Protactinium

Eigenschaften
[Rn] 5f2 6d1 7s2 91Pa Periodensystem
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
Atomar
Atommasse	231,03588(1) u
Atomradius	180 pm
Kovalenter Radius	200 pm
Elektronenkonfiguration	[Rn] 5f2 6d1 7s2
1. Ionisierungsenergie	5.89(12) eV ≈ 568 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	11.9(4) eV ≈ 1150 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	18.6(4) eV ≈ 1790 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie	30.9(4) eV ≈ 2980 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie	44.3(4) eV ≈ 4270 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	tetragonal
Dichte	15,37 g/cm3
Schmelzpunkt	1843 ± 50 K (1570 ± 50 °C)
Molares Volumen	15,18 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie	470 kJ·mol−1
Schmelzenthalpie	15 kJ·mol−1
Elektrische Leitfähigkeit	5,56 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit	47 W·m−1·K−1
Chemisch
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
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung keine Einstufung verfügbar
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.tac.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

Dmitri Mendelejew postulierte im Jahre 1871 die Existenz eines Elements zwischen Thorium und Uran. 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. Für lange Zeit suchten Chemiker nach Eka-Tantal mit ähnlichen chemischen Eigenschaften zum Tantal.

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). Crookes löste Uranylnitrat in Ether, die verbleibende wässrige Phase enthielt größtenteils die Nuklide ²³⁴Th und ²³⁴Pa.

^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‘).

Das langlebige ²³¹Pa (t_½ = 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). 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.

Im Jahre 1921 entdeckte Otto Hahn, dass es neben dem von Fajans gefundenen Brevium-234 ein weiteres betastrahlendes Nuklid mit der Massenzahl 234 gibt, das sich von Brevium-234 lediglich durch seine längere Halbwertszeit von 6,7 Stunden unterscheidet; es handelt sich hierbei um den seltenen Fall einer Kernisomerie.

1928 entwickelten Mitarbeiter Otto Hahns ein Verfahren, um Protactinium aus Rückständen der Radium-Herstellung zu isolieren. Im Labor der I.G. Farben in Ludwigshafen wurden dadurch 40 mg Protactinium(V)-oxid aus einer halben Tonne Radium-Rückständen aus Joachimsthal hergestellt. 1934 gewann Aristid von Grosse erstmals metallisches Protactinium. Er nutzte dabei zwei verschiedene Verfahren. Zum einen beschoss er Protactiniumoxid mit Elektronen, wodurch sich Sauerstoff abspaltete und das Metall zurückblieb. Zum anderen stellte er Protactiniumhalogenide (Chlorid, Bromid, Iodid) her, die er auf einem Wolframdraht elektrisch erhitzte. Dabei zersetzten sich die Halogenide zu metallischem Protactinium und den elementaren Halogenen. Die Ausbeute war beim Iodid am besten, beim Chlorid am schlechtesten.

${\displaystyle {\ce {2 PaI5 -> 2 Pa + 5 I2}}}$

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

Protactinium ist eines der seltensten Elemente auf der Erde, seine Häufigkeit in der kontinentalen Erdkruste wurde auf 0,87 · 10⁻⁶ ppm und die Gesamtmenge der Erde auf 22 Millionen Tonnen berechnet. Das natürlich vorkommende Protactinium besteht fast ausschließlich aus dem Isotop ²³¹Pa. Vorkommen des Elements sind eng mit Uranvorkommen verbunden, da ²³¹Pa als Teil der Uran-Actinium-Reihe ein Tochterisotop von ²³⁵U ist. Dieses zerfällt zu ²³¹Th, das weiter zu ²³¹Pa zerfällt. Im reichsten Uranerz Pechblende sind etwa 0,1 ppm enthalten.

In Lavaschmelzen wirkt Protactinium wahrscheinlich als stark inkompatibles Element, das kaum in magmatische Gesteine eingebaut wird. Eine Ausnahme ist Zirkon, hier wurde ein Verteilungskoeffizient zwischen 0,9 und 2,2 gefunden.

Uran hat eine annähernd konstante Konzentration in Meerwasser. Dagegen sind Thorium und Protactinium schlechter löslich als Uran, haften sich an absinkende Partikel und reichern sich im marinen Sediment an. Da Thorium und Protactinium unterschiedlich gut löslich sind (Thorium schlechter als Protactinium) können aus dem Verhältnis von ²³⁰Th und ²³¹Pa Rückschlüsse auf Strömungen und die Zirkulation im Ozean gezogen werden.

Weitere Isotope, die natürlich vorkommen, sind ^234mPa, ²³⁴Pa und ²³³Pa. ^234mPa ist ein Bestandteil der Uran-Radium-Reihe, in der ²³⁸U zunächst zu ²³⁴Th und dieses dann weiter zum metastabilen ^234mPa zerfällt. Auf Grund der sehr kurzen Halbwertszeit dieses Isomers ist mengenmäßig im Vergleich zu ²³¹Pa nur sehr wenig auf der Erde vorhanden, seine Aktivität durch γ-Emissionen ist aber ein wichtiger Bestandteil der natürlichen Radioaktivität, etwa von Rohphosphorsäure. Auch ²³⁴Pa ist in der Uran-Radium-Reihe enthalten, da 0,16 % des ^234mPa in einem Isomerieübergang in den Grundzustand übergehen. ²³³Pa wurde noch nicht direkt in der Natur beobachtet, aber sowohl das Mutterisotop ²³⁷Np als auch das weitere Zerfallsprodukt ²²⁵Ac. Daraus wurde geschlossen, dass sich durch Neutroneneinfang ²³⁷U natürlich bilden kann, das dann über die Neptunium-Reihe und damit auch ²³³Pa zerfällt.

Gewinnung und Darstellung

Aristid von Grosse isolierte im Jahre 1927 aus Abfällen der Radiumherstellung 2 Milligramm Protactinium(V)-oxid (Pa₂O₅). Im Jahre 1934 isolierte er erstmals elementares Protactinium aus 0,1 Milligramm Pa₂O₅. 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.

Später stellte er auch metallisches Protactinium aus Protactinium(V)-iodid (PaI₅) dar.

${\displaystyle {\ce {2 PaI5 -> 2 Pa + 5 I2}}}$

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. Für viele Jahre war dies die einzig weltweit verfügbare Quelle für Protactinium, von der jeweils verschiedene Laboratorien für wissenschaftliche Untersuchungen versorgt wurden.

Eigenschaften

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.

Verwendung

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. Andere Autoren kommen zum Schluss, dass eine Kettenreaktion selbst bei beliebig großer Masse in Protactinium ²³¹Pa nicht möglich ist.

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

${\displaystyle \mathrm {^{232}_{\ 90}Th\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 90}^{233}Th\ {\xrightarrow[{22,3\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 91}^{233}Pa\ {\xrightarrow[{26,967\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 92}^{233}U} }$

Die Zeitangaben sind Halbwertszeiten.

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

Verbindungen

→ 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.

Sicherheitshinweise

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 spielt. Auch Letzteres gilt nur, wenn es sich um eine dafür relevante Stoffmenge handelt.

Literatur

• 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.

Weblinks

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

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. 1 2 3 4 5 Eintrag zu protactinium in Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019): NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1). Hrsg.: National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD. doi:10.18434/T4W30F (physics.nist.gov/asd).  Abgerufen am 13. Juni 2020.
5. 1 2 3 4 5 Eintrag zu protactinium bei WebElements, www.webelements.com, abgerufen am 13. Juni 2020.
6. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Protactinium) entnommen.
7. ↑ Rudy J. M. Konings, Ondrej Beneš: The Thermodynamic Properties of the f-Elements and Their Compounds. I. The Lanthanide and Actinide Metals. In: Journal of Physical and Chemical Reference Data. Band 39, Nr. 4, 2010, Artikel 043102, doi:10.1063/1.3474238.
8. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Protactinium) entnommen.
9. ↑ 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.
10. ↑ Philip J. Stewart: Mendeleev’s predictions: success and failure. In: Foundations of Chemistry. Band 21, 2019, S. 3–9, doi:10.1007/s10698-018-9312-0
11. ↑ 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).
12. ↑ 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).
13. ↑ A Glossary of Terms in Nuclear Science and Technology. S. 180 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
14. ↑ 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).
15. ↑ K. Fajans: Die Stellung der Radioelemente im periodischen System. In: Physikalische Zeitschrift. 1913, 14 (4), S. 136–142.
16. ↑ Kasimir Fajans: Radioactive Transformations and the Periodic System of The Elements. In: Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft. 1913, 46, S. 422–439.
17. ↑ 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.
18. ↑ K. Fajans, O. Göhring: Über das Uran X₂-das neue Element der Uranreihe. In: Physikalische Zeitschrift. 1913, 14, S. 877–884.
19. ↑ 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).
20. ↑ 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).
21. ↑ John Albert Cranston, University of Glasgow (Memento vom 11. März 2020 im Internet Archive)
22. ↑ Frederick Soddy, John A. Cranston: The parent of Actinium. In: Proc. R. Soc. Lond. A. Band 94, Nr. 662, 1918, S. 384–404, doi:10.1098/rspa.1918.0025.
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24. ↑ Aristid v. Grosse: Zur Herstellung von Protactinium. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. Band 68, Nr. 2, 1934, S. 307–309, doi:10.1002/cber.19350680218.
25. ↑ A. V. Grosse: Metallic Element 91. In: Journal of the American Chemical Society. Band 56, 1934, S. 2200–2201, doi:10.1021/ja01325a508.
26. ↑ Names of New Elements Confirmed by International Union of Chemistry. In: Chemical & Engineering News. 1949, Band 27, Nummer 42, S. 2996–3091 doi:10.1021/cen-v027n042.p2996.
27. Boris F. Myasoedov, H. W. Kirby, Ivan G. Tananaev: Protactinium. In: Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger: The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements. Springer, Dordrecht 2006, ISBN 1-4020-3555-1, S. 161–252.
    1. 1 2 3 S. 170-171
28. ↑ Britain Declassifies Protactinium Extraction. In: Chemical & Engineering News Archive. Band 39, Nr. 32, 1961, S. 48–49, doi:10.1021/cen-v039n032.p048.
29. 1 2 Julie Prytulak: Protactinium . In: William White (Hrsg.): Encyclopedia of Geochemistry. Springer, 2018, ISBN 978-3-319-39311-7, S. 1287–1290.
30. ↑ E.M. El Afifi, M.A. Hilal, E.H. Borai: Comparative study for measurement of environmental natural radioactivity in the crude phosphoric acid using nuclear and non-nuclear techniques. In: Journal of Environmental Chemical Engineering. Band 3, Nr. 4, Teil A, 2015, S. 2909–2916, doi:10.1016/j.jece.2015.10.024.
31. ↑ F. G. Kondev, M. Wang, W. J. Huang, S. Naimi, G. Audi: The NUBASE2020 evaluation of nuclear physics properties. In: Chinese Physics C. 2021, Band 45, Nummer 3, Artikel 030001, S. 161, doi:10.1088/1674-1137/abddae.
32. ↑ 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).
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35. ↑ A. V. Grosse: Metallic Element 91. In: Journal of the American Chemical Society. 1934, 56 (10), S. 2200–2201 (doi:10.1021/ja01325a508).
36. ↑ Aristid von Grosse: Element 91. In: Science. 1934, 80 (2084), S. 512–516 (doi:10.1126/science.80.2084.512, PMID 17734249).
37. ↑ Aristid V. Grosse: Zur Herstellung von Protactinium. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1935, 68 (2), S. 307–309 (doi:10.1002/cber.19350680218).
38. ↑ 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.
39. ↑ 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).
40. ↑ 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).
41. ↑ Walter Seifritz: Nukleare Sprengkörper – Bedrohung oder Energieversorgung für die Menschheit. Thiemig-Verlag, 1984, ISBN 3-521-06143-4.
42. ↑ 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).
43. ↑ 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)).
44. ↑ 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).