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Protactinio

elemento químico cuyo número atómico es 91

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

Torio ← Protactinio → Uranio
 
 
91		 Pa
  
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
Tabla completa • Tabla ampliada

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
iso AN Periodo MD Ed PD
MeV
229PaSintético1,4 dα5,58225Ac
230PaSintético17,4 dε
β−		1,310
0,563		230Th
230U
231Pa~100%32760 aα5,149227Ac
232PaSintético1,31 dβ−0,31232U
233PaSintético29,967 dβ−0,571233U
234mPatrazas1,17 minβ−
TI		2,29
0,0694		233U
234Pa
234Patrazas6,75 hβ−0,23234U
Valores en el SI y condiciones normales de presión y temperatura, salvo que se indique lo contrario.
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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

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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

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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

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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

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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

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Compuestos conocidos del protactinio:

Isótopos

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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

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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

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

Referencias

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  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. ↑ http://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. 
  13. ↑ 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

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