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鏷(pu)(pu)（protactinium，Pa）是(shi)一種(zhong)(zhong)天(tian)然放射(she)性元(yuan)素。原子序(xu)數91，原子量(liang)231.03588。1913年美(mei)國化(hua)學家法揚斯發(fa)(fa)現(xian)短半衰期(qi)的鏷(pu)(pu)234，1917年英國化(hua)學家索迪、哈恩等各自(zi)獨立發(fa)(fa)現(xian)長半衰期(qi)的鏷(pu)(pu)231，這也(ye)是(shi)僅有(you)的兩種(zhong)(zhong)天(tian)然放射(she)性元(yuan)素，現(xian)已發(fa)(fa)現(xian)質(zhi)量(liang)數在(zai)215~238之間的鏷(pu)(pu)的21個同(tong)位素。

231Pa主要用于(yu)科學(xue)研(yan)究(jiu)。它也是(shi)由(n，γ)反應制取鈾-232的原料。

鏷可用四氟(fu)化鏷等用鋇還原(yuan)而(er)制得。也可用酮(tong)和醇從鈾精煉廠(chang)殘余物中(zhong)分離、萃取。

發現簡史

發現人：哈恩、邁特(te)納、索迪、克蘭(lan)斯頓

發現年(nian)代：1917年(nian)

地點：英格蘭/法國

希(xi)臘文：proto和actinium（錒(a)之(zhi)母）。鏷(pu)放(fang)射性(xing)衰變為錒(a)。

1871年，門捷列夫預言釷(tu)和鈾之(zhi)間有元(yuan)素的(de)(de)(de)存在。當時錒(a)系元(yuan)素還沒(mei)有被發現。因此1950年代出(chu)版的(de)(de)(de)周期表，先是鈾、鎢、鋯、釷(tu)、鉭(tan)(tan)(tan)，而(er)鉭(tan)(tan)(tan)下面的(de)(de)(de)空(kong)格(ge)是空(kong)的(de)(de)(de)。造成很長一段時間的(de)(de)(de)化學家以EKA-鉭(tan)(tan)(tan)作為搜索的(de)(de)(de)結果來搜尋相似的(de)(de)(de)化學性質如(ru)鉭(tan)(tan)(tan)的(de)(de)(de)元(yuan)素，而(er)使(shi)得發現鏷幾乎不(bu)可(ke)能。

在1903年，威廉·克(ke)魯克(ke)斯(si)從鈾(you)分離(li)出強烈(lie)的(de)(de)放射性物質鏷，然而他不知道(dao)他發現(xian)了一(yi)個(ge)新的(de)(de)化學(xue)元素，因此將其命名(ming)為鈾(you)-X。克(ke)魯克(ke)斯(si)將硝酸鈾(you)酰溶解于乙醚(mi)中，發現(xian)剩余(yu)的(de)(de)水中含有釷-234和鏷-234。

1913年，當時法揚斯(Kasimir Fajans)和格(ge)林(Oswald Helmuth G?hring)，在他(ta)們的(de)研究(jiu)鈾-238衰變鏈：鈾-238→釷-234→鏷-234→鈾-234，發現了鏷的(de)231號同(tong)位素(su)。因為它鏷-231的(de)半衰期(qi)僅只有6.7小(xiao)時，他(ta)們將(jiang)這個新(xin)元(yuan)素(su)命(ming)名(ming)為Brevium（拉丁(ding)語(yu)，意思是短(duan)暫或短(duan)期(qi)）。

在(zai)1917年(nian)至1918年(nian)，兩組科(ke)學家奧托·漢恩(Otto Hahn)和(he)莉斯(si)·麥特納(Lise Meitner)，以及德國和(he)英(ying)國的(de)(de)弗(fu)雷德里(li)克·索(suo)迪(Frederick Soddy)和(he)約翰·克蘭(lan)斯(si)登(deng)(John Cranston)的(de)(de)，另(ling)外發現了鏷(pu)-231，半衰期約3.2萬年(nian)。他們將這個元素(su)更(geng)名為(wei)鏷(pu)(protoactinium)（proto-源于希臘文(wen)：πρ?το?，意義(yi)為(wei)之前(qian)，首先(xian)；-actinium源于錒(a)的(de)(de)英(ying)文(wen)名），因為(wei)鏷(pu)在(zai)鈾-235衰變鏈的(de)(de)在(zai)錒(a)之前(qian)。

Aristid von Grosse于(yu)(yu)1927年(nian)提取2毫克的(de)(de)(de)Pa2O5，并于(yu)(yu)1934年(nian)首(shou)次分(fen)離出元素鏷于(yu)(yu)0.1毫克的(de)(de)(de)Pa2O5。他用兩(liang)種(zhong)不同的(de)(de)(de)方(fang)(fang)法(fa)：第一個，氧(yang)化鏷在真空中照(zhao)射35keV的(de)(de)(de)電子。在另(ling)一種(zhong)方(fang)(fang)法(fa)中，被稱為范亞(ya)克-戴(dai)波耳法(fa)，將氧(yang)化物(wu)的(de)(de)(de)化學置HF換(huan)為一個鹵化物(wu)（氯化物(wu)，溴化物(wu)或(huo)碘(dian)化物(wu)），然后在真空用一個電加熱的(de)(de)(de)金屬絲:

2 PaI5 → 2 Pa + 5 I2

1961年(nian)，英國原子(zi)能(neng)管(guan)理局(ju)（UKAEA）用125克純度為99.9%鏷，用一個12級(ji)的過程處理60噸(dun)的廢料，成本約50萬美(mei)元。

美國橡(xiang)樹嶺國家實驗(yan)室提供鏷的成本約280美元/克。

理化性質

密度15.37克/厘(li)米(mi)3。熔點小于1600℃，具有(you)放射(she)性。已知同(tong)位素(su)中，231Pa壽(shou)命最長，發射(she)α粒(li)子(zi)，半衰(shuai)期(qi)約為(wei)3.4×10^4。233Pa，發射(she)β和γ射(she)線(xian)，半衰(shuai)期(qi)為(wei)27天。其他幾(ji)種同(tong)位素(su)226Pa、237Pa等，都較(jiao)"短命"。灰白色金(jin)屬，有(you)延展(zhan)性能，硬度似(si)鈾。空(kong)氣中穩(wen)定(ding)，晶格屬正方系。化學性質與鉭相似(si)。常顯示+4價和+5價。鏷(pu)是第三(san)罕有(you)元素(su)。它在放射(she)衰(shuai)變過程中產生錒(a)，是錒(a)的"祖先"。

在同(tong)一時間內自(zi)然界中(zhong)只有幾個鏷原子存在并幾乎都在出現后幾分鐘內衰變掉了，見于(yu)鈾、釷(tu)和(he)钚的裂變產物中(zhong)。

元素符(fu)號：Pa 英文名：Protactini

元素名稱：鏷

元(yuan)素原(yuan)子量：231.0

元素類型：金屬

原子YY體積:(立方厘米/摩(mo)爾)

15.1

氧化態：

Main Pa+5

Other Pa+3, Pa+3

晶(jing)體結構：晶(jing)胞為正(zheng)交晶(jing)胞。

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(liang)：231.036 常見(jian)化合價(jia)：+4,+5 電(dian)負性：1.5

外(wai)圍(wei)電(dian)子(zi)(zi)排布(bu)：5f2 6d1 7s2 核(he)外(wai)電(dian)子(zi)(zi)排布(bu)：2,8,18,32,20,9,2

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

電(dian)子(zi)親合和能：0 KJ·mol-1

第(di)(di)一電(dian)離(li)(li)能：570 KJ·mol-1 第(di)(di)二電(dian)離(li)(li)能： 0 KJ·mol-1 第(di)(di)三(san)電(dian)離(li)(li)能： 0 KJ·mol-1

單質密(mi)度：15.4 g/cm3 單質熔點(dian)(dian)： 1Y567 ℃ 單質沸(fei)點(dian)(dian)：4027℃

原(yuan)子(zi)半(ban)徑：160.6 離子(zi)半(ban)徑：未知 共價半(ban)徑：未知

表2 鏷的重(zhong)要物(wu)理性(xing)質(zhi)

性 質 數 據 性 質 數 據

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

Pa5+89

熔點T/K 2113

沸點T/K 4300

熔化(hua)熱Q/kJ·mol-1 16.7

氣化熱Q/kJ·mol-1 481

密度ρ/kg·m-3 15370

制備方法

鏷有兩種(zhong)制取途徑：一種(zhong)是從鈾(you)礦渣中(zhong)提(ti)取；另一種(zhong)是在(zai)反應堆(dui)中(zhong)，用中(zhong)子輻(fu)照釷-230靶(ba)，由核(he)反應制得。

從(cong)礦渣(zha)中分離提取(qu)的化學過程(cheng)(cheng)復雜，一(yi)般要經過溶劑(ji)萃取(qu)和離子交(jiao)換分離過程(cheng)(cheng)。英(ying)國(guo)科(ke)學家曾從(cong)鈾“醚渣(zha)”中回(hui)收了125g純度為99.9%的Pa。

中(zhong)國研究了從鈾(you)礦渣中(zhong)提取(qu)(qu)鏷的(de)流程。該(gai)流程以瀝(li)青(qing)鈾(you)礦為原料，經硝酸浸出鈾(you)、鐳(lei)后，用(yong)氫(qing)氟酸浸出渣中(zhong)的(de)鏷，經苯基(ji)(ji)磷酸-2-乙(yi)基(ji)(ji)己基(ji)(ji)酯-二甲苯、三烷(wan)基(ji)(ji)氧膦-二甲苯、三脂肪胺-混合醇-磺化煤油等(deng)三次(ci)溶劑萃取(qu)(qu)和陰離(li)子交換樹脂色層分離(li)獲(huo)得純化鏷。

海水中的鏷

鏷(pu)在(zai)海(hai)水中的溶存形態(tai)可能(neng)是(shi)五價的氧化態(tai)，以PaO(OH)2.5或Pa(OH)4.5水解(jie)形態(tai)存在(zai)。這些(xie)水解(jie)產物(wu)(wu)被吸附(fu)在(zai)氫氧化物(wu)(wu)和粘(zhan)土礦物(wu)(wu)等(deng)天(tian)然吸附(fu)劑的表面(mian)上，最后(hou)在(zai)海(hai)底(di)沉積物(wu)(wu)或鐵錳結核中富集。

由于鏷在(zai)(zai)海水中的(de)(de)含量(liang)極(ji)低，所以必須要(yao)取大體(ti)積(200-500升(sheng)(sheng))水樣才能(neng)分析。通(tong)常用(yong)氫氧化(hua)(hua)鐵和二氧化(hua)(hua)錳(meng)進行富集，然后再用(yong)溶(rong)劑萃取或(huo)陰離(li)子交換法分離(li)、純化(hua)(hua)。至(zhi)今，海水中測定鏷的(de)(de)實例(li)還不(bu)多(duo)。有的(de)(de)報道(dao)說，在(zai)(zai)太平(ping)洋(yang)赤道(dao)海域其值為(wei)3—5×10克/升(sheng)(sheng)，在(zai)(zai)北太平(ping)洋(yang)和加勒比海其值為(wei)1.3-2.4×10克/升(sheng)(sheng)。這只不(bu)過是與U平(ping)衡值的(de)(de)0.15-7%。不(bu)平(ping)衡的(de)(de)原因是與鏷的(de)(de)水解產物(wu)沉(chen)積在(zai)(zai)海底沉(chen)積物(wu)所致(zhi)。

在鏷(pu)的放(fang)射性同(tong)位(wei)素(su)中，較有意義的是Pa。利用鍰(huan)鏷(pu)法(Pa/Th)或鏷(pu)法，可以(yi)測(ce)定海底沉積(ji)物的年代(dai)及鐵錳結(jie)核(he)和磷塊結(jie)核(he)的生長速度。