Protactinium (Vorlage:GrcS und Actinium; Silbentrennung Prot.ac.ti.ni.um oder Pro.tac.ti.ni.um) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Pa und der Ordnungszahl 91. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block). Es ist silbrig metallisch und wird unterhalb von 1,4 K supraleitend. Es ist radioaktiv und kommt in der Natur extrem selten vor. Die größte Menge an Protactinium wird künstlich erzeugt.
Geschichte
Dmitri Mendelejew postulierte im Jahre 1871 die Existenz eines Elements zwischen Thorium und Uran.<ref>Philip J. Stewart: Mendeleev’s predictions: success and failure. In: Foundations of Chemistry. Band 21, 2019, S. 3–9, Vorlage:DOI</ref> Die Reihe der Actinoiden-Elemente war zu der Zeit noch unbekannt. Daher wurde Uran unterhalb des Wolframs gesetzt, und Thorium unterhalb des Eka-Zirconiums (dem damals ebenfalls noch unentdeckten Element Hafnium), wobei der Platz unterhalb des Tantals freiblieb. Bis in die 1950er Jahre wurde das Periodensystem in dieser Form dargestellt.<ref>Michael Laing: A Revised Periodic Table: With the Lanthanides Repositioned. In: Foundations of Chemistry. 2005, 7 (3), S. 203 (doi:10.1007/s10698-004-5959-9).</ref> Für lange Zeit suchten Chemiker nach Eka-Tantal mit ähnlichen chemischen Eigenschaften zum Tantal.
Datei:Periodensystem Mendelejews.jpgMendelejews Periodensystem von 1871 mit einer Lücke für Protactinium am unteren Rand, zwischen Thorium (Th = 231) und Uran (U = 240)
Das langlebige 231Pa (t½ = 32.760 Jahre) wurde 1917 von Otto Hahn und Lise Meitner gefunden (veröffentlicht 1918), sie nannten es Protactinium (von griechisch πρῶτος = protos: das Erste, der Vorhergehende, das chemische Element, das in der Zerfallsreihe des Uran-235 vor dem Actinium steht).<ref>Otto Hahn, Lise Meitner: Die Muttersubstanz des Actiniums, ein Neues Radioaktives Element von Langer Lebensdauer. In: Physikalische Zeitschrift. 1918, 19, S. 208–218 (doi:10.1002/bbpc.19180241107).</ref><ref>Lise Meitner, Otto Hahn: Über das Protactinium und die Frage nach der Möglichkeit seiner Herstellung als chemisches Element. In: Die Naturwissenschaften. 1919, 7 (33), S. 611–612 (doi:10.1007/BF01498184).</ref> Unabhängig gelang die Entdeckung des langlebigen Isotops in England Frederick Soddy und John Arnold Cranston, wobei letzterer nicht veröffentlichen konnte, da er 1915 Soldat im Ersten Weltkrieg wurde.<ref>Vorlage:Webarchiv</ref><ref>Frederick Soddy, John A. Cranston: The parent of Actinium. In: Proc. R. Soc. Lond. A. Band 94, Nr. 662, 1918, S. 384–404, Vorlage:DOI.</ref>
Im Jahre 1921 entdeckte Otto Hahn, dass es neben dem von Fajans gefundenen Brevium-234 ein weiteres betastrahlendes Nuklid mit der Massenzahl 234 gibt, das sich von Brevium-234 lediglich durch seine längere Halbwertszeit von 6,7 Stunden unterscheidet; es handelt sich hierbei um den seltenen Fall einer Kernisomerie.<ref>Otto Hahn: Über eine neue radioaktive Substanz im Uran. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1921, 54 (6), S. 1131–1142 (doi:10.1002/cber.19210540602).</ref>
1928 entwickelten Mitarbeiter Otto Hahns ein Verfahren, um Protactinium aus Rückständen der Radium-Herstellung zu isolieren. Im Labor der I.G. Farben in Ludwigshafen wurden dadurch 40 mg Protactinium(V)-oxid aus einer halben Tonne Radium-Rückständen aus Joachimsthal hergestellt.<ref>Aristid v. Grosse: Zur Herstellung von Protactinium. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. Band 68, Nr. 2, 1934, S. 307–309, Vorlage:DOI.</ref> 1934 gewann Aristid von Grosse erstmals metallisches Protactinium. Er nutzte dabei zwei verschiedene Verfahren. Zum einen beschoss er Protactiniumoxid mit Elektronen, wodurch sich Sauerstoff abspaltete und das Metall zurückblieb. Zum anderen stellte er Protactiniumhalogenide (Chlorid, Bromid, Iodid) her, die er auf einem Wolframdraht elektrisch erhitzte. Dabei zersetzten sich die Halogenide zu metallischem Protactinium und den elementaren Halogenen. Die Ausbeute war beim Iodid am besten, beim Chlorid am schlechtesten.<ref>A. V. Grosse: Metallic Element 91. In: Journal of the American Chemical Society. Band 56, 1934, S. 2200–2201, Vorlage:DOI.</ref>
<chem>2 PaI5 -> 2 Pa + 5 I2</chem>
Der offizielle Name für alle drei Isotope sowie alle künstlich herstellbaren Isotope mit der Ordnungszahl 91 wurde 1949 von der IUPAC zu Protactinium bestimmt.<ref>Names of New Elements Confirmed by International Union of Chemistry. In: Chemical & Engineering News. 1949, Band 27, Nummer 42, S. 2996–3091 Vorlage:DOI.</ref>
Vorkommen
Protactinium ist ein radioaktives Zerfallsprodukt des Urans und findet sich in der Natur in Form der beiden Isotope 231Pa und 234Pa, wobei das Isotop 234Pa in zwei unterschiedlichen Energiezuständen (Kernisomeren) auftreten kann. Protactinium 231Pa, ein Alphastrahler, entsteht beim Zerfall von 235U (siehe Uran-Actinium-Reihe), das betastrahlende Protactinium 234Pa beim Zerfall von Uran 238U (siehe Uran-Radium-Reihe).
In den Jahren 1959 und 1961 wurden von der United Kingdom Atomic Energy Authority (UKAEA) 125 Gramm Protactinium mit einer Reinheit von 99,9 Prozent aus 60 Tonnen abgebrannter Kernbrennstäbe in einem 12-stufigen Prozess extrahiert; die Kosten betrugen etwa 500.000 US-Dollar.<ref name="CRC">Vorlage:CRC Handbook</ref> Für viele Jahre war dies die einzig weltweit verfügbare Quelle für Protactinium, von der jeweils verschiedene Laboratorien für wissenschaftliche Untersuchungen versorgt wurden.<ref name="Emsley">John Emsley: Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford University Press, Oxford, England, UK 2001, ISBN 0-19-850340-7, S. 347–349, Kapitel: Protactinium (Vorlage:Google Buch).</ref>
Protactinium ist silbrig metallisch und wird supraleitend unterhalb von 1,4 K.<ref name="super">R. D. Fowler, B. T. Matthias, L. B. Asprey, H. H. Hill, J. D. G. Lindsay, C. E. Olsen, R. W. White: Superconductivity of Protactinium. In: Phys. Rev. Lett. 1965, 15 (22), S. 860–862 (doi:10.1103/PhysRevLett.15.860; Vorlage:Bibcode).</ref>
Chemische Eigenschaften
Protactinium kommt hauptsächlich in zwei Oxidationsstufen vor, +4 und +5, sowohl in Festkörpern als auch in Lösung.
Verwendung
Wegen seiner Seltenheit, hohen Radioaktivität und Giftigkeit findet Protactinium außer in der Forschung keine praktische Anwendung.
In Protactinium 231Pa, das beim Zerfall von Uran 235U entsteht und sich in Kernreaktoren auch durch die Reaktion 232Th + n → 231Th + 2n und anschließenden Betazerfall bildet, kann möglicherweise eine nukleare 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.<ref>Walter Seifritz: Nukleare Sprengkörper – Bedrohung oder Energieversorgung für die Menschheit. Thiemig-Verlag, 1984, ISBN 3-521-06143-4.</ref> Andere Autoren kommen zum Schluss, dass eine Kettenreaktion selbst bei beliebig großer Masse in Protactinium 231Pa nicht möglich ist.<ref>S. Ganesan, Umasankari Kannan, P. D. Krishnani, V. Jagannathan, R. P. Jain, R. Karthikeyan: A Re-calculation of Criticality Property of 231Pa Using New Nuclear Data. In: Current Science. 1999, 77 (5), S. 667–671. (PDF).</ref>
Seit der Verfügbarkeit moderner, sehr sensibler Massenspektrometer ist eine Anwendung des 231Pa beispielsweise als Tracer in der Paläozeanographie möglich geworden.<ref>J. F. McManus, R. Francois, J.-M. Gherardi, L. D. Keigwin, S. Brown-Leger: Collapse and rapid resumption of Atlantic meridional circulation linked to deglacial climate changes. In: Nature. 2004, 428, S. 834–837 (doi:10.1038/nature02494; Vorlage:Webarchiv).</ref>
Protactinium(IV)-oxid (PaO2) ist ein schwarzes, kristallines Pulver. Protactinium(V)-oxid (Pa2O5) ist ein weißes, kristallines Pulver. Beide weisen ein kubisches Kristallsystem auf.
Protactinium(V)-chlorid (PaCl5) bildet gelbe monokline Kristalle und besitzt eine Kettenstruktur bestehend aus 7-fach koordinierten pentagonalen Bipyramiden.<ref>R. P. Dodge, G. S. Smith, Q. Johnson, R. E. Elson: The Crystal Structure of Protactinium Pentachloride. In: Acta Cryst. 1967, 22, S. 85–89 (doi:10.1107/S0365110X67000155).</ref>
Sicherheitshinweise
Einstufungen nach der GHS-Verordnung liegen nicht vor, weil diese nur die chemische Gefährlichkeit umfassen, die eine völlig untergeordnete Rolle gegenüber den auf der Radioaktivität beruhenden Gefahren spielt. Auch Letzteres gilt nur, wenn es sich um eine dafür relevante Stoffmenge handelt.
Literatur
Harold W. Kirby: The Radiochemistry of Protactinium. National Academies, 1959 (PDF).
Boris F. Myasoedov, Harold W. Kirby, Ivan G. Tananaev: Protactinium. In: Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger (Hrsg.): The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements. Springer, Dordrecht 2006, ISBN 1-4020-3555-1, S. 161–252 (doi:10.1007/1-4020-3598-5_4).
Eric Scerri: A tale of seven elements. Oxford University Press, Oxford 2013.
