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鏷（protactinium，Pa）是一(yi)種天然放射性元素。原(yuan)子序(xu)數91，原(yuan)子量231.03588。1913年(nian)美(mei)國(guo)(guo)化學家法揚斯發(fa)現(xian)短半(ban)衰期的(de)鏷234，1917年(nian)英國(guo)(guo)化學家索(suo)迪、哈恩等各自獨立發(fa)現(xian)長半(ban)衰期的(de)鏷231，這也(ye)是僅有的(de)兩種天然放射性元素，現(xian)已發(fa)現(xian)質量數在215~238之間的(de)鏷的(de)21個同位素。

231Pa主(zhu)要(yao)用于科學研究。它(ta)也是(shi)由(you)(n，γ)反(fan)應制取(qu)鈾(you)-232的原(yuan)料。

鏷可用四氟化鏷等用鋇還原而制得。也可用酮和(he)醇從(cong)鈾精煉廠殘余物中分離(li)、萃取(qu)。

發現簡史

發現人：哈恩、邁(mai)特納、索迪、克蘭(lan)斯頓

發(fa)現年代：1917年

地點：英格蘭/法國

希(xi)臘文：proto和actinium（錒之母）。鏷放射性衰變為錒。

1871年，門捷(jie)列夫(fu)預言(yan)釷(tu)(tu)和(he)鈾之間(jian)有(you)元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)存在。當時錒系元(yuan)素(su)(su)還沒(mei)有(you)被發現。因此(ci)1950年代出版的(de)(de)周期表，先是(shi)鈾、鎢(wu)、鋯、釷(tu)(tu)、鉭，而鉭下面的(de)(de)空(kong)(kong)格是(shi)空(kong)(kong)的(de)(de)。造成很(hen)長一段時間(jian)的(de)(de)化(hua)學家以EKA-鉭作為(wei)搜(sou)索的(de)(de)結果來搜(sou)尋相似的(de)(de)化(hua)學性質(zhi)如鉭的(de)(de)元(yuan)素(su)(su)，而使(shi)得發現鏷幾乎不可(ke)能。

在1903年，威廉·克(ke)(ke)魯克(ke)(ke)斯從鈾(you)分離(li)出強烈的放(fang)射性物質鏷(pu)，然而他不知(zhi)道他發(fa)現了(le)一個新的化學元(yuan)素，因(yin)此(ci)將(jiang)其命名為鈾(you)-X。克(ke)(ke)魯克(ke)(ke)斯將(jiang)硝酸鈾(you)酰溶解于乙醚(mi)中(zhong)，發(fa)現剩余的水中(zhong)含(han)有釷-234和鏷(pu)-234。

1913年，當時法揚斯(Kasimir Fajans)和格林(Oswald Helmuth G?hring)，在他(ta)們(men)的研究鈾-238衰(shuai)變鏈：鈾-238→釷-234→鏷(pu)(pu)-234→鈾-234，發現了鏷(pu)(pu)的231號(hao)同位素(su)。因(yin)為它鏷(pu)(pu)-231的半(ban)衰(shuai)期(qi)(qi)僅(jin)只有6.7小時，他(ta)們(men)將(jiang)這個新元素(su)命名為Brevium（拉丁語，意思是短暫或(huo)短期(qi)(qi)）。

在1917年(nian)至1918年(nian)，兩組科學家(jia)奧托(tuo)·漢恩(Otto Hahn)和莉斯(si)·麥特納(Lise Meitner)，以及德國和英(ying)國的(de)(de)弗雷德里克·索迪(di)(Frederick Soddy)和約翰·克蘭斯(si)登(John Cranston)的(de)(de)，另外發現了鏷-231，半衰期約3.2萬年(nian)。他們將這個元素更名(ming)為鏷(protoactinium)（proto-源于(yu)希臘文(wen)：πρ?το?，意義為之前，首(shou)先；-actinium源于(yu)錒的(de)(de)英(ying)文(wen)名(ming)），因為鏷在鈾-235衰變鏈的(de)(de)在錒之前。

Aristid von Grosse于(yu)1927年提(ti)取(qu)2毫克(ke)的(de)(de)Pa2O5，并于(yu)1934年首次分離出元素鏷于(yu)0.1毫克(ke)的(de)(de)Pa2O5。他(ta)用兩種不同(tong)的(de)(de)方法(fa)：第(di)一個(ge)，氧(yang)化鏷在真空(kong)中照射35keV的(de)(de)電子。在另(ling)一種方法(fa)中，被稱為(wei)范亞克(ke)-戴波耳法(fa)，將氧(yang)化物的(de)(de)化學置HF換為(wei)一個(ge)鹵化物（氯化物，溴化物或碘化物），然后(hou)在真空(kong)用一個(ge)電加熱的(de)(de)金屬絲:

2 PaI5 → 2 Pa + 5 I2

1961年，英國原子(zi)能管(guan)理局（UKAEA）用(yong)125克純度為(wei)99.9%鏷，用(yong)一個12級的(de)過程處理60噸的(de)廢料，成本約50萬(wan)美元。

美(mei)國橡樹嶺(ling)國家實驗室提供(gong)鏷的成(cheng)本約(yue)280美(mei)元/克。

理化性質

密(mi)度15.37克/厘米3。熔點小于1600℃，具(ju)有放(fang)射性(xing)。已(yi)知同位素(su)(su)中，231Pa壽(shou)命(ming)最長，發(fa)射α粒子，半衰期約(yue)為(wei)3.4×10^4。233Pa，發(fa)射β和γ射線，半衰期為(wei)27天。其他幾種(zhong)同位素(su)(su)226Pa、237Pa等，都較"短命(ming)"。灰白色金屬(shu)，有延展性(xing)能(neng)，硬度似(si)鈾(you)。空(kong)氣(qi)中穩定，晶(jing)格屬(shu)正方(fang)系。化(hua)學(xue)性(xing)質與鉭相似(si)。常顯示+4價和+5價。鏷(pu)是第三罕有元(yuan)素(su)(su)。它(ta)在放(fang)射衰變過程中產(chan)生錒(a)，是錒(a)的"祖先"。

在(zai)同一時間內自然界(jie)中(zhong)只有(you)幾個鏷原子(zi)存(cun)在(zai)并幾乎都在(zai)出現后幾分鐘內衰變(bian)掉了，見于鈾、釷和(he)钚的裂變(bian)產物中(zhong)。

元(yuan)素符號：Pa 英(ying)文名(ming)：Protactini

元素名稱：鏷

元素原子量(liang)：231.0

元素類型：金屬

原(yuan)子YY體積:(立方厘米/摩爾)

15.1

氧化態：

Main Pa+5

Other Pa+3, Pa+3

晶(jing)體結構：晶(jing)胞(bao)(bao)為正交晶(jing)胞(bao)(bao)。

晶胞參數：

a = 392.5 pm

b = 39T2.5 pm

c = 323.8 pm

α = 91°

β = 92°

γ = 91°

相(xiang)對(dui)原(yuan)子質量：231.036 常(chang)見(jian)化(hua)合價：+4,+5 電負性：1.5

外圍電(dian)子(zi)排布：5f2 6d1 7s2 核外電(dian)子(zi)排布：2,8,18,32,20,9,2

同位素(su)及放(fang)射線(xian)：Pa-230[17.4d] Pa-231(放(fang) α[32800y]) Pa-233[27d]Pa-234[6.69h]Pa-234m[1.17m]

電(dian)子(zi)親合和能(neng)：0 KJ·mol-1

第(di)一電離能(neng)：570 KJ·mol-1 第(di)二電離能(neng)： 0 KJ·mol-1 第(di)三電離能(neng)： 0 KJ·mol-1

單(dan)質密度(du)：15.4 g/cm3 單(dan)質熔點(dian)： 1Y567 ℃ 單(dan)質沸點(dian)：4027℃

原子半徑：160.6 離(li)子半徑：未(wei)(wei)知 共價(jia)半徑：未(wei)(wei)知

表2 鏷(pu)的重(zhong)要物理性質

性 質(zhi) 數(shu) 據 性 質(zhi) 數(shu) 據

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

Pa5+89

熔(rong)點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

密度ρ/kg·m-3 15370

制備方法

鏷有兩(liang)種(zhong)制取(qu)途(tu)徑：一種(zhong)是從鈾礦渣中(zhong)(zhong)提取(qu)；另(ling)一種(zhong)是在反應(ying)堆中(zhong)(zhong)，用中(zhong)(zhong)子輻照釷(tu)-230靶，由(you)核反應(ying)制得。

從(cong)礦(kuang)渣中分(fen)離(li)提取(qu)的化學(xue)過(guo)程復(fu)雜，一般要經過(guo)溶劑萃取(qu)和離(li)子(zi)交換分(fen)離(li)過(guo)程。英(ying)國科學(xue)家曾從(cong)鈾“醚(mi)渣”中回(hui)收了125g純度為99.9%的Pa。

中(zhong)國(guo)研究(jiu)了從鈾(you)礦(kuang)渣(zha)中(zhong)提取鏷(pu)(pu)的流程(cheng)。該(gai)流程(cheng)以瀝青鈾(you)礦(kuang)為原料，經(jing)硝(xiao)酸浸出鈾(you)、鐳后，用氫氟(fu)酸浸出渣(zha)中(zhong)的鏷(pu)(pu)，經(jing)苯基磷酸-2-乙基己基酯(zhi)-二甲苯、三(san)烷基氧膦-二甲苯、三(san)脂肪(fang)胺-混合(he)醇-磺(huang)化煤油等(deng)三(san)次溶(rong)劑萃取和陰離子(zi)交換樹脂色層分(fen)離獲得純化鏷(pu)(pu)。

海水中的鏷

鏷在(zai)海水(shui)中的溶存(cun)形態(tai)(tai)可能是(shi)五價的氧(yang)化態(tai)(tai)，以PaO(OH)2.5或(huo)Pa(OH)4.5水(shui)解(jie)形態(tai)(tai)存(cun)在(zai)。這(zhe)些水(shui)解(jie)產物(wu)被(bei)吸附(fu)在(zai)氫(qing)氧(yang)化物(wu)和(he)粘土礦(kuang)物(wu)等天然吸附(fu)劑的表(biao)面上，最后在(zai)海底沉積物(wu)或(huo)鐵錳(meng)結(jie)核中富(fu)集(ji)。

由于鏷在(zai)海(hai)水中的(de)含(han)量極低，所以(yi)必須要(yao)取(qu)大體積(ji)(ji)(200-500升)水樣才能(neng)分析。通常用氫(qing)氧化(hua)鐵和(he)(he)二氧化(hua)錳進行富集，然后再用溶劑萃取(qu)或陰離子(zi)交換法分離、純化(hua)。至今，海(hai)水中測定鏷的(de)實例(li)還(huan)不(bu)多。有的(de)報道說，在(zai)太(tai)平洋(yang)赤道海(hai)域其值(zhi)為(wei)3—5×10克/升，在(zai)北太(tai)平洋(yang)和(he)(he)加(jia)勒比海(hai)其值(zhi)為(wei)1.3-2.4×10克/升。這只不(bu)過是與U平衡值(zhi)的(de)0.15-7%。不(bu)平衡的(de)原(yuan)因是與鏷的(de)水解產物沉積(ji)(ji)在(zai)海(hai)底(di)沉積(ji)(ji)物所致(zhi)。

在鏷(pu)的(de)放射性同位素中，較有(you)意義的(de)是(shi)Pa。利用鍰鏷(pu)法(Pa/Th)或(huo)鏷(pu)法，可以測定(ding)海(hai)底沉(chen)積物(wu)的(de)年代(dai)及鐵錳結(jie)核(he)和磷(lin)塊結(jie)核(he)的(de)生長速(su)度。