Protactinium - Protactinium

Protactínio,  91 Pa
Protactinium.jpg
Protactínio
Pronúncia / ˌ p r t Æ k t ɪ n i ə m / ( PROH -tak- ESTANHO -ee-əm )
Aparência brilho metálico prateado brilhante
Peso atômico padrão A r, std (Pa) 231,035 88 (1)
Protactínio na tabela periódica
Hidrogênio Hélio
Lítio Berílio Boro Carbono Azoto Oxigênio Flúor Néon
Sódio Magnésio Alumínio Silício Fósforo Enxofre Cloro Argônio
Potássio Cálcio Escândio Titânio Vanádio Cromo Manganês Ferro Cobalto Níquel Cobre Zinco Gálio Germânio Arsênico Selênio Bromo Krypton
Rubídio Estrôncio Ítrio Zircônio Nióbio Molibdênio Tecnécio Rutênio Ródio Paládio Prata Cádmio Índio Lata Antimônio Telúrio Iodo Xenon
Césio Bário Lantânio Cério Praseodímio Neodímio Promécio Samário Europium Gadolínio Térbio Disprósio Holmium Erbium Túlio Itérbio Lutécio Háfnio Tântalo Tungstênio Rênio Ósmio Iridium Platina Ouro Mercúrio (elemento) Tálio Liderar Bismuto Polônio Astatine Radon
Francium Rádio Actínio Tório Protactínio Urânio Neptúnio Plutônio Americium Curium Berquélio Californium Einsteinium Fermium Mendelévio Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seabórgio Bohrium Hassium Meitnerium Darmstádio Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
Pr

Pa

(Uqp)
tórioprotactíniourânio
Número atômico ( Z ) 91
Grupo grupo n / a
Período período 7
Bloquear   bloco f
Configuração de elétron [ Rn ] 5f 2 6d 1 7s 2
Elétrons por camada 2, 8, 18, 32, 20, 9, 2
Propriedades físicas
Fase em  STP sólido
Ponto de fusão 1841  K (1568 ° C, 2854 ° F)
Ponto de ebulição 4300 K (4027 ° C, 7280 ° F) (?)
Densidade (próximo à  rt ) 15,37 g / cm 3
Calor de fusão 12,34  kJ / mol
Calor da vaporização 481 kJ / mol
Propriedades atômicas
Estados de oxidação +2, +3, +4, +5 (um óxido fracamente básico )
Eletro-negatividade Escala de Pauling: 1,5
Energias de ionização
Raio atômico empírico: 163  pm
Raio covalente 200 pm
Linhas de cores em uma faixa espectral
Linhas espectrais de protactínio
Outras propriedades
Ocorrência natural da decadência
Estrutura de cristal tetragonal de corpo centrado
Estrutura de cristal tetragonal centrada no corpo para protactínio
Expansão térmica ~ 9,9 µm / (m⋅K) (à  temperatura ambiente )
Condutividade térmica 47 W / (m⋅K)
Resistividade elétrica 177 nΩ⋅m (a 0 ° C)
Ordenação magnética paramagnético
Número CAS 7440-13-3
História
Predição Dmitri Mendeleev (1869)
Descoberta e primeiro isolamento Kasimir Fajans e Oswald Helmuth Göhring (1913)
Nomeado por Otto Hahn e Lise Meitner (1917-198)
Isótopos principais de protactínio
Isótopo Abundância Meia-vida ( t 1/2 ) Modo de decaimento produtos
229 Pa syn 1,5 d ε 229 th
230 Pa syn 17,4 d ε 230 th
231 Pa 100% 3,276 × 10 4  y α 227 Ac
232 Pa syn 1,31 d β - 232 U
233 Pa vestígio 26.967 d β - 233 U
234 Pa vestígio 6,75 h β - 234 U
234 m Pa vestígio 1,17 min β - 234 U
Categoria Categoria: Protactínio
| referências

O protactínio (anteriormente protoactínio ) é um elemento químico com o símbolo Pa e número atômico 91. É um metal actinídeo cinza-prateado denso que reage prontamente com oxigênio , vapor de água e ácidos inorgânicos . Ele forma vários compostos químicos nos quais o protactínio está geralmente presente no estado de oxidação +5, mas também pode assumir os estados +4 e até +3 ou +2. As concentrações de protactínio na crosta terrestre são normalmente de algumas partes por trilhão, mas podem chegar a algumas partes por milhão em alguns depósitos de minério de uraninita . Devido à sua escassez, alta radioatividade e alta toxicidade, atualmente não há usos para o protactínio fora da pesquisa científica e, para esse propósito, o protactínio é extraído principalmente do combustível nuclear usado .

O protactínio foi identificado pela primeira vez em 1913 por Kazimierz Fajans e Oswald Helmuth Göhring e denominado brevium por causa da meia-vida curta do isótopo específico estudado, ou seja, protactínio-234. Um isótopo mais estável do protactínio, 231 Pa, foi descoberto em 1917/18 por Otto Hahn e Lise Meitner , e eles escolheram o nome proto-actínio, mas o IUPAC finalmente o nomeou "protactínio" em 1949 e confirmou Hahn e Meitner como descobridores . O novo nome significava " precursor (nuclear) do actínio " e refletia que o actínio é um produto da decomposição radioativa do protactínio. John Arnold Cranston (trabalhando com Frederick Soddy e Ada Hitchins ) também é creditado com a descoberta do isótopo mais estável em 1915, mas atrasou seu anúncio por ter sido convocado para o serviço na Primeira Guerra Mundial .

O isótopo natural de protactínio de vida mais longa e mais abundante (quase 100%) , o protactínio-231, tem meia-vida de 32.760 anos e é um produto da decomposição do urânio-235 . Traços muito menores de protactínio-234 e seu isômero nuclear protactínio-234m ocorrem na cadeia de decaimento do urânio-238 . O protactínio-233 resulta da decomposição do tório- 233 como parte da cadeia de eventos usada para produzir o urânio-233 por irradiação de nêutrons do tório-232. É um produto intermediário indesejado em reatores nucleares à base de tório e, portanto, é removido da zona ativa do reator durante o processo de melhoramento. A análise das concentrações relativas de vários isótopos de urânio, tório e protactínio na água e minerais é usada na datação radiométrica de sedimentos com até 175.000 anos e na modelagem de vários processos geológicos. A ciência oceânica utiliza o elemento para compreender o antigo oceano.

História

Tabela periódica de Dmitri Mendeleev de 1871 com uma lacuna para o protactínio na linha inferior do gráfico, entre o tório e o urânio

Em 1871, Dmitri Mendeleev previu a existência de um elemento entre o tório e o urânio . A série de actinídeos era desconhecida na época. Portanto, o urânio foi posicionado abaixo do tungstênio no grupo VI e o tório abaixo do zircônio no grupo IV, deixando o espaço abaixo do tântalo no grupo V vazio; até a aceitação do conceito de actinídeo no final dos anos 1940, tabelas periódicas foram publicadas com essa estrutura. Por muito tempo, os químicos procuraram o eka-tântalo como um elemento com propriedades químicas semelhantes às do tântalo, tornando a descoberta do protactínio quase impossível. O análogo mais pesado do tântalo foi posteriormente descoberto como sendo o elemento transurânico dubnium - que, no entanto, não reage como o tântalo, mas como o protactínio.

Em 1900, William Crookes isolou o protactínio como um material intensamente radioativo do urânio; no entanto, ele não poderia caracterizá-lo como um novo elemento químico e, portanto, nomeou-o urânio-X (UX). Crookes dissolveu nitrato de urânio em éter , e a fase aquosa residual contém a maior parte do234
90
º
e 234
91
Pa
. Seu método ainda era usado na década de 1950 para isolar234
90
º
e 234
91
Pa
de compostos de urânio. O protactínio foi identificado pela primeira vez em 1913, quando Kasimir Fajans e Oswald Helmuth Göhring encontraram o isótopo 234 Pa durante seus estudos das cadeias de decaimento do urânio-238 :238
92
você
234
90
º
234
91
Pa
234
92
você
. Eles nomearam o novo elemento brevium (da palavra latina, brevis , que significa breve ou curto) por causa de sua meia-vida curta, 6,7 horas para234
91
Pa
. Em 1917/18, dois grupos de cientistas, Otto Hahn e Lise Meitner da Alemanha e Frederick Soddy e John Cranston da Grã-Bretanha , descobriram independentemente outro isótopo de protactínio, 231 Pa, com meia-vida muito mais longa de cerca de 33.000 anos. Assim, o nome brevium foi alterado para protoactínio, pois o novo elemento fazia parte da cadeia de decomposição do urânio-235 como o pai do actínio (do grego : πρῶτος prôtos "primeiro, antes"). Para facilitar a pronúncia, o nome foi encurtado para protactinium pela IUPAC em 1949. A descoberta do protactinium preencheu uma das últimas lacunas nas primeiras versões da tabela periódica, proposta por Mendeleev em 1869, e trouxe à fama os cientistas envolvidos.

Aristid von Grosse produziu 2 miligramas de Pa 2 O 5 em 1927 e, em 1934, isolou pela primeira vez o protactínio elementar de 0,1 miligramas de Pa 2 O 5 . Ele usou dois procedimentos diferentes: no primeiro, o óxido de protactínio foi irradiado por elétrons de 35 keV no vácuo. Em outro método, chamado de processo van Arkel – de Boer , o óxido foi quimicamente convertido em um haleto ( cloreto , brometo ou iodeto ) e então reduzido em vácuo com um filamento metálico aquecido eletricamente:

2 PaI 5 → 2 Pa + 5 I 2

Em 1961, a Autoridade de Energia Atômica do Reino Unido (UKAEA) produziu 127 gramas de protactínio-231 99,9% puro, processando 60 toneladas de material residual em um processo de 12 estágios, a um custo de cerca de US $ 500.000. Por muitos anos, esse foi o único suprimento significativo de protactínio no mundo, que foi fornecido a vários laboratórios para estudos científicos. O Oak Ridge National Laboratory nos EUA forneceu protactínio a um custo de cerca de US $ 280 / grama.

Isótopos

Foram descobertos 30 radioisótopos de protactínio, sendo o mais estável 231 Pa com meia-vida de 32.760 anos, 233 Pa com meia-vida de 27 dias e 230 Pa com meia-vida de 17,4 dias. Todos os isótopos restantes têm meia-vida menor que 1,6 dias, e a maioria deles tem meia-vida menor que 1,8 segundos. O protactínio também possui dois isômeros nucleares , 217m Pa (meia-vida de 1,2 milissegundos) e 234m Pa (meia-vida de 1,17 minutos).

O modo de decaimento primário para o isótopo 231 Pa mais estável e mais leve ( 211 Pa a 231 Pa) é o decaimento alfa , produzindo isótopos de actínio . O modo primário para os isótopos mais pesados ​​( 232 Pa a 240 Pa) é o decaimento beta , produzindo isótopos de urânio .

Ocorrência

O protactínio é um dos elementos naturais mais raros e caros. É encontrado na forma de dois isótopos - 231 Pa e 234 Pa, com o isótopo 234 Pa ocorrendo em dois estados de energia diferentes. Quase todo o protactínio natural é protactínio-231. É um emissor alfa e é formado pela decomposição do urânio-235, enquanto o protactínio-234 que irradia beta é produzido como resultado da decomposição do urânio-238 . Quase todo o urânio-238 (99,8%) decai primeiro no isômero 234m Pa de vida mais curta .

O protactínio ocorre na uraninita (pitchblenda) em concentrações de cerca de 0,3-3 partes de 231 Pa por milhão de partes (ppm) de minério. Enquanto o conteúdo usual está próximo de 0,3 ppm (por exemplo, em Jáchymov , República Tcheca ), alguns minérios da República Democrática do Congo têm cerca de 3 ppm. O protactínio está homogeneamente disperso na maioria dos materiais naturais e na água, mas em concentrações muito mais baixas da ordem de uma parte por trilhão, o que corresponde à radioatividade de 0,1 picocuries (pCi) / g. Há cerca de 500 vezes mais protactínio nas partículas de solo arenoso do que na água, mesmo a água presente na mesma amostra de solo. Razões muito mais altas de 2.000 e acima são medidas em solos argilosos e argilas, como a bentonita .

Em reatores nucleares

Dois isótopos de protactínio principais, 231 Pa e 233 Pa, são produzidos a partir de tório em reatores nucleares ; ambos são indesejáveis ​​e geralmente são removidos, adicionando complexidade ao projeto e à operação do reator. Em particular, as reações de 232 Th via ( n , 2 n ) produzem 231 Th que rapidamente (meia-vida 25,5 horas) decai para 231 Pa. O último isótopo, embora não seja um resíduo transurânico, tem uma meia-vida longa de 32.760 anos e é um dos principais contribuintes para a radiotoxicidade de longo prazo do combustível nuclear usado.

O protactínio-233 é formado após a captura de nêutrons pelo 232 Th. Ele ainda se decompõe em urânio-233 ou captura outro nêutron e se converte no urânio-234 não físsil. O 233 Pa tem meia-vida relativamente longa de 27 dias e alta seção transversal para captura de nêutrons (o chamado " veneno de nêutrons "). Assim, em vez de decair rapidamente para o 233 U útil , uma fração significativa de 233 Pa se converte em isótopos não físseis e consome nêutrons, degradando a eficiência do reator . Para evitar isso, 233 Pa é extraído da zona ativa dos reatores de sal fundido de tório durante sua operação, de modo que só decai para 233 U. Isso é conseguido usando colunas de bismuto fundido de vários metros de altura com lítio dissolvido nele. Em um cenário simplificado, o lítio reduz seletivamente os sais de protactínio a protactínio metálico, que é então extraído do ciclo do sal fundido, e o bismuto é apenas um transportador. É escolhido por causa de seu baixo ponto de fusão (271 ° C), baixa pressão de vapor, boa solubilidade para lítio e actinídeos e imiscibilidade com haletos fundidos .

Preparação

O protactínio ocorre nos minérios de uraninita .

Antes do advento dos reatores nucleares, o protactínio era separado dos minérios de urânio para experimentos científicos. Hoje em dia, é produzido principalmente como um produto intermediário da fissão nuclear em reatores de alta temperatura de tório (os tempos dados são meias-vidas):

O isótopo 231 pode ser preparado irradiando tório-230 com nêutrons lentos, convertendo-o no tório-231 de decomposição beta, ou irradiando tório-232 com nêutrons rápidos, gerando tório-231 e 2 nêutrons.

O protactínio metálico pode ser preparado por redução de seu fluoreto com cálcio , lítio ou bário a uma temperatura de 1300–1400 ° C.

Propriedades físicas e químicas

O protactínio é um actinídeo que está posicionado na tabela periódica à esquerda do urânio e à direita do tório , e muitas de suas propriedades físicas são intermediárias entre esses dois actinídeos. Portanto, o protactínio é mais denso e rígido do que o tório, mas é mais leve do que o urânio, e seu ponto de fusão é inferior ao do tório e superior ao do urânio. A expansão térmica, as condutividades elétrica e térmica desses três elementos são comparáveis ​​e são típicas de metais pós-transição . O módulo de cisalhamento estimado do protactínio é semelhante ao do titânio . Protactinium é um metal com brilho cinza prateado que é preservado por algum tempo no ar. O protactínio reage facilmente com oxigênio, vapor de água e ácidos, mas não com álcalis.

À temperatura ambiente, o protactínio cristaliza na estrutura tetragonal centrada no corpo , que pode ser considerada como uma estrutura cúbica distorcida no centro do corpo; esta estrutura não muda com a compressão de até 53 GPa. A estrutura muda para cúbica centrada na face ( fcc ) após o resfriamento de alta temperatura, a cerca de 1200 ° C. O coeficiente de expansão térmica da fase tetragonal entre a temperatura ambiente e 700 ° C é 9,9 × 10 - 6 / ° C.

O protactínio é paramagnético e nenhuma transição magnética é conhecida por ele em qualquer temperatura. Ele se torna supercondutor em temperaturas abaixo de 1,4 K. O tetracloreto de protactínio é paramagnético em temperatura ambiente, mas se torna ferromagnético após o resfriamento a 182 K.

O protactínio existe em dois estados de oxidação principais , +4 e +5, tanto em sólidos como em soluções, e os estados +3 e +2 foram observados em algumas fases sólidas. Como a configuração eletrônica do átomo neutro é [Rn] 5f 2 6d 1 7s 2 , o estado de oxidação +5 corresponde à configuração 5f 0 de baixa energia (e, portanto, favorecida) . Ambos os estados +4 e +5 formam facilmente hidróxidos em água com os íons predominantes sendo Pa (OH) 3+ , Pa (OH)2+
2
, Pa (OH)+
3
e Pa (OH) 4 , todos incolores. Outros íons de protactínio conhecidos incluem PaCl2+
2
, PaSO2+
4
, PaF 3+ , PaF2+
2
, PaF-
6
, PaF2−
7
e PaF3-
8
.

Compostos químicos

Fórmula cor simetria grupo espacial Não Símbolo Pearson a (pm) b (pm) c (pm) Z densidade (g / cm 3 )
Pa cinza prateado tetragonal I4 / mmm 139 tI2 392,5 392,5 323,8 2 15,37
PaO sal rochoso Fm 3 m 225 cF8 496,1 4 13,44
PaO 2 Preto fcc Fm 3 m 225 cF12 550,5 4 10,47
Pa 2 O 5 Branco Fm 3 m 225 cF16 547,6 547,6 547,6 4 10,96
Pa 2 O 5 Branco ortorrômbico 692 402 418
PaH 3 Preto cúbico Pm 3 n 223 cP32 664,8 664,8 664,8 8 10,58
PaF 4 vermelho acastanhado monoclínico C2 / c 15 mS60 2
PaCl 4 verde amarelo tetragonal I4 1 / amd 141 tI20 837,7 837,7 748,1 4 4,72
PaBr 4 marrom tetragonal I4 1 / amd 141 tI20 882,4 882,4 795,7
PaCl 5 amarelo monoclínico C2 / c 15 mS24 797 1135 836 4 3,74
PaBr 5 vermelho monoclínico P2 1 / c 14 mP24 838,5 1120,5 1214,6 4 4,98
PaOBr 3 monoclínico C2 1691,1 387,1 933,4
Pa (PO 3 ) 4 ortorrômbico 696,9 895,9 1500,9
Pa 2 P 2 O 7 cúbico Pa3 865 865 865
Pa (C 8 H 8 ) 2 amarelo dourado monoclínico 709 875 1062

Aqui um , b e c são constantes de rede em picometros, n é o número do grupo de espaço e Z é o número de unidades de fórmula por célula unitária ; fcc representa a simetria cúbica centrada na face . A densidade não foi medida diretamente, mas calculada a partir dos parâmetros de rede.

Óxidos e sais contendo oxigênio

Os óxidos de protactínio são conhecidos pelos estados de oxidação do metal +2, +4 e +5. O mais estável é o pentóxido branco Pa 2 O 5 , que pode ser produzido pela inflamação do hidróxido de protactínio (V) no ar a uma temperatura de 500 ° C. Sua estrutura cristalina é cúbica e a composição química geralmente não é estequiométrica, descrita como PaO 2,25 . Outra fase desse óxido com simetria ortorrômbica também foi relatada. O dióxido negro PaO 2 é obtido a partir do pentóxido, reduzindo-o a 1550 ° C com hidrogênio. Não é prontamente solúvel em ácidos nítrico , clorídrico ou sulfúrico diluído ou concentrado , mas se dissolve facilmente em ácido fluorídrico . O dióxido pode ser convertido novamente em pentóxido por aquecimento em atmosfera contendo oxigênio a 1100 ° C. O monóxido de PaO foi observado apenas como uma fina camada de protactínio metálico, mas não em uma forma volumosa isolada.

O protactínio forma óxidos binários mistos com vários metais. Com os metais alcalinos A , os cristais têm uma fórmula química APaO 3 e estrutura perovskita , ou A 3 PaO 4 e estrutura de sal-gema distorcida, ou A 7 PaO 6, onde os átomos de oxigênio formam uma rede hexagonal compactada. Em todos esses materiais, os íons de protactínio são coordenados octaedricamente. O pentóxido Pa 2 O 5 combina-se com óxidos de metais de terras raras R 2 O 3 para formar vários óxidos mistos não estequiométricos, também de estrutura perovskite.

Os óxidos de protactínio são básicos ; eles se convertem facilmente em hidróxidos e podem formar vários sais, como sulfatos , fosfatos , nitratos , etc. O nitrato é geralmente branco, mas pode ser marrom devido à decomposição radiolítica . Aquecer o nitrato no ar a 400 ° C converte-o no pentóxido de protactínio branco. O politrioxofosfato Pa (PO 3 ) 4 pode ser produzido pela reação de sulfato de difluoreto PaF 2 SO 4 com ácido fosfórico (H 3 PO 4 ) sob atmosfera de gás inerte. O aquecimento do produto a cerca de 900 ° C elimina os subprodutos da reação, como ácido fluorídrico , trióxido de enxofre e anidrido fosfórico. Aquecê-lo a temperaturas mais altas em uma atmosfera inerte decompõe o Pa (PO 3 ) 4 no difosfato PaP 2 O 7 , que é análogo aos difosfatos de outros actinídeos. No difosfato, os grupos PO 3 formam pirâmides de simetria C 2v . O aquecimento da PaP 2 O 7 no ar a 1400 ° C decompõe-se nos pentóxidos de fósforo e protactínio.

Halides

O fluoreto de protactínio (V) forma cristais brancos onde os íons de protactínio são organizados em bipiramidas pentagonais e coordenados por 7 outros íons. A coordenação é a mesma no cloreto de protactínio (V), mas a cor é amarela. A coordenação muda para octaédrica no brometo de protactínio (V) marrom e é desconhecida para o iodeto de protactínio (V). A coordenação do protactínio em todos os seus tetrahaletos é 8, mas o arranjo é antiprismático quadrado no fluoreto de protactínio (IV) e dodecaédrico no cloreto e no brometo. O iodeto de protactínio (III) de cor marrom foi relatado em que os íons de protactínio são coordenados em 8 em um arranjo prismático trigonal bicapado.

Coordenação de protactínio (círculos sólidos) e átomos de halogênio (círculos abertos) em fluoreto ou cloreto de protactínio (V).

O fluoreto de protactínio (V) e o cloreto de protactínio (V) têm uma estrutura polimérica de simetria monoclínica. Lá, dentro de uma cadeia polimérica, todos os átomos de haleto estão em um plano semelhante ao da grafite e formam pentágonos planos ao redor dos íons de protactínio. A coordenação 7 do protactínio origina-se dos 5 átomos de haleto e duas ligações aos átomos de protactínio pertencentes às cadeias próximas. Esses compostos hidrolisam facilmente em água. O pentacloreto derrete a 300 ° C e sublima em temperaturas ainda mais baixas.

O fluoreto de protactínio (V) pode ser preparado fazendo reagir o óxido de protactínio com pentafluoreto de bromo ou trifluoreto de bromo a cerca de 600 ° C, e o fluoreto de protactínio (IV) é obtido a partir do óxido e uma mistura de hidrogênio e fluoreto de hidrogênio a 600 ° C; um grande excesso de hidrogênio é necessário para remover os vazamentos de oxigênio atmosférico na reação.

O cloreto de protactínio (V) é preparado pela reação do óxido de protactínio com tetracloreto de carbono a uma temperatura de 200–300 ° C. Os subprodutos (como PaOCl 3 ) são removidos por sublimação fracionada. A redução do cloreto de protactínio (V) com hidrogênio a cerca de 800 ° C produz cloreto de protactínio (IV) - um sólido verde-amarelo que sublima no vácuo a 400 ° C; também pode ser obtido diretamente do dióxido de protactínio tratando-o com tetracloreto de carbono a 400 ° C.

Os brometos de protactínio são produzidos pela ação do brometo de alumínio , brometo de hidrogênio , tetrabrometo de carbono ou uma mistura de brometo de hidrogênio e brometo de tionila sobre o óxido de protactínio. Uma reação alternativa é entre pentacloreto de protactínio e brometo de hidrogênio ou brometo de tionila. O brometo de protactínio (V) tem duas formas monoclínicas semelhantes, uma é obtida por sublimação a 400–410 ° C e outra por sublimação a uma temperatura ligeiramente inferior de 390–400 ° C.

Os iodetos de protactínio resultam dos óxidos e iodeto de alumínio ou iodeto de amônio aquecido a 600 ° C. O iodeto de protactínio (III) foi obtido por aquecimento do iodeto de protactínio (V) em vácuo. Tal como acontece com os óxidos, o protactínio forma haletos mistos com metais alcalinos. Entre eles, o mais notável é o Na 3 PaF 8, onde o íon protactínio é simetricamente rodeado por 8 íons F - que formam um cubo quase perfeito.

Fluoretos de protactínio mais complexos também são conhecidos, como Pa 2 F 9 e fluoretos ternários dos tipos MPaF 6 (M = Li, Na, K, Rb, Cs ou NH 4 ), M 2 PaF 7 (M = K, Rb, Cs ou NH 4 ) e M 3 PaF 8 (M = Li, Na, Rb, Cs), sendo todos sólidos cristalinos brancos. A fórmula MPaF 6 pode ser representada como uma combinação de MF e PaF 5 . Esses compostos podem ser obtidos por evaporação de uma solução de ácido fluorídrico contendo esses dois complexos. Para os pequenos cátions alcalinos como o Na, a estrutura cristalina é tetragonal, enquanto para cátions maiores K + , Rb + , Cs + ou NH 4 + ela diminui para ortorrfômbica . Uma variação semelhante foi observada para os fluoretos M 2 PaF 7 , ou seja, a simetria do cristal era dependente do cátion e diferia para Cs 2 PaF 7 e M 2 PaF 7 (M = K, Rb ou NH 4 ).

Outros compostos inorgânicos

Oxyhalides e oxysulfides de protactinium são conhecidos. O PaOBr 3 tem uma estrutura monoclínica composta por unidades de cadeia dupla onde o protactínio tem coordenação 7 e é organizado em bipiramidas pentagonais. As cadeias são interconectadas por meio de átomos de oxigênio e bromo, e cada átomo de oxigênio está relacionado a três átomos de protactínio. PaOS é um sólido não volátil amarelo claro com uma rede cristalina cúbica isoestrutural à de outros oxissulfetos de actinídeo. É obtido pela reação de cloreto de protactínio (V) com uma mistura de sulfeto de hidrogênio e dissulfeto de carbono a 900 ° C.

Em hidretos e nitretos, o protactínio tem um baixo estado de oxidação de cerca de +3. O hidreto é obtido por ação direta do hidrogênio sobre o metal a 250 ° C, e o nitreto é um produto da amônia e tetracloreto ou pentacloreto de protactínio. Este sólido amarelo brilhante é estável ao aquecimento a 800 ° C no vácuo. O carboneto de protactínio PaC é formado pela redução do tetrafluoreto de protactínio com bário em um cadinho de carbono a uma temperatura de cerca de 1400 ° C. O protactínio forma boro-hidretos que incluem Pa (BH 4 ) 4 . Possui uma estrutura polimérica incomum com cadeias helicoidais, onde o átomo de protactínio tem número de coordenação 12 e é cercado por seis íons BH 4 - .

Compostos Organometálicos

A estrutura proposta da molécula de protactinoceno (Pa (C 8 H 8 ) 2 )

Protactínio (IV) forma um complexo tetraédrico tetraquis (ciclopentadienil) protactínio (IV) (ou Pa (C 5 H 5 ) 4 ) com quatro anéis ciclopentadienil , que podem ser sintetizados pela reação de cloreto de protactínio (IV) com Be (C 5 H ) fundido 5 ) 2 . Um anel pode ser substituído por um átomo de haleto. Outro complexo organometálico é o bis (π-ciclooctatetraeno) protactínio amarelo-dourado, ou protactinoceno, Pa (C 8 H 8 ) 2 , que é análogo em estrutura ao uranoceno . Lá, o átomo de metal é ensanduichado entre dois ligantes ciclo- octatetraeno. Semelhante ao uranoceno, pode ser preparado pela reação de tetracloreto de protactínio com ciclooctatetraeneto dipotássico , K 2 C 8 H 8 , em tetrahidrofurano .

Formulários

Embora o protactínio esteja localizado na tabela periódica entre o urânio e o tório, ambos com inúmeras aplicações, atualmente não há usos para o protactínio fora da pesquisa científica devido à sua escassez, alta radioatividade e alta toxicidade.

O protactínio-231 surge da decomposição do urânio-235 formado em reatores nucleares e pela reação 232 Th + n →  231 Th + 2n e subsequente decadência beta . Antigamente, pensava-se que era capaz de suportar uma reação em cadeia nuclear, que poderia, em princípio, ser usada para construir armas nucleares : o físico Walter Seifritz  [ de ] uma vez estimou a massa crítica associada como750 ± 180 kg . No entanto, a possibilidade de criticidade de 231 Pa foi descartada desde então.

Com o advento dos espectrômetros de massa altamente sensíveis , uma aplicação de 231 Pa como traçador em geologia e paleoceanografia tornou-se possível. Assim, a proporção de protactínio-231 para tório-230 é usada para datação radiométrica de sedimentos com até 175.000 anos e na modelagem da formação de minerais. Em particular, sua avaliação em sedimentos oceânicos permitiu reconstruir os movimentos dos corpos d'água do Atlântico Norte durante o último degelo das geleiras da Idade do Gelo . Algumas das variações de datação relacionadas ao protactínio dependem da análise das concentrações relativas de vários membros de longa vida da cadeia de decaimento do urânio - urânio, protactínio e tório, por exemplo. Esses elementos possuem 6, 5 e 4 elétrons de valência e, portanto, favorecem os estados de oxidação +6, +5 e +4, respectivamente, e apresentam propriedades físicas e químicas diferentes. Assim, o tório e o protactínio, mas não os compostos de urânio, são pouco solúveis em soluções aquosas e precipitam nos sedimentos; a taxa de precipitação é mais rápida para o tório do que para o protactínio. Além disso, a análise da concentração de protactínio-231 (meia-vida de 32.760 anos) e de tório-230 (meia-vida de 75.380 anos) permite melhorar a precisão em comparação com quando apenas um isótopo é medido; este método de isótopo duplo também é fracamente sensível à falta de homogeneidade na distribuição espacial dos isótopos e às variações em sua taxa de precipitação.

Precauções

O protactínio é tóxico e altamente radioativo e, portanto, todas as manipulações com ele são realizadas em um porta- luvas lacrado . Seu isótopo principal 231 Pa tem uma atividade específica de 0,048 curies (1,8  GBq ) por grama e emite principalmente partículas alfa com uma energia de 5 MeV, que podem ser interrompidas por uma fina camada de qualquer material. No entanto, decai lentamente, com meia-vida de 32.760 anos, em 227 Ac, que tem uma atividade específica de 74 curies (2.700 GBq) por grama, emite radiação alfa e beta e tem meia-vida muito mais curta de 22 anos. O 227 Ac, por sua vez, decai em isótopos mais leves com meias-vidas ainda mais curtas e atividades específicas (SA) muito maiores, conforme resumido na tabela abaixo que mostra a cadeia de decaimento do protactínio-231.

Isótopo 231 Pa 227 Ac 227 th 223 Ra 219 Rn 215 Po 211 Pb 211 Bi 207 Tl
SA ( Ci / g) 0,048 73 3,1 × 10 4 5,2 × 10 4 1,3 × 10 10 3 × 10 13 2,5 × 10 7 4,2 × 10 8 1,9 × 10 8
Decair α α, β α α α α β α, β β
Meia-vida 33 ka 22 a 19 dias 11 dias 4 s 1,8 ms 36 min 2,1 min 4,8 min

Como o protactínio está presente em pequenas quantidades na maioria dos produtos e materiais naturais, é ingerido com alimentos ou água e inalado com o ar. Apenas cerca de 0,05% do protactínio ingerido é absorvido pelo sangue e o restante é excretado. Do sangue, cerca de 40% do protactínio se deposita nos ossos, cerca de 15% vai para o fígado, 2% para os rins e o restante deixa o corpo. A meia-vida biológica do protactínio é de cerca de 50 anos nos ossos, enquanto em outros órgãos a cinética tem um componente rápido e lento. Por exemplo, 70% do protactínio no fígado tem meia-vida biológica de 10 dias e os 30% restantes por 60 dias. Os valores correspondentes para rins são 20% (10 dias) e 80% (60 dias). Em todos esses órgãos, o protactínio promove o câncer por meio de sua radioatividade. A dose máxima de segurança de Pa no corpo humano é de 0,03 uCi (1,1 kBq), o que corresponde a 0,5 microgramas de 231 Pa. Este isótopo é de 2,5 x 10 8 vezes mais tóxico do que o ácido cianídrico . As concentrações máximas permitidas de 231 Pa no ar na Alemanha são3 × 10 −4  Bq / m 3 .

Veja também

  • Ada Hitchins , que ajudou Soddy a descobrir o elemento protactínio

Referências

Bibliografia

links externos