Protactinium

Eigenschaften
[Rn]7s²5f²6d¹ 91 Pa Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Protactinium, Pa, 91
Serie	Actinoide
Gruppe, Periode, Block	Ac, 7, f
Aussehen	hell, silbrig, metallisch glänzend
Massenanteil an der Erdhülle	%
Atomar
Atommasse	231,03588 u
Atomradius (berechnet)	180 () pm
Kovalenter Radius	pm
Van-der-Waals-Radius	pm
Elektronenkonfiguration	[Rn]7s²5f²6d¹
Elektronen pro Energieniveau	2, 8, 18, 32, 20, 9, 2
1. Ionisierungsenergie	568 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Modifikationen
Kristallstruktur	orthorhombisch
Dichte	15,37 g/cm3
Magnetismus
Schmelzpunkt	2113 K (1840 °C)
Siedepunkt	4300 K (4027 °C)
Molares Volumen	15,18 · 10-6 m3/mol
Verdampfungswärme	470 kJ/mol
Schmelzwärme	15 kJ/mol
Dampfdruck	5,1 · 10-5 Pa bei 2200 K
Schallgeschwindigkeit	m/s
Spezifische Wärmekapazität	120 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	5,29 · 106 S/m
Wärmeleitfähigkeit	47 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	5
Oxide (Basizität)	(schwach basisch)
Normalpotential
Elektronegativität	1,5 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP 229Pa {syn.} 17,4 d ε 0,316 229Th α 5,841 225Ac 230Pa {syn.} 17,4 d ε 1,310 230Th β− 0,563 230U α 5,439 226Ac 231Pa {syn.} 32760 a α 5,149 227Ac 232Pa {syn.} 1,31 d β− 1,337 232U ε 0,495 232Th 233Pa {syn.} 26,967 d β− 0,571 233U 234Pa {syn.} 70,2 s β− 234U 234mPa {syn.} 6,7 h β− 2,197 234U
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung
T Giftig
R- und S-Sätze	R:
	S:
weitere Sicherheitshinweise
Radioaktvität
[[Hilfe:Cache|Fehler beim Thumbnail-Erstellen]]: Radioaktives Element
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Protactinium ist ein chemisches Element aus der Gruppe der Actinoide. Es ist silbrig metallisch und wird supraleitend unterhalb von 1,4 K.

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Anwendung

Wegen seiner Seltenheit, hohen Radioaktivität und Giftigkeit findet Protactinium außer in der Forschung keine praktische Anwendung.

In Protactinium-231, das beim Zerfall von Uran-235 entsteht und sich in Kernreaktoren auch durch die Reaktion ²³²Th + n  ²³¹Th + 2n und anschließenden Betazerfall bildet, kann möglicherweise eine Kettenreaktion zustande kommen, die prinzipiell auch zum Bau von Atomwaffen genutzt werden könnte. Die kritische Masse beträgt nach Angabe von Walter Seifritz 750±180 kg. Andere Autoren kommen zum Schluss, dass eine Kettenreaktion selbst bei beliebig großer Masse in Protactinium-231 nicht möglich ist.

1961 wurden in Großbritannien 125 g Protactinium aus 60 t abgebrannter Kernbrennstäbe extrahiert.

Protactinium ²³³Pa ist ein Zwischenprodukt im Brutprozess von Thorium ²³²Th zu Uran ²³³U in Thorium-Hochtemperaturreaktoren.

Die Zeitangaben sind Halbwertszeiten.

Seit der Verfügbarkeit moderner, sehr sensibler Massenspektrometer, ist eine Anwendung des Pa-231 beispielsweise als Tracer in der Paläozeanographie möglich geworden.

Geschichte

Protactinium, ein radioaktives Zerfallsprodukt des Urans, findet sich in der Natur in Form der beiden Isotope ²³¹Pa und ²³⁴Pa, wobei das Isotop ²³⁴Pa in zwei unterschiedlichen Energiezuständen auftreten kann. Protactinium 231, ein Alphastrahler, entsteht beim Zerfall von ²³⁵U (siehe Uran-Actinium-Reihe), das betastrahlende Protactinium 234 beim Zerfall von Uran-238 (siehe Uran-Radium-Reihe).

²³⁴Pa wurde 1913 von Kasimir Fajans und O. H. Göring entdeckt, sie gaben ihm wegen seiner kurzen Halbwertszeit (1,14 Minuten) den Namen Brevium. Das langlebige ²³¹Pa (ca. 32.000 Jahre) wurde 1918 von Otto Hahn und Lise Meitner gefunden, sie nannten es Protoactinium (das chemische Element, das in der Zerfallsreihe des Uran-235 vor dem Actinium steht).

Im Jahre 1922 machte Otto Hahn die weitere Entdeckung, dass es zu dem von Fajans gefundenen Brevium 234 noch ein zweites betastrahlendes Isotop mit der gleichen Massenzahl 234 gibt, das sich von dem Brevium lediglich durch seine längere Halbwertszeit von 6,7 Stunden unterscheidet; es handelt sich hierbei um den seltenen Fall einer Kernisomerie.

Der offizielle Name für alle drei Isotope sowie alle künstlich herstellbaren Isotope mit der Ordnungszahl 91 wurde 1949 von der IUPAC zu Protactinium bestimmt, statt des schwerer auszusprechenden Protoactinium von Hahn/Meitner.

Quellen

• Nukleare Sprengkörper - Bedrohung oder Energieversorgung für die Menschheit, Walter Seifritz, Thiemig-Verlag (1984), ISBN 3-521-06143-4
• Ganesan et al., Berechnung der Kritikalität von Pa-231 (1999) (englisch)
• McManus et al., Anwendung von Pa-231 als Tracer für Ozeanzirkulation (2004) (englisch)