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Protactinio

El protactinio es un elemento químico de símbolo Pa y número atómico 91. Es un metal actínido denso, radiactivo y de color gris plateado que reacciona fácilmente con el oxígeno , el vapor de agua y los ácidos inorgánicos . Forma diversos compuestos químicos , en los que el protactinio suele estar presente en el estado de oxidación +5, pero también puede asumir estados +4 e incluso +3 o +2. Las concentraciones de protactinio en la corteza terrestre suelen ser de unas pocas partes por billón, pero pueden alcanzar hasta unas pocas partes por millón en algunos depósitos de mena de uraninita . Debido a su escasez, alta radiactividad y alta toxicidad, actualmente no existen usos para el protactinio fuera de la investigación científica y, para este propósito, el protactinio se extrae principalmente del combustible nuclear gastado .

El elemento fue identificado por primera vez en 1913 por Kazimierz Fajans y Oswald Helmuth Göhring y llamado "brevium" debido a la corta vida media del isótopo específico estudiado, protactinio-234 m . Un isótopo más estable del protactinio, 231 Pa, fue descubierto en 1917/18 por Lise Meitner en colaboración con Otto Hahn , y llamaron al elemento protactinio. [8] En 1949, la IUPAC eligió el nombre "protactinio" y confirmó a Hahn y Meitner como sus descubridores. El nuevo nombre significaba " precursor (nuclear) del actinio ", [9] lo que sugiere que el actinio es un producto de la desintegración radiactiva del protactinio. A John Arnold Cranston (en colaboración 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 fue llamado a prestar servicio en la Primera Guerra Mundial . [10]

El isótopo de protactinio de vida más larga y más abundante (casi el 100%) que se encuentra en la naturaleza , el protactinio-231, tiene una vida media de 32.760 años y es un producto de desintegración del uranio-235 . En la cadena de desintegración del uranio-238 se encuentran trazas mucho más pequeñas del protactinio-234 de vida corta y de su isómero nuclear protactinio-234m . El protactinio-233 se produce como resultado de la desintegración del torio -233 como parte de la cadena de eventos necesarios para producir uranio-233 mediante la irradiación neutrónica del torio-232. Es un producto intermedio no deseado en los reactores nucleares basados ​​en 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 la geografía del océano antiguo. El análisis de las concentraciones relativas de varios isótopos de uranio, torio y protactinio en agua y minerales se utiliza en la datación radiométrica de sedimentos de hasta 175.000 años de antigüedad y en el modelado de varios procesos geológicos. [11]

Historia

Tabla periódica de Dmitri Mendeleev de 1871 con un espacio para el protactinio en la fila inferior del diagrama, entre el torio y el uranio.

En 1871, Dmitri Mendeleev predijo la existencia de un elemento entre el torio y el uranio . [12] La serie de los actínidos era desconocida en ese momento, por lo que Mendeleev posicionó al uranio debajo del tungsteno en el grupo VI, y al torio debajo del circonio en el grupo IV, dejando vacío el espacio debajo del tantalio en el grupo V. Hasta la aceptación general del concepto de actínido a fines de la década de 1940, las tablas periódicas se publicaron con esta estructura. [13] Durante mucho tiempo, los químicos buscaron el eka -tantalio [nota 1] como un elemento con propiedades químicas similares al tantalio, lo que hizo que el descubrimiento del protactinio fuera casi imposible. Más tarde se descubrió que el análogo más pesado del tantalio era el elemento transuránico dubnio , aunque el dubnio es químicamente más similar al protactinio, no al tantalio. [14]

En 1900, William Crookes aisló el protactinio como un material intensamente radiactivo del uranio; sin embargo, no pudo caracterizarlo como un nuevo elemento químico y por eso lo denominó uranio X (UX). [12] [15] [16] Crookes disolvió nitrato de uranio en éter y la fase acuosa residual contenía la mayor parte del234
90El
y234
91Pensilvania
Su método se utilizó hasta la década de 1950 para aislar234
90El
y234
91Pensilvania
a partir de compuestos de uranio. [17] El protactinio se identificó por primera vez en 1913, cuando Kasimir Fajans y Oswald Helmuth Göhring encontraron el isótopo 234m Pa durante sus estudios de las cadenas de desintegración del uranio-238 :238
92tú
→234
90El
→234 m
91Pensilvania
→234
92tú
Llamaron al nuevo elemento " brevium " (de la palabra latina brevis , que significa breve o corto) debido a la corta vida media de 1,16 minutos para234 m
91Pensilvania
(uranio X2). [18] [19] [20] [21] [22] [23] En 1917-18, dos grupos de científicos, Lise Meitner en colaboración con Otto Hahn de Alemania y Frederick Soddy y John Cranston de Gran Bretaña , descubrieron independientemente otro isótopo, 231 Pa, que tiene una vida media mucho más larga de 32.760 años. [8] [22] [24] Meitner cambió el nombre "brevium" a protactinio ya que el nuevo elemento era parte de la cadena de desintegración del uranio-235 como el padre del actinio (del griego : πρῶτος prôtos , que significa "primero, antes"). [25] La IUPAC confirmó este nombre en 1949. [26] [27] El descubrimiento del protactinio completó uno de los últimos vacíos en las primeras versiones de la tabla periódica y trajo fama a los científicos involucrados. [28]

Aristid von Grosse produjo 2 miligramos de Pa 2 O 5 en 1927, [29] y en 1934 aisló por primera vez el protactinio elemental a partir de 0,1 miligramos de Pa 2 O 5 . [30] Utilizó dos procedimientos diferentes: en el primero, el óxido de protactinio fue irradiado por electrones de 35 keV en vacío. En el otro, llamado proceso de van Arkel–de Boer , el óxido se convirtió químicamente en un haluro ( cloruro , bromuro o yoduro ) y luego se redujo en vacío con un filamento metálico calentado eléctricamente: [26] [31]

2 PaI 5 → 2 Pa + 5 I 2

En 1961, la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido (UKAEA) produjo 127 gramos de protactinio-231 con una pureza del 99,9 % al procesar 60 toneladas de material de desecho en un proceso de 12 etapas, a un coste de unos 500 000 dólares estadounidenses. [26] [32] Durante muchos años, este fue el único suministro significativo de protactinio del mundo, que se proporcionó a varios laboratorios para estudios científicos. [12] El Laboratorio Nacional de Oak Ridge en los EE. UU. proporcionó protactinio a un coste de unos 280 dólares estadounidenses/gramo. [33]

Isótopos

Se han descubierto veintinueve radioisótopos del protactinio. Los más estables son el 231 Pa con una vida media de 32.760 años, [34] el 233 Pa con una vida media de 27 días y el 230 Pa con una vida media de 17,4 días. Todos los demás isótopos tienen vidas medias inferiores a 1,6 días y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a 1,8 segundos. El protactinio también tiene dos isómeros nucleares , el 217m Pa (vida media de 1,2 milisegundos) y el 234m Pa (vida media de 1,16 minutos). [35]

El modo de desintegración principal para el isótopo más estable 231 Pa y más ligero ( 211 Pa a 231 Pa) es la desintegración alfa , que produce isótopos de actinio . El modo principal para los isótopos más pesados ​​( 232 Pa a 239 Pa) es la desintegración beta , que produce isótopos de uranio . [35]

Fisión nuclear

El isótopo más abundante y de mayor duración, el 231 Pa, puede fisionarse a partir de neutrones rápidos que superan ~1 MeV. [36] El 233 Pa, el otro isótopo del protactinio producido en reactores nucleares, también tiene un umbral de fisión de 1 MeV. [37]

Aparición

El protactinio es uno de los elementos naturales más raros y más caros. Se encuentra en forma de dos isótopos: 231 Pa y 234 Pa, y el isótopo 234 Pa se presenta en dos estados de energía diferentes. Casi todo el protactinio natural es protactinio-231. Es un emisor alfa y se forma por la desintegración del uranio-235, mientras que el protactinio-234, que emite radiación beta, se produce como resultado de la desintegración del uranio-238 . Casi todo el uranio-238 (99,8 %) se desintegra primero en el isómero 234m Pa, de vida más corta . [38]

El protactinio se encuentra en la uraninita (pechblenda) en concentraciones de aproximadamente 0,3-3 partes de 231 Pa por millón de partes (ppm) de mineral. [12] Mientras que el contenido habitual está más cerca de 0,3 ppm [39] (por ejemplo, en Jáchymov , República Checa [40] ), algunos minerales de la República Democrática del Congo tienen alrededor de 3 ppm. [26] El protactinio se dispersa homogéneamente en la mayoría de los materiales naturales y en el agua, pero en concentraciones mucho más bajas del orden de una parte por billón, lo que corresponde a una radiactividad de 0,1 picocurios (pCi)/g. Hay aproximadamente 500 veces más protactinio en partículas de suelo arenoso que en agua, incluso cuando se compara con el agua presente en la misma muestra de suelo. Se miden proporciones mucho más altas de 2000 y más en suelos francos y arcillas, como la bentonita . [38] [41]

En los reactores nucleares

Dos isótopos principales del protactinio, 231 Pa y 233 Pa, se producen a partir del torio en los reactores nucleares ; ambos son indeseables y generalmente se eliminan, lo que agrega complejidad al diseño y funcionamiento del reactor. En particular, el 232 Th, a través de reacciones ( n , 2 n ) , produce 231 Th, que se desintegra rápidamente en 231 Pa (vida media de 25,5 horas). El último isótopo, si bien no es un residuo transuránico, tiene una vida media prolongada de 32.760 años y es un contribuyente importante a la radiotoxicidad a largo plazo del combustible nuclear gastado. [42]

El protactinio-233 se forma tras la captura de neutrones por el 232 Th. O bien se desintegra en uranio-233, o bien captura otro neutrón y se convierte en el uranio-234 no fisible. [43] El 233 Pa tiene una vida media relativamente larga de 27 días y una sección transversal alta para la captura de neutrones (el llamado " veneno de neutrones "). Por tanto, en lugar de desintegrarse rápidamente en el útil 233 U, una fracción significativa de 233 Pa se convierte en isótopos no fisibles y consume neutrones, degradando la eficiencia del reactor . Para limitar la pérdida de neutrones, el 233 Pa se extrae de la zona activa de los reactores de sal fundida de torio durante su funcionamiento, de modo que solo pueda desintegrarse en 233 U. La extracción de 233 Pa se consigue utilizando columnas de bismuto fundido con litio disuelto en él. En resumen, el litio reduce selectivamente las sales de protactinio a protactinio metálico, que luego se extrae del ciclo de la sal fundida, mientras que el bismuto fundido es simplemente un portador, seleccionado debido a su bajo punto de fusión de 271 °C, baja presión de vapor, buena solubilidad para litio y actínidos e inmiscibilidad con haluros fundidos . [42]

Preparación

El protactinio se encuentra en minerales de uraninita .

Antes de la aparición de los reactores nucleares, el protactinio se separaba de los minerales de uranio para experimentos científicos. Desde que los reactores se han vuelto más comunes, se produce principalmente como un producto intermedio de la fisión nuclear en reactores del ciclo del combustible de torio como un intermedio en la producción del uranio-233 fisible:

El isótopo 231 Pa se puede preparar irradiando torio-230 con neutrones lentos , convirtiéndolo en torio-231, que se desintegra en fase beta; o irradiando torio-232 con neutrones rápidos, generando torio-231 y 2 neutrones.

El metal protactinio se puede preparar mediante la reducción de su fluoruro con calcio , [44] litio o bario a una temperatura de 1300–1400 °C. [45] [46]

Propiedades

El protactinio es un actínido situado en la tabla periódica a la izquierda del uranio y a la derecha del torio , y muchas de sus propiedades físicas son intermedias entre sus actínidos vecinos. El protactinio es más denso y más rígido que el torio, pero es más ligero que el uranio; su punto de fusión es más bajo que el del torio, pero más alto que el del uranio. La expansión térmica, la conductividad eléctrica y térmica de estos tres elementos son comparables y son típicas de los metales post-transición . El módulo de corte estimado del protactinio es similar al del titanio . [47] El protactinio es un metal con brillo gris plateado que se conserva durante algún tiempo en el aire. [26] [32] El protactinio reacciona fácilmente con el oxígeno, el vapor de agua y los ácidos, pero no con los álcalis. [12]

A temperatura ambiente, el protactinio cristaliza en la estructura tetragonal centrada en el cuerpo , que puede considerarse como una red cúbica centrada en el cuerpo distorsionada; esta estructura no cambia con la compresión hasta 53 GPa. La estructura cambia a cúbica centrada en las caras ( fcc ) al enfriarse desde alta temperatura, a aproximadamente 1200 °C. [44] [48] El coeficiente de expansión térmica de la fase tetragonal entre temperatura ambiente y 700 °C es 9,9 × 10-6 °C. [44]

El protactinio es paramagnético y no se conocen transiciones magnéticas para él a ninguna temperatura. [49] Se vuelve superconductor a temperaturas inferiores a 1,4 K. [12] [45] El tetracloruro de protactinio es paramagnético a temperatura ambiente, pero se vuelve ferromagnético cuando se enfría a 182 K. [50]

El protactinio existe en dos estados de oxidación principales : +4 y +5, tanto en sólidos como en soluciones; y los estados +3 y +2, que se han observado en algunos sólidos. Como la configuración electrónica del átomo neutro es [Rn]5f 2 6d 1 7s 2 , el estado de oxidación +5 corresponde a la configuración 5f 0 de baja energía (y por lo tanto favorecida) . Tanto el estado +4 como el +5 forman fácilmente hidróxidos en agua, siendo los iones predominantes Pa(OH) 3+ , Pa(OH)2+2, Pa(OH)+3, y Pa(OH) 4 , todos ellos incoloros. [51] Otros iones de protactinio conocidos incluyen PaCl2+2, PaSO2+4, PaF3 + , PaF2+2, PaF−6, PaF2−7, y PaF3−8. [52] [53]

Compuestos químicos

Aquí, a , b y c son constantes de red en picómetros, No es el número de grupo espacial y Z es el número de unidades de fórmula por celda unitaria ; fcc representa la simetría cúbica centrada en las caras . La densidad no se midió directamente, sino que se calculó a partir de los parámetros de red.

Óxidos y sales que contienen oxígeno

Los óxidos de protactinio son conocidos por los estados de oxidación del metal +2, +4 y +5. El más estable es el pentóxido blanco Pa2O5 , que se puede producir al encender hidróxido de protactinio(V) en el aire a una temperatura de 500 °C. [61] Su estructura cristalina es cúbica y la composición química a menudo no es estequiométrica, descrita como PaO2,25 . También se ha informado de otra fase de este óxido con simetría ortorrómbica. [46] [62] El dióxido negro PaO2 se obtiene del pentóxido reduciéndolo a 1550 °C con hidrógeno. No es fácilmente soluble en ácido nítrico , clorhídrico o sulfúrico diluido o concentrado , pero se disuelve fácilmente en ácido fluorhídrico . [46] El dióxido se puede convertir nuevamente en pentóxido calentándolo en una atmósfera que contenga oxígeno a 1100 °C. [62] El monóxido PaO sólo se ha observado como una fina capa sobre el metal protactinio, pero no en forma aislada. [46]

El protactinio forma óxidos binarios mixtos con varios metales. Con metales alcalinos A , los cristales tienen una fórmula química APaO 3 y estructura de perovskita ; A 3 PaO 4 y estructura de sal de roca distorsionada; o A 7 PaO 6 , donde los átomos de oxígeno forman una red hexagonal compacta. En todos estos materiales, los iones de protactinio están coordinados octaédricamente. [63] [64] El pentóxido Pa 2 O 5 se combina con óxidos de metales de tierras raras R 2 O 3 para formar varios óxidos mixtos no estequiométricos, también de estructura de perovskita. [65]

Los óxidos de protactinio son básicos ; se convierten fácilmente en hidróxidos y pueden formar varias sales, como sulfatos , fosfatos , nitratos , etc. El nitrato suele ser blanco, pero puede ser marrón debido a la descomposición radiolítica . Calentar el nitrato en el aire a 400 °C lo convierte en pentóxido de protactinio blanco. [66] El politrioxofosfato Pa(PO 3 ) 4 se puede producir haciendo reaccionar el sulfato de difluoruro PaF 2 SO 4 con ácido fosfórico (H 3 PO 4 ) en una atmósfera inerte. Calentar el producto a unos 900 °C elimina los subproductos de la reacción, que incluyen ácido fluorhídrico , trióxido de azufre y anhídrido fosfórico. Calentarlo a temperaturas más altas en una atmósfera inerte descompone Pa(PO 3 ) 4 en el difosfato PaP 2 O 7 , que es análogo a los difosfatos de otros actínidos. En el difosfato, los grupos PO3 forman pirámides de simetría C2v. Calentar el PaP2O7 en el aire a 1400 ° C lo descompone en pentóxidos de fósforo y protactinio. [59]

Haluros

El fluoruro de protactinio (V) forma cristales blancos en los que los iones de protactinio están dispuestos en bipirámides pentagonales y coordinados por otros 7 iones. La coordinación es la misma en el cloruro de protactinio (V), pero el color es amarillo. La coordinación cambia a octaédrica en el bromuro de protactinio (V) de color marrón, pero se desconoce para el yoduro de protactinio (V). La coordinación del protactinio en todos sus tetrahaluros es 8, pero la disposición es antiprismática cuadrada en el fluoruro de protactinio (IV) y dodecaédrica en el cloruro y el bromuro. Se ha descrito el yoduro de protactinio (III) de color marrón, en el que los iones de protactinio están coordinados en 8 en una disposición prismática trigonal bicapipada. [67]

Coordinación de átomos de protactinio (círculos sólidos) y halógeno (círculos abiertos) en fluoruro o cloruro de protactinio (V).

El fluoruro de protactinio (V) y el cloruro de protactinio (V) tienen una estructura polimérica de simetría monoclínica. Allí, dentro de una cadena polimérica, todos los átomos de haluro se encuentran en un plano similar al grafito y forman pentágonos planos alrededor de los iones de protactinio. La 7-coordinación del protactinio se origina a partir de los cinco átomos de haluro y dos enlaces a átomos de protactinio que pertenecen a las cadenas cercanas. Estos compuestos se hidrolizan fácilmente en agua. [68] El pentacloruro se funde a 300 °C y sublima a temperaturas aún más bajas.

El fluoruro de protactinio (V) se puede preparar haciendo reaccionar óxido de protactinio con pentafluoruro de bromo o trifluoruro de bromo a aproximadamente 600 °C, y el fluoruro de protactinio (IV) se obtiene a partir del óxido y una mezcla de hidrógeno y fluoruro de hidrógeno a 600 °C; se requiere un gran exceso de hidrógeno para eliminar las fugas de oxígeno atmosférico en la reacción. [46]

El cloruro de protactinio (V) se prepara mediante la reacción del óxido de protactinio con tetracloruro de carbono a temperaturas de 200 a 300 °C. [46] Los subproductos (como PaOCl 3 ) se eliminan mediante sublimación fraccionada. [57] La ​​reducción del cloruro de protactinio (V) con hidrógeno a unos 800 °C produce cloruro de protactinio (IV), un sólido de color verde amarillento que sublima al vacío a 400 °C. También se puede obtener directamente a partir del dióxido de protactinio tratándolo con tetracloruro de carbono a 400 °C. [46]

Los bromuros de protactinio se producen por la acción del bromuro de aluminio , bromuro de hidrógeno , tetrabromuro de carbono o una mezcla de bromuro de hidrógeno y bromuro de tionilo sobre óxido de protactinio. Alternativamente, se pueden producir haciendo reaccionar pentacloruro de protactinio con bromuro de hidrógeno o bromuro de tionilo. [46] El bromuro de protactinio (V) tiene dos formas monoclínicas similares: una se obtiene por sublimación a 400–410 °C y otra por sublimación a una temperatura ligeramente inferior de 390–400 °C. [56] [58]

Los yoduros de protactinio se pueden producir haciendo reaccionar el metal protactinio con yodo elemental a 600 °C, y haciendo reaccionar Pa2O5 con AlO3 a 600 ° C. [46] El yoduro de protactinio(III) se puede obtener calentando el yoduro de protactinio(V) al vacío. [68] Al igual que con los óxidos, el protactinio forma haluros mixtos con metales alcalinos. El más notable entre ellos es Na3PaF8 , donde el ion protactinio está rodeado simétricamente por 8 iones F− , formando un cubo casi perfecto. [ 52]

También se conocen fluoruros de protactinio más complejos, como Pa2F9 [ 68 ] y fluoruros ternarios de los tipos MPaF6 ( M = Li, Na, K, Rb, Cs o NH4 ) , M2PaF7 ( M = K, Rb, Cs o NH4 ) y M3PaF8 (M = Li, Na, Rb , Cs), todos los cuales son sólidos cristalinos blancos. La fórmula de MPaF6 se puede representar como una combinación de MF y PaF5 . Estos compuestos se pueden obtener evaporando una solución de ácido fluorhídrico que contenga ambos complejos. Para los cationes alcalinos pequeños como Na, la estructura cristalina es tetragonal, mientras que se vuelve ortorrómbica para cationes más grandes K + , Rb + , Cs + o NH4 + . Se observó una variación similar para los fluoruros M 2 PaF 7 : es decir, la simetría del cristal dependía del catión y difería para Cs 2 PaF 7 y M 2 PaF 7 (M = K, Rb o NH 4 ). [53]

Otros compuestos inorgánicos

Se conocen oxihaluros y oxisulfuros de protactinio. PaOBr3 tiene una estructura monoclínica compuesta por unidades de doble cadena donde el protactinio tiene coordinación 7 y está dispuesto en bipirámides pentagonales. Las cadenas están interconectadas a través de átomos de oxígeno y bromo, y cada átomo de oxígeno está relacionado con tres átomos de protactinio. [56] PaOS es un sólido no volátil de color amarillo claro con una red cristalina cúbica isoestructural a la de otros oxisulfuros de actínidos. Se obtiene haciendo reaccionar el cloruro de protactinio(V) con una mezcla de sulfuro de hidrógeno y disulfuro de carbono a 900 °C. [46]

En hidruros y nitruros, el protactinio tiene un estado de oxidación bajo de aproximadamente +3. El hidruro se obtiene por acción directa del hidrógeno sobre el metal a 250 °C, y el nitruro es un producto de amoníaco y tetracloruro o pentacloruro de protactinio. Este sólido de color amarillo brillante es térmicamente estable a 800 °C en vacío. El carburo de protactinio (PaC) se forma por la reducción de tetrafluoruro de protactinio con bario en un crisol de carbono a una temperatura de aproximadamente 1400 °C. [46] El protactinio forma borohidruros , que incluyen Pa(BH 4 ) 4 . Tiene una estructura polimérica inusual con cadenas helicoidales, donde el átomo de protactinio tiene un número de coordinación de 12 y está rodeado por seis iones BH 4 − . [69]

Compuestos organometálicos

La estructura propuesta de la molécula de protactinoceno (Pa(C 8 H 8 ) 2 )

El protactinio (IV) forma un complejo tetraédrico tetrakis(ciclopentadienil)protactinio (IV) (o Pa (C 5 H 5 ) 4 ) con cuatro anillos de ciclopentadienilo , que se puede sintetizar haciendo reaccionar el cloruro de protactinio (IV) con Be (C 5 H 5 ) 2 fundido . Un anillo se puede sustituir con un átomo de haluro. [70] Otro complejo organometálico es el bis (π-ciclooctatetraeno) protactinio de color amarillo dorado, o protactinoceno (Pa (C 8 H 8 ) 2 ), que es análogo en estructura al uranoceno . Allí, el átomo de metal está intercalado entre dos ligandos de ciclooctatetraeno . De manera similar al uranoceno, se puede preparar haciendo reaccionar tetracloruro de protactinio con ciclooctatetraenuro dipotásico (K 2 C 8 H 8 ) en tetrahidrofurano . [60]

Aplicaciones

Aunque el protactinio se encuentra en la tabla periódica entre el uranio y el torio, ambos con numerosas aplicaciones, actualmente no existen usos para el protactinio fuera de la investigación científica debido a su escasez, alta radiactividad y alta toxicidad. [38]

El protactinio-231 surge de forma natural a partir de la desintegración del uranio-235 natural y de forma artificial en reactores nucleares mediante la reacción 232 Th + n →  231 Th + 2n y la posterior desintegración beta del 231 Th. En un tiempo se creyó que podía sustentar una reacción nuclear en cadena, que en principio podría utilizarse para construir armas nucleares ; el físico Walter Seifritz  [de] estimó una vez que la masa crítica asociada era750 ± 180 kg . [71] Sin embargo, desde entonces se ha descartado la posibilidad de criticidad de 231 Pa. [36] [72]

Con la llegada de espectrómetros de masas de alta sensibilidad , se ha hecho posible una aplicación de 231 Pa como trazador en geología y paleoceanografía . En esta aplicación, la relación de protactinio-231 a torio-230 se utiliza para la datación radiométrica de sedimentos de hasta 175.000 años de antigüedad y en el modelado de la formación de minerales. [39] En particular, su evaluación en sedimentos oceánicos ayudó a reconstruir los movimientos de los cuerpos de agua del Atlántico Norte durante el último derretimiento de los glaciares de la Edad de Hielo . [73] Algunas de las variaciones de datación relacionadas con el protactinio se basan en el análisis de las concentraciones relativas de varios miembros de larga vida de la cadena de desintegración del uranio: uranio, protactinio y torio, por ejemplo. Estos elementos tienen 6, 5 y 4 electrones de valencia, lo que favorece los estados de oxidación +6, +5 y +4 respectivamente, y muestran diferentes propiedades físicas y químicas. El torio y el protactinio, pero no los compuestos de uranio, son poco solubles en soluciones acuosas y precipitan en sedimentos; la tasa de precipitación es más rápida para el torio que para el protactinio. El análisis de concentración tanto para el protactinio-231 (vida media de 32.760 años) como para el torio-230 (vida media de 75.380 años) mejora la precisión de la medición en comparación con cuando se mide solo un isótopo; este método de doble isótopo también es débilmente sensible a las inhomogeneidades en la distribución espacial de los isótopos y a las variaciones en su tasa de precipitación. [39] [74]

Precauciones

El protactinio es tóxico y altamente radiactivo, por lo que se manipula exclusivamente en una caja de guantes sellada . Su isótopo principal, el 231 Pa, tiene una actividad específica de 0,048 curios (1,8  GBq ) por gramo y emite principalmente partículas alfa con una energía de 5 MeV, que pueden detenerse con una capa fina de cualquier material. Sin embargo, se desintegra lentamente, con una vida media de 32.760 años, en 227 Ac, que tiene una actividad específica de 74 curios (2.700 GBq) por gramo, emite radiación alfa y beta y tiene una vida media mucho más corta de 22 años. El 227 Ac, a su vez, se desintegra en isótopos más ligeros con vidas medias aún más cortas y actividades específicas (AE) mucho mayores. [38]

El protactinio está presente en pequeñas cantidades en la mayoría de los productos y materiales naturales, por lo que se ingiere con los alimentos o el agua y se inhala con el aire. Solo alrededor del 0,05% del protactinio ingerido se absorbe en la sangre y el resto se excreta. De la sangre, alrededor del 40% del protactinio se deposita en los huesos, alrededor del 15% va al hígado, el 2% a los riñones y el resto sale del cuerpo. La vida media biológica del protactinio es de unos 50 años en los huesos, mientras que su vida media biológica en otros órganos tiene un componente rápido y otro lento. Por ejemplo, el 70% del protactinio en el hígado tiene una vida media biológica de 10 días y el 30% restante de 60 días. Los valores correspondientes para los riñones son el 20% (10 días) y el 80% (60 días). En cada órgano afectado, el protactinio promueve el cáncer a través de su radiactividad. [38] [66] La dosis máxima segura de Pa en el cuerpo humano es de 0,03 μCi (1,1 kBq), lo que corresponde a 0,5 microgramos de 231 Pa. [75] Las concentraciones máximas permitidas de 231 Pa en el aire en Alemania son3 × 10 −4  Bq/m 3 . [66]

Véase también

Notas

  1. ^ El prefijo "eka" deriva del sánscrito एक, que significa "uno" o "primero". En química, se utilizaba antiguamente para indicar un elemento que se encontraba un período por debajo del nombre del elemento que lo seguía.

Referencias

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Bibliografía

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