Protaktyn

Szablon:Pierwiastek infobox Protaktyn (Pa, łac. protactinium) – pierwiastek chemiczny z grupy aktynowców o liczbie atomowej 91. Jest ciężkim srebrnoszarym metalem, łatwo reagującym z tlenem, parą wodną i kwasami nieorganicznymi. Tworzy związki chemiczne, w których jest zazwyczaj na V stopniu utlenienia, ale może także przyjmować II, III i IV stopień. Średnie stężenie protaktynu w skorupie ziemskiej jest zazwyczaj rzędu kilku ppt, ale może osiągać stężenia do kilku ppm w pewnych złożach rud uraninitowych. Ze względu na rzadkość, wysoką radioaktywność i toksyczność, metal ten obecnie nie posiada zastosowania poza badaniami naukowymi, do których pozyskiwany jest ze zużytego paliwa jądrowego.

Protaktyn po raz pierwszy został zidentyfikowany w 1913 roku przez Kazimierza Fajansa i Szablon:Link-interwiki, którzy nazwali go brevium ze względu na krótki czas połowicznego rozpadu badanego izotopu ²³⁴Pa. Bardziej stabilny izotop protaktynu został odkryty w 1918 roku, a jego nazwę zmieniono na protoaktyn, a następnie, w 1949 roku, na „protaktyn”, co oznacza „rodzic aktynu” i odnosi się do faktu, że produktem rozpadu protaktynu jest aktyn.

Najtrwalszym i najbardziej rozpowszechnionym (niemal 100%) naturalnie występującym izotopem protaktynu jest ²³¹Pa, będący produktem rozpadu Szablon:Link-interwiki, ma okres półtrwania ok. 32 530 lat. Znacznie mniejsze, śladowe ilości krótkotrwałego ^234mPa występują w produktach szeregu promieniotwórczego ²³⁸U. ²³³Pa jest produktem rozpadu ²³³Th, będącego częścią łańcucha przemian wykorzystywanych do otrzymania Szablon:Link-interwiki poprzez napromieniowanie neutronami ²³²Th. Jest niepożądanym produktem pośrednim w opartych na torze reaktorach jądrowych i jest usuwany z aktywnego obszaru reaktora podczas procesu powielania.

Analiza względnych stężeń różnych izotopów uranu, toru i protaktynu w wodzie i minerałach jest używana w datowaniu izotopowym osadów, których wiek sięga do 175 tys. lat oraz w modelowaniu różnych procesów geologicznych.

Występowanie

Protaktyn występuje w blendzie smolistej (uraninicie) w stężeniu w rudzie około 0,3–3 ppm. Jest jednorodnie rozprzestrzeniony w większości substancji naturalnych, w tym w wodzie, gdzie występuje w mniejszych stężeniach, rzędu 1 ppt, co odpowiada promieniotwórczości 0,1 pCi/g. W glebie piaszczystej występuje około 500-krotnie więcej protaktynu niż w wodzie, nawet jeśli woda ta jest obecna w tej glebie. Znacznie wyższe krotności, rzędu 2000 i powyżej, zostały zmierzone w piaskach gliniastych i glinach, takich jak bentonit. Protaktyn jest jednym z najrzadszych i najdroższych pierwiastków występujących w przyrodzie.

Źródła naturalne

Ruda uraninitowa, w której występuje protaktyn (0,3–3 ppm)

Ponieważ czas połowicznego rozpadu Szablon:Chem jest krótki w porównaniu do skali geologicznej, jego występowanie jest ściśle związane z występowaniem Szablon:Chem. Zawartość uranu w skorupie ziemskiej jest na poziomie 2,7 ppm, z czego 0,711% to Szablon:Chem, stąd naturalne rozpowszechnienie Szablon:Chem (obliczone z okresów połowicznego rozpadu Szablon:Chem i Szablon:Chem) wynosi 0,87Szablon:E, tylko nieznacznie mniej niż w przypadku Szablon:Chem. Przyjmując, że masa skorupy ziemskiej (do głębokości 36 km) wynosi 2,5Szablon:E g, to całkowite zasoby protaktynu wynoszą 2,2Szablon:E ton.

Wyraźna tendencja protaktynu do hydrolizy jest podstawą metody datowania osadów morskich do ich wieku sięgającego miliona lat. Przy niezakłóconym uformowaniu geologicznym stosunek Pa:U wynosi 3,2Szablon:E, ale współczynnik ten jest zakłócany, kiedy złoże jest wymywane przez wody gruntowe, które przenoszą uran do morza. Przy pH wody morskiej protaktyn i tor hydrolizują i odkładają się na dnie oceanicznym, pozostawiając uran w roztworze jako Szablon:Chem. Jako że rozpad Szablon:Chem i Szablon:Chem zachodzi z różnymi prędkościami, to wzajemny współczynnik zawartości tych pierwiastków na różnych głębokościach może być użyty do określenia szybkości sedymentacji.

Do określenia zawartości Szablon:Chem w ciałach stałych używana jest nowa metoda, o rząd wielkości dokładniejsza niż metody oparte na zliczaniu rozpadów, która oparta jest na spektroskopii masowej jonizacji termicznej (TIMS) protaktynu w węglanach. Dzięki tej metodzie mogą być datowane węglany o wieku 10–250 tys. lat.

Szablon:Chem nie został wykryty w naturze, ale ślady Szablon:Chem, jego substratu, jak i Szablon:Chem, produktu jego rozpadu, zostały wykryte w ściekach rafinerii uranu. Można wnioskować, że Szablon:Chem jest ciągle naturalnie tworzony w reakcji:

Szablon:Chem(n,2n) → Szablon:Chem(β⁻;6,75 dnia) → Szablon:Chem(α;2,14Szablon:E lat) → Szablon:Chem

W reaktorach atomowych

Dwa ważne izotopy protaktynu, Szablon:Chem i Szablon:Chem powstają z toru w reaktorach jądrowych; oba są niepożądane i są zazwyczaj usuwane, tym samym komplikując schemat i działanie reaktora jądrowego. W szczególności Szablon:Chem poprzez reakcje n,2n tworzy Szablon:Chem, który szybko (t_1/2 = 25,5 godz.) rozpada się do Szablon:Chem. Izotop ten ma stosunkowo długi okres połowicznego zaniku, równy 32 760 lat, i jest główną przyczyną długotrwałej radiotoksyczności zużytego paliwa jądrowego. Protaktyn-233 jest tworzony z Szablon:Chem poprzez wychwyt neutronu. Następnie rozpada się do uranu-233 lub wychwytuje następny neutron i przekształca się w bardzo trwały uran-234. Szablon:Chem ma względnie długi okres połowicznego zaniku równy 27 dni oraz wysoki przekrój czynny dla wychwytu neutronów (tak zwana „trucizna reaktorowa”). Stąd też, zamiast szybko rozpadać się do użytecznego Szablon:Chem, znacząca część Szablon:Chem przekształca się w słabo rozszczepialne izotopy i pochłania neutrony, zmniejszając tym samym wydajność reaktora. By temu zapobiec, Szablon:Chem jest usuwany z aktywnej strefy pracy torowych reaktorów chłodzonych stopionymi solami, by tor ulegał rozpadowi do Szablon:Chem. Jest to osiągane poprzez użycie kilkumetrowej wysokości kolumn stopionego bizmutu z rozpuszczonym w nim licie. W uproszczonym schemacie można to przedstawić, że lit wybiórczo redukuje sole protaktynu do metalicznego protaktynu, który następnie jest wyodrębniany ze stopionych soli, a bizmut służy tylko jako rozpuszczalnik. Wybierany jest ze względu na niską temperaturę topnienia (271 °C), niską prężność pary, dobrą rozpuszczalność litu i aktynowców oraz niemieszalność z roztopionymi chlorkami.

Izotopy protaktynu

Szablon:Osobny artykuł Obecnie (sierpień 2012) znanych jest 29 izotopów protaktynu, spośród których tylko trzy mają znaczenie naukowe;Szablon:Chem, Szablon:Chem i Szablon:Chem. Dwa z nich występują naturalnie – Szablon:Chem (~100%) i w śladowych ilościach Szablon:Chem, który istnieje ponadto w dwóch różnych stanach energetycznych. Szablon:Chem jest produktem pracy reaktorów atomowych. Protaktyn jest źródłem cząstek alfa. Niemal cały (99,8%) uran-238 rozpada się najpierw do izomeru ^234mPa.

Protaktyn-231

Szablon:Chem jest źródłem promieniowania α, a jego masa atomowa została ustalona na 231,03588 ±0,00002. W szeregu uranowo-aktynowym jest produktem rozpadu Szablon:Chem, a dalej rozpada się na Szablon:Chem, od którego zaczerpnął swoją nazwę. Potwierdzone okresy półtrwania wynoszą od 32 000±10% do 34 300 ±300 lat. Ostatnie badania ustaliły okres półtrwania na ok. 35 530 ±250 lat (z 95% pewnością). Dlatego też Szablon:Chem jest jedynym izotopem dostępnym w miligramowych ilościach. Przekrój czynny wychwytu neutronów termicznych wynosi 211 ±2 barnów. Okres półtrwania samorzutnego rozszczepienia wynosi 1,1Szablon:E lat.

Szablon:Chem może być wyizolowany z przetworzonych rud uranowych lub wytworzony na drodze dwóch reakcji jądrowych: Szablon:Chem(n,2n)Szablon:Chem lub Szablon:Chem(n,γ)Szablon:Chem. W zasadzie powinno to wyeliminować wszystkie problemy związane z otrzymywaniem Szablon:Chem. Jednakże napromieniowanie neutronami Szablon:Chem daje duże ilości Szablon:Chem i innych niepożądanych zanieczyszczeń, a względnie małe ilości Szablon:Chem.

Protaktyn-233

Szablon:Chem jest jedynym izotopem protaktynu, który otrzymywany jest w gramowych ilościach; pierwszy gram został otrzymany w 1964 roku przez naukowców w National Reactor Testing Station w Idaho. Znaczenie tego izotopu wynika z faktu, że jest etapem pośrednim w produkcji rozszczepialnego Szablon:Chem. Reakcja została odkryta w 1938 roku przez Lise Meitner:

Szablon:Chem(n,γ)Szablon:Chem(β⁻,22 min)→Szablon:Chem(β⁻, 27 dni) →Szablon:Chem

Szablon:Chem wyparł izotop Szablon:Chem z zastosowań jako znacznik izotopowy ze względu na swój okres półtrwania, stosunkową łatwość otrzymywania oraz nietrudne do wykrycia widmo gamma.

Protaktyn-234

Nuklid Szablon:Chem występuje naturalnie w dwóch postaciach izomerycznych: ^234mPa, odkryty przez Fajansa i Göhringa w 1913 roku oraz Szablon:Chem, odkryty przez Hahna w 1921 roku. Oba izotopy są źródłami promieniowania β⁻, rozpadając się do Szablon:Chem, ale ^234mPa jest metastabilny i w 0,13% rozpadów, w wyniku przejścia izomerycznego, rozpada się do swojego stanu podstawowego, Szablon:Chem.

Otrzymywanie i oczyszczanie

Ze względu na niewielkie zapotrzebowanie na protaktyn, nigdy nie uzyskiwano Szablon:Chem z rud rodzimych na dużą skalę. Mierzalne ilości protaktynu zawsze były otrzymywane z pozostałości oczyszczania uranu. Ze względów ekonomicznych nie zawsze jest możliwa optymalizacja wydzielania protaktynu z wszystkich odpadów jądrowych i pozostałościach z innych procesów. Zazwyczaj protaktyn jest frakcjonowany na każdym z etapów wzbogacania i wydobywania uranu z jego rud.

Przed rozwojem energii atomowej, blenda smolista była przetwarzana ze względu na zawartość radu. Rozdrobniona ruda, po wcześniejszym wyprażeniu z [[węglan sodu|Szablon:Chem]], była ługowana wodnymi roztworami [[Kwas siarkowy|Szablon:Chem]] lub [[Kwas azotowy|Szablon:Chem]] (lub ich mieszaniną), a substancje nierozpuszczalne w kwasach były roztwarzane przy użyciu roztworów NaOH lub Szablon:Chem. Pozostałość była następnie ługowana kwasem solnym, aby odzyskać rad. Pozostałość zawierała większą lub mniejszą część pierwotnego protaktynu, w zależności od względnych proporcji kwasów używanych w roztwarzaniu; wyższe stężenie Szablon:Chem i ogólna całkowita kwasowość sprzyja przechodzeniu protaktynu do roztworu. Metoda ta (Rückrückstände) była użyta przy odkryciu Szablon:Chem przez Hahna i Meitner (1918), a później do otrzymania pierwszych miligramowych ilości pierwiastka (Grosse, 1927) oraz do otrzymania 0,5 g tego pierwiastka przez Grauego i Kädinga w 1934 roku.

Po II wojnie światowej do oczyszczania uranu używany był proces ekstrakcji eterowej. Kwasowy roztwór powstały po roztwarzaniu rudy był traktowany Szablon:Chem, aby strącić mniej zasadowe metale, zostawiając przy tym uran w roztworze jako kompleks węglanowy. Katzin oszacował, że strącony osad węglanowy zawiera 0,30–0,35 ppm protaktynu, a dalsze przetworzenie tego osadu dało ok. 25 mg czystego metalu. Kiedy proces został zmodyfikowany by wyeliminować strącanie osadu węglanowego, protaktyn przechodził przez etap ekstrakcji eterowej do wodnego rafinatu, co pozwoliło na odzyskanie 35 mg czystej substancji. Dalsze modyfikacje procesu pozwoliły na strącanie w sposób ciągły osadu, który zawierał niemal cały protaktyn. Osad ten, był okresowo odfiltrowywany, co przyniosło ok. 2 g protaktynu.

Wodny rafinat z ekstrakcji eterowej był poddawany działaniu wapna, a odfiltrowany osad był magazynowany do przyszłego odzysku uranu i innych rynkowo cennych metali. Zgromadzony materiał był następnie poddawany kilkuetapowemu procesowi: roztwarzanie za pomocą kwasu siarkowego, następnie ekstrakcja z użyciem HDEHP, a ostatecznie reekstrakcja roztworem węglanu sodu. Roztwory ściekowe i osady były zrzucane do basenów ściekowych, gdzie tracono znaczną część protaktynu i Szablon:Chem. Proces przeszedł w 1972 roku modyfikację poprzez dodanie odpowiedniej ilości wodorotlenku sodu do roztworu Szablon:Chem, powodując całkowite strącenie uranu, tym samym minimalizując dalsze straty Pa i Szablon:Chem. Odfiltrowany osad (koncentrat Cottera) składał się z 2000 ton (suchej masy) mieszaniny tlenków i węglanów i zawierał około 30 ton Szablon:Link-interwiki, 14 kg Szablon:Chem i 75 g protaktynu. Materiał ten został przetworzony w Laboratoriach Mound.

W zakładach Windscale należącej do UKAEA, po usunięciu siarczanowego osadu zawierającego rad, roztwór był buforowany do pH ok. 2, a uran był strącany poprzez dodawanie nadtlenku wodoru. Osad nadtlenkowy niósł z sobą ponad 80% protaktynu, który był następnie ponownie rozpuszczany w kwasie azotowym. Niskie pH sprzyjało tworzeniu zawierającego protaktyn krzemionkowego szlamu, który osadzał się na ściankach instalacji ekstrakcji eterowej. Ten eterowy szlam był gromadzony do dalszego odzyskiwania uranu. Metoda ta była najbogatszym źródłem protaktynu, ostatecznie dając 127 g czystego pierwiastka.

Skład substratów wykorzystywanych do produkcji protaktynu

Rückrückstände		Szlam eterowy		Koncentrat Cottera
Składnik	Zawartość (%)	Składnik	Zawartość (%)	Składnik	Zawartość (%)
[[Ditlenek krzemu|Szablon:Chem]]	60	U	28,3	Szablon:Chem	13,8
[[Tlenek żelaza(III)|Szablon:Chem]]	22	Fe	7,7	Fe	ok. 30
PbO	8	Si	6,4	Si	ok. 4
[[Tritlenek diglinu|Szablon:Chem]]	5	Ba	ok. 3	Na	ok. 60
MnO	1	Zr	2,7	Mo	≤2
CaO	0,6	Mo	2,7	V	≤1
MgO	0,5	Szablon:Chem	1,8	Al	≥0,3
Ti	0,3	[[jon amonowy|Szablon:Chem]]	1,7	Th	0,15
Zr	0,1	Ca	1,5	Ti	0,1
HF i inne	–	V	0,9	Ca	0,07
grafit	0,1	Ti	0,44	Cu	0,05
[[Tlenek protaktynu(V)|Szablon:Chem]]	<3Szablon:E	Pb	0,4	Zr	0,04
		Al	0,27	Mg	0,04
		P	0,15	Ni	0,03
		Sr	0,09	Mn	0,01
		Nb, Ta	<0,1	Cr	0,01
		Mg, Ni, Cr	<0,01	B	0,002
		Mn, Co, Mn, Sn	<0,01	Be	7Szablon:E
		Pa	3,7Szablon:E	Pa	4Szablon:E

Obecnie w większości produkowany jest jako produkt pośredni reakcji jądrowych w wysokotemperaturowych reaktorach torowych podczas otrzymywania Szablon:Chem:

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{2}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{0}}\mathrm{T}\mathrm{h}{+}_{\mathrm{0}}^{\mathrm{1}}\mathrm{n}\mathrm{⟶}{}_{\mathrm{9}\mathrm{0}}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{3}}\mathrm{T}\mathrm{h}\underset{22,3min}{\overset{{\beta }^{-}}{\to }}{}_{\mathrm{9}\mathrm{1}}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{3}}\mathrm{P}\mathrm{a}\underset{26,967d}{\overset{{\beta }^{-}}{\to }}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{3}}\mathrm{U}$

Wydzielenie czystego protaktynu

Protaktyn został wyizolowany przez Aristida van Grossego (1893–1976), początkowo w postaci tlenku Szablon:Chem (2 mg) w 1927 roku, a w roku 1934 jako wolny pierwiastek, z 0,15 mg Szablon:Chem. Van Grosse określił masę atomową pierwiastka na 230,6 ±0,5. Zastosował dwie różne metody: w pierwszej, tlenek protaktynu był napromieniowywany w próżni wiązką elektronów o energii 35 keV. W drugiej metodzie, nazywaną procesem van Arkela-de Boera, tlenek został chemicznie przekształcony do halogenku (chlorku, bromku lub jodku), a następnie rozłożony termicznie w próżni z użyciem elektrycznie rozgrzanego włókna:

Szablon:Chem → 2Pa + Szablon:Chem

W tym samym roku Graue i Käding otrzymali 0,5 g protaktynu w postaci Szablon:Chem z 5,5 tony resztek blendy smolistej.

Rozwój energii atomowej doprowadził do przetworzenia dużych ilości rud o wysokiej zawartości uranu oraz spowodował nagromadzenie odpadów promieniotwórczych. W 1961 roku w zakładzie paliw jądrowych Szablon:Link-interwiki, należącym do Szablon:Link-interwiki (UKAEA, Komisja Nadzoru Badań i Wykorzystania Energii Atomowej Zjednoczonego Królestwa), wyizolowano 127 g protaktynu o czystości 99,9% poprzez 12-etapowy proces przetworzenia 60 ton odpadów promieniotwórczych o zawartości protaktynu na poziomie 4 ppm. Ze względu na to, że odpady zawierały też 12 ton uranu, było ekonomicznie uzasadnione odzyskanie obu pierwiastków, większość kosztów przypadło na odzysk uranu. Całkowity koszt procesu wyniósł około 500 tys. dolarów. Przez wiele lat, ze względu na oferowanie przez UKAEA protaktynu w symbolicznych cenach, było to jedyne znaczące źródło tego metalu, który był wykorzystywany w różnych laboratoriach do badań naukowych.

Właściwości

Właściwości fizyczne

Protaktyn należy do grupy aktynowców i jest położony w układzie okresowym na lewo od uranu i na prawo od toru, co powoduje, że wiele jego właściwości fizycznych jest pośrednich pomiędzy tymi dwoma pierwiastkami. Stąd też protaktyn ma większą gęstość i twardość niż tor, ale jest lżejszy niż uran, a jego temperatura topnienia jest niższa niż toru, a wyższa niż uranu. Rozszerzalność cieplna, przewodność cieplna i elektryczna tych trzech pierwiastków jest porównywalna do wartości tych wielkości dla metali nieszlachetnych. Przybliżona wartość modułu Kirchhoffa protaktynu jest podobna do tytanu. Przy schładzaniu w temperaturze pokojowej protaktyn krystalizuje do przestrzennie centrowanej struktury tetragonalnej, która może być uważana za zniekształconą przestrzennie centrowaną regularną sieć krystaliczną; sieć ta nie zmienia się do ciśnienia 53 GPa. Struktura zmienia się w regularną ściennie centrowaną (fcc) podczas schładzania z wysokiej temperatury przy ok. 1200 °C. Teoretyczne wyliczenia przewidują, że metaliczny protaktyn podlega przejściu fazowemu do rombowej struktury α-uranu poniżej 100 GPa. Przy bardzo wysokich ciśnieniach metal osiąga ściśle upakowaną strukturę hcp. Współczynnik rozszerzalności cieplnej fazy tetragonalnej pomiędzy temperaturą pokojową a 700 °C wynosi 9,9Szablon:E/°C.

Protaktyn jest paramagnetykiem, a w temperaturze poniżej 1,4 K staje się nadprzewodnikiem. Tetrachlorek protaktynu (Szablon:Chem), jest paramagnetykiem w temperaturze pokojowej, ale przy schłodzeniu do 182 K staje się ferromagnetykiem.

Właściwości chemiczne

Protaktyn jest metalem o srebrnoszarym połysku, który utrzymuje się przez kilka miesięcy w atmosferze powietrza. Niewielka utrata metalicznego połysku została zaobserwowana po ogrzewaniu przez godzinę próbki protaktynu do temperatury 100 °C. Ogrzewanie próbki przez godzinę do temperatury 300 °C powoduje zmianę barwy na szarobiałą i rozpoczyna rozpad próbki. Metal przy 300 °C wystawiony na działanie tlenu, pary wodnej i dwutlenku węgla jako produkt daje [[tlenek protaktynu(V)|Szablon:Chem]]; reakcje z [[amoniak|Szablon:Chem]] i [[wodór|Szablon:Chem]] dały odpowiednio Szablon:Chem i Szablon:Chem. Pierwiastek występuje głównie w dwóch stopniach utlenienia, IV i V, oba w ciałach stałych i roztworach, a stopnie II i III w pewnych fazach stałych. Jako że konfiguracja elektronowa atomu protaktynu to Szablon:Konfiguracja elektronowa, V stopień utlenienia odpowiada niskoenergetycznej (dlatego też uprzywilejowanej) konfiguracji radonu. Związki Pa(IV) i Pa(V) łatwo tworzą w wodzie wodorotlenki i hydroksosole, wśród których dominują Szablon:Chem, Szablon:Chem, Szablon:Chem i Szablon:Chem. Roztwory zawierające te jony są bezbarwne. Innymi znanymi jonami protaktynu są m.in.Szablon:Chem, Szablon:Chem, Szablon:Chem, Szablon:Chem, Szablon:Chem, Szablon:Chem i Szablon:Chem.

Protaktyn może tworzyć stopy. Otrzymano stopy protaktynu z metalami szlachetnymi poprzez redukcję Szablon:Chem za pomocą wodoru w obecności platyny, irydu i rodu. Możliwe jest także otrzymanie stopu protaktynu z berylem, Szablon:Chem.

Proste związki protaktynu

Tlenki

Znane są trzy tlenki protaktynu: PaO, [[Tlenek protaktynu(IV)|Szablon:Chem]] i [[tlenek protaktynu(V)|Szablon:Chem]].

Biały Szablon:Chem powstaje, gdy uwodniony tlenek Szablon:Chem, jak i wiele innych związków protaktynu, jest ogrzewany w atmosferze powietrza lub tlenu do temperatury powyżej 500–650 °C. Czarny Szablon:Chem jest otrzymywany w reakcji redukcji Szablon:Chem wodorem w temperaturze 1550 °C. PaO tworzy się na powierzchni metalicznego protaktynu.

Tlenki potrójne (składające się z trzech pierwiastków) zostały otrzymane w reakcji Szablon:Chem i Szablon:Chem z tlenkami innych pierwiastków.

Podczas dodawania [[nadtlenek wodoru|Szablon:Chem]] do roztworu Pa(V) w 0,25 M [[Kwas siarkowy|Szablon:Chem]] strąca się jasnożółty osad Szablon:Chem, będący niestabilnym nadtlenkiem protaktynu. Skład nadtlenku opisanego wzorem Szablon:Chem_xSzablon:Chem zmienia się stopniowo wraz z czasem od x=9 do x=5.

Wodorki

W reakcji wodoru z metalicznym protaktynem w temperaturze 250 °C i ciśnieniu 600 torów otrzymano w 1954 roku czarną substancję izostrukturalną z Szablon:Chem. Związek tan ma strukturę regularną o stałych sieciowych a = (6,648 ±0,005) Å. W 1972 roku otrzymano w temperaturze 100, 200 i 300 °C szarą substancję w postaci proszku, izostrukturalną z Szablon:Chem. Stała sieciowa dla Szablon:Chem otrzymanego przy 100 i 200 °C wynosi a = (4,150 ±0,002) Å, natomiast dla produktu otrzymanego przy 300 °C a = (4,154 ±0,002) Å.

Węgliki

Węglik protaktynu(IV), PaC, uzyskano poprzez redukcję Szablon:Chem z grafitem przy zmniejszonym ciśnieniu w temperaturze powyżej 1200 °C. Produkt otrzymany przy 1950 °C miał strukturę fcc (typ NaCl) o stałej a = (5,0608 ±0,0002) Å. Przy 2200 °C zaobserwowano słabe linie odpowiadające Szablon:Chem, a tetragonalna struktura otrzymanego związku charakteryzowała się stałymi sieciowymi a = (3,61 ±0,01) Å i c = (6,11 ±0,01) Å.

Halogenki

Halogenki i tlenohalogenki protaktynu(V) i protaktynu(IV) są otrzymywane z wykorzystywaniem jako substratu wodnego roztworu Pa(V). Do uzyskania halogenków metalu na V i IV stopniu utlenienia wykorzystywany jest PaC. Z halogenków protaktynu(III) znany jest tylko Szablon:Chem, otrzymany poprzez ogrzewanie Szablon:Chem przez kilkanaście dni w temperaturze 360–380 °C przy ciśnieniu 10⁻⁶ tora.

Wszystkie podwójne halogenki są lotne przy umiarkowanych temperaturach, co było wykorzystywane przy rozdzielaniu Szablon:Chem od [[Tlenek toru(IV)|Szablon:Chem]] i otrzymywaniu czystego Szablon:Chem i Szablon:Chem.

Historia

Układ okresowy z 1869 roku z luką na protaktyn

W 1871 roku Dmitrij Mendelejew przewidział istnienie ośmiu pierwiastków pomiędzy torem a uranem. W tamtym okresie grupa aktynowców była nieznana, stąd też uran był położony poniżej wolframu, a tor poniżej cyrkonu, pozostawiając puste miejsce poniżej tantalu. Układ okresowy pierwiastków był przedstawiany w takiej postaci aż do lat 50. XX wieku. Przez długi czas chemicy poszukiwali eka-tantalu – pierwiastka mającego właściwości zbliżone do tantalu, co uczyniło odkrycie protaktynu niemal niemożliwym.

W 1900 roku William Crookes wydzielił z uranu protaktyn jako silnie promieniotwórczą substancję, jednak nie był w stanie opisać jej jako nowy pierwiastek chemiczny, stąd też nazwał ją uranem-X. Crookes rozpuścił azotan uranylu w eterze, otrzymując tym samym w fazie wodnej głównie jony Szablon:Chem i Szablon:Chem. Jego metoda była używana do otrzymywania Szablon:Chem i Szablon:Chem ze związków uranu aż do lat 50. XX wieku. Protaktyn po raz pierwszy został zidentyfikowany w 1913 roku, kiedy Kazimierz Fajans i Szablon:Link-interwiki natrafili na izotop Szablon:Chem podczas swoich badań nad szeregiem promieniotwórczym uranu-238:

Szablon:Chem → Szablon:Chem → Szablon:Chem → Szablon:Chem

Nowy pierwiastek został nazwany brevium (od łacińskiego słowa brevis oznaczającego chwilę, krótki okres), z powodu jego krótkiego okresu połowicznego zaniku. W 1918 roku dwie grupy naukowców, kierowane przez Otto Hahna i Lise Meitner w Niemczech oraz Fredericka Soddy’ego i Johna Cranstona w Wielkiej Brytanii, niezależnie od siebie odkryły inny izotop protaktynu, Szablon:Chem, charakteryzujący się okresem półtrwania wynoszącym ok. 32 tys. lat. Po tym odkryciu nazwa pierwiastka została zmieniona z „brevium” na „protoactinium”, z uwagi na występowanie jego w szeregu uranu-235 przed aktynem. Ze względu na łatwość wymowy, nazwa została zmieniona w 1949 roku przez IUPAC na protactinium. Odkrycie protaktynu zapełniło ostatnią lukę we wczesnej wersji układu okresowego zaproponowanego przez Mendelejewa w 1869 roku oraz przyniosło sławę naukowcom zaangażowanym w jego odkrycie, szczególnie Meitner.

Zastosowanie protaktynu

Protaktyn jest używany do produkcji scyntylatorów do wykrywania promieniowania rentgenowskiego, składających się z tlenków gadolinu, protaktynu, cezu, metali ziem rzadkich i innych pierwiastków. Scyntylatory te są używane szczególnie w aparaturze do tomografii komputerowej.

Tlenki mieszane Nb, Mg, Ga i Mn, domieszkowane 0,005–0,52% Szablon:Chem są używane jako wysokotemperaturowe dielektryki (do 1300 °C) w kondensatorach ceramicznych.

Stosunek zawartości Szablon:Chem/Szablon:Chem jest elementem wykorzystywanym do określania wieku próbek w datowaniu metodą uranowo-torową.

Toksyczność

Szablon:Chem jest niebezpieczny dla organizmów, podobnie jak inne źródła promieniowania α o podobnym okresie połowicznego zaniku. W organizmie gromadzi się w nerkach i kościach. Maksymalna ilość protaktynu, która nie jest traktowana jako niebezpieczna po absorpcji przez organizm wynosi 0,03 μCi, co odpowiada masie 0,5 μg Szablon:Chem. Protaktyn znajdujący się w powietrzu jako aerozol jest 250 mln razy bardziej toksyczny niż cyjanowodór. Z tego powodu wszystkie operacje z mierzalnymi ilościami protaktynu powinny być przeprowadzane w specjalnych izolowanych komorach.