可保存於空氣中一段時間。镤容易與氧，水蒸氣和酸反應，但不與鹼金屬反應。在室溫下，镤是體心四方結構，其可以被視為扭曲的體心立方晶格結晶;當它被壓縮時高達53 GPa時，這種結構仍然不改變。镤目前已知在任何溫度下具有順磁性而不會轉變磁性的特性。在溫度低於1.4K它將成為超導體。在室溫下镤四氯化碳是順磁性的，但冷卻至182K後會變成鐵磁。

無論是在固體和水溶液，镤存在兩個主要的氧化態，+4和+5，而+3和+2的狀態存在於一些固相。由於它的電子組態是[Rn]7s²6d¹5f²，+5氧化態對應的低能量有利於5f⁰的配置。+4和+5都狀態很容易在水中形成氫氧化物，主要離子包括Pa(OH)³⁺, Pa(OH)2+
2, Pa(OH)+
3 a以及 Pa(OH)₄,皆無色。其他已知的離子包括PaCl2+
2, PaSO2+
4, PaF³⁺, PaF2+
2, PaF−
6, PaF2−
7 以及 PaF3−
8。

化合物 [编辑]

化學式	顏色	結構	空間群	空間群編號	皮爾遜符號	a (pm)	b (pm)	c (pm)	Z	密度, g/cm³
Pa	銀灰	四方晶系	I4/mmm	139	tI2	392.5	392.5	323.8	2	15.37
PaO		岩鹽^[3]	Fm3m	225	cF8	496.1			4	13.44
PaO₂	黑	fcc^[3]	Fm3m	225	cF12	550.5			4	10.47
Pa₂O₅	白		Fm3m^[3]	225	cF16	547.6	547.6	547.6	4	10.96
Pa₂O₅	白		斜方晶系^[3]			692	402	418
PaH₃	黑	立方晶系^[3]	Pm3n	223	cP32	664.8	664.8	664.8	8	10.58
PaF₄	紅棕	單斜晶系^[3]	C2/c	15	mS60				2
PaCl₄	黃綠	四方晶系^[4]	I4₁/amd	141	tI20	837.7	837.7	748.1	4	4.72
PaBr₄	棕	四方晶系^[5]	I4₁/amd	141	tI20	882.4	882.4	795.7
PaCl₅	黃	單斜晶系^[6]	C2/c	15	mS24	797	1135	836	4	3.74
PaBr₅	紅	單斜晶系^[7]	P2₁/c	14	mP24	838.5	1120.5	1214.6	4	4.98
PaOBr₃		單斜晶系	C2			1691.1	387.1	933.4
Pa(PO₃)₄		斜方晶系^[8]				696.9	895.9	1500.9
Pa₂P₂O₇		立方晶系^[8]	Pa3			865	865	865
Pa(C₈H₈)₂	金黃	單斜晶系^[9]				709	875	1062

a，b和c是指每皮米的晶格常數，空間群編碼和Z是每單位晶格的數目;fcc表示面心立方對稱性。

同位素 [编辑]

目前已發現29個鏷的同位素，其中最穩定的是²³¹Pa，半衰期為32760年, ²³³Pa的半衰期為27天,與半衰期為17.4天的²³⁰Pa。其它的大部分都小於1.6天,其中的大部分又小於1.8秒。鏷還有兩個核異構體:^217mPa (半衰期 1.2毫秒)和^234mPa (半衰期 1.17分)。^[10]

鏷主要有兩種衰變模式: 變成較輕原子的α衰變²³¹Pa (²¹²Pa 至 ²³¹Pa)以及變成較重原子的β衰變 (²³²Pa 至 ²⁴⁰Pa)。同位素镤 ²³¹Pa主要的衰變產物為較輕的錒、較重的²⁴⁰Pa以及右的同位素。^[10]

注意事項 [编辑]

镤是既有毒和放射性很高的，因此它的所有操作在一個密封的手套箱。其主要的同位素²³¹鏷0.048居禮/克，它主要是發射α-粒子5 MeV，用薄的金屬即可阻擋。然後它會慢慢的衰變(半衰期為32760年),變成²²⁷Ac, 能量為 74 居禮/g,進行α和β衰變, 半衰期為22年。 ²²⁷Ac,接著會衰變成半衰期更短、能量更大的元素 , 其結果整理於下表:

種類	²³¹Pa	²²⁷Ac	²²⁷Th	²²³Ra	²¹⁹Rn	²¹⁵Po	²¹¹Pb	²¹¹Bi	²⁰⁷Tl
放射劑量 (居禮/克)	0.048	73	3.1×10⁴	5.2×10⁴	1.3×10¹⁰	3×10¹³	2.5×10⁷	4.2×10⁸	1.9×10⁸
衰變模式	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

镤是存在於自然界少量的天然元素，它是由食物或水攝入，或從空氣吸入。會存在於中的只會有0.05%，其餘的會排出體外。其中的0.05%會進入骨骼，有15%會進入肝臟, 2% 進入腎臟, 急於的再度離開身體。因此，在肝臟中的镤有70％的半衰期為10天，30％保持60天。腎臟的相應值分別為20％（10天）和80％（60天）。所有這些器官中，镤的放射性會促進腫瘤生成。^[11] 在人體內的²³¹Pa最大安全劑量是0.03 微居里，相當於0.5微克，. 這種同位素是氫氰酸毒性的2.5 × 10⁸倍。^[12] ²³¹Pa 在空氣中的最大存在量為 3×10^-4 Bq/m³.^[11]

锕系元素

注释 [编辑]

参考文献 [编辑]

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外部链接 [编辑]

洛斯阿拉莫斯国家实验室
EnvironmentalChemistry.com —— 镤（英文）

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镤

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