✍ dations ◷ 2025-04-25 18:34:45 #锕系元素,第7周期元素,镤,化学元素

5f26d17s2
2,8,18,32,20,9,2

主条目:镤的同位素

镤(英语:Protactinium,旧译作鎃)是一种放射性化学元素,化学符号为Pa,原子序为91。镤是一种银灰色、密度大的锕系元素,容易与氧、水蒸汽和无机酸反应。

镤在自然界中非常稀少,在地壳中的平均浓度是通常为兆分之一,但在一些晶质铀矿的矿床中可能达到百万分之一。镤因为稀少,具有高放射性和高毒性,除了科学研究之外没有其他用途。由于由于镤和其他锕系元素的化学和物理特性过于接近,难以分离,故目前研究用的镤主要是从用过核燃料中提炼。镤寿命最长且最主要的天然同位素为235U的衰变产物231Pa,半衰期为32760年。

早在1871年,德米特里·门得列夫便预测钍和铀之间有元素的存在,并在周期表中预留位置。由于当时锕系元素还没有被发现,所以在1871版年门得列夫周期表的排序方式中,铀位于第Ⅵ族,钍位于第Ⅳ族中,并在第V组中的钽以下的位置留空。这样的编排方式一直持续到1950年代,并造成很长一段时间化学家都积极在寻找与钽相似性质的元素,而使发现镤的机率趋近于零。实际上,下一个与钽有相似化性的元素为人造元素�。

1900年,威廉·克鲁克斯将硝酸铀酰溶解于乙醚中,发现剩馀的水中含有234Th和另一未知强烈放射性物质。他将它从硝酸铀酰分离,这个物质便是镤。但他不知道他发现了一个新的化学元素,并将其命名为铀-X。

镤真正首次发现于1913年,当时法扬斯和奥斯瓦尔德·格林(西班牙语:Oswald Helmuth Göhring),在他们的研究的铀-238衰变链(238铀→234钍→234镤→234铀)中,发现了镤的同位素234镤。因为它的半衰期短只有6.7小时,所以他们将他们发现的新元素命名为(拉丁语,意思是短暂、短期)。

1917年至1918年间,两组科学家奥托·哈恩和莉泽·迈特纳,以及德国和英国的弗雷德里克·索迪和约翰·克兰斯登(John Cranston)的,发现了镤的另一个同位素231镤,半衰期约32000年。因此,他们将名称从Brevium变更为镤(proto-actinium)(希腊文:πρῶτος,意义为之前,首先),因为镤在铀-235衰变链的位置在锕之前。

1927年,阿里斯蒂德·冯·格罗斯(英语:Aristid von Grosse)提取出2毫克的五氧化二镤(Pa2O5),并于1934年首次在0.1毫克的五氧化二镤中分离出纯镤。

英国原子能管理局(英语:United Kingdom Atomic Energy Authority)(UKAEA)在1961年花了50万美元处理了60吨的用过核燃料,提炼出约125克纯度为99.9%的镤 ,并成为多年来世界上唯一的镤来源,提供给各实验室进行科学研究。镤目前的价格非常昂贵,美国橡树岭国家实验室于2011年公布1克的镤约为280美元。

镤是天然存在的最罕见和最昂贵元素之一。由于铀-235的α衰变(产生镤-231),以及铀-238的β衰变(产生镤-234),以至于镤通常是以231Pa和234Pa的形式存在。而几乎所有的铀238(99.8%)都会衰变成234mPa。

镤-233是钍-232中子俘获所形成的。而它会再衰变成铀-233,或者捕捉另一个中子,并转换成非裂变的铀-234。

镤出现在晶质铀矿(沥青铀矿)的浓度约0.3至3百万分浓度(ppm)。大部分的浓度为0.3ppm,但部分从刚果民主共和国产的矿物约有3ppm。在大多数的天然材料和在水中,镤以一兆分之一以下的浓度均匀分布,放射性约为0.1微居里/克。

在核反应堆的出现之前,镤是从铀矿石用科学实验方法分离。如今,它主要是钍的高温反应器中的中间产物:

镤是银灰色光泽的金属,可保存于空气中一段时间。

镤是周期表中位于铀的左侧;钍的右侧,而其物理性质正介于这两个锕系元素之间。镤的密度比钍大,而比铀轻;其熔点低于钍,而比铀高。这三个元素的热膨胀,电导率和导热程度互相媲美,是典型的“穷金属”。

估计镤的剪切模量类似钛。

在室温下,镤是体心四方结构,其可以被视为扭曲的体心立方晶格结晶;而这种结构在被压缩高达53 GPa时仍然不改变。镤目前已知在任何温度下具有顺磁性而不会转变磁性。在温度低于1.4K时将成为超导体。在室温下镤四氯化碳是顺磁性的,而冷却至182K后会变成铁磁。

镤容易与氧,水蒸气和酸反应,但不与碱金属反应。

无论是在固体和水溶液,镤存在两个主要的氧化态:+4和+5,而+3和+2的状态存在于一些固相。由于它的电子组态是7s26d15f2,+5氧化态对应的低能量有利于5f0的电子填入。+4和+5都状态很容易在水中形成氢氧化物,主要离子包括Pa(OH)3+, Pa(OH)2+
2, Pa(OH)+
3 a以及 Pa(OH)4,皆无色。其他已知的离子包括PaCl2+
2, PaSO2+
4, PaF3+, PaF2+
2, PaF6-, PaF2−
7 以及 PaF3−
8。

a,b和c是指每皮米的晶格常数,空间群编码和Z是每单位晶格的数目;fcc表示面心立方对称性。

目前已发现29个镤的同位素,其中最稳定的是231Pa,半衰期为32760年,233Pa的半衰期为27天,230Pa的半衰期为17.4天。其它的大部分都小于1.6天,其中的大部分又小于1.8秒。镤还有两个核异构体:217mPa(半衰期 1.2毫秒)和234mPa(半衰期 1.17分)。

镤主要有两种衰变模式:变成较轻原子的α衰变231Pa(212Pa 至 231Pa)以及变成较重原子的β衰变(232Pa 至 240Pa)。 同位素镤 231Pa主要的衰变产物为较轻的锕、较重的240Pa以及右的同位素。

镤既有毒性,又有很高的放射性,因此须在一个密封的手套箱进行操作。

其主要的同位素231镤0.048居里/克,主要是发射α-粒子5 MeV,用薄的金属即可阻挡。 然后它会慢慢的衰变(半衰期为32760年)成227Ac, 能量为 74 居里/g,进行α和β衰变,半衰期为22年。接着会衰变成半衰期更短、能量更大的元素 , 其结果整理于下表:

镤是存在于自然界少量的天然元素,它是由食物或水摄入,或从空气吸入。 会存在于中的只会有0.05%,其余的会排出体外。其中的0.05%会进入骨骼, 有15%会进入肝脏,2% 进入肾脏,急于的再度离开身体。因此,在肝脏中的镤有70%的半衰期为10天,30%保持60天。肾脏的相应值分别为20%(10天)和80%(60天)。所有这些器官中,镤的放射性会促进肿瘤生成。 在人体内的231Pa最大安全剂量是0.03 微居里,相当于0.5微克,这种同位素是氢氰酸毒性的2.5 × 108倍。 231Pa 在空气中的最大存在量为 3×10-4 Bq/m3.

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