Tämä on lupaava artikkeli.

Protaktinium

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
ToriumProtaktiniumUraani
Pr

Pa

-  
 
 
Pa-TableImage.png
Yleistä
Nimi Protaktinium
Tunnus Pa
Järjestysluku 91
Luokka aktinoidi
Lohko f-lohko
Ryhmä -
Jakso 7
Tiheys 15,37[1]×103 kg/m3
Väri hopeanvalkoinen
Löytövuosi, löytäjä 1913, Kasimir Fajans ja O. H. Göhring
Atomiominaisuudet
Atomipaino 231,03588[2] amu
Atomisäde, mitattu (laskennallinen) 163[3] pm
Kovalenttisäde 200[1] pm
Van der Waalsin säde 243[4] pm
Orbitaalirakenne [Rn] 5f26d17s2
Elektroneja elektronikuorilla 2, 8, 18, 32, 20, 9, 2
Hapetusluvut +II, +III, +IV, +V[5]
Kiderakenne tetragoninen
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuoto kiinteä
Sulamispiste 1841 K (1568[6] °C)
Kiehumispiste 4273 K (4000[7][8] °C)
Höyrystymislämpö 481[1][7] kJ/mol
Sulamislämpö 12,34[7] kJ/mol
Muuta
Elektronegatiivisuus 1,5 (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti luotettavaa dataa ei saatavissa kJ/kg K
Sähkönjohtavuus 5.6×106 S/m
Lämmönjohtavuus 47[1] W/(m×K)
CAS-numero 7440-13-3
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa
Protaktiniumnäyte, valmistettu van Arkelin prosessilla.

Protaktinium (lat. protactinium) on alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Pa ja järjestysluku 91. Se on radioaktiivinen aktinoidi, jolla ei ole pysyviä isotooppeja. Protaktinium on eräs harvinaisimmista maapallolla esiintyvistä alkuaineista. Sen luonnossa yleisimmän isotoopin 231Pa puoliintumisaika on 32 760 vuotta. Protaktiniumia muodostuu uraanin tai toriumin hajotessa, ja se muuttuu radioaktiivisessa hajoamisessa aktiniumiksi.

Protaktiniumia syntyy ydinreaktoreissa, joissa se on ei-toivottu sivutuote, jota kerääntyy ydinjätteeseen lisäten sen radioaktiivisuutta ja ympäristöhaittoja.[9] Koska protaktinium on erittäin harvinaista sekä radioaktiivista ja myrkyllistä, sillä ei ole juuri mitään teknillistä tai taloudellista käyttöä tieteellisen perustutkimuksen ulkopuolella.[1][4]

Alkuaineen nimi tulee kreikan sanasta protos, ensimmäinen, ja toisesta alkuaineesta aktinium, joksi protaktinium hajoaa.[10]

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Dmitri Mendelejev ennusti 1871 protaktiniumin löytyvän toriumin (järjestysluku 90) ja uraanin (92) välistä. Monet muut Mendelejevin teoreettiset ennustukset vahvistettiin pian, mutta protaktiniumin löytämiseen meni yli 40 vuotta.[4] Tosin jo vuonna 1900 William Crookes eristi uutta hyvin radioaktiivista ainetta uraanista, mutta hän ei kyennyt tunnistamaan sitä. Kasimir Fajans ja Oswald Helmuth Göhring osoittivat 1913, että tämä aine hajoaa hyvin nopeasti ja siksi nimesivät sen breviumiksi (lat. brevis: lyhyt, nopea). Myöhemmin selvisi, että brevium oli protaktiniumin isotooppi 234Pa.[10][11]

Lise Meitner ja Otto Hahn onnistuivat Berliinissä 1917 tekemään protaktiniumin huomattavasti vakaampaa isotooppia 231Pa. Koska jo silloin huomattiin tämän puoliintumisajan olevan vähintään useita tuhansia vuosia, nimi brevium ei enää sopinut. He kutsuivat löytämäänsä ainetta proto-aktiniumiksi. Myös Frederick Soddy, yhdessä John Cranstonin kanssa, valmisti tätä isotooppia itsenäisesti samoihin aikoihin Englannissa. IUPAC vahvisti nykyisen lyhyemmän nimen protaktinium vuonna 1949.[10][12]

Ensimmäisenä puhdasta metallista protaktiniumia valmisti Aristid von Grosse vuonna 1934.[13]

Protaktiniumin ominaisuudet tunnettiin huonosti ennen vuotta 1960, jolloin A. G. Maddock työtovereineen UKAEA:ssa (United Kingdom Atomic Energy Authority) eristi 127 grammaa 99,9-prosenttista 231Pa-metallia 60 tonnista ydinpolttoaineen tuotantojätettä. Tämä erä oli pitkään maailman ainoa merkittävä protaktiniumvaranto.[14]

Fysikaaliset ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Protaktinium on kiiltävä hopeanvalkoinen metalli, joka hitaasti ja vähäisissä määrin tummuu ilman vaikutuksesta. Se on hieman tiheämpää kuin sitä aktinoidien sarjassa edeltävä torium, mutta keveämpää kuin sitä seuraava uraani. Sen sulamispiste on matalampi kuin toriumilla mutta korkeampi kuin uraanilla. Näiden kolmen metallin lämpölaajeneminen, lämmönjohtuminen ja sähköiset ominaisuudet ovat samankaltaisia.[13]

Protaktiniumin kiderakenne huoneenlämpötilassa on tetragoninen. Rakenne ei muutu puristettaessa metallia 53 GPa paineeseen asti. Hyvin korkeissa lämpötiloissa (1 200 °C) kiderakenne muuttuu pintakeskiseksi kuutiolliseksi (fcc).[15]

Vahva suolahappo, rikkihappo tai vetyfluoridi liuottavat metallista protaktiniumia, mutta typpihappo ei.[16]

Protaktinium on paramagneettista kaikissa lämpötiloissa. Siitä tulee suprajohde alle 1,4 K lämpötilassa.[13] Protaktiniumtetrakloridi on paramagneettista huoneenlämpötilassa, mutta muuttuu ferromagneettiseksi jäähtyessään alle 182 K lämpötilaan.[17]

Kemialliset ominaisuudet ja yhdisteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Liuoksissa protaktinium esiintyy yksinomaan hapetusluvuilla +4 ja +5, mutta kiinteässä olomuodossa protaktinium voi muodostaa yhdisteitä myös hapetusluvuilla +3 ja +2.[18] Alkuaineella on hapen kanssa hapetuslukujen +2, +4 ja +5 protaktiniumoksidit PaO, musta protaktiniumdioksidi PaO2 ja valkoinen protaktiniumpentoksidi Pa2O5.[19]

Oksidien lisäksi tunnetaan useita muita epäorgaanisia protaktiniumyhdisteitä, kuten protaktiniumhydridit PaH2, PaH3 ja Pa3H4,[20][21] protaktiniumkarbidi PaC[22] ja halideja, kuten jodidit PaI3, PaI4 ja PaI5,[23] fluoridit PaF4, PaF5[24] ja Pa2F9,[25] bromidit PaBr4 ja PaBr5 sekä kloridit PaCl4 ja PaCl5.[7][26]

Protaktiniumkarbidia PaC pystytään valmistamaan pelkistämällä oksidia Pa2O5 grafiitin kanssa alhaisessa paineessa lämpötilan ollessa yli 1 200 °C.[27] Sitä voidaan käyttää protaktiniumhalidien valmistukseen; esimerkiksi fluoridia PaF5 voidaan valmistaa fluoraamalla protaktiniumkarbidia 900 °C:ssa. Toinen valmistustapa PaF5-fluoridille on fluorata protaktinium(V)kloridia PaCl5 huoneenlämpötilassa.[28]

Protaktinium(V)kloridia PaCl5 voidaan valmistaa protaktiniumoksidista hiilitetrakloridin avulla 200–300 °C lämpötilassa. Sen pelkistäminen vedyllä 800 °C:ssa tuottaa protaktinium(IV)kloridia eli protaktiniumtetrakloridia PaCl4, joka on keltavihreä kiinteä aine. Se sublimoituu tyhjössä 400 °C:ssa. Muutkin protaktiniumin suolat voivat olla värillisiä.[29][19]

Jodidi PaI3 on ainoa tunnettu +3-arvoinen protaktiniumin halidi. Se on tumman ruskeaa ainetta, jota voidaan valmistaa kuumentamalla toista jodidia PaI5 useita päiviä alhaisessa paineessa ja 360–380 °C lämpötilassa. PaI4 taas hajoaa 330 °C lämpötilassa. Muutkin protaktiniumin binääriset halidit hajoavat vastaavissa lämpötiloissa.[30] PaI5 voi toimia lähtöaineena valmistettaessa puhdasta metallista protaktiniumia Van Arkelin prosessilla.[31]

Myös oksyhalideja, kuten PaOI2, PaOI3, PaOCl4, PaOBr2, ja PaOBr3, tunnetaan.[32] Vaaleankeltaista oksysulfidia PaOS saadaan, kun PaCl5 reagoi rikkivedyn ja hiilidisulfidin seoksen kanssa 900 °C lämpötilassa.[33][19]

Myös typpiryhmän alkuaineiden kanssa tunnetaan useita protaktiniumyhdisteitä, kuten PaN, PaP2, PaAs, PaAs2, PaSb2 ja Pa3Sb4.[34]

Organometallisen protaktinoseenin (Pa(C8H8)2) rakenne

Protaktiniumille tunnetaan myös joitain organometalliyhdisteitä. Protaktinium hapetusluvulla +4 muodostaa tetraedrisen kompleksin tetrakis(syklopentadienyyli)protaktinium(IV) (Pa(C5H5)4) neljän syklopentadienyyli-renkaan kanssa. Tätä voidaan valmistaa antamalla protaktiniumtetrakloridin PaCl4 reagoida sulan Be(C5H5)2 kanssa.[35] Toinen organometallinen yhdiste on keltainen bis(π-syklo-oktatetraeeni)protaktinium tai protaktinoseeni, Pa(C8H8)2, joka on rakenteeltaan analoginen uranoseenin kanssa. Tässä molekyylissä metalliatomi on niin sanotussa sandwich-rakenteessa kahden syklo-oktatetraeeni-renkaan välissä. Sitä voidaan valmistaa uranoseenin tavoin antamalla protaktinium(IV)kloridin reagoida syklo-oktatetraenyylikaliumin (K2C8H8) kanssa käyttäen liuottimena tetrahydrofuraania.[36]

Isotoopit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Protaktiniumille tunnetaan 29 isotooppia, joiden massaluvut ovat välillä 212–240, sekä kolme isomeerista tilaa. Vain isotooppeja 231Pa ja 234Pa on löydetty luonnosta. Mikään isotoopeista ei ole pysyvä, vaan ne ovat kaikki radioaktiivisia. Kaikkien isotooppien puoliintumisaika on lyhyt, poikkeuksena 231Pa (puoliintumisaika 32 760 vuotta). Tärkeimmät isotoopit ovat 231Pa ja 233Pa, jota saadaan uraanin isotoopin 233U valmistamisen sivutuotteena. 233Pa on beetasäteilijä, jonka puoliintumisaika on 26,97 päivää. Se on halvin ja eniten käytetty isotooppi protaktiniumin kemian tutkimuksessa.[1][37]

Isotooppi Puoliintumisaika Hajoamistyyppi
212Pa 5,1 ms α
213Pa 5,3 ms α
214Pa 17 ms α
215Pa 14 ms α
216Pa 0,2 s α
217Pa 4,9 ms α
218Pa 0,12 ms α
219Pa 53 ns α
220Pa 0,78 μs α
221Pa 5,9 μs α
222Pa 5,7 ms α
223Pa 6 ms α
224Pa 0,9 s α
225Pa 1,8 s α
226Pa 1,8 min α (74 %), EC (26 %)
227Pa 38,3 min α (~85 %), EC (~15 %)
Isotooppi Puoliintumisaika Hajoamistyyppi
228Pa 22 h EC (~98 %), α (~2 %)
229Pa 1,5 d EC (99,5 %), α (0,48 %)
230Pa 17,7 d EC (90 %), β- (10 %), α (3,2·10-3 %)
231Pa 3,28·104 v α
232Pa 1,31 d β-
233Pa 26,97 d β-
234Pa 6,75 h β-
234mPa 1,175 min β- (99,87 %), IT (0,13 %)
235Pa 24,2 min β-
236Pa 9,1 min β-
237Pa 8,7 min β-
238Pa 2,3 min β-
239Pa 106 min β-

Lähde:[38][39][40]

Esiintyminen luonnossa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Protaktinium on harvinaisimpia luonnossa esiintyvistä alkuaineista, ja sitä on erittäin hankala eristää malmeista. Sitä voi olla jonkun verran pikivälkkeessä. Se on kuitenkin yleisempää maankuoressa kuin aktinium (esiintyvyys 10-12 %, aktiniumilla noin 5·10-15 %). Se esiintyy yhdessä 235U:n kanssa, jonka hajoamistuote se on. Lähes kaikki maankuoren protaktiniumista on 231Pa-isotooppia. Lisäksi on hyvin vähäisiä määriä 234Pa:ta. Protaktiniumilla ei ole minkäänlaista biologista roolia.[1][41]

Protaktiniumia ja useita muita aktinoideja on löydetty myös Przybylskin tähden (HD 101065) spektristä, mikä on hyvin epätavallista.[42]

Valmistus ja käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Protaktiniumin isotooppia 231Pa syntyy fissiilin 235U:n hajotessa ydinreaktorissa sekä toriumin reaktioita:

232Th(n,2n)231Th

tai

230Th(n,γ)231Th

seuraavassa 231Th:n beetahajoamisessa.[43]

233Pa-isotooppia saadaan välivaiheena, jos (myöskin fissiiliä) 233U:ta valmistetaan toriumia ydinpolttoaineena käyttävällä hyötöreaktorilla.[44] Tämän ydinreaktion löysi Lise Meitner 1938 ja se on:[45]

232Th(n,γ)233Th(β-, 22 min.) → 233Pa(β-, 27 d.)→ 233U

Protaktiniumia ei ole koskaan valmistettu suurissa määrin, koska sen kysyntä on hyvin vähäistä. Punnittavissa olevia määriä on tuotettu uraanin rikastamisen jäteaineista tai käytetystä ydinpolttoaineesta.[46] Ydinreaktoreissa protaktinium on ei-toivottu sivutuote, jota kerääntyy ydinjätteeseen lisäten sen radioaktiivisuutta ja ympäristöhaittoja.[9]

Protaktiniumin isotoopin 231Pa otaksuttiin aikaisemmin olevan kykenevää ydinketjureaktioon: saksalainen fyysikko Walter Seifritz arvioi kriittiseksi massaksi 750±180 kg.[47] Nykyisin kuitenkin tiedetään, ettei 231Pa ole kriittistä, joten siitä ei voi rakentaa ydinasetta.[13][48]

Protaktiniumia on käytetty radiometrisessä iänmäärityksessä, jossa vanhan kohteen ikä lasketaan sen sisältämästä 231Pa/235U -suhteesta. Myös 231Pa/230Th -pitoisuuksien suhdevertailua on käytetty paleoseanografiassa meren pohjan sedimenttien iänmääritykseen aina 175 000 vuoteen saakka.[49]

Haitallisuus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

231Pa, kuten muut alfahajoavat isotoopit, joiden puoliintumisaika on lyhyt, on vaarallista organismeille. Elimistössä se kerääntyy luihin, maksaan ja munuaisiin. Vaaralliseksi katsotaan 0,03 μCi ylittävä annostus, mikä vastaa 0,5 μg 231Pa:ta. Tämä isotooppi on 2,5·108 kertaa myrkyllisempi kuin sinihappo. Laboratoriossa kaikki makroskooppisten määrien käsittely tehdään eristetyssä kaapissa.[50]

Protaktiniummyrkytys on helpompi saada hengittämällä ainetta kuin suun kautta, koska vain 0,05 % ruuan mukana tulleesta protaktiniumista jää elimistöön. Noin 40 % protaktiniumista, joka on päässyt verenkiertoon, kerääntyy luihin, 15 % jää maksaan ja 2 % munuaisiin. Biologinen puoliintumisaika luustossa on 50 vuotta, maksassa ja munuaisissa noin 10–60 päivää.[51]

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Mjasoedov, Boris F. et al.: ”luku 4”, Protactinium, s. 161-252. Teoksessa: Morss, Lester R. et al. (toim.) The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements, 3. painos. Dordrecht: Springer, 2006. ISBN 1402035985. Teoksen verkkoversio (PDF). (englanniksi)
  • N. N. Greenwood & A. Earnshaw: Chemistry of the Elements. 2. painos. Oxford: Elsevier Ltd, 1997. ISBN 978-0-7506-3365-9. (englanniksi)

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c d e f g Protactinium Properties americanelements.com. Viitattu 24.8.2016. (englanniksi)
  2. Michael T. Wieser & Tyler B. Coplen: Atomic Weights of the Elements 2009 (IUPAC technical report). Pure and Applied Chemistry, 2011, 83. vsk, nro 2. IUPAC. Artikkelin verkkoversio Viitattu 16.4.2011. (englanniksi)
  3. Mjasoedov et al. s. 193
  4. a b c David Hobart: Periodic Table of Elements: alkuaine 91 Los Alamos National Laboratory heinäkuu 2013. Viitattu 28.10.2015. (englanniksi)
  5. Mjasoedov et al.
  6. Protactinium Chemistry Explained. Viitattu 7.11.2016. (englanniksi)
  7. a b c d Protactinium Chemicool. Viitattu 24.8.2016. (englanniksi)
  8. Technical data for the element Protactinium periodictable.com. Viitattu 24.8.2016. (englanniksi)
  9. a b Groult, Henri: Fluorinated materials for energy conversion. ss. 562–565. Elsevier Ltd, 2005. ISBN 0-08-044472-5. Kirja Googlen haussa. (englanniksi)
  10. a b c Marko Hamilo: Mendelejev ennusti protaktiniumin Helsingin sanomat 25.10.2005 (alkuainesarjan artikkeli protaktiniumista). Viitattu 27.10.2015.
  11. Mjasoedov et al. s. 162-163
  12. Mjasoedov et al. s. 162-163
  13. a b c d Protactinium 3rd1000.com. Viitattu 1.11.2016.
  14. Mjasoedov et al. s. 163-164
  15. Mjasoedov et al. s. 191-192
  16. Mjasoedov et al. s. 204-205
  17. Mjasoedov et al. s. 203
  18. Mjasoedov et al. s. 209
  19. a b c Sellers, Philip A.; Fried, Sherman; Elson, Robert E.; Zachariasen, W. H. (1954). The Preparation of Some Protactinium Compounds and the Metal. Journal of the American Chemical Society. 76 (23): 5935. doi:10.1021/ja01652a011. (englanniksi)
  20. Mjasoedov et al. s. 194
  21. Meyer, Gerd & Morss, Lester R.: Synthesis of Lanthanide and Actinide Compounds, s. 44. Kluwer Academic Publishers, 1990. ISBN 0-7923-1018-7. Kirja Googlen teoshaussa (viitattu 3.11.2016). (englanniksi)
  22. Mjasoedov et al. s. 195
  23. Mjasoedov et al. s. 198
  24. Mjasoedov et al. s. 198
  25. Greenwood & Earnshaw s. 1271
  26. Mjasoedov et al. s. 197-204
  27. Mjasoedov et al. s. 195
  28. Mjasoedov et al. s. 197
  29. Mjasoedov et al. s. 186
  30. Mjasoedov et al. s. 199-200
  31. Mjasoedov et al. s. 191
  32. Mjasoedov et al. s. 200-201
  33. Mjasoedov et al. s. 207
  34. Mjasoedov et al. s. 207
  35. Greenwood & Earnshaw s. 1278–1279
  36. Starks, David F.; Parsons, Thomas C.; Streitwieser, Andrew; Edelstein, Norman (1974). Bis(π-cyclooctatetraene) protactinium. Inorganic Chemistry. 13 (6): 1307. doi:10.1021/ic50136a011. (englanniksi)
  37. Mjasoedov et al.
  38. Mjasoedov et al. s. 165
  39. Protactinium Isotopes americanelements.com. Viitattu 24.8.2016. (englanniksi)
  40. Audi, G., F.G. Kondev, M. Wang, B. Pfeiffer, X. Sun, J. Blachot, & M. MacCormick. (2012): The Nubase2012 evaluation of nuclear and decay properties. Chinese Physics C, 2012, vol. 36(12), s. 1157–1286.
  41. Mjasoedov et al.
  42. Gopka, V. F. & Yushchenko, A. V. et al.: Identification of absorption lines of short half-life actinides in the spectrum of Przybylski’s star (HD 101065). Kinematics and Physics of Celestial Bodies, 15.5.2008, 24. vsk, nro 2, s. 89–98. (englanniksi)
  43. Mjasoedov et al. s. 167
  44. Thorium: Proliferation warnings on nuclear 'wonder-fuel' phys.org. Viitattu 1.11.2016. (englanniksi)
  45. Mjasoedov et al. s. 169
  46. Mjasoedov et al. s. 172
  47. Seifritz, Walter Nukleare Sprengkörper – Bedrohung oder Energieversorgung für die Menschheit, Thiemig-Verlag (1984), ISBN 3-521-06143-4. (saksaksi)
  48. A Re-calculation of Criticality Property of 231Pa Using New Nuclear Data Ganesan, S. et al. Current Science, 1999, 77 (5) 667–677. (englanniksi)
  49. Mjasoedov et al. s. 170-171,189
  50. Mjasoedov et al. s. 188
  51. Radiological and Chemical Fact Sheets to Support Health Risk Analyses for Contaminated Areas (PDF) Argonne National Laboratory, maaliskuu 2007. s. 41. Viitattu 12.9.2016. (englanniksi)

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Protaktinium.
Wikisanakirja
Wikisanakirjassa on tähän liittyvä sananselitys: protaktinium.
Käännös suomeksi
Tämä artikkeli tai sen osa on käännetty tai siihen on haettu tietoja muunkielisen Wikipedian artikkelista.
Alkuperäinen artikkeli: en:Protactinium