Protoattinio: proprietà, isotopi

Il protoattinio Pa è un elemento appartenente al gruppo degli attinidi, al 7° Periodo, al blocco f con numero atomico 91 e configurazione elettronica [Rn] 5f26d17s2
Il padre della chimica Dmitrij Mendeleev ne aveva previsto l’esistenza collocando questo elemento tra il torio e l’uranio.

Nel 1900, William Crookes separò un elemento intensamente radioattivo dall’uranio senza identificarlo che denominò Uranio-X. Nel 1913, il chimico fisico polacco-americano Kasimir Fajans e il suo alunno Otto Göhring mentre studiavano il decadimento dell’uranio trovarono un isotopo di protoattinio-234 m con un tempo di dimezzamento di circa 1.17 minuti.

L’esistenza del protoattinio fu confermata nel 1918 quando un altro isotopo, il protoattinio-231, fu scoperto e studiato da due gruppi di scienziati, Otto Hahn e Lise Meitner della Germania e Frederick Soddy e John Cranston della Gran Bretagna. Il protoattinio fu isolato per la prima volta dal chimico nucleare tedesco Aristid von Grosse nel 1934.

Proprietà

Il protoattinio è un metallo denso, grigio-argenteo con una lucentezza brillante che mantiene per qualche tempo nell’aria perché reagisce con ossigeno, vapore acqueo e acidi inorganici.

Nei composti solidi il protoattinio è più stabile nello stato di ossidazione +5, ma esiste anche negli stati di ossidazione +4, +3 e +2. In soluzione lo stato +5 idrolizza rapidamente combinandosi con ioni idrossido per formare composti che hanno la tendenza ad attaccarsi alle superfici dei contenitori in cui sono presenti. Sono noti numerosi composti di protoattinio, alcuni dei quali sono colorati. L’elemento è superconduttivo al di sotto di 1.4 K.

Mostra le proprietà di un attinide in soluzioni non acquose e allo stato solido. Tuttavia in soluzione acquosa mostrano che il protoattinio, con numero di ossidazione +5, è un omologo del niobio e tantalio. Presenta, tranne che nelle soluzioni di acido fluoridrico, una tendenza a subire reazioni irreversibili di idrolisi e condensazione. La riduzione con forti agenti riducenti forti fornisce soluzioni acquose di Pa(IV), le cui proprietà corrispondono ancora in generale a quelle di Th(IV) e non mostrano alcuna relazione con Nb(IV).

Preparazione

Nel 1934, Aristid von Grosse ridusse l’ossido di protoattinio a metallo decomponendo il suo ioduro PaI5  su un filamento riscaldato.

È attualmente ottenuto tramite decadimento β come prodotto intermedio della fissione nucleare del torio 232:
23290Th + 10 n → 23390Th → 23391Pa

Da un ulteriore decadimento β l’uranio 233.

Isotopi

Al momento sono noti trenta radioisotopi di protoattinio e quello più abbondante in natura è  231Pa con un tempo di dimezzamento di 32760 anni formato dal decadimento di 235U. Tale isotopo fu separato dalla pechblenda U3O8  nel 1918 da Lise Meitner al Kaiser-Wilhelm Institute di Berlino.

L’isotopo 234Pa prodotto dal decadimento di 238U ha un tempo di dimezzamento di 6.74 secondi. Quasi tutto l’uranio-238 (99,8%) decade prima nell’isomero nucleare 234mPa e poi in 234Pa.L’isomero nucleare  217 mPa ha un’emivita di 1.2 millisecondi e il 234 m Pa  di 1.17 minuti.

Composti

Forma ossidi in cui ha diverso numero di ossidazione e colore ovvero PaO, PaO2 e Pa2O5 . Sono noti i suoi alogenuri PaX4 e PaX5 dove X è F, Cl o Br. Con lo iodio forma oltre che PaI4 e PaI5 anche PaI3.

Usi

Il protoattinio è uno degli elementi naturali più rari e costosi e la sua concentrazione media sulla crosta terrestre è tipicamente dell’ordine di poche parti per trilione. A causa della sua scarsità, dell’elevata radioattività e dell’elevata tossicità, attualmente non ci sono usi pratici. È usato della ricerca scientifica di base e, a tal fine, è generalmente estratto dal combustibile nucleare esaurito.

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