Protactinio

Torio ← Protactinio → Uranio
; 91	Pa
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	; Muestra de Protactinio-233 (área circular oscura de la imagen) fotografiada a la luz de su propia emisión radioactiva.
Información general
Nombre, símbolo, número	Protactinio, Pa, 91
Serie química	Actínidos
Grupo, período, bloque	-, 7, f
Masa atómica	231.03588 u
Configuración electrónica	[Rn] 5f2 6d1 7s2
Electrones por nivel	2, 8, 18, 32, 20, 9, 2 (imagen)
Apariencia	Blanco plateado brillante
Propiedades atómicas
Radio medio	180 pm
Electronegatividad	1,5 (escala de Pauling)
Radio atómico (calc)	163 pm (radio de Bohr)
Radio covalente	200 pm
Estado(s) de oxidación	2, 3, 4, 5 (base débil)
1.ª energía de ionización	568 kJ/mol
Líneas espectrales
Propiedades físicas
Densidad	15370 kg/m3
Punto de fusión	2113 K (1840 °C)
Punto de ebullición	4300 K (4027 °C)
Entalpía de vaporización	470 kJ/mol
Entalpía de fusión	15 kJ/mol
Presión de vapor	5,1 × 10-5 Pa a 2200 K
Varios
Estructura cristalina	Tetragonal
Calor específico	120 J/(kg·K)
Conductividad eléctrica	5,29 × 106 m-1 S/m
Conductividad térmica	47 W/(m·K)
Isótopos más estables
	Artículo principal: Isótopos del protactinio
MeV
	Valores en el SI y condiciones normales de presión y temperatura, salvo que se indique lo contrario.
	[editar datos en Wikidata]

El protactinio es un elemento químico de la tabla periódica cuyo símbolo es Pa y su número atómico es 91.

El elemento fue identificado por primera vez en 1913 por Lise Meitner y llamado brevium debido a la corta vida media del isótopo específico estudiado, es decir, protactinio-234. Un isótopo más estable de protactinio, ²³¹Pa, fue descubierto en 1917/18 por Lise Meitner en colaboración con Otto Hahn, y eligieron el nombre de protactinio.^[1] La IUPAC eligió el nombre "protactinio" en 1949 y confirmó a Hahn y Meitner como descubridores. El nuevo nombre significaba "(nuclear) precursor^[2] de actinio" y reflexionó que el actinio es un producto de la desintegración radiactiva del protactinio. A John Arnold Cranston (trabajando 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 lo llamaron para prestar servicio en el Primera Guerra Mundial.^[3]

El isótopo natural más longevo y más abundante (casi el 100 %) de protactinio, el protactinio-231, tiene una vida media de 32 760 años y es un producto de descomposición del uranio-235. Trazas mucho más pequeñas del protactinio-234 de vida corta y su isómero nuclear protactinio-234m ocurren en la cadena de descomposición del uranio-238. El protactinio-233 resulta de la descomposición del torio-233 como parte de la cadena de eventos utilizados para producir uranio-233 mediante la irradiación de neutrones del torio-232. Es un producto intermedio no deseado en los reactores nucleares a base de torio y, por lo tanto, se elimina de la zona activa del reactor durante el proceso de reproducción. La ciencia oceánica utiliza el elemento para comprender el océano antiguo. El análisis de las concentraciones relativas de varios isótopos de uranio, torio y protactinio en agua y minerales se usa en la datación radiométrica de sedimentos que tienen hasta 175 000 años de antigüedad y en el modelado de varios procesos geológicos.^[4]

Características notables

El protactinio es un elemento metálico plateado que pertenece al grupo de los actínidos, que presenta un brillo metálico intenso.

Es superconductor por debajo de 1.4 K.^[5]

Aplicaciones

Debido a su escasez, alta radioactividad y toxicidad, actualmente no existen usos para el protactinio fuera de la investigación científica básica.

El protactinio-231 (que se forma por la desintegración alfa del uranio-235 seguido de una desintegración beta del torio-231) podría quizás mantener una reacción nuclear en cadena y, en principio, podría ser usado para construir una bomba nuclear. La masa crítica, según Walter Seifritz, es 750±180 kg. Otros autores concluyen que no es posible una reacción en cadena usando ²³¹Pa.

Historia

Dimitri Ivánovic Mendeléiev predijo en 1871 que debería existir un elemento con número atómico igual a 91 y que aparecería en la tabla periódica entre el torio y el uranio. En 1900 William Crookes aisló el protactinio como un material radiactivo formado a partir del uranio, pero que no consiguió identificarlo.^[6]

El protactinio fue identificado por primera vez en 1913 cuando Kasimir Fajans y O.H. Göhring encontraron el isótopo de corta vida ^234mPa, con una vida media de, en torno, 1,17 minutos, durante sus estudios de la cadena de decaimiento del ²³⁸U. Dieron al nuevo elemento el nombre de Brevium (latín: brevis, es decir, breve). El nombre se cambió a Protoactinium (progenitor del actinio) en 1918 cuando dos grupos de científicos (Otto Hahn y Lise Meitner de Alemania, y Frederick Soddy y John Cranston del Reino Unido) descubrieron de manera independiente el ²³¹Pa, y acortaron el nombre a protactinium (en español, protoactinio) en 1949.

Aristid V. Grosse preparó 2 mg de Pa₂O₅ en 1927, y más tarde consiguió aislar protactinio por primera vez en 1934 de 0,1 mg de Pa₂O₅, convirtiendo primero el óxido en un ioduro y después rompiéndolo a alto vacío usando un filamento calentado mediante una corriente eléctrica produciendo la reacción 2PaI₅ → 2Pa + 5I₂ (proceso Van Arkel-De Boer).

En 1961, la Autoridad para la Energía Atómica del Reino Unido (United Kingdom Atomic Energy Authority, UKAEA), fue capaz de producir 125 g de protactinio puro al 99,9 % procesando 60 toneladas de material de desecho en un proceso de 12 etapas con un gasto de 500 000 $. Esta fue la única fuente de este elemento durante muchos años y se dice que fue vendido a los laboratorios a un coste de 2800 $/g en los años sucesivos.

Abundancia y obtención

El protactinio natural se produce por la desintegración radiactiva del uranio y el torio, por tanto se encuentra en todos sus minerales, siendo su concentración proporcional al porcentaje de dichos elementos. En la pechblenda se halla en una cantidad de aproximadamente una parte de ²³¹Pa en 10 millones de mena (es decir, 0,1 ppm). Algunas minas de la República Democrática del Congo llegan a tener en torno a 3 ppm.

Compuestos

Compuestos conocidos del protactinio:

Fluoruros
- PaF₄
- PaF₅
Cloruros
- PaCl₄
- PaCl₅
Bromuros
- PaBr₄
- PaBr₅
Ioduros
- PaI₃
- PaI₄
- PaI₅
Óxidos
- PaO
- PaO₂
- Pa₂O₅

Isótopos

Se han caracterizado 29 radioisótopos del protactinio siendo los más estables el ²³¹Pa, con una vida media de 32 760 años; el ²³³Pa, con una vida media de 26,967 días; y el ²³⁰Pa con una vida media de 17,4 días. El resto de isótopos radiactivos tienen vidas medias inferiores a 1,6 días y la mayoría tienen vidas medias menores de 1,8 segundos. Este elemento también tiene dos metaestados, ^217mPa (vida media de 1,15 milisegundos) y ^234mPa (vida media de 1,17 minutos).

El modo de desintegración primario del isótopo más estable ²³¹Pa y de aquellos más ligeros es la desintegración alfa mientras que para los isótopos más pesados es la desintegración beta. Los productos primarios de la desintegración de los isótopos más ligeros (²³¹Pa o más ligeros) son isótopos del actinio (Ac) mientras que los isótopos más pesados producen isótopos del uranio (U).

Lista de isótopos

Referencias tabla:^[7] ^[8] ^[9] ^[10] ^[11]

Núclido	Nombre histórico	Z	N	Masa (Da)	Vida media	Modo de desintegración	Isótopo hijo	Spin y paridad	Abundancia natural (fracción molar)	Abundancia natural (fracción molar)
		Energía de excitación	Energía de excitación	Energía de excitación					Proporción normal	Rango de variación
²¹¹Pa^[12]		91	120		3.8(+4.6−1.4) ms	α	207Ac	9/2−#
²¹²Pa		91	121	212.02320(8)	8(5) ms [5.1(+61−19) ms]	α	²⁰⁸Ac	7+#
²¹³Pa		91	122	213.02111(8)	7(3) ms [5.3(+40−16) ms]	α	²⁰⁹Ac	9/2−#
²¹⁴Pa		91	123	214.02092(8)	17(3) ms	α	210Ac
²¹⁵Pa		91	124	215.01919(9)	14(2) ms	α	211Ac	9/2−#
²¹⁶Pa		91	125	216.01911(8)	105(12) ms	α (80%)	²¹²Ac
						β+ (20%)	216Th
²¹⁷Pa		91	126	217.01832(6)	3.48(9) ms	α	²¹³Ac	9/2−#
* ^217mPa		1860(7) keV	1860(7) keV	1860(7) keV	1.08(3) ms	α	²¹³Ac	29/2+#
* ^217mPa						IT (raro)	²¹⁷Pa	29/2+#
²¹⁸Pa		91	127	218.020042(26)	0.113(1) ms	α	²¹⁴Ac
²¹⁹Pa		91	128	219.01988(6)	53(10) ns	α	²¹⁵Ac	9/2−
						β+ (5×10−9%)	²¹⁹Th	9/2−
²²⁰Pa		91	129	220.02188(6)	780(160) ns	α	²¹⁶Ac	1−#
* ^220m1Pa^[13]		34(26) keV	34(26) keV	34(26) keV	308(+250-99) ns	α	²¹⁶Ac
* ^220m2Pa^[13]		297(65) keV	297(65) keV	297(65) keV	69(+330-30) ns	α	²¹⁶Ac
²²¹Pa		91	130	221.02188(6)	4.9(8) μs	α	²¹⁷Ac	9/2−
²²²Pa		91	131	222.02374(8)#	3.2(3) ms	α	²¹⁸Ac
²²³Pa		91	132	223.02396(8)	5.1(6) ms	α	²¹⁹Ac
						β+ (.001%)	²²³Th
²²⁴Pa		91	133	224.025626(17)	844(19) ms	α (99.9%)	²²⁰Ac	5−#
						β+ (.1%)	²²⁴Th	5−#
²²⁵Pa		91	134	225.02613(8)	1.7(2) s	α	²²¹Ac	5/2−#
²²⁶Pa		91	135	226.027948(12)	1.8(2) min	α (74%)	²²²Ac
						β+ (26%)	²²⁶Th
²²⁷Pa		91	136	227.028805(8)	38.3(3) min	α (85%)	²²³Ac	(5/2−)
						EC (15%)	²²⁷Th	(5/2−)
²²⁸Pa		91	137	228.031051(5)	22(1) h	β+ (98.15%)	²²⁸Th	3+
						α (1.85%)	²²⁴Ac	3+
²²⁹Pa		91	138	229.0320968(30)	1.50(5) d	EC (99.52%)	²²⁹Th	(5/2+)
						α (.48%)	²²⁵Ac	(5/2+)
* ^229mPa		11.6(3) keV	11.6(3) keV	11.6(3) keV	420(30) ns			3/2−
²³⁰Pa		91	139	230.034541(4)	17.4(5) d	β+ (91.6%)	²³⁰Th	(2−)
						β− (8.4%)	²³⁰U	(2−)
						α (.00319%)	²²⁶Ac	(2−)
²³¹Pa	Protoactinio	91	140	231.0358840(24)	3.276(11)×104 y	α	²²⁷Ac	3/2−	1.0000
						CD (1.34×10−9%)	²⁰⁷Tl 24Ne	3/2−	1.0000
						SF (3×10−10%)	(varios)	3/2−	1.0000
						CD (10−12%)	²⁰⁸Pb 23F	3/2−	1.0000
²³²Pa		91	141	232.038592(8)	1.31(2) d	β−	²³²U	(2−)
						EC (.003%)	²³²Th	(2−)
²³³Pa		91	142	233.0402473(23)	26.975(13) d	β−	²³³U	3/2−	Trazas
²³⁴Pa	Uranio Z	91	143	234.043308(5)	6.70(5) h	β−	²³⁴U	4+	Trazas
						SF (3×10−10%)	(varios)	4+	Trazas
* ^234mPa	Uranio X₂ Brevium	78(3) keV	78(3) keV	78(3) keV	1.17(3) min	β− (99.83%)	²³⁴U	(0−)	Trazas
						IT (.16%)	²³⁴Pa	(0−)	Trazas
						SF (10^-16%)	(varios)	(0−)	Trazas
²³⁵Pa		91	144	235.04544(5)	24.44(11) min	β−	²³⁵U	(3/2−)
²³⁶Pa		91	145	236.04868(21)	9.1(1) min	β−	²³⁶U	1(−)
						β−, SF (6×10⁻⁸%)	(varios)	1(−)
²³⁷Pa		91	146	237.05115(11)	8.7(2) min	β−	²³⁷U	(1/2+)
²³⁸Pa		91	147	238.05450(6)	2.27(9) min	β−	²³⁸U	(3-)#
						β−, SF (2.6×10⁻⁶%)	(varios)
²³⁹Pa		91	148	239.05726(21)#	1.8(5) h	β−	²³⁹U	(3/2)(−#)
²⁴⁰Pa		91	149	240.06098(32)#	2# min	β−	²⁴⁰U

Precauciones

El protactinio es tóxico y altamente radiactivo. Por este motivo, requiere precauciones similares a las usadas cuando se maneja plutonio.

Referencias

↑ Meitner, L. (1918) Die Muttersubstanz des Actiniums, ein Neues Radioaktives Element von Langer Lebensdauer. Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie 24: 169-173.
↑ http://hpschapters.org/northcarolina/NSDS/Protactinium.pdf
↑ John Arnold Cranston Archivado el 11 de marzo de 2020 en Wayback Machine.. Universidad de Glasgow
↑ Negre, César et al. "Flujo inverso de aguas profundas del Atlántico durante el Último Máximo Glacial". Naturaleza, vol. 468,7320 (2010): 84-8. doi:10.1038/naturaleza09508
↑ Fowler, R. D. et al. (1965). «Superconductivity of Protactinium». Phys. Rev. Lett. 15 (22): 860. Bibcode:1965PhRvL..15..860F. doi:10.1103/PhysRevLett.15.860.
↑ Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks ((Hardcover, First Edition) edición). Oxford University Press. pp. page 347. ISBN 0-19-850340-7.
↑ Kondev, F. G.; Wang, M.; Huang, W. J.; Naimi, S.; Audi, G (2021). «"The NUBASE2020 evaluation of nuclear properties" (PDF)». Chinese Physics C. 45 (3): 030001 (en inglés). doi:10.1088/1674-1137/abddae.
↑ Audi, G.; Kondev, F. G.; Wang, M.; Huang, W. J.; Naimi, S (2017). «"The NUBASE2016 evaluation of nuclear properties" (PDF)». Chinese Physics C. 41 (3): 030001 (en inglés). Bibcode:2017ChPhC..41c0001A. doi:10.1088/1674-1137/41/3/030001.
↑ Wang, Meng; Huang, W.J.; Kondev, F.G.; Audi, G.; Naimi, S. (2021). «"The AME 2020 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs and references*"». Chinese Physics C. 45 (3): 030003 (en inglés). doi:10.1088/1674-1137/abddaf.
↑ Wang, M.; Audi, G.; Kondev, F. G.; Huang, W. J.; Naimi, S.; Xu, X. (2017). «"The AME2016 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references" (PDF)». Chinese Physics C. 41 (3): 030003-1–030003-442 (en inglés). doi:10.1088/1674-1137/41/3/030003.
↑ Meija, Juris; Coplen, Tyler B.; et al (2016). «"Isotopic compositions of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)" (PDF)». Pure and Applied Chemistry. 88 (3) (en inglés). doi:10.1515/pac-2015-0503.
↑ Auranen, K (3 de septiembre de 2020). «Exploring the boundaries of the nuclear landscape: α-decay properties of 211Pa». Physical Review C 102 (034305). doi:10.1103/PhysRevC.102.034305. Consultado el 17 de septiembre de 2020.
↑ ^a ^b Huang, T.H. (2018). «Identification of the new isotope ²²⁴Np» (pdf). Physical Review C 98 (4): 044302. Bibcode:2018PhRvC..98d4302H. doi:10.1103/PhysRevC.98.044302.

Enlaces externos

Datos: Q1109
Multimedia: Protactinium / Q1109

[meitner-1] Meitner, L. (1918) Die Muttersubstanz des Actiniums, ein Neues Radioaktives Element von Langer Lebensdauer. Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie 24: 169-173.

[2] ttp://hpschapters.org/northcarolina/NSDS/Protactinium.pdf

[3] John Arnold Cranston Archivado el 11 de marzo de 2020 en Wayback Machine.. Universidad de Glasgow

[4] Negre, César et al. "Flujo inverso de aguas profundas del Atlántico durante el Último Máximo Glacial". Naturaleza, vol. 468,7320 (2010): 84-8. doi:10.1038/naturaleza09508

[5] Fowler, R. D. et al. (1965). «Superconductivity of Protactinium». Phys. Rev. Lett. 15 (22): 860. Bibcode:1965PhRvL..15..860F. doi:10.1103/PhysRevLett.15.860.

[6] Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks ((Hardcover, First Edition) edición). Oxford University Press. pp. page 347. ISBN 0-19-850340-7.

[7] Kondev, F. G.; Wang, M.; Huang, W. J.; Naimi, S.; Audi, G (2021). «"The NUBASE2020 evaluation of nuclear properties" (PDF)». Chinese Physics C. 45 (3): 030001 (en inglés). doi:10.1088/1674-1137/abddae.

[8] Audi, G.; Kondev, F. G.; Wang, M.; Huang, W. J.; Naimi, S (2017). «"The NUBASE2016 evaluation of nuclear properties" (PDF)». Chinese Physics C. 41 (3): 030001 (en inglés). Bibcode:2017ChPhC..41c0001A. doi:10.1088/1674-1137/41/3/030001.

[9] Wang, Meng; Huang, W.J.; Kondev, F.G.; Audi, G.; Naimi, S. (2021). «"The AME 2020 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs and references*"». Chinese Physics C. 45 (3): 030003 (en inglés). doi:10.1088/1674-1137/abddaf.

[10] Wang, M.; Audi, G.; Kondev, F. G.; Huang, W. J.; Naimi, S.; Xu, X. (2017). «"The AME2016 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references" (PDF)». Chinese Physics C. 41 (3): 030003-1–030003-442 (en inglés). doi:10.1088/1674-1137/41/3/030003.

[11] Meija, Juris; Coplen, Tyler B.; et al (2016). «"Isotopic compositions of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)" (PDF)». Pure and Applied Chemistry. 88 (3) (en inglés). doi:10.1515/pac-2015-0503.

[12] Auranen, K (3 de septiembre de 2020). «Exploring the boundaries of the nuclear landscape: α-decay properties of 211Pa». Physical Review C 102 (034305). doi:10.1103/PhysRevC.102.034305. Consultado el 17 de septiembre de 2020.

[Np224-13] Huang, T.H. (2018). «Identification of the new isotope ²²⁴Np» (pdf). Physical Review C 98 (4): 044302. Bibcode:2018PhRvC..98d4302H. doi:10.1103/PhysRevC.98.044302.

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