镤（拼音：pú，注音：ㄆㄨˊ，粤拼：buk6；英语：Protactinium；旧译鎃），是一种放射性化学元素，其化学符号为Pa，原子序数为91，原子量为231.03588 u，属于锕系元素。镤是一种银灰色、密度大的金属，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。
历史
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。[3]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[4]，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𬭊。
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。[3][5][6]
镤真正首次发现于1913年，当时法扬斯和奥斯瓦尔德·格林，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Brevium（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（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[7][8]，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。[3]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。[9]
生成
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。
制备
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：
物理及化学性质
物理性质
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”。
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。
化学性质
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[Rn]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, PaF−6, PaF2−7 以及 PaF3−8。
化合物
| 化学式 | 颜色 | 结构 | 空间群 | 空间群编号 | 皮尔逊符号 | a (pm) | b (pm) | c (pm) | Z | 密度, g/cm3 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Pa | 银灰 | 四方晶系 | I4/mmm | 139 | tI2 | 392.5 | 392.5 | 323.8 | 2 | 15.37 |
| PaO | 岩盐[10] | Fm3m | 225 | cF8 | 496.1 | 4 | 13.44 | |||
| PaO2 | 黑 | fcc[10] | Fm3m | 225 | cF12 | 550.5 | 4 | 10.47 | ||
| Pa2O5 | 白 | Fm3m[10] | 225 | cF16 | 547.6 | 547.6 | 547.6 | 4 | 10.96 | |
| Pa2O5 | 白 | 斜方晶系[10] | 692 | 402 | 418 | |||||
| PaH3 | 黑 | 立方晶系[10] | Pm3n | 223 | cP32 | 664.8 | 664.8 | 664.8 | 8 | 10.58 |
| PaF4 | 红棕 | 单斜晶系[10] | C2/c | 15 | mS60 | 2 | ||||
| PaCl4 | 黄绿 | 四方晶系[11] | I41/amd | 141 | tI20 | 837.7 | 837.7 | 748.1 | 4 | 4.72 |
| PaBr4 | 棕 | 四方晶系[12] | I41/amd | 141 | tI20 | 882.4 | 882.4 | 795.7 | ||
| PaCl5 | 黄 | 单斜晶系[13] | C2/c | 15 | mS24 | 797 | 1135 | 836 | 4 | 3.74 |
| PaBr5 | 红 | 单斜晶系[14] | P21/c | 14 | mP24 | 838.5 | 1120.5 | 1214.6 | 4 | 4.98 |
| PaOBr3 | 单斜晶系 | C2 | 1691.1 | 387.1 | 933.4 | |||||
| Pa(PO3)4 | 斜方晶系[15] | 696.9 | 895.9 | 1500.9 | ||||||
| Pa2P2O7 | 立方晶系[15] | Pa3 | 865 | 865 | 865 | |||||
| Pa(C8H8)2 | 金黄 | 单斜晶系[16] | 709 | 875 | 1062 |
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。
同位素
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）。[17]
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。[17]
注意事项
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:
| 种类 | 231Pa | 227Ac | 227Th | 223Ra | 219Rn | 215Po | 211Pb | 211Bi | 207Tl |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 放射剂量 (居里/克) | 0.048 | 73 | 3.1×104 | 5.2×104 | 1.3×1010 | 3×1013 | 2.5×107 | 4.2×108 | 1.9×108 |
| 衰变模式 | α | α, β | α | α | α | α | β | α, β | β |
| 半衰期 | 33 ka | 22 a | 19 days | 11 days | 4 s | 1.8 ms | 36 min | 2.1 min | 4.8 min |
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。[18]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。[19]231Pa 在空气中的最大存在量为 3×10-4 Bq/m3.[18]
参考文献
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- ↑ Palshin, E.S.; et al. Analytical chemistry of protactinium. Moscow: Nauka. 1968.
外部链接
- 元素镤在洛斯阿拉莫斯国家实验室的介绍（英文）
- EnvironmentalChemistry.com —— 镤（英文）
- 元素镤在The Periodic Table of Videos（诺丁汉大学）的介绍（英文）
- 元素镤在Peter van der Krogt elements site的介绍（英文）
- WebElements.com – 镤（英文）