Введение

Актино́иды (актини́ды) — семейство, состоящее из 14 радиоактивных химических элементов III группы 7-го периода периодической системы с атомными номерами 90—103.

Данная группа состоит из тория, протактиния, урана, нептуния, плутония, америция, кюрия, берклия, калифорния, эйнштейния, фермия, менделевия, нобелия и лоуренсия. Актиний часто для удобства сравнения рассматривается вместе с этими элементами, однако к актиноидам он не относится[1]. Термин «актиноиды» был предложен Виктором Гольдшмидтом в 1937 году[2].

Химия протактиния до последнего времени было мало разработана. Это объясняется специфическими свойствами данного элемента. С одной стороны, малая распространенность протактиния требует особых избирательных методов определения. С другой стороны, легкая гидролизуемость протактиния, сравнимая с гидролизуемостью его химических аналогов - ниобия и тантала, часто приводит к образованию смешанных полимерных соединений протактиния с некоторыми элементами, в результате чего он теряет свою химическую индивидуальность и становится трудноуправляемым.

Целью данной курсовой работы является: изучить теоретические сведенья, основные ядерно-химические свойства данного актинида. Рассмотреть методы и технологию получения, а так же способы его выделения. Изучить метод экстракции и выполнить расчеты.

1. Общие сведения элемента

ПРОТАКТИ́НИЙ (лат. Protactinium, от греч. «протос» — первый и актиний). Pа - радиоактивный химический элемент. Расположен в группе IIIB в седьмом периоде периодической системы. Электронная конфигурация трех внешних слоев атома 5s²p⁶d¹⁰f²6s²p⁶d ¹7s ². Первый элемент в семействе актиноидов, в невозбужденном атоме которого имеются 5 f-электроны. В соединениях проявляет степени окисления +3, +4, +5 (валентности III, IV или V). В степенях окисления +3 и +4 ведет себя как актиноид. В степени окисления +5, (наиболее характерной), ведет себя как ниобий и тантал. Радиус нейтрального атома протактиния 0,163 нм, радиусы ионов Pа⁴⁺ 0,0944 нм, Pа⁵⁺0,090 нм. Энергия ионизации нейтрального атома 5,9 эВ. Электроотрицательность по Полингу 1,14.

Протактиний – чрезвычайно мало распространенный в природе радиоактивный элемент. В периодической системе он расположен между торием и танталом. В последнее время, согласно актинидной концепции, протактиний вместе с торием и двенадцатью другими следующими за ними элементами объединяют в одну группу с актинием.

Протактиний — один из немногих элементов, существование которых предсказано почти за полвека до его открытия... Он один из немногих элементов с двойственным химическим характером: в одних случаях, в одном валентном состоянии, он подобен элементам V группы ниобию и танталу, а в других — актиноидам. Протактиний — элемент, для которого пока не нашли практического применения.

Как член актинидного ряда протактиний привлекает внимание с чисто научной стороны. По своей природе и химическому поведению протактиний является одним из наиболее интересных тяжелых элементов.

Благодаря очень сильной склонности к гидролизу в растворах, протактиний часто теряет свои индивидуальные свойства при выделение из природных объектов, в которых содержание его составляет исключительно малую величину. Поэтому его нередко заслужено называют «трудноуправляемым» элементом. Из пяти с половиной тонн богатой богемской урановой смоляной руды можно получить полграмма относительно чистого протактиния.

История открытия

Располагая химические элементы в периодической системе, Д. И. Менделеев оставлял, как известно, пустые места для еще не открытых элементов. Осталось свободным и место между торием и ураном — двумя самыми тяжелыми из всех известных тогда элементов. Предположив, что атомный вес нового элемента будет около 235, а химические свойства аналогичны свойствам тантала, Менделеев назвал его экатанталом. Экатантал оказался протактинием. Первые сообщения об открытии протактиния появились в 1917 году

В 1913 г. Фаянс и Гёринг открыли в продуктах распада урана изотоп UX2 (234-Pa) с периодом полураспада около 1 мин., названный из-за короткого времени жизни «бревием» (от лат. brevis — «короткий» или «краткий»). Затем Блек, Ган и Мейтнер обнаружили сходство свойств UX2 с танталом. В 1918 г. Ган и Мейтнер в урановой смолке и, независимо от них Содде и Кренстон, открыли долгоживущий изотоп протактиния, названного так потому, что он являлся предшественником актиния.

В 1927 были выделены первые 2 мг чистого соединения протактиния — оксида Ра2О5 Гроссе, который изучил основные химические свойства элемента и установил его атомный вес, который равный 231.

Гайсинский и Буиссьер изучили общие и электрохимические свойства элемента и в 40-х годах установили возможность существования протактиния в четырехвалентном состоянии.

В связи с интенсивным развитием урановой промышленности появилась возможность выделения весьма значительных количеств Ра-231 из технологических отходов. Мэддок детально изучил распределения протактиния в технологических продуктах уранового завода и указал ряд возможных источников выделения элемента. В 1960 г. в Англии было выделено более 130 грамм протактиния-231, что расширило возможности дальнейшего изучения свойств этого элемента. Примерно в то же время значительные количества протактиния были выделены в Советском Союзе.

В последнее время интерес к протактинию сильно вырос, что связано с проблемой ториевого реактора, а также и с возможным применением элемента для получения , который может быть использован для создания изотопных источников тока и для других целей.

К 1988 в мире из урановых руд было выделено около 150 г протактиния.

Нахождение в природе

Протактиний – крайне малораспространенный элемент. Даже у долго живущего природного изотопа (Т=32480 лет) продолжительность жизни ничтожно мала по сравнению с возрастом Земли. Этот изотоп постоянно образуется при распаде и находится с ним в радиоактивном равновесии. По мере распада в земной коре пропорционально уменьшается и содержания протактиния. Например, 4,5 миллиарда лет назад содержания протактиния было в 16 раз больше, чем в современную геологическую эпоху. Общее содержание протактиния в земной коре согласно оценке содержания урана, определяемого в 1,3· т, составляет 4,4· т. По последним данным, содержание протактиния в земной коре соответствует 1· % по массе. Содержания протактиния в горных породах вулканического происхождения составляет 0,8· г/т, а в железных метеоритах 0,02· г/т. По другим сведеньям, граниты содержат 0,46· г на 1 т породы, а каменные метеориты 0,035· г/т. Радионуклиды протактиния входят в состав естественных радиоактивных рядов урана-235 и урана-238 (ядерные изомеры 234-Ра, Т1/2 = 6,7 часа и менее устойчивый 234-Pa). В 1 т урана в урановых около 0,3 г протактиния-231.

Физические свойства

Протактиний — светло-серый металл, по твёрдости приближающийся к урану. Металлический протактиний существует в двух модификация При температуре 2К обладает сверхпроводимостью. Металлический протактиний кристаллизуется в тетрагональной сингонии. При 1170 ͦ С существует объёмно-центрированная кубическая модификация. Протактиний на воздухе обычно покрывается тонкой плёнкой монооксида. Плотность 15,37 г/ , tпл около 1570°C, t кип.=4500 ͦ С.

Токсические свойства

Как и все α-излучатели со сравнительно небольшим периодом жизни, представляет опасность для организма. При попадании в организм он склонен накапливаться в почках и костях. Максимальное безопасное количество протактиния при попадании внутрь организма человека составляет 0,03 мккюри, что соответствует 0,5 мкг . Протактиний-231, содержащийся в воздухе в виде аэрозолей, в 2,5· раз токсичнее, чем синильная кислота(при одинаковых их концентрациях). Поэтому все работы с весовыми количествами проводятся в специальных изолированных боксах.

Ядерно – химические свойства