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鏷(pu)（protactinium，Pa）是一種天(tian)然放(fang)射性元素(su)(su)。原(yuan)子序數91，原(yuan)子量231.03588。1913年(nian)美(mei)國化學家法(fa)揚斯發(fa)現短半衰期的鏷(pu)234，1917年(nian)英國化學家索(suo)迪、哈恩等各自獨立發(fa)現長(chang)半衰期的鏷(pu)231，這也是僅有(you)的兩種天(tian)然放(fang)射性元素(su)(su)，現已發(fa)現質量數在(zai)215~238之間的鏷(pu)的21個同(tong)位素(su)(su)。

231Pa主要用于科(ke)學(xue)研(yan)究。它也是由(n，γ)反應(ying)制取(qu)鈾-232的原(yuan)料(liao)。

鏷可(ke)用(yong)四氟化鏷等用(yong)鋇(bei)還原(yuan)而制得。也可(ke)用(yong)酮和醇從鈾精(jing)煉廠殘余物中分離、萃取。

發現簡史

發現(xian)人：哈(ha)恩、邁特納、索(suo)迪、克蘭斯頓

發現年代：1917年

地點：英格蘭/法國

希臘文：proto和(he)actinium（錒(a)之母）。鏷放(fang)射性(xing)衰(shuai)變為(wei)錒(a)。

1871年，門捷(jie)列(lie)夫預言釷和鈾之間(jian)(jian)有(you)元(yuan)素的存在。當(dang)時(shi)錒系元(yuan)素還(huan)沒有(you)被發(fa)現(xian)。因此1950年代出版的周期表，先是鈾、鎢、鋯、釷、鉭(tan)(tan)，而鉭(tan)(tan)下(xia)面(mian)的空格(ge)是空的。造成(cheng)很(hen)長一段時(shi)間(jian)(jian)的化學家以EKA-鉭(tan)(tan)作(zuo)為搜(sou)索(suo)的結果來搜(sou)尋相似的化學性質如(ru)鉭(tan)(tan)的元(yuan)素，而使得發(fa)現(xian)鏷幾乎(hu)不(bu)可能。

在(zai)1903年(nian)，威廉·克(ke)(ke)魯(lu)克(ke)(ke)斯從鈾分(fen)離出強烈的(de)放射性物質鏷(pu)，然而他不知道他發現(xian)了一個新的(de)化學(xue)元素，因此將(jiang)其(qi)命名為(wei)鈾-X。克(ke)(ke)魯(lu)克(ke)(ke)斯將(jiang)硝酸鈾酰溶(rong)解于乙醚中(zhong)，發現(xian)剩(sheng)余的(de)水中(zhong)含有釷-234和鏷(pu)-234。

1913年，當時(shi)法揚斯(Kasimir Fajans)和格林(Oswald Helmuth G?hring)，在他(ta)(ta)們(men)的(de)研(yan)究鈾-238衰變鏈(lian)：鈾-238→釷-234→鏷(pu)-234→鈾-234，發現了鏷(pu)的(de)231號同位素(su)。因(yin)為(wei)(wei)它鏷(pu)-231的(de)半衰期(qi)僅(jin)只(zhi)有6.7小時(shi)，他(ta)(ta)們(men)將這(zhe)個新元素(su)命名為(wei)(wei)Brevium（拉丁語，意思是短(duan)暫(zan)或短(duan)期(qi)）。

在1917年至(zhi)1918年，兩組(zu)科學家(jia)奧托(tuo)·漢(han)恩(Otto Hahn)和(he)(he)莉斯·麥特納(Lise Meitner)，以及德國和(he)(he)英國的弗雷德里克·索迪(Frederick Soddy)和(he)(he)約翰(han)·克蘭斯登(John Cranston)的，另外發現了(le)鏷-231，半衰(shuai)期約3.2萬年。他們(men)將這個元素更名為(wei)(wei)鏷(protoactinium)（proto-源于希臘文(wen)：πρ?το?，意義(yi)為(wei)(wei)之(zhi)前，首先；-actinium源于錒(a)的英文(wen)名），因為(wei)(wei)鏷在鈾-235衰(shuai)變鏈的在錒(a)之(zhi)前。

Aristid von Grosse于1927年(nian)提取(qu)2毫克(ke)的(de)Pa2O5，并于1934年(nian)首次分離出元素鏷于0.1毫克(ke)的(de)Pa2O5。他用兩種不同的(de)方(fang)法：第一(yi)(yi)個，氧化(hua)鏷在(zai)真空中(zhong)照射35keV的(de)電(dian)子。在(zai)另一(yi)(yi)種方(fang)法中(zhong)，被稱為范亞克(ke)-戴波耳法，將氧化(hua)物的(de)化(hua)學置HF換為一(yi)(yi)個鹵化(hua)物（氯(lv)化(hua)物，溴化(hua)物或碘化(hua)物），然后(hou)在(zai)真空用一(yi)(yi)個電(dian)加熱的(de)金屬絲:

2 PaI5 → 2 Pa + 5 I2

1961年，英國原子能管理局（UKAEA）用125克(ke)純度為99.9%鏷，用一個(ge)12級的過程(cheng)處(chu)理60噸(dun)的廢(fei)料(liao)，成本約(yue)50萬美元(yuan)。

美國(guo)橡樹嶺國(guo)家實驗室提供鏷的(de)成本約280美元/克。

理化性質

密度15.37克/厘米3。熔點小于1600℃，具有(you)放射(she)(she)性(xing)。已知同(tong)位(wei)素中(zhong)，231Pa壽命最長，發射(she)(she)α粒子(zi)，半衰期約為3.4×10^4。233Pa，發射(she)(she)β和(he)γ射(she)(she)線(xian)，半衰期為27天。其他幾(ji)種同(tong)位(wei)素226Pa、237Pa等，都較"短命"。灰白色金屬(shu)，有(you)延展性(xing)能，硬度似鈾。空氣中(zhong)穩定(ding)，晶格屬(shu)正(zheng)方系。化學(xue)性(xing)質與(yu)鉭(tan)相似。常(chang)顯示(shi)+4價(jia)和(he)+5價(jia)。鏷(pu)是第(di)三罕(han)有(you)元素。它在(zai)放射(she)(she)衰變過程中(zhong)產生錒，是錒的"祖(zu)先"。

在(zai)同一時間(jian)內自然(ran)界中(zhong)只有幾(ji)(ji)(ji)個鏷原子存在(zai)并幾(ji)(ji)(ji)乎(hu)都在(zai)出現后幾(ji)(ji)(ji)分鐘內衰變(bian)掉了，見于鈾(you)、釷和钚的裂變(bian)產物中(zhong)。

元素(su)符號(hao)：Pa 英文名：Protactini

元素名稱：鏷

元素原子量：231.0

元素類型：金屬

原(yuan)子YY體積:(立方厘(li)米/摩爾)

15.1

氧化態：

Main Pa+5

Other Pa+3, Pa+3

晶體結構：晶胞(bao)為正交(jiao)晶胞(bao)。

晶胞參數：

a = 392.5 pm

b = 39T2.5 pm

c = 323.8 pm

α = 91°

β = 92°

γ = 91°

相對原(yuan)子質量：231.036 常見化合價：+4,+5 電(dian)負性：1.5

外圍(wei)電(dian)子排布：5f2 6d1 7s2 核(he)外電(dian)子排布：2,8,18,32,20,9,2

同(tong)位(wei)素(su)及放射線(xian)：Pa-230[17.4d] Pa-231(放 α[32800y]) Pa-233[27d]Pa-234[6.69h]Pa-234m[1.17m]

電子(zi)親合和能：0 KJ·mol-1

第一電離(li)能(neng)：570 KJ·mol-1 第二電離(li)能(neng)： 0 KJ·mol-1 第三電離(li)能(neng)： 0 KJ·mol-1

單質密度：15.4 g/cm3 單質熔點： 1Y567 ℃ 單質沸點：4027℃

原子半徑(jing)：160.6 離(li)子半徑(jing)：未知(zhi) 共價半徑(jing)：未知(zhi)

表2 鏷的重(zhong)要(yao)物理性質

性 質(zhi) 數 據(ju) 性 質(zhi) 數 據(ju)

半徑r/pm Pa3+113，Pa4+98，熱導(dao)率λ/W·m-1·K-1 47(300K)

Pa5+89

熔點(dian)T/K 2113

沸點T/K 4300

熔化熱Q/kJ·mol-1 16.7

氣化(hua)熱Q/kJ·mol-1 481

密(mi)度ρ/kg·m-3 15370

制備方法

鏷有兩種(zhong)(zhong)制取(qu)途(tu)徑：一(yi)種(zhong)(zhong)是(shi)從鈾礦渣中提取(qu)；另一(yi)種(zhong)(zhong)是(shi)在(zai)反應(ying)堆(dui)中，用(yong)中子輻照釷-230靶，由核反應(ying)制得。

從礦渣(zha)中(zhong)分(fen)離提(ti)取的化學(xue)過(guo)程(cheng)復雜，一般要(yao)經(jing)過(guo)溶劑(ji)萃取和離子交換分(fen)離過(guo)程(cheng)。英(ying)國科學(xue)家曾從鈾(you)“醚渣(zha)”中(zhong)回收了125g純度為99.9%的Pa。

中(zhong)(zhong)國研(yan)究(jiu)了(le)從(cong)鈾礦(kuang)渣(zha)中(zhong)(zhong)提取(qu)鏷的流程(cheng)(cheng)。該(gai)流程(cheng)(cheng)以(yi)瀝青鈾礦(kuang)為原(yuan)料，經硝酸浸(jin)出鈾、鐳后，用氫氟(fu)酸浸(jin)出渣(zha)中(zhong)(zhong)的鏷，經苯基磷酸-2-乙基己基酯-二甲苯、三烷(wan)基氧膦-二甲苯、三脂肪胺(an)-混(hun)合(he)醇(chun)-磺化(hua)煤油等三次溶劑萃(cui)取(qu)和陰離(li)子交換樹脂色層分離(li)獲得純化(hua)鏷。

海水中的鏷

鏷在海水(shui)中的溶存(cun)形態(tai)可能是五價的氧(yang)化態(tai)，以PaO(OH)2.5或(huo)(huo)Pa(OH)4.5水(shui)解(jie)(jie)形態(tai)存(cun)在。這些水(shui)解(jie)(jie)產(chan)物被吸(xi)附在氫氧(yang)化物和粘土礦物等(deng)天然吸(xi)附劑的表面上，最后在海底(di)沉積(ji)物或(huo)(huo)鐵錳結核(he)中富(fu)集(ji)。

由于鏷在海(hai)(hai)水(shui)中(zhong)的(de)含(han)量極低，所以必須要取大體積(ji)(200-500升)水(shui)樣(yang)才能(neng)分析(xi)。通(tong)常用氫氧化鐵和二(er)氧化錳(meng)進行(xing)富(fu)集，然后再用溶劑萃(cui)取或陰離(li)子(zi)交換法分離(li)、純化。至今，海(hai)(hai)水(shui)中(zhong)測定鏷的(de)實(shi)例還不(bu)(bu)多。有的(de)報道(dao)說，在太平(ping)(ping)洋赤道(dao)海(hai)(hai)域其(qi)值(zhi)為(wei)3—5×10克(ke)(ke)/升，在北太平(ping)(ping)洋和加勒比海(hai)(hai)其(qi)值(zhi)為(wei)1.3-2.4×10克(ke)(ke)/升。這只不(bu)(bu)過是與(yu)(yu)U平(ping)(ping)衡值(zhi)的(de)0.15-7%。不(bu)(bu)平(ping)(ping)衡的(de)原因是與(yu)(yu)鏷的(de)水(shui)解產物(wu)沉(chen)積(ji)在海(hai)(hai)底沉(chen)積(ji)物(wu)所致。

在鏷(pu)的(de)放射性同位素中，較有意義(yi)的(de)是Pa。利用鍰鏷(pu)法(Pa/Th)或鏷(pu)法，可以(yi)測定海(hai)底沉積物的(de)年代及鐵錳結核和磷塊(kuai)結核的(de)生長速度。