Els empèdocles moderns – Kazimierz Fajans (1913) i l’element 91 (Pa) – protactini (nilennuni, Neu)

Som aquestes setmanes en una zona de la taula periòdica poblada d’elements radioactius naturals, en el sentit que són elements presents en forma de traça a la natura i en el sentit que tots els seus isòtops són radioactius. En el tombant dels segles XIX i XX, hom identificà l’urani i el tori com a elements radioactius, alhora que també s’identificaven com a radioactius elements prèviament desconeguts (radi, poloni, actini, etc.). Hom entendria que la radioactivitat obeeix a un principi més fonamental, i així es descrigueren després els isòtops radioactius d’elements més corrents. En 1934, Irène i Frédéric Joliot-Curie descrigueren la radioactivitat induïda, en observar que peces de bor o d’alumini esdevenien elles mateixes radioactives després d’haver-les exposat a alfa-radiació. Hom distingí a partir de llavors entre la “radioactivitat natural” i aquesta “radioactivitat artificial”. En l’actualitat hom s’estima més el nom de “radioactivitat induïda” o “activació neutrònica” per referir-se a aquest fenomen. És clar que el fet d’acumular quantitats de minerals d’urani i sotmetre-les a tècniques de separació química havia generat també “artificialment” un nivell més elevat de radiacions. Des d’aquest punt de mira, la “radioactivitat natural” és la radioactivitat que es presenta a la natura a causa de les cadenes d’elements radioactius naturals i d’origen no antropogènic. Activitats humanes que no tenen a veure amb la radioactivitat, poden mobilitzar-la. Un exemple el tenim en el pantà de Flix, on els vessaments d’Erquímia/Ercros tenien continguts elevats de radionúclids com a resultat de l’ús de fosfats relativament rics en urani i radi. Així, de vegades, hom s’estima més utilitza el concepte de “radiació basal”, entenent totes aquelles fonts de radiacions ionitzants a les quals som exposats de manera no-deliberada, siguin fonts més o menys antropogèniques. L’exposició anual típica d’un ésser humà s’estima en 3 mSv, dels quals 2,4 són de fonts “naturals” (radó atmosfèric, radiació procedent dels sòls, radiació còsmica, radiació d’aliments i aigües de consum) i 0,6 són de fonts artificials (bàsicament, mèdiques, en forma de radiografies i altres eines de radiodiagnòstic). Des dels anys 1950, hom estudia els nivells de radioactivitat ambiental i els factors que els determinen, així com el seu impacte epidemiològic.

Nivells corresponents a l’any 1996 de radioactivitat en el sòl deguts a cesi-137 en les regions afectades per l’accident nuclear de Txernòbil. La Central Nuclear de Txernòbil havia entrat en funcionament en 1977, com un conjunt de quatre reactors RBMK-1000. Utilitzava com a combustible urani-235 en estat sòlid, amb grafit com a moderador: el vapor d’aigua generat permetia abastir una producció elèctrica equivalent al 10% del consum total ucraïnès. El 26 d’abril del 1986 hi hagué una explosió en un dels reactors, a conseqüència de la qual hi hagué una fuita per la qual escaparen productes gasosos (5200 PBq només comptant el xenó-133) i particulats: el 50-60% del radioiode (uns 1760 PBq), el 20-40% del radiocesi (85 PBq), bona part del tel•luri-132 (1150 Bq).

Kazimierz Fajans i la descoberta del protactini

Kazimierz Fajans, fotografiat en el 1938

Kazimierz (o Kasimir) Fajans va nàixer a Varsòvia el 27 de maig del 1887, fill del matrimoni judeo-polonès format per Wandy Wolberg (1867-1907) i Herman Fajans. En concloure els estudis secundaris (1904) es va traslladar a Leipzig per començar estudis universitaris de química, que continuaria a Heidelberg. Fou a la Universitat de Heidelberg on, sota la supervisió de Georg Bredig (1868-1944) va fer la tesi doctoral sobre la síntesi estèreo-selectiva de compostos quirals, que defensà reeixidament en el 1909. Després féu una estada a l’ETH Zürich, amb Richard Willstätter (1872-1942), alhora que es casava amb Salomea Kapłan.

En el 1910 va passar a Manchester, on treballà en el laboratori d’Ernest Rutherford (1871-1937), iniciant-se en la radioquímica. Demostrà que la desintegració del radiobismut es bifurca en dues vies, una de les quals produïa emissions alfa-radioactives i l’altra beta-radioactives. També participà en la determinació de la semivida de diferents substàncies radioactives.

En el 1911, esdevingué ajudant de Bredig a la TH Karlsruhe. En aquesta ciutat naixeria el seu primer fill, Edgar. Prosseguí el seu treball sobre la radioactivitat. En el 1912, de manera independent a Frederick Soddy (1877-1956), posà les bases de la llei de desplaçament radioactiu. Les lleis de Soddy-Fajans, juntament amb els treballs de Henry Moseley del 1913, aclariren la base física del nombre atòmic (Z) i la seva relació amb la massa atòmica (A). No eren els elements els que eren radioactius sinó més precisament les desviacions d’A respecte de Z.

Oswald Helmut Göhring, graduat en química de 24 anys, tenia com a director de tesi a Fajans. Estudiaven la sèrie de desintegració de l’urani-1. En el 1900, William Crookes, en el decurs dels seus estudis sobre la radio-activitat de l’urani, va trobar que en dissoldre nitrat d’urani en èter apareixia un material intensament radioactiu en la fase aquosa residual, al qual denominà urani-X. Göhring i Fajans comprovaren que l’urani-X de Crookes es tractava, com a mínim, de dues espècies diferents, l’urani X1 i l’urani X2. Calia pensar que l’urani-1 dequeia a U X1 i aquest a UX2, el qual dequeia a l’urani-2. La semivida de l’U X2 era d’uns pocs segons. Göhring i Fajans proposaren que l’U X2 era un element químic prèviament desconegut. El denominaren “brevium” (brevi, per la seva curta semivida), amb el símbol químic de Bv. Es tractaria de l’element 91, situat en la taula periòdica entre el tori (element 90) i l’urani (element 92). La tesi doctoral de Göhring defensada en el 1914 duia justament per títol “Sobre el nou element brevi i intents de trobar els seus isòtops”. De moment, però únicament havien pogut identificar un isòtop, el brevi-234.

L’existència d’un element entre el tori i l’urani ja havia estat enunciada per Dmitri Mendeleev en la taula periòdica del 1871. Aquest element, l’eka-bismut, seria el representant a la dotzena sèrie o període del grup V (el grup del nitrogen). Més tard, Mendeleev el descriuria com l’eka-tàntal, l’element del setè període amb propietats similars a les del tàntal, de mateixa manera que el tori es correspondria a dvi-zirconi i l’urani a l’eka-tungstè.

Fajans s’habilità en el 1913 a Karlsruhe. En el 1917, esdevenia professor extraordinari de la Facultat de Química Física de la Universitat de Munic. En el 1918 naixia el segon i darrer fill del matrimoni Fajans, Stefan.

Otto Hahn, en 1970

En plena Gran Guerra, estudiaven la sèrie de desintegració de l’actinourani dos grups de recerca rivals, un a Berlín, format per Otto Hahn (1879-1968) i Lise Meitner (1878-1968), i un altre a Aberdeen, format per Frederick Soddy (1877-1956), John Cranston (que partí al front en el 1915) i Ada Hitchins (1891-1972). Els dos grups identificaren en la sèrie un producte intermediari entre l’actinourani i l’actini, que Soddy i Cranston identificaren com el “parent of actinium”. En concloure que es tractava d’un nou element químic, Hahn & Meitner el denominaren “protoaktinium” (protoactini), justament per ser precursor de l’actini. Les observacions de Hans & Meitner coincidien amb les de Soddy & Cranston. Hahn també va descriure poc després un altre membre de la sèrie, que denominà urani Z.

Lise Meitner, en 1946

El protoactini i el brevi resultaren ser isòtops del mateix element, és a dir de l’element 91. Mentre el brevi era l’isòtop 234, el protoactini era l’isòtop 231. La semivida del protoactini era de més de 30.000 anys mentre que la del brevi, com s’ha dit era de pocs minuts. Per aquesta raó, hom troba més adequat utilitzar el mot “protoactini” per designar element, i reservar el de brevi per al protoactini-234. Els noms propis per a isòtops, però, caurien en desús. Com a símbol química s’utilitzà el de “Pa”, originàriament assignat al pal•ladi, però havia quedat lliure en utilitzar-se per a aquest darrer element el símbol “Pd”.

Eventualment, hom entendria que l’urani Z de Hahn es corresponia a l’isòmer estable del brevi o protactini-234

Les propietats químiques del protoactini no encaixaven gens amb les propietats esperades per a l’eka-tàntal. Així ho va poder comprovar Aristid von Grosse (1905-1985) que, a partir de residus de la producció de radi d’Otto Hahn, aconseguí en 1927 la purificació de 2 mil•ligrams d’òxid de protoactini (V).

En el 1934, Grosse aconseguí d’aïllar per primera vegada protoactini metàl•lic. Mitjançant el procés de van Arkel-de Boer, convertí l’òxid de protoactini en iodur, que després reduí en un filament metàl•lic escalfat elèctricament.

Fajans havia esdevingut professor ordinari de la Universitat de Munic en el 1925. Era reconegut especialment per les seves “regles de Fajans” (1923) que preveien quins compostos orgànics serien de natura iònica o covalent. En el 1932 assumí la direcció de l’Institut de Química Física, establert gràcies a l’ajut de la Rockefeller Foundation. Féu contribucions a la cristal•lografia. L’ascens del partit nazi al poder en el 1933 suposà una onada institucional d’antisemitisme, i Fajans optà per abandonar Alemanya en el 1935. L’antisemitisme no era pas patrimoni d’Alemanya. També era present a Polònia, ni que fos en menor intensitat, i per aquest motiu tingué barrat el pas a succeir el difunt Stanislaw Tołłoczko en la càtedra de química inorgànica de la Universitat de Lvov. Així, Fajans marxà a Cambridge i, més tard, a Ann Arbor, on obtingué una càtedra a la Universitat de Michigan (1936).

Els estudis de Fajans en el ciclotró conduïren a la síntesi de diversos isòtops radioactius de tal•li, plom o bismut en 1941. Però Fajans seria conegut per les seves aportacions sobre l’enllaç químic: “Application of the resonance theory to the structure of the water molecule” (1947), “Electronic structure of molècules” (1948). En el 1957 es retirà de la Universitat, però continuà a treballar en la “teoria quanticular de l’enllaç químic”, que formulà en el 1960.

En el 1949, la IUPAC escurçà el nom de “protoactinium” a “protactinium”. Aquesta solució ha estat eventualment adoptada per la majoria de llengües, amb les corresponent adaptacions ortogràfiques i fonètiques. En català, hi ha una preferència injustificada per “protoactini”.

En els anys 1950 queda ja fixada la consideració del protactini com el tercer dels actínids, i considerat així com un element del bloc d, col•locat just per sota del praseodimi (el tercer dels lantànids).

En el 1961, l’Autoritat d’Energia Atòmica del Regne Unit (UKAEA) va aconseguí la producció de 125 grams de protactini metàl•lic al 99%. S’hi van emprar com a matèria primera 60 tones de residus radioactius, amb un procés de 12 fases, i amb un cost de mig milió de dòlars americans. Aquest lot constituí durant anys la reserva més important de protactini, destinada sobretot a estudis científics. L’Oak Ridge National Laboratory s’incorporà més tard a aquesta producció, amb uns costos de 280 dòlars per cada gram de protactini.

Fajans publicà en el 1975 les seves memòries. Es va morir el mateix any, el 18 de maig, a 9 dies de complir els 88 anys.

Hom ha investigat la capacitat del protactini-231 en conduir una reacció nuclear en cadena. En 1984, Walter Sefritz estimava la massa crítica del protactini-231 en 750 ± 180 kg. Ganesan et al. (1999) conclogueren que el protactini-231 no pot assolir la criticalitat ni tan sols per a una massa infinita.

Amb el desenvolupament d’espectròmetres de massa d’alta sensibilitat, va ser possible, a partir dels anys 1990, l’ús del protactini-231 com a traçador en geologia i oceanografia. La ratio 231Pa:230Th pot ser utilitzades en tècniques de datació de sediments de fins a 175.000 anys d’antiguitat. Manus et al. (2004) mesuraren la ratio 231Pa:230Th, per reconstruir l’evolució dels corrents de l’Atlàntic Nord en l’adveniment de l’actual període interglacial.

El protactini: isòtops i abundància

Com a massa atòmica estàndard del protactini s’empra la de 231,03588 uma, és a dir la corresponent al protactini-231, l’isòtop menys inestable. Una llista dels isòtops coneguts fa:
– protactini-212 (212Pa; 212,02320 uma). Nucli format per 91 protons i 121 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,008 s.
– protactini-213 (213Pa; 213,02111 uma). Nucli format per 91 protons i 122 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,007 s. Decau a actini-209, amb emissió d’un nucli d’heli-4.
– protactini-214 (214Pa; 214,02092 uma). Nucli format per 91 protons i 123 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,017 s. Decau a actini-210, amb emissió d’un nucli d’heli-4.
– protactini-215 (215Pa; 215,01919 uma). Nucli format per 91 protons i 124 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,014 s. Decau a actini-211, amb emissió d’un nucli d’heli-4.
– protactini-216 (216Pa; 216,01911 uma). Nucli format per 91 protons i 125 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,105 s. Decau majoritàriament (80%) a actini-212 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (20%), a tori-216 (amb emissió d’un positró).
– protactini-217 (217Pa; 217,01832 uma). Nucli format per 91 protons i 126 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,00348 s. Decau a actini-213, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Posseeix un estat metastable (217mPa) a 1860 keV, que té una semivida de 0,00108 s, i que decau bé a l’estat basal (rarament) o, més habitualment, a actini-213.
– protactini-218 (218Pa; 218,020042 uma). Nucli format per 91 protons i 127 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 1,13•10-4 s. Decau a actini-214, amb emissió d’un nucli d’heli-4.
– protactini-219 (219Pa; 219,01988 uma). Nucli format per 91 protons i 128 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 5,3•10-8 s. Decau normalment a actini-215 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (0,000000005%), a tori-219 (amb emissió d’un positró).
– protactini-220 (220Pa; 220,02188 uma). Nucli format per 91 protons i 129 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 7,8•10-7 s. Decau a actini-216, amb emissió d’un nucli d’heli-4.
– protactini-221 (221Pa; 221,02188 uma). Nucli format per 91 protons i 130 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 4,9•10-6 s. Decau a actini-217, amb emissió d’un nucli d’heli-4.
– protactini-222 (222Pa; 222,02374 uma). Nucli format per 91 protons i 131 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0032 s. Decau a actini-218, amb emissió d’un nucli d’heli-4.
– protactini-223 (223Pa; 223,02396 uma). Nucli format per 91 protons i 132 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0051 s. Decau normalment a actini-219 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (0,001%), a tori-223 (amb emissió d’un positró).
– protactini-224 (224Pa; 224,025626 uma). Nucli format per 91 protons i 133 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,844 s. Decau normalment (99,9%) a actini-220 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (0,1%), a tori-224 (amb emissió d’un positró).
– protactini-225 (225Pa; 225,02613 uma). Nucli format per 91 protons i 134 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,7 s. Decau a actini-221, amb emissió d’un nucli d’heli-4.
– protactini-226 (226Pa; 226,027948 uma). Nucli format per 91 protons i 135 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 110 s. Decau majoritàriament (74%) a actini-222 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (26%), a tori-226 (amb emissió d’un positró).
– protactini-227 (227Pa; 227,028805 uma). Nucli format per 91 protons i 136 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2300 s (38 minuts). Decau majoritàriament (85%) a actini-223 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (15%), a tori-227 (per captura electrònica).
– protactini-228 (228Pa; 228,031051 uma). Nucli format per 91 protons i 137 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 7,9•104 s (22 hores). Decau normalment (98,15%) a tori-228 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (1,85%), a actini-224 (amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– protactini-229 (229Pa; 229,0320968 uma). Nucli format per 91 protons i 138 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,3•105 s (36 hores). Decau normalment (99,52%) a tori-229 (per captura electrònica) o, alternativament (0,48%), a actini-225 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseeix un estat metastable (229mPa) a 11,6 keV, que té una semivida de 4,2•10-7 s.
– protactini-230 (230Pa; 230,034541 uma). Nucli format per 91 protons i 139 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,50•106 s (17 dies). Decau majoritàriament (91,6%) a tori-230 (amb emissió d’un positró) o, alternativament, a urani-230 (8,4%; amb emissió d’un electró) o actini-226 (0,00319%; amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– protactini-231 (231Pa; 231,0358840 uma). Nucli format per 91 protons i 140 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,034•1012 s (33 mil anys). Decau normalment a actini-227 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a tal•li-207 (0,00000000134%; amb emissió d’un nucli de neó-24) o a plom-208 (0,000000000001%; amb emissió d’un nucli de fluor-23), o bé pot patir fissió espontània (0,0000000003%; emetent diversos productes de fissió). És l’isòtop dominant en mostres naturals, amb una freqüència isotòpica superior al 99,99%. És producte intermediari de la desintegració de l’urani-235. Descobert en el 1918, és el protoactini o protactini per antonomàsia.
– protactini-232 (232Pa; 232,038592 uma). Nucli format per 91 protons i 141 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,13•105 s (31 hores). Decau normalment a urani-232 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,003%), a tori-232 (per captura electrònica).
– protactini-233 (233Pa; 233,0402473 uma). Nucli format per 91 protons i 142 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,3306•106 s (27 dies). Decau a urani-233, amb emissió d’un electró.
– protactini-234 (234Pa; 234,043308 uma). Nucli format per 91 protons i 143 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 2,4•104 s (7 hores). Decau normalment a urani-234 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,0000000003%), pateix una fissió espontània (amb emissió de diversos productes). Posseeix un estat metastable (234mPa) a 78 keV, que té una semivida de 70,2 s, i que decau a l’estat basal (0,16%) o bé a urani-234 (99,83%) o bé pateix fissió espontània (0,0000000003%). El 234mPa fou detectat originàriament en 1913 per Fajans & Göhring, que el denominaren “urani X2” i, en postular-ne el caràcter elemental, “brevi”. La forma basal del protactini-234 fou detectada originàriament per Hahn en 1918, que el denominà “urani Z”. Tots dos isòmers són presents a la natura en forma de traça, com a productes intermediaris de la desintegració d’urani-238.
– protactini-235 (235Pa; 235,04544 uma). Nucli format per 91 protons i 144 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1466 s (24 minuts). Decau a urani-235, amb emissió d’un electró.
– protactini-236 (236Pa; 236,04868 uma). Nucli format per 91 protons i 145 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 550 s (9 minuts). Decau normalment a urani-236 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,00000006%), a diversos productes de fissió (també amb emissió d’un electró).
– protactini-237 (237Pa; 237,05115 uma). Nucli format per 91 protons i 146 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 520 s (9 minuts). Decau a urani-237, amb emissió d’un electró.
– protactini-238 (238Pa; 238,05450 uma). Nucli format per 91 protons i 147 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 136 s. Decau normalment a urani-238 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,0000026%), a diversos productes de fissió (també amb emissió d’un electró).
– protactini-239 (239Pa; 239,05726 uma). Nucli format per 91 protons i 148 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6500 s (2 hores). Decau a urani-239, amb emissió d’un electró.
– protactini-240 (240Pa; 240,06098 uma). Nucli format per 91 protons i 149 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 100 s. Decau a urani-240, amb emissió d’un electró.

L’àtom neutre de protactini conté 91 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d105f26s26p66d17s2. És comptat, doncs, entre els actínids, és a dir els elements del bloc f corresponents al període 7. De vegades, se’l considera dins del grup f3, el lantànid del qual seria el praseodimi. Algunes propietats termoelèctriques recorden a la dels metalls de post-transició. És classificat entre els metalls radioactius. L’estat d’oxidació més habitual és +5 (per ionització dels electrons de 5f, 6d i 7s), encara que també el podem trobar amb +4, +3, +2 i 0. El radi atòmic és de 1,63•10-10 m.

Cristall de protactini elemental obtingut pel procés de van Arkel, a l’Institute for Transuranium Elements

En condicions estàndards de pressió i temperatura, el protactini es presenta com un metall brillant, de llustre argentí. Se n’han descrit diversos al•lòtrops:
– l’estable en condicions estàndards segueix una estructura cristal•lina tetragonal centrada en les cares, amb una densitat de 15370 kg•m-3 (intermèdia entre el tori i l’urani). El quocient d’expansió tèrmic és de 9,9•10-6 K-1. La conductivitat tèrmica és de 47 W•m-1•m-1 i la resistivitat elèctrica de 1,77•10-7 Ω•m. És paramagnètic en totes les condicions assajades. La transició a superconductivitat es produeix a 1,4 K.
– quan es deixa refredar el protactini des d’altes temperatures, en arribar a 1500 K, apareix un al•lòtrop d’estructura cúbica centrada en les cares.
– a 53 GPa, apareix un al•lòtrop d’altes pressions.

En condicions estàndards de pressió, el protactini elemental fon a 1841 K i bull a 4300 K.

El protactini metàl•lic pot resistir sota condicions ambientals durant un període, però reacciona fàcilment amb l’oxigen i el vapor d’aigua atmosfèrics. És atacable amb àcids, però molt menys amb àlcalis.

En solucions aquoses trobem ions en estat +5 i +4: Pa(OH)3+, Pa(OH)22+. Són tots ells incolors.

Entre els compostos del protactini podem citar:
– òxids: PaO (sòlid, 13440 kg•m-3), PaO2 (sòlid negre, 10470 kg•m-3), Pa2O5 (sòlid blanc, 10960 kg•m-3).
– hidrurs: PaH3 (sòlid negre, 10580 kg•m-3).
– halurs: PaF4 (sòlid de color bru-roig), PaCl4 (sòlid de color verd-groc, 4720 kg•m-3; esdevé ferromagnètic per sota de 182 K), PaBr4 (sòlid de color bru), PaCl5 (sòlid de color groc, 3740 kg•m-3), PaBr5 (sòlid de color vermell, 4980 kg•m-3).
– oxihalurs: PaOBr3.
– nitrat (de color blanc, encara que adquireix una coloració bruna degut a la descomposició radiolítica).
– fosfats: Pa(PO3)4), Pa2P2O7.
– compostos orgànics: Pa(C8H8)2 (protactocè, sòlid de color daurat), Pa(C5H5)4).

Òxid de protactini (V). És l’òxid més estable d’aquest element

L’abundància atòmica del protactini en l’univers és condicionada pels processos de nucleosíntesi en supernoves, per la inestabilitat dels seus isòtops i per les rutes de desintegració de l’urani. El menys inestable dels seus isòtops, el 231Pa té una semivida de tan sols 33.000 anys, la qual cosa explica que el protactini sigui molt menys abundant que els elements que el flanquegen en la taula periòdica, el tori i l’urani.

Cadena de desintegració 4n+3 de l’urani-235, coneguda com a sèrie d’actini o cascada del plutoni

En la Terra, gairebé tot el protactini és present en forma de 231Pa, com a producte de la desintegració de l’urani-235 (sèrie de l’actini). La concentració d’equilibri del 231Pa respecte del 235U és de 46,55 ppm

. En molta menor quantitat, apareixen 234m i 234Pa, com a productes de la desintegració de l’urani-238. La major concentració de protactini, doncs, té lloc en minerals d’urani, com la uraninita o pechblenda, amb valors que oscil•len entre 0,3 ppm (com en la mina de Jáchymov, Bohèmia) i 3 ppm (com en mines del Congo). En mostres ambientals, el protactini es troba en concentracions de l’ordre de 1 ppb, corresponent a una radioactivitat de 0,04 Bq/g.

En reactors nuclears, a partir del tori, hi ha formació de 231Pa (a través de 232Th (n,2n) → 231Th) i de 233Pa (format per captura de neutrons a partir del 232Th). Se’ls considera subproductes indesitjables, particularment el 231Pa, de semivida considerable, que és un important contribueix a la radiotoxicitat de llarg termini del combustible nuclear. El 233Pa contribueix a la reducció de l’eficiència dels reactor. En reactors que empren combustible nuclear en forma de sal fossa, el protactini és extret en la zona activa, gràcies a columnes de bismut i liti fos.

La presència del protactini en la hidrosfera és més limitada. En sòls sorrencs, per exemple, la concentració en l’aigua és 500 vegades inferior a la part sòlid. En sòls argilosos, la diferència és encara superior (de 2000 vegades). La concentració oceànica típica és de 50 pg•m-3.

La presència del protactini en l’atmosfera és negligible. La quantitat màxima permesa en àmbits laborals és de 3•10-4 Bq•m-3.

La presència del protactini en la biosfera és també negligible. A banda de la inhalació amb l’aire, la principal entrada és la ingesta d’aliments i d’aigua, encara que cal a dir que tan sols un 0,05% del protactini ingerit és absorbit. Del protactini absorbit, un 40% es diposita en els ossos, un 15% és assimilat pel fetge i un 2% pels ronyons. La semivida biològica del protactini és de 50 anys en els ossos. En el fetge, un 70% del protactini assimilat és eliminat ràpidament (amb una semivida de 10 dies), però l’altre 30% és retingut més temps (semivida de 60 dies). En el ronyó, un 80% del protactini és retingut amb una semivida de 60 dies. Són ossos, fetge i ronyons els òrgans més susceptibles dels efectes carcinogènics d’una exposició a protactini.

El protactini i els seus compostos són considerats tòxics (2•108 més tòxic que l’àcid cianhídric) i altament radioactius. Cal treballar sempre en cabina de guants. L’activitat específica del 231Pa és de 1,8 GBq/g, amb emissions alfa de 5 MeV, relativament poc penetrants; l’exposició és sobretot deguda al seu isòtop fill, 227Ac, que té una activitat específica de 2700 Gq/g, i emet radiacions alfa i beta, i als seus successors: 227Th, 223Ra, 219Rn, 215Po, 211Pb, 211Bi, 207Tl.

La dosi màxima segura de protactini-231 en el cos humà es calcula en 0,5 μg (1100 Bq).

Aplicacions del protactini

Ja hem vist els esforços de Van Grosse o d’altres per aconseguir petites quantitats de protactini, a través de rondes de purificació de materials procedents del processament de minerals d’urani. Aquesta extracció és tan prohibitiva que la majoria de la producció mundial de protactini s’obté de reactors nuclears. És més aviat un subproducte, degut a la necessitat d’eliminar aquesta producció indesitjada de protactini.

En els reactors nuclears, es formen sals de protactini que els sistemes d’extracció converteixen, gràcies al liti, en protactini metàl•lic, que és extret emprant el bismut com a transportador. Un procés d’extracció ulterior genera fluorur de protactini que, pot ser reduït de nou a temperatures de 1600-1700 K amb l’ús de fluorur de calci, liti o bari.

Gairebé tot el consum de protactini es fa amb finalitats de recerca. La producció de protactini-231 i protactini-233 haurà de ser tinguda en compte en el disseny de futures centrals nuclears que substitueixin l’urani pel cicle de combustible de tori.

Les tècniques de datació basades en l’urani, el tori i el protactini són especialment útils en paleoceanografia. La base d’aquestes tècniques és el diferencial de solubilitat que hi ha entre els compostos d’urani (relativament solubles, especialment els d’urani (VI)) i els de tori i protactini (menys solubles, tant els de tori (IV) com els de protactini (V)), així com el diferencial de precipitació entre els compostos de tori i els de protactini (que precipiten a una taxa inferior). Encara que habitualment, hom empra ratios entre urani i tori, afegir-hi les de protactini enforteix la precisió temporal.

Anàlisi de sediments del fons de l’Oceà Glacial Àrtic pel que fa a la ratio 231Pa:230Th serviren a Hoffmann et al. (2003) per avaluar el temps de renovació de les aigües àrtiques durant els darrers 35.000 anys

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: