镤

**鏷 ₉₁Pa**
	釷 ← 鏷 → 鈾
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
族·週期·區	不適用·7·f
標準原子質量	231.03588
电子排布	[氡]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	威廉·克魯克斯（1900年）
分離	威廉·克魯克斯（1900年）
命名	奧托·漢恩、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
熔点	1841 K，1568 °C，2854 °F
沸點	4300 K，4027 °C，7280 °F
熔化热	12.34 kJ·mol−1
汽化热	481 kJ·mol−1
原子性質
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
	鏷的原子谱线
雜項
晶体结构	立方晶
磁序	順磁性
電阻率	（0 °C）177 n Ω·m
熱導率	47 W·m−1·K−1
CAS号	7440-13-3
同位素查; 论; 编;

镤（英語：Protactinium，旧译作鎃^[3]）是一种放射性化学元素，化学符号为Pa，原子序为91。鏷是一种银灰色、密度大的锕系元素，容易与氧、水蒸汽和无机酸反应。

鏷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。鏷因为稀少，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，故目前研究用的鏷主要是从用过核燃料中提炼。鏷寿命最长且最主要的天然同位素为²³⁵U的衰变产物²³¹Pa，半衰期为32760年。

历史

早在1871年，德米特里·门得列夫便预测钍和铀之间有元素的存在，并在週期表中预留位置。^[4]由于当时锕系元素还没有被发现，所以在1871版年门得列夫週期表的排序方式中，铀位于第Ⅵ族，钍位于第Ⅳ族中，并在第V组中的钽以下的位置留空。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𨧀。

1900年，威廉·克鲁克斯将硝酸铀醯溶解于乙醚中，发现剩馀的水中含有²³⁴Th和另一未知强烈放射性物质。他将它从硝酸铀醯分离，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，当时法扬斯和奥斯瓦尔德·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·哈恩和莉泽·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衰变链的位置在锕之前。

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

鏷是天然存在的最罕見和最昂貴元素之一。由於鈾-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，鏷以一兆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

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，它主要是釷的高溫反應器中的中間產物：

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

物理及化學性質

物理性質

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鈦。

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

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

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^[11]	Fm3m	225	cF8	496.1			4	13.44
PaO₂	黑	fcc^[11]	Fm3m	225	cF12	550.5			4	10.47
Pa₂O₅	白		Fm3m^[11]	225	cF16	547.6	547.6	547.6	4	10.96
Pa₂O₅	白		斜方晶系^[11]			692	402	418
PaH₃	黑	立方晶系^[11]	Pm3n	223	cP32	664.8	664.8	664.8	8	10.58
PaF₄	紅棕	單斜晶系^[11]	C2/c	15	mS60				2
PaCl₄	黃綠	四方晶系^[12]	I4₁/amd	141	tI20	837.7	837.7	748.1	4	4.72
PaBr₄	棕	四方晶系^[13]	I4₁/amd	141	tI20	882.4	882.4	795.7
PaCl₅	黃	單斜晶系^[14]	C2/c	15	mS24	797	1135	836	4	3.74
PaBr₅	紅	單斜晶系^[15]	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^[16]				696.9	895.9	1500.9
Pa₂P₂O₇		立方晶系^[16]	Pa3			865	865	865
Pa(C₈H₈)₂	金黃	單斜晶系^[17]				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

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）。^[18]

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。^[18]

注意事項

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。^[19] 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。^[20] ²³¹Pa 在空氣中的最大存在量為 3×10^-4 Bq/m³.^[19]

參考文獻

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外部連結

元素镤在洛斯阿拉莫斯国家实验室的介紹（英文）
EnvironmentalChemistry.com —— 镤（英文）
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