Протактиний

В 1913 году Казимир Фаянс и Освальд Гельмут Гёринг открыли в продуктах распада урана изотоп UX₂ (²³⁴Pa) с периодом полураспада около 1 мин. и назвали элемент «бревием» (от лат. brevis — «короткий» или «краткий») из-за короткого периода полураспада определённого изученного изотопа, то есть протактиния-234 (²³⁴Pa). Более стабильный изотоп протактиния (²³¹Pa) был обнаружен в 1917/18 годах Отто Ганом и Лизой Мейтнер. Они выбрали название «прото-актиний» (proto-actinium), но в 1949 году IUPAC окончательно назвал его «протактинием» и подтвердил, что Ган и Мейтнер были первооткрывателями. Новое название означало «(ядерный) предшественник[4] актиния» и отразил, что актиний является продуктом радиоактивного распада протактиния. Джону Арнольду Крэнстону, работавшему с Фредериком Содди и Адой Хитчинс, также приписывают открытие самого стабильного изотопа в 1915 году, но он отложил объявление этого из-за вызова на службу во время Первой мировой войны[5].

Затем Блек, Ган и Мейтнер обнаружили сходство свойств UX₂ с танталом. В 1918 г. Ган и Мейтнер в урановой смолке и, независимо от них Содди и Кренстон, открыли долгоживущий изотоп протактиния, названного так потому, что он являлся предшественником актиния.

Так как протактиний служит родоначальником актиния (при α-распаде ²³¹Pa образуется ²²⁷Ac), ему было присвоено современное название.

Полная электронная конфигурация атома протактиния: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶5f²6d¹7s².

Протактиний — это твёрдый радиоактивный светло-серый металл, по твёрдости приближающийся к урану. При температуре 2 К обладает сверхпроводимостью.

Металлический протактиний кристаллизуется в тетрагональной сингонии. При 1170 °С существует объёмно-центрированная кубическая модификация.

Протактиний — это плотный серебристо-серый актиноидный металл, который легко реагирует с кислородом, водяным паром и неорганическими кислотами. Он образует различные химические соединения, в которых протактиний обычно присутствует в степени окисления +5, но он также может иметь степени окисления +4 и даже +3 и +2. Концентрации протактиния в земной коре обычно составляют несколько частиц на триллион, но в некоторых месторождениях уранинитной руды концентрация может достигать нескольких частиц на миллион.

Протактиний на воздухе обычно покрывается тонкой плёнкой монооксида. Легко реагирует с водородом при 250—300 °С, образуя гидрид PaH₃. С иодом образует летучие иодиды сложного состава.

Самый долгоживущий и наиболее распространенный (почти 100 %) изотоп протактиния, встречающийся в природе, протактиний-231, имеет период полураспада 32 760 лет и является продуктом распада урана-235. Гораздо меньшие следовые количества короткоживущего протактиния-234 и его ядерного изомера протактиния-234m встречаются в цепи распада урана-238. Протактиний-233 является результатом распада тория-233; этот распад используется для производства урана-233 путем нейтронного облучения тория-232. Он является нежелательным промежуточным продуктом в ядерных реакторах на основе тория и поэтому удаляется из активной зоны реактора во время процесса разведения. Анализ относительных концентраций различных изотопов урана, тория и протактиния в воде и минералах используется в радиоизотопном датировании отложений, возраст которых составляет до 175 000 лет, и при моделировании различных геологических процессов.

Радиоактивные свойства некоторых изотопов протактиния:

Из природных источников — остатков от переработки урановой смолки — можно получить только ²³¹Pa. Кроме того, ²³¹Pa можно получить облучением ²³⁰Th медленными нейтронами:

²³⁰Th(n, γ)²³¹Th (β⁻-распад, T_1/2 = 25.6 ч) → ²³¹Pa

или при облучении ²³²Th быстрыми нейтронами по реакции

²³²Th(n, 2n)²³¹Th (β⁻-распад, T_1/2 = 25.6 ч) → ²³¹Pa

Изотоп ²³³Pa также получают из тория:

²³²Th(n, γ)²³³Th (β⁻-распад, T_1/2 = 23.5 мин.) → ²³³Pa

Металлический протактиний получают при восстановлении PaF₄ парами бария или кальция при 1400—1500 °С.

Из-за дефицита протактиния, его высокой радиоактивности и радиотоксичности в настоящее время он не находит применение вне научных исследований, и для этой цели его получают в основном из отработанного ядерного топлива. Используется в качестве добавки к топливному урану.

Радиоактивный распад избыточной активности дочерних радионуклидов ²³⁰Th и ²³¹Pa над материнскими изотопами урана в колонке осадочной толщи используется для установления возраста донных осадков[6].

ПДК для ²³¹Pa в воздухе рабочих помещений 5,6⋅10⁻⁴ Бк/м³[7]. В Германии 3⋅10^-4 Бк/м³.[8]

Все работы с ²³¹Pa допускаются только в герметичном перчаточном боксе. В организме человека склонен накапливаться в почках, печени и костях.

Протактиний, в зависимости от изотопного состава, обладает средней, высокой и особо высокой радиотоксичностью[9]. Кроме непосредственной ядовитости, протактиний радиоактивен, при распаде испускает альфа-частицы с энергией 5МэВ. Они эффективно задерживаются тонким слоем любого вещества, в том числе — кожей, поэтому, значительной опасности для здоровья не представляют. Однако, при попадании внутрь, ²³¹Pa наносит значительный вред организму, в первую очередь — благодаря продуктам деления.

Дело в том, что сам ²³¹Pa имеет большой период полураспада, (33т.л.), что означает низкую радиоактивность: всего 0,048Ки/г. Продукты его распада — тоже нестабильные изотопы, в основном, короткоживущие, а значит, с высокой радиоактивностью. Испустив альфа-частицу, атом протактиния-231 превращается в ²²⁷Ac, (t_1⁄2 = 22 года, активность 73Ки/г.) Тот, в свою очередь, в ²²⁷Th (t_1⁄2 = 19 дней, активность 31 000 Ки/г.) Основные продукты цепочки деления сведены в таблицу:

Легко видеть, что суммарная радиоактивность всех участников этой цепочки просто огромна.

В следовых количествах протактиний встречается в большинстве натуральных продуктов. Он попадает в организм с пищей, водой, вдыхается с воздухом. Только 0,05 % всасывается из ЖКТ в кровь. 40 % вещества, попавшего в системный кровоток, откладывается в костях, 15 % — в печени, 2 % — в почках. Остальное выводится с калом и мочой.

Период полувыведения весьма различен для разных тканей: для костей он составляет 50 лет. В других органах кинетика имеет сложный характер, условно можно выделить быструю и медленную компоненты. Так 70 % протактиния, попавшего в печень, имеют T_1/2 = 10 дней, для оставшихся 30 % — 60 дней. В почках 20 % (T_1/2=10 дней), и 80 % (60 дней).

В этих органах, из-за радиоактивности, протактиний способствует возникновению онкологических заболеваний.[10][8]

Максимальное безопасное количество протактиния при попадании в организм человека составляет 0,03 мкКи (1,1 кБк), что соответствует 0,5 мкг[11].

Повсеместно встречающееся утверждение «Протактиний в 250 миллионов раз токсичнее синильной кислоты» является, судя по всему, заблуждением[12]

• Протактиний на Webelements
• Протактиний в Популярной библиотеке химических элементов