Protactínio

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Pix.gif Protactínio Stylised atom with three Bohr model orbits and stylised nucleus.svg
TórioProtactínioUrânio
Pr
  Tetragonal.png
 
91
Pa
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
Pa
Tabela completaTabela estendida
Aparência
branco prateado brilhante
Informações gerais
Nome, símbolo, número Protactínio, Pa, 91
Série química Actinídeo
Grupo, período, bloco n/a, 7, f
Densidade, dureza 15370 kg/m3, dureza desconhecida
Número CAS 7440-13-3
Número EINECS
Propriedade atómicas
Massa atômica 231,03588 u
Raio atómico (calculado) 163 pm
Raio covalente 200 pm
Raio de Van der Waals pm
Configuração electrónica [Rn] 7s2 6d1 5f2
Elétrons (por nível de energia) 2, 8, 18, 32, 20, 9, 2 (ver imagem)
Estado(s) de oxidação 2, 3, 4, 5
Óxido fracamente básico
Estrutura cristalina tetragonal
Propriedades físicas
Estado da matéria sólido
Ponto de fusão 1841 K
Ponto de ebulição 4300 K
Entalpia de fusão 12,34 kJ/mol
Entalpia de vaporização 481 kJ/mol
Temperatura crítica  K
Pressão crítica  Pa
Volume molar m3/mol
Pressão de vapor
Velocidade do som m/s a 20 °C
Classe magnética
Susceptibilidade magnética
Permeabilidade magnética
Temperatura de Curie  K
Diversos
Eletronegatividade (Pauling) 1,5
Calor específico 120 J/(kg·K)
Condutividade elétrica 5,29·106 S/m
Condutividade térmica 47 W/(m·K)
Potencial de ionização 568 kJ/mol
2º Potencial de ionização kJ/mol
3º Potencial de ionização kJ/mol
4º Potencial de ionização kJ/mol
5º Potencial de ionização kJ/mol
6º Potencial de ionização kJ/mol
7º Potencial de ionização kJ/mol
8º Potencial de ionização kJ/mol
9º Potencial de ionização kJ/mol
10º Potencial de ionização kJ/mol
Isótopos mais estáveis
iso AN Meia-vida MD Ed PD
MeV
229Pa sintético 1,4 d α 5,58 225Ac
230Pa sintético 17,4 d ε
β
1,310
1,310
230Th
230U
231Pa ~100% 32760 a α 5,149 227Ac
232Pa sintético 1,31 d β 0,31 232U
233Pa sintético 26,967 d β 0,571 233U
234mPa traços 1,17 min β
TI
2,29
0,0694
234U
234Pa
234Pa traços 6,75 h β 0,23 234U
Unidades do SI & CNTP, salvo indicação contrária.

O protactínio é um elemento químico de símbolo Pa e de número atômico igual a 91 (91 prótons e 91 elétrons), com massa atómica aproximada de 231,0 u. À temperatura ambiente, o protactínio encontra-se no estado sólido. Não existe atualmente nenhum uso para o protactínio fora do âmbito da pesquisa científica básica. Foi identificado pela primeira vez em 1913 por Kasimir Fajans e O. H. Göhring.

Características principais[editar | editar código-fonte]

O protactínio é um elemento metálico prateado que pertence ao grupo dos actinídios, com lustre metálico brilhante que se conserva no ar por poucas horas. Torna-se um supercondutor em temperaturas abaixo de 1,4 K.

Aplicações[editar | editar código-fonte]

Devido a sua escassez, alta radioatividade e toxicidade, não existe atualmente nenhum uso para o protactínio fora do âmbito da pesquisa científica básica

História[editar | editar código-fonte]

Em 1871, Dmitri Mendeleev previu a existência de um elemento entre tório e urânio .  O grupo de elementos de actinídeo era desconhecido na época. Portanto, o urânio foi posicionado abaixode tungstênio , e tório abaixo de zircônio, deixando o espaço abaixo de tântalo vazio e, até 1950, tabelas periódicas foram publicados com esta estrutura.  Por muito tempo os químicos procuraram o eka-tântalo como um elemento com propriedades químicas similares ao tântalo, fazendo uma descoberta do protactínio quase impossível. O análogo mais pesado do tântalo foi posteriormente encontrado como o elemento transurânico dubnium.

O protactínio (do grego "protos", "primeiro") foi identificado pela primeira vez em 1913, quando Kasimir Fajans e O. H. Göhring encontraram o isótopo de curta duração 234m-Pa, com meia-vida de aproximadamente 1,17 minutos, durante seus estudos sobre a série de decaimento do U-238. Deram ao novo elemento o nome de "Brevium" (do latim "brevis", "breve"). O nome foi mudado para "Protoactinium" ("protoactínio") em 1918 quando dois grupos de cientistas (Otto Hahn e Lise Meitner, na Alemanha, e Frederick Soddy e John Cranston no Reino Unido), independentemente, descobriram o 231-Pa. Em 1949, o nome foi abreviado para "protactínio".

Em 1927, Aristid V. Grosse preparou 2 mg de Pa2O5, do qual o protactínio foi isolado. Em 1934, foi isolado pela primeira vez a partir de 0.1 mg de Pa2O5, primeiro convertendo o óxido em iodeto e, em seguida, decompondo o iodeto eletricamente com uso de um filamento aquecido em alto vácuo, conforme a reação:

2PaI5 → 2Pa + 5I2.

É possível recuperá-lo dos minerais de urânio por extração com solvente. O PaF4 obtido é reduzido com bário.

Em 1961, no Reino Unido, produziu-se 125 gramas de protactínio 99,9% puro, processando 60 toneladas de minérios de urânio. Esta foi a única fonte de protactínio do mundo por muitos anos seguintes

Ocorrência[editar | editar código-fonte]

O protactínio é um produto da fissão do tório, plutônio e urânio. É o mais raro dos elementos de ocorrência natural.

Quase todo o protactínio natural é encontrado na forma de protactínio-231. É um emissor alfa e é formado pela decadência do urânio-235, enquanto que o protactínio-234 (emissor de radiação beta) é produzido como resultado da degradação do urânio-238 . Quase todo o urânio-238 (99,8%) decai primeiro para o isômero de 234mPa.

O protactínio ocorre na pechblenda na proporção de 1 parte de Pa-231 para 10 milhões de partes do minério. Os minérios do Zaire tem aproximadamente 3 ppm. O protactínio é um dos elementos mais raros e caros.

Produção em Reatores Nucleares[editar | editar código-fonte]

Dois principais isótopos de protactínio, 231 Pa e 233 Pa, são produzidos a partir de tório em reatores nucleares . Ambos são indesejáveis ​​e são usualmente removidos, adicionando assim complexidade ao projeto e operação do reator. Em particular, as reações 232 Th via ( n , 2 n ) produzem 231 Th  (meia-vida 25,5 horas) que rapidamente decai para 231 Pa. O último isótopo, embora não seja um resíduo transurânico, tem uma meia-vida longa de 32,760 anos, sendo um dos principais contribuintes para a radio toxicidade a longo prazo de combustíveis nucleares usados nas usinas. 

O protactínio-233 é formado após a captura de neutrões por 232 Th.  Além disso, decai para urânio-233 ou capta outro nêutron e converte-se em urânio não-fissível-234. 233 Pa tem uma meia-vida relativamente longa de 27 dias e alta seção transversal para captura de nêutrons (o chamado " veneno de nêutrons "). Assim, em vez de decrescer rapidamente para o 233 U útil , uma fracção significativa de 233 Pa converte-se em isótopos não fissíveis e consome nêutrons, degradando a eficiência do reactor . Para evitar isso, 233 Pa é extraído da zona ativa de reatores de sal fundido de tório , durante sua operação, de modo que só decai para 233 U. Isto é conseguido usando várias colunas de bismuto fundido com lítio dissolvido nele. Num cenário simplificado, o lítio reduz seletivamente os sais de protactínio para o metal de protactínio que é então extraído do ciclo de sal fundido . É escolhido devido ao seu baixo ponto de fusão (271 ° C), baixa pressão de vapor, boa solubilidade para lítio e actinídeos e imiscibilidade com fusão de halogêneos .

Utilização[editar | editar código-fonte]

Embora protactínio esteja situado na tabela periódica entre o urânio e o tório (ambos com aplicações numerosas), devido a sua escassez, radioatividade elevada e toxicidade elevada, não há atualmente nenhum uso para o protactínio fora da pesquisa científica.

O Protactínio-231 surge da decomposição de urânio-235 formada em reatores nucleares, e pela reação 232 Th + n →  231 Th + 2n e posterior decaimento beta . Uma vez pensou-se ser 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 como 750 ± 180 kg .  No entanto, a possibilidade de criticidade de 231 Pa foi descartada desde então.

Com o advento de espectrômetros de massa altamente sensíveis , uma aplicação de 231 Pa como um traçador em geologia e pale oceanografia tornou-se possível. Assim, a proporção de protactínio-231 para Tório-230 é usada para datação radiométrica de sedimentos que têm até 175.000 anos de idade e na modelagem da formação de minerais.  Em particular, a sua avaliação em sedimentos oceânicos permitiu reconstruir os movimentos dos corpos de água do Atlântico Norte durante a última 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, tório e protactínio, por exemplo. Esses elementos possuem 6, 5 e 4 elétrons f na camada externa e, portanto, favorecem os estados de oxidação +6, +5 e +4, respectivamente, e mostram propriedades físicas e químicas diferentes. Assim, o tório e o protactínio, (exceto os compostos com 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 de concentração tanto para o protactínio-231 (meia-vida 32.760 anos) quanto para o tório-230 (meia-vida 75.380 anos) permite melhorar a precisão . Este método de duplo isótopo é também fracamente sensível a não-homogeneidades na distribuição espacial dos isótopos e a variações na sua taxa de precipitação.

Compostos[editar | editar código-fonte]

Isótopos[editar | editar código-fonte]

Contém 29 radioisótopos do protactínio foram identificados, sendo os mais estáveis 231-Pa com meia-vida de 32760 anos, 233-Pa com meia-vida de 26.967 dias, e 230-Pa com meia vida de 17.4 dias. Todos os demais isótopos radioativos apresentam meias-vidas abaixo de 1.6 dias, e maioria destes abaixo de 18 segundos. Este elemento apresenta 2 meta estados, 217m-Pa (t½ 1.15 milisegundos) e 234m-Pa (t½ 1.7 minutos).

O principal modo de decaimento anterior ao isótopo mais estável, 231-Pa, é a emissão alfa, e o modo dos posteriores é a emissão beta menos. Os produtos de decaimento primários antes do 231-Pa são os isótopos do elemento Ac (actínio e os produtos primários após são os isótopos do elemento U (urânio).

Precauções[editar | editar código-fonte]

O protactínio é tóxico e altamente radioativo, portanto requer precauções de manuseio semelhantes àquelas usadas com o plutônio.

Ligações externas[editar | editar código-fonte]