Protactinium: Radioaktives chemisches Element

Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block). Es ist silbrig metallisch und wird supraleitend unterhalb von 1,4 K. Es ist radioaktiv und kommt in der Natur extrem selten vor. Die größte Menge an Protactinium wird künstlich erzeugt.

Eigenschaften
[Rn] 5f2 6d1 7s2 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	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
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
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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 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.

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.

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).

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.

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

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

Chemische Eigenschaften

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

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.

→ 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.

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.

• 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.

 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