Protactinium

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Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Protactinium, Pa, 91
Elementkategorie Actinoide
Gruppe, Periode, Block Ac, 7, f
Aussehen hell, silbrig, metallisch glänzend
CAS-Nummer

7440-13-3

EG-Nummer 616-087-9
ECHA-InfoCard 100.122.906
Massenanteil an der Erdhülle 9 · 10−8 ppm[1]
Atomar[2]
Atommasse 231,03588(1)[3] u
Atomradius 180 pm
Kovalenter Radius 200 pm
Elektronenkonfiguration [Rn] 5f2 6d1 7s2
1. Ionisierungsenergie 5.89(12) eV[4] ≈ 568 kJ/mol[5]
2. Ionisierungsenergie 11.9(4) eV[4] ≈ 1150 kJ/mol[5]
3. Ionisierungsenergie 18.6(4) eV[4] ≈ 1790 kJ/mol[5]
4. Ionisierungsenergie 30.9(4) eV[4] ≈ 2980 kJ/mol[5]
5. Ionisierungsenergie 44.3(4) eV[4] ≈ 4270 kJ/mol[5]
Physikalisch[2]
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur tetragonal
Dichte 15,37 g/cm3
Schmelzpunkt 1841 K (1568 °C)
Molares Volumen 15,18 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie 470 kJ/mol
Schmelzenthalpie 15 kJ·mol−1
Elektrische Leitfähigkeit 5,56 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit 47 W·m−1·K−1
Chemisch[2]
Oxidationszustände +5
Elektronegativität 1,5 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
229Pa {syn.} 1,50 d ε 0,316 229Th
α 5,841 225Ac
230Pa {syn.} 17,4 d ε 1,310 230Th
β− 0,563 230U
α 5,439 226Ac
231Pa 100 % 32.760 a α 5,149 227Ac
232Pa {syn.} 1,31 d β− 1,337 232U
ε 0,495 232Th
233Pa {syn.} 26,967 d β− 0,571 233U
234Pa in Spuren 6,70 h β− 2,197 234U
234mPa in Spuren 1,17 min β− 2,271 234U
IT 0,074 234Pa
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
Gefahren- und Sicherheitshinweise
Radioaktiv
Radioaktiv
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung
keine Einstufung verfügbar[6]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Protactinium (altgriechisch πρώτος prṓtos, deutsch ‚erster‘ und Actinium; Silbentrennung Prot|ac|ti|ni|um oder Pro|t|ac|ti|ni|um) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Pa und der Ordnungszahl 91. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block). Es ist silbrig metallisch und wird unterhalb von 1,4 K supraleitend. Es ist radioaktiv und kommt in der Natur extrem selten vor. Die größte Menge an Protactinium wird künstlich erzeugt.

Geschichte

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Dmitri Mendelejew postulierte im Jahre 1871 die Existenz eines Elements zwischen Thorium und Uran.[7][8] Die Reihe der Actinoiden-Elemente war zu der Zeit noch unbekannt. Daher wurde Uran unterhalb des Wolframs gesetzt, und Thorium unterhalb des Eka-Zirconiums (dem damals ebenfalls noch unentdeckten Element Hafnium), wobei der Platz unterhalb des Tantals freiblieb. Bis in die 1950er Jahre wurde das Periodensystem in dieser Form dargestellt.[9] Für lange Zeit suchten Chemiker nach Eka-Tantal mit ähnlichen chemischen Eigenschaften zum Tantal.

Mendelejews Periodensystem von 1871 mit einer Lücke für Protactinium am unteren Rand, zwischen Thorium (Th = 231) und Uran (U = 240)

Im Jahre 1900 isolierte William Crookes ein stark radioaktives Material aus Uran; allerdings konnte er es nicht als neues chemisches Element charakterisieren und nannte es Uranium-X (UX).[10][11] Crookes löste Uranylnitrat in Ether, die verbleibende wässrige Phase enthielt größtenteils die Nuklide 234Th und 234Pa.[12]

234mPa wurde 1913 von Kasimir Fajans und Oswald Helmuth Göhring entdeckt, sie gaben ihm wegen seiner kurzen Halbwertszeit (1,17 Minuten) den Namen Brevium (lateinisch brevis ‚kurz‘).[13][14][15][16]

Das langlebige 231Pa (t½ = 32.760 Jahre) wurde 1917 von Otto Hahn und Lise Meitner gefunden (veröffentlicht 1918), sie nannten es Protactinium (von griechisch πρῶτος = protos: das Erste, der Vorhergehende, das chemische Element, das in der Zerfallsreihe des Uran-235 vor dem Actinium steht).[17][18] Unabhängig gelang die Entdeckung des langlebigen Isotops in England Frederick Soddy und John Arnold Cranston, wobei letzterer nicht veröffentlichen konnte, da er 1915 Soldat im Ersten Weltkrieg wurde.[19][20][21]

Im Jahre 1921 machte Otto Hahn die weitere Entdeckung, dass es zu dem von Fajans gefundenen Brevium 234 noch ein zweites betastrahlendes Isotop mit der gleichen Massenzahl 234 gibt, das sich von dem Brevium lediglich durch seine längere Halbwertszeit von 6,7 Stunden unterscheidet; es handelt sich hierbei um den seltenen Fall einer Kernisomerie.[22]

Protactinium wurde erstmals 1934 durch Aristid von Grosse isoliert.

Der offizielle Name für alle drei Isotope sowie alle künstlich herstellbaren Isotope mit der Ordnungszahl 91 wurde 1949 von der IUPAC zu Protactinium bestimmt.

Vorkommen

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Protactinium ist ein radioaktives Zerfallsprodukt des Urans und findet sich in der Natur in Form der beiden Isotope 231Pa und 234Pa, wobei das Isotop 234Pa in zwei unterschiedlichen Energiezuständen (Kernisomeren) auftreten kann. Protactinium 231Pa, ein Alphastrahler, entsteht beim Zerfall von 235U (siehe Uran-Actinium-Reihe), das betastrahlende Protactinium 234Pa beim Zerfall von Uran 238U (siehe Uran-Radium-Reihe).

Gewinnung und Darstellung

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Aristid von Grosse isolierte im Jahre 1927 aus Abfällen der Radiumherstellung 2 Milligramm Protactinium(V)-oxid (Pa2O5).[23] Im Jahre 1934 isolierte er erstmals elementares Protactinium aus 0,1 Milligramm Pa2O5.[24][25] Dazu wandte er zwei unterschiedliche Verfahren an: Zum einen wurde Protactiniumoxid mit 35 keV-Elektronen im Vakuum bestrahlt. Zum anderen wurde das Oxid zu den Halogeniden (Chlorid, Bromid oder Iodid) umgesetzt und diese dann im Vakuum an einem elektrisch beheizten Draht reduziert.[26]

Später stellte er auch metallisches Protactinium aus Protactinium(V)-iodid (PaI5) dar.[27][28]

In den Jahren 1959 und 1961 wurden von der United Kingdom Atomic Energy Authority (UKAEA) 125 Gramm Protactinium mit einer Reinheit von 99,9 Prozent aus 60 Tonnen abgebrannter Kernbrennstäbe in einem 12-stufigen Prozess extrahiert; die Kosten betrugen etwa 500.000 US-Dollar.[29] Für viele Jahre war dies die einzig weltweit verfügbare Quelle für Protactinium, von der jeweils verschiedene Laboratorien für wissenschaftliche Untersuchungen versorgt wurden.[8]

Eigenschaften

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Im Periodensystem steht das Protactinium mit der Ordnungszahl 91 in der Reihe der Actinoide, sein Vorgänger ist das Thorium, das nachfolgende Element ist das Uran. Sein Analogon in der Reihe der Lanthanoide ist das Praseodym.

Physikalische Eigenschaften

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Protactinium ist silbrig metallisch und wird supraleitend unterhalb von 1,4 K.[30]

Chemische Eigenschaften

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Protactinium kommt hauptsächlich in zwei Oxidationsstufen vor, +4 und +5, sowohl in Festkörpern als auch in Lösung.

Verwendung

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Wegen seiner Seltenheit, hohen Radioaktivität und Giftigkeit findet Protactinium außer in der Forschung keine praktische Anwendung.

In Protactinium 231Pa, das beim Zerfall von Uran 235U entsteht und sich in Kernreaktoren auch durch die Reaktion 232Th + n → 231Th + 2n und anschließenden Betazerfall bildet, kann möglicherweise eine nukleare Kettenreaktion zustande kommen, die prinzipiell auch zum Bau von Atomwaffen genutzt werden könnte. Die kritische Masse beträgt nach Angabe von Walter Seifritz 750±180 kg.[31] Andere Autoren kommen zum Schluss, dass eine Kettenreaktion selbst bei beliebig großer Masse in Protactinium 231Pa nicht möglich ist.[32]

Protactinium 233Pa ist ein Zwischenprodukt im Brutprozess von Thorium 232Th zu Uran 233U in Thorium-Hochtemperaturreaktoren.

Die Zeitangaben sind Halbwertszeiten.

Seit der Verfügbarkeit moderner, sehr sensibler Massenspektrometer ist eine Anwendung des 231Pa beispielsweise als Tracer in der Paläozeanographie möglich geworden.[33]

Verbindungen

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→ Kategorie: Protactiniumverbindung

Protactinium(IV)-oxid (PaO2) ist ein schwarzes, kristallines Pulver. Protactinium(V)-oxid (Pa2O5) ist ein weißes, kristallines Pulver. Beide weisen ein kubisches Kristallsystem auf.

Protactinium(V)-chlorid (PaCl5) bildet gelbe monokline Kristalle und besitzt eine Kettenstruktur bestehend aus 7-fach koordinierten pentagonalen Bipyramiden.[34]

Sicherheitshinweise

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Einstufungen nach der GHS-Verordnung liegen nicht vor, weil diese nur die chemische Gefährlichkeit umfassen, die eine völlig untergeordnete Rolle gegenüber den auf der Radioaktivität beruhenden Gefahren spielen. Auch Letzteres gilt nur, wenn es sich um eine dafür relevante Stoffmenge handelt.

Literatur

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  • Harold W. Kirby: The Radiochemistry of Protactinium. National Academies, 1959 (PDF).
  • Boris F. Myasoedov, Harold W. Kirby, Ivan G. Tananaev: Protactinium. In: Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger (Hrsg.): The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements. Springer, Dordrecht 2006, ISBN 1-4020-3555-1, S. 161–252 (doi:10.1007/1-4020-3598-5_4).
  • Eric Scerri: A tale of seven elements. Oxford University Press, Oxford 2013.
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Wiktionary: Protactinium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Protactinium – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
  • Eintrag zu Protactinium. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 3. Januar 2015.
  • Linda Raber: Protactinium, Chemical & Engineering News, 2003

Einzelnachweise

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  1. ↑ Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Protactinium) entnommen.
  3. ↑ IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights: Standard Atomic Weights of 14 Chemical Elements Revised. In: Chemistry International. 40, 2018, S. 23, doi:10.1515/ci-2018-0409.
  4. ↑ a b c d e Eintrag zu protactinium in Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019): NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1). Hrsg.: NIST, Gaithersburg, MD. doi:10.18434/T4W30F (physics.nist.gov/asd). Abgerufen am 13. Juni 2020.
  5. ↑ a b c d e Eintrag zu protactinium bei WebElements, www.webelements.com, abgerufen am 13. Juni 2020.
  6. ↑ Die von der Radioaktivität ausgehenden Gefahren gehören nicht zu den einzustufenden Eigenschaften nach der GHS-Kennzeichnung. In Bezug auf weitere Gefahren wurde dieses Element entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
  7. ↑ Siegfried Niese: Die Entdeckung des Elementes 91 durch Kasimir Fajans und Oswald Göhring im Jahr 1913 und die Namensgebung durch Otto Hahn und Lise Meitner 1918 (Digitalisat).
  8. ↑ a b John Emsley: Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford University Press, Oxford, England, UK 2001, ISBN 0-19-850340-7, S. 347–349, Kapitel: Protactinium (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  9. ↑ Michael Laing: A Revised Periodic Table: With the Lanthanides Repositioned. In: Foundations of Chemistry. 2005, 7 (3), S. 203 (doi:10.1007/s10698-004-5959-9).
  10. ↑ William Crookes: Radio-Activity of Uranium. In: Proceedings of the Royal Society of London. 1899, 66, S. 409–423 (doi:10.1098/rspl.1899.0120).
  11. ↑ A Glossary of Terms in Nuclear Science and Technology. S. 180 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  12. ↑ Sven Johansson: Decay of UX1, UX2, and UZ. In: Physical Review. 1954, 96 (4), S. 1075 (doi:10.1103/PhysRev.96.1075; bibcode:1954PhRv...96.1075J).
  13. ↑ K. Fajans: Die Stellung der Radioelemente im periodischen System. In: Physikalische Zeitschrift. 1913, 14 (4), S. 136–142.
  14. ↑ Kasimir Fajans: Radioactive Transformations and the Periodic System of The Elements. In: Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft. 1913, 46, S. 422–439.
  15. ↑ K. Fajans, O. Göhring: Über die komplexe Natur des UrX. In: Die Naturwissenschaften. 1913, 1 (14), S. 339. (digizeitschriften); doi:10.1007/BF01495360; bibcode:1913NW......1..339F.
  16. ↑ K. Fajans, O. Göhring: Über das Uran X2-das neue Element der Uranreihe. In: Physikalische Zeitschrift. 1913, 14, S. 877–884.
  17. ↑ Otto Hahn, Lise Meitner: Die Muttersubstanz des Actiniums, ein Neues Radioaktives Element von Langer Lebensdauer. In: Physikalische Zeitschrift. 1918, 19, S. 208–218 (doi:10.1002/bbpc.19180241107).
  18. ↑ Lise Meitner, Otto Hahn: Über das Protactinium und die Frage nach der Möglichkeit seiner Herstellung als chemisches Element. In: Die Naturwissenschaften. 1919, 7 (33), S. 611–612 (doi:10.1007/BF01498184).
  19. ↑ Protactinium, Jefferson Lab
  20. ↑ John Albert Cranston, University of Glasgow (Memento vom 11. März 2020 im Internet Archive)
  21. ↑ Cranston, Soddy, The parent of Actinium, Nature, Band 100, 1918, S. 498–499
  22. ↑ Otto Hahn: Über eine neue radioaktive Substanz im Uran. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1921, 54 (6), S. 1131–1142 (doi:10.1002/cber.19210540602).
  23. ↑ Aristid von Grosse: Das Element 91; seine Eigenschaften und seine Gewinnung. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1928, 61 (1), S. 233–245 (doi:10.1002/cber.19280610137).
  24. ↑ A. V. Grosse, M. S. Agruss: The Isolation of 0,1 gram of the Oxide of Element 91 (Protactinium). In: Journal of the American Chemical Society. 1934, 56 (10), S. 2200 (doi:10.1021/ja01325a507).
  25. ↑ G. Graue, H. Käding: Die technische Gewinnung des Protactiniums. In: Angewandte Chemie. 1934, 47 (37), S. 650–653 (doi:10.1002/ange.19340473706).
  26. ↑ A. V. Grosse: Metallic Element 91. In: Journal of the American Chemical Society. 1934, 56 (10), S. 2200–2201 (doi:10.1021/ja01325a508).
  27. ↑ Aristid von Grosse: Element 91. In: Science. 1934, 80 (2084), S. 512–516 (doi:10.1126/science.80.2084.512, PMID 17734249).
  28. ↑ Aristid V. Grosse: Zur Herstellung von Protactinium. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1935, 68 (2), S. 307–309 (doi:10.1002/cber.19350680218).
  29. ↑ David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, The Elements "Protactinium", S. 4-28 – 4-29.
  30. ↑ R. D. Fowler, B. T. Matthias, L. B. Asprey, H. H. Hill, J. D. G. Lindsay, C. E. Olsen, R. W. White: Superconductivity of Protactinium. In: Phys. Rev. Lett. 1965, 15 (22), S. 860–862 (doi:10.1103/PhysRevLett.15.860; bibcode:1965PhRvL..15..860F).
  31. ↑ Walter Seifritz: Nukleare Sprengkörper – Bedrohung oder Energieversorgung für die Menschheit. Thiemig-Verlag, 1984, ISBN 3-521-06143-4.
  32. ↑ S. Ganesan, Umasankari Kannan, P. D. Krishnani, V. Jagannathan, R. P. Jain, R. Karthikeyan: A Re-calculation of Criticality Property of 231Pa Using New Nuclear Data. In: Current Science. 1999, 77 (5), S. 667–671. (PDF).
  33. ↑ J. F. McManus, R. Francois, J.-M. Gherardi, L. D. Keigwin, S. Brown-Leger: Collapse and rapid resumption of Atlantic meridional circulation linked to deglacial climate changes. In: Nature. 2004, 428, S. 834–837 (doi:10.1038/nature02494; Archivierte Kopie (Memento vom 10. April 2013 im Internet Archive)).
  34. ↑ R. P. Dodge, G. S. Smith, Q. Johnson, R. E. Elson: The Crystal Structure of Protactinium Pentachloride. In: Acta Cryst. 1967, 22, S. 85–89 (doi:10.1107/S0365110X67000155).
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