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91Pa




Uqt
外觀
明亮,銀色的金屬光澤
概況
名稱·符號·序數 鏷(protactinium)·Pa·91
元素類別 錒系金屬
·週期· 3·7·f
標準原子質量 231.03588
電子排布

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

鏷的电子層(2,8,18,32,20,9,2)
歷史
預測 門得列夫(1869年)
發現 William Crookes(1900年)
分離 William Crookes(1900年)
命名 奧托·漢恩 and 莉斯·麥特納(1917–8年)
物理性質
物態 固態
密度 (接近室温
15.37 g·cm−3
熔點 1841 K,1568 °C,2854 °F
沸點 4300 K,4027 °C,7280 °F
熔化熱 12.34 kJ·mol−1
汽化熱 481 kJ·mol−1
蒸汽壓
原子性質
氧化態 2, 3, 4, 5
(弱鹼性)
電負性 1.5(鲍林标度)
電離能 第一:568 kJ·mol−1
原子半徑 163 pm
共價半徑 200 pm
雜項
晶體結構

立方晶[1]

磁序 順磁性[2]
電阻率 (0 °C)177 n Ω·m
熱導率 47 W·m−1·K−1
CAS號 7440-13-3
最穩定同位素

主条目:鏷的同位素

同位素 豐度 半衰期 方式 能量MeV 產物
229Pa 人造 1.5天 ε 0.311 229
230Pa 人造 17.4天 ε 1.310 230
231Pa ~100% 3.276×104 α 5.150 227
232Pa 人造 1.31天 β 1.337 232
233Pa 微量 26.967 β 0.5701 233
234mPa 微量 1.17 β 2.29 234
234Pa 微量 6.75 小時 β 2.195 234

(舊譯作)是原子序数為91的一种放射性化学元素化学符号Pa,属锕系元素。密度大,外觀為銀灰色的金屬,容易與、水蒸汽和無機反應。形成的各種化合物通常是氧化價+5、+4、+3或+2。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。用于原子能工业,目前主要是從廢核燃料中提取。

1913年,法揚斯英语Kazimierz Fajans奥斯瓦尔德·格林西班牙语Oswald Helmuth Göhring首次發現234Pa,命名為Brevium。在1917年至1918年由奧托·哈恩莉泽·迈特纳發現了镤更穩定的同位素231Pa,並命名為為“原錒(proto-actinium)”。最後在1949年IUPAC命名將其命名為“鏷(protactinium)”,並確認哈恩和麥特納為發現者。這個名字源於拉丁文“protos”(意為「第一」)和“actinium”(錒元素),意義為「之父」,因為镤放射性衰變產物即是錒。

壽命最長且最豐富的(接近100%)為天然的同位素镤-231(半衰期32760年)是鈾-235的衰變產物。微量的短命核異構體镤234m產生於鈾-238衰變鏈。

歷史[编辑]

門得列夫於1869年的週期表,它在最後一行之間留了一個空格。

1871年,門得列夫預測之間有元素的存在。由於當時錒系元素還沒有被發現,因此1950年代出版的週期表,先是從開始、然後是,而下面的空格是空的。這個情況造成很長一段時間的化學家以EKA-鉭作為搜尋的目標來尋找擁有與鉭相似的化性的元素,而使發現镤的機率趨近於零。

1900年,威廉·克魯克斯硝酸鈾醯溶解於乙醚中,發現剩餘的中含有234 釷和一個擁有強烈放射性的物質。他將它從分離,這個物質便是鏷。但他不知道他發現了一個新的化學元素,因此將其命名為鈾-X。

镤真正首次發現於1913年,當時法揚斯英语Kazimierz Fajans奥斯瓦尔德·格林西班牙语Oswald Helmuth Göhring,在他們的研究的鈾-238衰變鏈(238鈾→234釷→234鏷→234鈾)中,發現了鏷的同位素234鏷。因為它的半衰期短只有6.7小時,所以他們將他們發現的新元素命名為Brevium(拉丁語,意思是短暫、短期)。

1917年至1918年間,兩組科學家奧托·哈恩莉泽·迈特纳,以及德國和英國的弗雷德里克·索迪和約翰·克蘭斯登(John Cranston)的,發現了镤的另一個同位素231鏷,半衰期約32000年。因此,他們將名稱從Brevium變更為镤(proto-actinium)(希臘文:πρῶτος,意義為之前,首先),因為鏷在鈾-235衰變鏈的位置在之前。

1927年,阿里斯蒂德·馮·格羅斯英语Aristid von Grosse提取出2毫克的五氧化二鏷(Pa2O5),並於1934年首次在0.1毫克的五氧化二鏷中分離出純镤。

1961年,英國原子能管理局英语United Kingdom Atomic Energy Authority(UKAEA)花了50萬美元處理了60噸的礦物,只提取出約125克純度為99.9%镤,可見鏷非常難取。

美國橡樹嶺國家實驗室公布目前镤的成本約280美元/克。


生成[编辑]

镤產生於瀝青鈾礦

鏷是天然存在的最罕見和最昂貴元素之一。由於-235的α衰變(產生鏷-231),以及鈾-238的β衰變(產生镤-234),以至於鏷通常是以231Pa和234Pa的形式存在。而幾乎所有的鈾238(99.8%)都會衰變成234mPa。

镤-233是釷-232中子俘獲所形成的。而它會再衰變成鈾-233,或者捕捉另一個中子,並轉換成非裂變的鈾-234。

镤出現在晶質鈾礦(瀝青鈾礦)的濃度約0.3至3百萬分濃度(ppm)。大部分的濃度為0.3ppm,但部分從剛果民主共和國產的礦物約有3ppm。在大多數的天然材料和在水中,鏷以一分之一以下的濃度均勻分布,放射性約為0.1微居里/克。

製備[编辑]

在核反應堆的出現之前,鏷是從鈾礦石用科學實驗方法分離。如今,它主要是的高溫反應器中的中間產物:

\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}

物理及化學性質[编辑]

物理性質[编辑]

镤是銀灰色光澤的金屬,可保存於空氣中一段時間。

镤是週期表中位於鈾的左側;釷的右側,而其物理性質正介於這兩個錒系元素之間。镤的密度比釷大,而比鈾輕;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

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;而這種結構在被壓縮高達53 GPa時仍然不改變。 镤目前已知在任何溫度下具有順磁性而不會轉變磁性。 在溫度低於1.4K時將成為超導體。 在室溫下镤四氯化碳是順磁性的,而冷卻至182K後會變成鐵磁。

化學性質[编辑]

镤容易與氧,水蒸氣和酸反應,但不與鹼金屬反應。

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的電子填入。+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 fcc[3] Fm3m 225 cF12 550.5 4 10.47
Pa2O5 Fm3m[3] 225 cF16 547.6 547.6 547.6 4 10.96
Pa2O5 斜方晶系[3] 692 402 418
PaH3 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 四方晶系[5] I41/amd 141 tI20 882.4 882.4 795.7
PaCl5 單斜晶系[6] C2/c 15 mS24 797 1135 836 4 3.74
PaBr5 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,230Pa的半衰期為17.4天。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]

镤既有毒性,又有很高的放射性,因此须在一個密封的手套箱进行操作。

其主要的同位素231鏷0.048居里/克,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)成227Ac, 能量為 74 居里/g,進行α和β衰變,半衰期為22年。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]


参考[编辑]

  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, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 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. 
  4. ^ 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. 
  5. ^ 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. 
  6. ^ 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. 
  7. ^ 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. 
  8. ^ 8.0 8.1 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. 
  9. ^ Starks, David F.; Parsons, Thomas C.; Streitwieser, Andrew.; Edelstein, Norman. Bis(π-cyclooctatetraene) protactinium. Inorganic Chemistry. 1974, 13 (6): 1307. doi:10.1021/ic50136a011. 
  10. ^ 10.0 10.1 Audi, G. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics A. 2003, 729: 3. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. 
  11. ^ 11.0 11.1 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. 
  12. ^ Palshin, E.S. et al.. Analytical chemistry of protactinium. Moscow: Nauka. 1968.