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Protactinio

El protactinio es un elemento químico ; tiene el símbolo Pa y el número atómico 91. Es un metal actínido denso, radiactivo y de color gris plateado que reacciona fácilmente con ...

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El protactinio es un elemento químico ; tiene el símbolo Pa y el número atómico 91. Es un metal actínido denso, radiactivo y de color gris plateado que reacciona fácilmente con el oxígeno , el vapor de agua y los ácidos inorgánicos . Forma varios compuestos químicos , en los que el protactinio suele estar presente en el estado de oxidación +5, pero también puede adoptar los estados +4 e incluso +3 o +2. Las concentraciones de protactinio en la corteza terrestre suelen ser de unas pocas partes por billón, pero pueden alcanzar hasta unas pocas partes por millón en algunos depósitos de mineral de uraninita . Debido a su escasez, alta radiactividad y alta toxicidad, actualmente no existen usos para el protactinio fuera de la investigación científica, y para este propósito, el protactinio se extrae principalmente del combustible nuclear gastado . También es el único elemento mononucleídico altamente radiactivo [ 9 ] que no es también monoisotópico, produciéndose casi exclusivamente a través de la desintegración del uranio-235 .

El elemento fue identificado por primera vez en 1913 por Kazimierz Fajans y Oswald Helmuth Göhring y llamado "brevium" debido a la corta vida media del isótopo específico estudiado, 234m Pa . Un isótopo más estable de protactinio, 231 Pa, fue descubierto en 1917/18 por Lise Meitner en colaboración con Otto Hahn , y ellos nombraron al elemento protactinio. [ 10 ] En 1949, la IUPAC eligió el nombre "protactinio" y confirmó a Hahn y Meitner como sus descubridores. El nuevo nombre significaba "(nuclear) precursor del actinio ", [ 11 ] lo que sugiere que el actinio es un producto de la desintegración radiactiva del protactinio. A John Arnold Cranston (que trabajaba con Frederick Soddy y Ada Hitchins ) también se le atribuye el descubrimiento del isótopo más estable en 1915, pero retrasó su anuncio debido a que fue llamado a filas para servir en la Primera Guerra Mundial . [ 12 ]

El isótopo de protactinio de vida más larga y más abundante (casi el 100%) que se encuentra en la naturaleza , el 231Pa , tiene una vida media de 32.760 años y se produce en la cadena de desintegración del uranio-235 . Cantidades traza mucho menores del isótopo de vida corta 234Pa y su isómero nuclear 234mPa se producen en la cadena de desintegración del uranio-238 . El 233Pa se produce como resultado de la desintegración del torio -233 como parte de la cadena de eventos necesarios para producir uranio-233 por irradiación de neutrones del 232Th . Es un producto intermedio no deseado en los reactores nucleares basados ​​en torio y, por lo tanto, se elimina de la zona activa del reactor durante el proceso de reproducción. La oceanografía utiliza este elemento para comprender la geografía del océano antiguo: el análisis de las concentraciones relativas de varios isótopos de uranio, torio y protactinio en el agua y los minerales se utiliza en la datación radiométrica de sedimentos de hasta 175.000 años de antigüedad y en la modelización de diversos procesos geológicos. [ 13 ]

El protactinio es inusual entre los elementos no primordiales , ya que su composición isotópica natural es extremadamente uniforme en las muestras terrestres típicas, porque esencialmente todo el protactinio que se encuentra en la naturaleza es 231 Pa, producido únicamente a través de una sola vía (a saber, a partir de la desintegración del 235 U primordial).

Historia

La tabla periódica de Dmitri Mendeleev de 1871 con un hueco para el protactinio en la fila inferior de la tabla, entre el torio y el uranio.

En 1871, Dmitri Mendeléyev predijo la existencia de un elemento entre el torio y el uranio . [ 14 ] La serie de los actínidos era desconocida en ese momento, por lo que Mendeléyev colocó el uranio debajo del tungsteno en el grupo VI y el torio debajo del circonio en el grupo IV, dejando vacío el espacio debajo del tantalio en el grupo V. Hasta la aceptación general del concepto de actínidos a finales de la década de 1940, las tablas periódicas se publicaron con esta estructura. [ 15 ] Durante mucho tiempo, los químicos buscaron el eka -tantalio [ nota 1 ] como un elemento con propiedades químicas similares al tantalio, lo que hizo que el descubrimiento del protactinio fuera casi imposible. Posteriormente se descubrió que el análogo más pesado del tantalio era el elemento transuránico dubnio , aunque el dubnio es químicamente más similar al protactinio que al tantalio. [ 16 ]

En 1900, William Crookes aisló el protactinio como un material intensamente radiactivo del uranio; sin embargo, no pudo caracterizarlo como un nuevo elemento químico y por lo tanto lo denominó uranio X (UX). [ 14 ] [ 17 ] [ 18 ] Crookes disolvió nitrato de uranio en éter , y la fase acuosa residual contenía la mayor parte del 234 90 Th y 234 91 Pa . Su método se utilizó hasta la década de 1950 para aislar 234 90 Th y 234 91 Pa de compuestos de uranio. [ 19 ] El protactinio se identificó por primera vez en 1913, cuando Kasimir Fajans y Oswald Helmuth Göhring encontraron el isótopo 234m Pa durante sus estudios de las cadenas de desintegración del uranio-238 : 238 92 U → 234 90 Th → 234m 91 Pa → 234 92 U. Llamaron al nuevo elemento " brevium " (del latín brevis , que significa breve o corto) debido a la corta vida media de 1,16 minutos para el 234m 91 Pa (uranio  X2). [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] En 1917-18, dos grupos de científicos, Lise Meitner en colaboración con Otto Hahn de Alemania y Frederick Soddy y John Cranston de Gran Bretaña , descubrieron independientemente otro isótopo, 231 Pa, con una vida media mucho más larga de 32.760 años. [ 10 ] [ 24 ] [ 26 ] Meitner cambió el nombre de "brevium" a protactinio ya que el nuevo elemento era parte de la cadena de desintegración del uranio-235 como padre del actinio (del griego : πρῶτος prôtos , que significa "primero, antes"). [ 27 ] La IUPAC confirmó esta denominación en 1949. [ 28 ] [29 ] El descubrimiento del protactinio completó una de las últimas lagunas en las primeras versiones de la tabla periódica y dio fama a los científicos involucrados. [ 30 ]

Aristid von Grosse produjo 2  miligramos de Pa₂O₅ en 1927, [ 31 ] y en 1934 aisló por primera vez protactinio elemental a partir de 0,1 miligramos de Pa₂O₅. [ 32 ] Utilizó dos procedimientos diferentes : en el primero, el óxido de protactinio fue irradiado por electrones de 35 keV en el vacío. En el otro, llamado proceso van Arkel-de Boer , el óxido fue convertido químicamente en un haluro ( cloruro , bromuro o yoduro ) y luego reducido en el vacío con un filamento metálico calentado eléctricamente: [ 28 ] [ 33 ]  

2 PaI 5 → 2 Pa + 5 I 2

En 1961, la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido (UKAEA) produjo 127  gramos de protactinio-231 con una pureza del 99,9% mediante el procesamiento de 60  toneladas de material de desecho en un proceso de 12 etapas, a un costo aproximado de 500 000 dólares estadounidenses. [ 28 ] [ 34 ] Durante muchos años, este fue el único suministro significativo de protactinio en el mundo, que se proporcionó a varios laboratorios para estudios científicos. [ 14 ] El Laboratorio Nacional de Oak Ridge en los EE. UU. proporcionó protactinio a un costo aproximado de 280 dólares estadounidenses por gramo. [ 35 ]

isótopos

Se han descubierto treinta radioisótopos de protactinio, que van desde 210 Pa hasta 239 Pa. [ 36 ] [ 8 ] Los más estables son 231 Pa con una vida media de 32 650 años, 233 Pa con una vida media de 26,975 días y 230 Pa con una vida media de 17,4 días. Todos los demás isótopos tienen vidas medias inferiores a 1,6 días, y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a 1,8 segundos. El protactinio también tiene seis isómeros nucleares , siendo el más estable 234m Pa (vida media de 1,159 minutos). [ 8 ]

El modo de desintegración principal para el isótopo más estable 231 Pa y los isótopos más ligeros ( 210 Pa [ 36 ] a 227 Pa) es la desintegración alfa , que produce isótopos de actinio . El modo de desintegración principal para 228 Pa a 230 Pa es la captura electrónica o desintegración beta plus , que produce isótopos de torio , mientras que el modo de desintegración principal para los isótopos más pesados ​​( 232 Pa a 239 Pa) es la desintegración beta , que produce isótopos de uranio . [ 8 ]

Fisión nuclear

El isótopo más longevo y abundante, el 231 Pa, puede fisionarse a partir de neutrones rápidos que superan ~1 MeV . [ 37 ] El 233 Pa, el otro isótopo de protactinio producido en reactores nucleares, también tiene un umbral de fisión de 1 MeV. [ 38 ]  

Aparición

El protactinio es uno de los elementos naturales más raros y caros. Se encuentra en forma de dos isótopos, 231 Pa y 234 Pa, y el isótopo 234 Pa existe en dos estados de energía diferentes. Casi todo el protactinio natural es 231 Pa. Es un emisor alfa y se forma por la desintegración del uranio-235, mientras que el 234 Pa , que emite radiación beta, se produce como resultado de la desintegración del uranio-238 . Casi todo el uranio-238 (99,8 %) se desintegra primero al isómero 234m Pa, de vida más corta. [ 39 ]

El protactinio se encuentra en la uraninita (pechblenda) en concentraciones de aproximadamente 0,3–3 partes 231 Pa por millón de partes (ppm) de mineral. [ 14 ] Mientras que el contenido habitual es más cercano a 0,3  ppm [ 40 ] (por ejemplo, en Jáchymov , República Checa [ 41 ] ), algunos minerales de la República Democrática del Congo tienen alrededor de 3  ppm. [ 28 ] El protactinio se dispersa homogéneamente en la mayoría de los materiales naturales y en el agua, pero en concentraciones mucho más bajas del orden de una parte por billón, lo que corresponde a una radiactividad de 0,1 picocurios (pCi)/g. Hay aproximadamente 500 veces más protactinio en partículas de suelo arenoso que en agua, incluso cuando se compara con el agua presente en la misma muestra de suelo. Se miden proporciones mucho más altas de 2000 y superiores en suelos francos y arcillas, como la bentonita . [ 39 ] [ 42 ]

En reactores nucleares

Dos isótopos principales de protactinio, el 231Pa y el 233Pa , se producen a partir del torio en reactores nucleares ; ambos son indeseables y generalmente se eliminan, lo que añade complejidad al diseño y la operación del reactor. En particular, el 232Th , mediante reacciones ( n , 2n ) , produce 231Th , que se desintegra rápidamente a 231Pa (vida media de 25,5 horas). El último isótopo, si bien no es un residuo transuránico, tiene una larga vida media de 32 760 años y contribuye significativamente a la radiotoxicidad a largo plazo del combustible nuclear gastado. [ 43 ]

El protactinio-233 se forma por captura de neutrones por el 232 Th. Este se desintegra posteriormente en 233 U, o captura otro neutrón y se convierte en el 234 U no fisionable. [ 44 ] El 233 Pa tiene una vida media relativamente larga de 27 días y una alta sección transversal para la captura de neutrones (el llamado " veneno de neutrones "). Por lo tanto, en lugar de desintegrarse rápidamente en el útil 233 U, una fracción significativa de 233 Pa se convierte en isótopos no fisionables y consume neutrones, degradando la eficiencia del reactor . Para limitar la pérdida de neutrones, el 233 Pa se extrae de la zona activa de los reactores de sales fundidas de torio durante su funcionamiento, de modo que solo pueda desintegrarse en 233 U. La extracción de 233 Pa se logra utilizando columnas de bismuto fundido con litio disuelto en él. En resumen, el litio reduce selectivamente las sales de protactinio a metal protactinio, que luego se extrae del ciclo de sales fundidas, mientras que el bismuto fundido es simplemente un portador, seleccionado debido a su bajo punto de fusión de 271  °C, baja presión de vapor, buena solubilidad para el litio y los actínidos, e inmiscibilidad con los haluros fundidos . [ 43 ]

Preparación

El protactinio se encuentra en minerales de uraninita .

Antes de la llegada de los reactores nucleares, el protactinio se separaba de los minerales de uranio para experimentos científicos. Desde que los reactores se han vuelto más comunes, se produce principalmente como un producto intermedio de la captura de neutrones en el torio, utilizado para la producción del isótopo fisionable 233U .

El90232+norte01⟶El90233→22.3 minβ−Pensilvania91233→26.975 dβ−U92233⋅{\displaystyle {\ce {^{232}_{90}Th + ^{1}_{0}n -> ^{233}_{90}Th ->[\beta^-][22.3\ {\ce {min}}] ^{233}_{91}Pa ->[\beta^-][26.975\ {\ce {d}}] ^{233}_{92}U.}}}

El isótopo 231 Pa se puede preparar irradiando 230 Th con neutrones lentos , convirtiéndolo en 231 Th que se desintegra beta ; o bien, irradiando 232 Th con neutrones rápidos, generando (como un solo producto) 231 Th y 2 neutrones.

El metal protactinio se ha preparado mediante la reducción de su fluoruro con calcio , [ 45 ] litio o bario a una temperatura de 1300–1400  °C. [ 46 ] [ 47 ]

Propiedades

El protactinio es un actínido situado en la tabla periódica a la izquierda del uranio y a la derecha del torio , y muchas de sus propiedades físicas son intermedias entre las de sus actínidos vecinos. El protactinio es más denso y rígido que el torio, pero más ligero que el uranio; su punto de fusión es inferior al del torio, pero superior al del uranio. La dilatación térmica, la conductividad eléctrica y la conductividad térmica de estos tres elementos son comparables y típicas de los metales de postransición . El módulo de cizalladura estimado del protactinio es similar al del titanio . [ 48 ] El protactinio es un metal con brillo gris plateado que se conserva durante algún tiempo en el aire. [ 28 ] [ 34 ] El protactinio reacciona fácilmente con el oxígeno, el vapor de agua y los ácidos, pero no con los álcalis. [ 14 ]

A temperatura ambiente, el protactinio cristaliza en la estructura tetragonal centrada en el cuerpo , que puede considerarse una red cúbica centrada en el cuerpo distorsionada; esta estructura no cambia al comprimirse hasta 53 GPa. La estructura cambia a cúbica centrada en las caras ( fcc ) al enfriarse desde alta temperatura, a unos 1200  °C. [ 45 ] [ 49 ] El coeficiente de expansión térmica de la fase tetragonal entre la temperatura ambiente y 700  °C es 9,9 × 10−6 /°C. [ 45 ]

El protactinio es paramagnético y no se conocen transiciones magnéticas para él a ninguna temperatura. [ 50 ] Se vuelve superconductor a temperaturas inferiores a 1,4  K. [ 14 ] [ 46 ] El tetracloruro de protactinio es paramagnético a temperatura ambiente, pero se vuelve ferromagnético cuando se enfría a 182  K. [ 51 ]

El protactinio existe en dos estados de oxidación principales : +4 y +5, tanto en sólidos como en disoluciones; y los estados +3 y +2, que se han observado en algunos sólidos. Como la configuración electrónica del átomo neutro es [Rn]5f 2 6d 1 7s 2 , el estado de oxidación +5 corresponde a la configuración 5f 0 de baja energía (y por lo tanto favorecida) . Tanto el estado +4 como el +5 forman fácilmente hidróxidos en agua, siendo los iones predominantes Pa(OH) 3+ , Pa(OH) 2+ 2 , Pa(OH) + 3 , y Pa(OH) 4 , todos ellos incoloros. [ 52 ] Otros iones protactinio conocidos incluyen PaOF 2+, PaOF + 2 , PaF − 6 , PaF 2− 7 , PaF 3− 8 , PaOSO + 4 , PaO(SO4 ) − 2 ,PaO(ASI QUE4 ) 3− 3 ,PaOCl 2− 5 yPaCl − 6. [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]​

compuestos químicos

Aquí, a , b y c son constantes de red en picómetros, N es el número del grupo espacial y Z es el número de unidades de fórmula por celda unitaria ; fcc significa simetría cúbica centrada en las caras . La densidad no se midió directamente, sino que se calculó a partir de los parámetros de red.

Óxidos y sales que contienen oxígeno

Los óxidos de protactinio son conocidos por los estados de oxidación del metal +2, +4 y +5. El más estable es el pentóxido blanco Pa₂O₅ , que se puede producir al encender hidróxido de protactinio(V) en aire a una temperatura de 500  °C. [ 64 ] Su estructura cristalina es cúbica y la composición química suele ser no estequiométrica, descrita como PaO₂.₂₅ . También se ha informado de otra fase de este óxido con simetría ortorrómbica. [ 47 ] [ 65 ] El dióxido negro PaO₂ se obtiene del pentóxido reduciéndolo a 1550  °C con hidrógeno. No es fácilmente soluble en ácido nítrico , clorhídrico o sulfúrico diluido o concentrado , pero se disuelve fácilmente en ácido fluorhídrico . [ 47 ] El dióxido se puede convertir de nuevo en pentóxido calentándolo en atmósfera que contiene oxígeno a 1100  °C. [ 65 ] El monóxido PaO solo se ha observado como un recubrimiento delgado sobre metal protactinio, pero no en forma masiva aislada. [ 47 ]

El protactinio forma óxidos binarios mixtos con varios metales. Con metales alcalinos A, los cristales tienen una fórmula química APaO₃ y estructura de perovskita; A₃PaO₄ y estructura de sal de roca distorsionada ; o A₇PaO₆ , donde los átomos de oxígeno forman una red hexagonal compacta. En todos estos materiales, los iones protactinio están coordinados octaédricamente. [ 66 ] [ 67 ] El pentóxido Pa₂O₅ se combina con óxidos de metales de tierras raras R₂O₃ para formar varios óxidos mixtos no estequiométricos, también de estructura de perovskita. [ 68 ]

Los óxidos de protactinio son básicos ; se convierten fácilmente en hidróxidos y pueden formar varias sales, como sulfatos , fosfatos , nitratos , etc. El nitrato suele ser blanco, pero puede ser marrón debido a la descomposición radiolítica . Calentar el nitrato en aire a 400  °C lo convierte en pentóxido de protactinio blanco. [ 69 ] El politrioxofosfato Pa(PO 3 ) 4 se puede producir haciendo reaccionar el sulfato de difluoruro PaF 2 SO 4 con ácido fosfórico (H 3 PO 4 ) bajo atmósfera inerte. Calentar el producto a unos 900  °C elimina los subproductos de la reacción, que incluyen ácido fluorhídrico , trióxido de azufre y anhídrido fosfórico. Calentarlo a temperaturas más altas en atmósfera inerte descompone el Pa(PO 3 ) 4 en el difosfato PaP 2 O 7 , que es análogo a los difosfatos de otros actínidos. En el difosfato, los grupos PO₃ forman pirámides de simetría C₂v . Calentar PaP₂O₇ en aire a 1400 ° C lo descompone en pentóxidos de fósforo y protactinio. [ 62 ] 

Halogenuros

El fluoruro de protactinio(V) es un compuesto blanco que forma cristales tetragonales, isomorfo al β- UF5 . [ 70 ] El cloruro de protactinio(V) forma cristales amarillos donde los iones protactinio se disponen en bipirámides pentagonales y están coordinados por otros 7 iones. La coordinación cambia a octaédrica en el bromuro de protactinio(V) marrón, pero se desconoce para el yoduro de protactinio(V). La coordinación del protactinio en todos sus tetrahaluros es 8, pero la disposición es antiprismática cuadrada en el fluoruro de protactinio(IV) y dodecaédrica en el cloruro y el bromuro. Se ha informado de yoduro de protactinio(III) de color marrón, donde los iones protactinio están coordinados a 8 en una disposición prismática trigonal bicapsulada. [ 71 ]

Coordinación de los átomos de protactinio (círculos sólidos) y cloro (círculos abiertos) en el cloruro de protactinio(V).

El cloruro de protactinio(V) tiene una estructura polimérica de simetría monoclínica. [ 72 ] En ella, dentro de una cadena polimérica, todos los átomos de cloro se encuentran en un plano similar al grafito y forman pentágonos planares alrededor de los iones protactinio. La coordinación 7 del protactinio se origina a partir de los cinco átomos de cloro y dos enlaces con átomos de protactinio pertenecientes a las cadenas cercanas. Se hidroliza fácilmente en agua. [ 73 ] Se funde a 300  °C y se sublima a temperaturas aún más bajas.

El fluoruro de protactinio(V) se puede preparar haciendo reaccionar óxido de protactinio con pentafluoruro de bromo o trifluoruro de bromo a unos 600  °C, y el fluoruro de protactinio(IV) se obtiene a partir del óxido y una mezcla de hidrógeno y fluoruro de hidrógeno a 600  °C; se requiere un gran exceso de hidrógeno para eliminar las fugas de oxígeno atmosférico en la reacción. [ 47 ]

El cloruro de protactinio(V) se prepara mediante la reacción de óxido de protactinio con tetracloruro de carbono a temperaturas de 200–300  °C. [ 47 ] Los subproductos (como PaOCl 3 ) se eliminan por sublimación fraccionada. [ 60 ] La reducción de cloruro de protactinio(V) con hidrógeno a unos 800  °C produce cloruro de protactinio(IV), un sólido amarillo verdoso que se sublima al vacío a 400  °C. También se puede obtener directamente del dióxido de protactinio tratándolo con tetracloruro de carbono a 400  °C. [ 47 ]

Los bromuros de protactinio se producen por la acción del bromuro de aluminio , el bromuro de hidrógeno , el tetrabromuro de carbono o una mezcla de bromuro de hidrógeno y bromuro de tionilo sobre el óxido de protactinio. Alternativamente, pueden producirse por reacción del pentacloruro de protactinio con bromuro de hidrógeno o bromuro de tionilo. [ 47 ] El bromuro de protactinio(V) tiene dos formas monoclínicas similares: una se obtiene por sublimación a 400–410  °C y la otra por sublimación a una temperatura ligeramente inferior de 390–400  °C. [ 59 ] [ 61 ]

Los yoduros de protactinio se pueden producir haciendo reaccionar metal protactinio con yodo elemental a 600  °C, y haciendo reaccionar Pa₂O₅ con AlI₃ a temperaturas elevadas. [ 47 ] El yoduro de protactinio(III) se puede obtener calentando yoduro de protactinio(V) al vacío. [ 73 ] Al igual que con los óxidos, el protactinio forma haluros mixtos con metales alcalinos. El más notable de ellos es Na₃PaF₈ , donde el ion protactinio está rodeado simétricamente por 8 iones F⁻ , formando un cubo casi perfecto. [ 74 ]

También se conocen fluoruros de protactinio más complejos, como Pa 2 F 9 [ 73 ] y fluoruros ternarios de los tipos MPaF 6 (M = Li, Na, K, Rb, Cs o NH 4 ), M 2 PaF 7 (M = K, Rb, Cs o NH 4 ), y M 3 PaF 8 (M = Li, Na, Rb, Cs), todos los cuales son sólidos cristalinos blancos. La fórmula MPaF 6 puede representarse como una combinación de MF y PaF 5 . Estos compuestos pueden obtenerse evaporando una solución de ácido fluorhídrico que contiene ambos complejos. Para los cationes alcalinos pequeños como Na, la estructura cristalina es tetragonal, mientras que se vuelve ortorrómbica para los cationes más grandes K + , Rb + , Cs + o NH 4 + . Se observó una variación similar para los fluoruros M₂PaF₇ : concretamente, la simetría cristalina dependía del catión y difería para Cs₂PaF₇ y M₂PaF₇ ( M = K, Rb o NH₄ ) . [ 54 ]

Otros compuestos inorgánicos

Se conocen oxihaluros y oxisulfuros de protactinio. El PaOBr₃ tiene una estructura monoclínica compuesta por unidades de doble cadena donde el protactinio tiene coordinación 7 y se dispone en bipirámides pentagonales. Las cadenas están interconectadas a través de átomos de oxígeno y bromo, y cada átomo de oxígeno está relacionado con tres átomos de protactinio. [ 59 ] El PaOS es un sólido amarillo claro, no volátil, con una red cristalina cúbica isoestructural a la de otros oxisulfuros de actínidos. Se obtiene por reacción del cloruro de protactinio(V) con una mezcla de sulfuro de hidrógeno y disulfuro de carbono a 900  °C. [ 47 ]

En hidruros y nitruros, el protactinio tiene un estado de oxidación bajo, de aproximadamente +3. El hidruro se obtiene por acción directa del hidrógeno sobre el metal a 250  °C, y el nitruro es un producto de amoníaco y tetracloruro o pentacloruro de protactinio. Este sólido amarillo brillante es térmicamente estable hasta 800  °C en vacío. El carburo de protactinio (PaC) se forma por la reducción del tetrafluoruro de protactinio con bario en un crisol de carbono a una temperatura de aproximadamente 1400  °C. [ 47 ] El protactinio forma borohidruros , que incluyen Pa(BH 4 ) 4 . Tiene una estructura polimérica inusual con cadenas helicoidales, donde el átomo de protactinio tiene un número de coordinación de 14 y está rodeado por seis iones BH 4 − . [ 75 ]

Compuestos organometálicos

Estructura propuesta de la molécula de protactinoceno (Pa(C 8 H 8 ) 2 )

El protactinio(IV) forma un complejo tetraédrico tetrakis(ciclopentadienil)protactinio(IV) (o Pa(C₅H₅ ) ₄ ) con cuatro anillos de ciclopentadienilo , que se puede sintetizar haciendo reaccionar cloruro de protactinio(IV) con Be(C₅H₅ ) ₂ . Un anillo puede sustituirse por un átomo de haluro. [ 76 ] Otro complejo organometálico es el bis(π-ciclooctatetraeno)protactinio de color amarillo dorado, o protactinoceno ( Pa(C₈H₈ ) ₂ ) , cuya estructura es análoga a la del uranoceno . En este caso , el átomo metálico se encuentra entre dos ligandos de ciclooctatetraeno . De forma similar al uranoceno, se puede preparar haciendo reaccionar tetracloruro de protactinio con ciclooctatetraenuro de dipotasio ( K₂C₈H₈ ) en tetrahidrofurano . [ 63 ]

Aplicaciones

Aunque el protactinio se encuentra en la tabla periódica entre el uranio y el torio, ambos con numerosas aplicaciones, actualmente no existen usos para el protactinio fuera de la investigación científica debido a su escasez, alta radiactividad y alta toxicidad. [ 39 ]

El 231Pa surge naturalmente de la desintegración del 235U natural , y artificialmente en reactores nucleares mediante la reacción 232Th  + n → 231Th + 2n y la posterior desintegración beta del 231Th  . En un momento dado se pensó que podía sustentar una reacción en cadena nuclear, que en principio podría utilizarse para construir armas nucleares ; el físico Walter Seifritz estimó en una ocasión la masa crítica asociada como    750 ± 180  kg . [ 77 ] Sin embargo, la posibilidad de criticidad de 231 Pa ha sido descartada desde entonces. [ 37 ] [ 78 ]

Con la llegada de espectrómetros de masas de alta sensibilidad, se ha hecho posible la aplicación del 231 Pa como trazador en geología y paleoceanografía . En esta aplicación, la relación de 231 Pa a 230 Th se utiliza para la datación radiométrica de sedimentos de hasta 175 000 años de antigüedad y en la modelización de la formación de minerales. [ 40 ] En particular, su evaluación en sedimentos oceánicos ayudó a reconstruir los movimientos de las masas de agua del Atlántico Norte durante el último deshielo de los glaciares de la Edad de Hielo . [ 79 ] Algunas de las variaciones de datación relacionadas con el protactinio se basan en el análisis de las concentraciones relativas de varios miembros de larga vida de la cadena de desintegración del uranio: uranio, protactinio y torio, por ejemplo. Estos elementos tienen 6, 5 y 4 electrones de valencia, favoreciendo así los estados de oxidación +6, +5 y +4 respectivamente, y muestran diferentes propiedades físicas y químicas. El torio y el protactinio, pero no los compuestos de uranio, son poco solubles en soluciones acuosas y precipitan en sedimentos; la tasa de precipitación es más rápida para el torio que para el protactinio. El análisis de concentración tanto para el protactinio-231 (vida media de 32 760 años) como para el 230Th (vida media de 75 380 años) mejora la precisión de la medición en comparación con cuando solo se mide un isótopo; este método de doble isótopo también es poco sensible a las inhomogeneidades en la distribución espacial de los isótopos y a las variaciones en su tasa de precipitación. [ 40 ] [ 80 ]

Precauciones

El protactinio es tóxico y altamente radiactivo; por lo tanto, se manipula exclusivamente en una caja de guantes sellada . Su isótopo principal, el 231Pa , tiene una actividad específica de 0,048 curies (1,8 GBq ) por gramo y emite principalmente partículas alfa, que pueden ser detenidas por una capa delgada de cualquier material. Sin embargo, se desintegra lentamente en 227Ac y luego sigue la serie del actinio , más rápida , lo que hace que su actividad total (alfa, beta y gamma) sea mayor de lo que se calcularía a partir de esa cifra. 

Dado que el protactinio está presente en pequeñas cantidades en la mayoría de los productos y materiales naturales, se ingiere con los alimentos o el agua y se inhala con el aire. Solo alrededor del 0,05 % del protactinio ingerido se absorbe en la sangre y el resto se excreta. Desde la sangre, aproximadamente el 40 % del protactinio se deposita en los huesos, alrededor del 15 % va al hígado, el 2 % a los riñones y el resto se elimina del cuerpo. La vida media biológica del protactinio es de aproximadamente 50 años en los huesos, mientras que su vida media biológica en otros órganos tiene un componente rápido y otro lento. Por ejemplo, el 70 % del protactinio en el hígado tiene una vida media biológica de 10 días, y el 30 % restante, de 60 días. Los valores correspondientes para los riñones son del 20 % (10 días) y del 80 % (60 días). En cada órgano afectado, el protactinio promueve el cáncer a través de su radiactividad. [ 39 ] [ 69 ] La cantidad máxima de Pa permitida en el cuerpo humano es 0,03 μCi (1,1 kBq) , que corresponde a 0,5 microgramos de 231 Pa. [ 81 ] Las concentraciones máximas permitidas de 231 Pa en el aire en Alemania son  3 × 10 −4  Bq/m 3 . [ 69 ]

Véase también

  • Ada Hitchins , quien ayudó a Soddy a descubrir el elemento protactinio.

Notas

  1. ↑ El prefijo "eka" deriva del sánscrito एक , que significa "uno" o "primero". En química, antiguamente se utilizaba para designar un elemento un período por debajo del nombre del elemento que le seguía.

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