프로트악티늄
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1. 개요
프로트악티늄(Protactinium)은 원자 번호 91번의 방사성 금속 원소이다. 1871년 드미트리 멘델레예프가 주기율표에서 토륨과 우라늄 사이에 존재할 것으로 예측했으며, 1900년 윌리엄 크룩스가 우라늄에서 방사성 물질을 분리하여 우라늄-X라고 명명했다. 1917/18년 오토 한, 리제 마이트너, 프레더릭 소디, 존 크랜스턴에 의해 프로트악티늄-231이 발견되었고, 1949년 국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)에 의해 프로트악티늄으로 명명되었다. 프로트악티늄은 현재 과학 연구 외에는 사용되지 않으며, 우라늄 광석에서 미량으로 존재하거나 토륨 연료 주기 원자로에서 핵분열의 중간 생성물로 생성된다. 프로트악티늄은 독성이 강하고 방사성이 높아 밀폐된 글러브 박스 안에서 취급해야 한다.
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- 프로트악티늄 - 프로트악티늄 동위 원소
프로트악티늄 동위 원소는 원자 번호 91번인 프로트악티늄의 여러 핵종을 지칭하며, 프로트악티늄-231, 프로트악티늄-233, 프로트악티늄-234, 프로트악티늄-234m 등이 대표적이고 원자력 발전 및 핵 연구 분야에서 활용될 가능성이 있다. - 악티늄족 - 토륨
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| 프로트악티늄 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
| 원소 이름 | 프로트악티늄 |
| 영어 이름 | Protactinium |
| 원자 번호 | 91 |
| 원소 기호 | Pa |
| 왼쪽 원소 | 토륨 |
| 오른쪽 원소 | 우라늄 |
| 위쪽 원소 | Pr |
| 아래쪽 원소 | 불명 |
| 분류 | 악티늄족 |
| 족 | n/a |
| 주기 | 7 |
| 구역 | f |
| 겉모습 | 밝은 은백색 금속 광택 |
 | |
| 원자 질량 | 231.03588 |
| 전자 배치 | [Rn] 7s2 6d1 5f2 |
| 껍질 당 전자 수 | 2, 8, 18, 32, 20, 9, 2 |
| 상태 | 고체 |
| 밀도 (상온) | 15.37 g/cm3 |
| 밀도 조건 | (20°C) |
| 녹는점 | 1841 K (1568 °C, 2854 °F) |
| 끓는점 | 4300 K (4027 °C, 7280 °F) |
| 끓는점 주석 | (?) |
| 융해열 | 12.34 kJ/mol |
| 기화열 | 481 kJ/mol |
| 결정 구조 | 체심 정방정계 |
| 결정 구조 참고 | 결정학 학회지 |
| 결정 구조 피어슨 기호 | tI2 |
| 격자 상수 | a = 392.1 pm, c = 323.5 pm (20 °C) |
| 전기 음성도 | 1.5 |
| 이온화 에너지 개수 | 1 |
| 첫 번째 이온화 에너지 | 568 kJ/mol |
| 원자 반지름 | 163 pm |
| 공유 반지름 | 200 pm |
| 자기 정렬 | 상자성 |
| 전기 저항 (0°C) | 177 nΩ·m |
| 열전도율 | 47 W/(m·K) |
| 열팽창 계수 | 11.8 × 10-6/K (20 °C) |
| CAS 등록 번호 | 7440-13-3 |
| 예측자 | 드미트리 멘델레예프 |
| 예측 년도 | 1869 |
| 최초 발견 및 분리 | 카시미르 파얀스와 오스발트 헬무트 괴링 |
| 발견 년도 | 1913 |
| 명명자 | 오토 한과 리제 마이트너 |
| 명명 년도 | 1917–8 |
| 동위 원소 | |
| 동위원소 229 | 존재 비율: syn 반감기: 1.4 d 붕괴 방식: α 붕괴 에너지: 5.58 MeV 딸핵종 질량수: 225 딸핵종 기호: Ac |
| 동위원소 230 | 존재 비율: syn 반감기: 17.4 d 붕괴 방식: ε 붕괴 에너지: 1.310 MeV 딸핵종 질량수: 230 딸핵종 기호: Th 붕괴 방식2: β- 붕괴 에너지2: 0.563 MeV 딸핵종 질량수2: 230 딸핵종 기호2: U |
| 동위원소 231 | 존재 비율: ~100 % 반감기: 32760 년 붕괴 방식: α 붕괴 에너지: 5.149 MeV 딸핵종 질량수: 227 딸핵종 기호: Ac |
| 동위원소 232 | 존재 비율: syn 반감기: 1.31 일 붕괴 방식: β- 붕괴 에너지: 0.31 MeV 딸핵종 질량수: 232 딸핵종 기호: U |
| 동위원소 233 | 존재 비율: syn 반감기: 26.967 일 붕괴 방식: β- 붕괴 에너지: 0.571 MeV 딸핵종 질량수: 233 딸핵종 기호: U |
| 동위원소 234m | 존재 비율: trace 반감기: 1.17 분 붕괴 방식: β- 붕괴 에너지: 2.29 MeV 딸핵종 질량수: 234 딸핵종 기호: U 붕괴 방식2: IT 붕괴 에너지2: 0.0694 MeV 딸핵종 질량수2: 234 딸핵종 기호2: Pa |
| 동위원소 234 | 존재 비율: trace 반감기: 6.75 시간 붕괴 방식: β- 붕괴 에너지: 0.23 MeV 딸핵종 질량수: 234 딸핵종 기호: U |
| 기타 정보 | |
| 산화 상태 | 2, 3, 4, 5 (약염기성 산화물) |
| 일본어 이름 | プロトアクチニウム (프로토아쿠치니우무) |
| 문화어 | 프로트악티니움 |
2. 역사
1871년, 드미트리 멘델레예프는 주기율표에서 빠져 있는 토륨과 우라늄 사이에 원소의 존재를 예측, "예카탄탈럼"(eka-tantalum)이라 불렀다. 당시에는 악티늄족이 알려지기 전으로, 멘델레예프는 우라늄을 텅스텐 아래에, 토륨을 지르코늄 아래에 배치했다. 화학자들은 탄탈럼 아래의 빈 자리에 해당하는 원소를 찾으려 노력했다.
1900년, 윌리엄 크룩스는 우라늄에서 강한 방사선을 지닌 프로트악티늄을 분리해냈다. 하지만 크룩스는 새로운 화학 원소라는 것을 밝히지 못하고 단지 우라늄-X라고 명명했다.[11][12][13]
1913년, 카지미에시 파얀스와 오스발트 헬무트 괴링은 우라늄-238의 붕괴 사슬에서 프로트악티늄-234를 발견하고, 6.7 시간의 짧은 반감기를 갖는 이 새로운 원소에 브레븀(brevium, 라틴어의 짧다는 뜻의 brevis에서 왔음)이라는 이름을 붙였다.[15][16][17][18][19][20]
1917/18년, 독일의 오토 한과 리제 마이트너, 영국의 프레더릭 소디와 존 크랜스턴은 독자적으로 32,000년의 긴 반감기를 갖는 새로운 동위 원소 프로트악티늄-231를 발견, 프로토악티늄(protoactinium)이라는 이름을 붙였다. 이는 우라늄-235가 악티늄으로 붕괴하는 붕괴 사슬의 일부이기 때문이다.[4][19][21][22]
발음의 편의를 위해 1949년, IUPAC은 프로토악티늄은 프로트악티늄(protactinium)으로 이름을 바꾸었다.[39][23]
아리스티드 폰 그로세는 1927년 2밀리그램의 Pa2O5를 생산했고,[25] 1934년에는 처음으로 0.1밀리그램의 Pa2O5로부터 원소 상태의 프로탁티늄을 분리했다.[26]
1961년, 영국 원자력 에너지 당국(UKAEA)은 12단계 공정을 통해 60톤의 폐기물을 처리하여 99.9% 순도의 프로탁티늄-231 127그램을 생산했다.[39][40]
2. 1. 멘델레예프의 예측
1871년, 드미트리 멘델레예프는 주기율표에서 토륨과 우라늄 사이에 원소가 존재할 것이라고 예측하고 "예카탄탈럼"(eka-tantalum)이라 불렀다.[11] 당시에는 악티늄족이 알려지지 않았기 때문에 멘델레예프는 우라늄을 텅스텐 아래에, 토륨을 지르코늄 아래에 배치했다. 화학자들은 탄탈럼 아래의 빈 자리에 해당하는 원소를 찾으려 노력했다.[9]1900년, 윌리엄 크룩스는 우라늄에서 강한 방사선을 지닌 프로트악티늄을 분리했지만, 새로운 화학 원소라는 것을 밝히지 못하고 단지 우라늄-X라고 명명했다.[11][12][13]
1913년, 카지미에시 파얀스와 오스발트 헬무트 괴링은 우라늄-238의 붕괴 사슬에서 프로트악티늄-234를 발견하고, 6.7 시간의 짧은 반감기를 갖는 이 새로운 원소에 브레븀(brevium, 라틴어의 짧다는 뜻의 brevis에서 왔음)이라는 이름을 붙였다.[15][16][17][18][19][20]
1917/18년, 독일의 오토 한과 리제 마이트너, 영국의 프레더릭 소디와 존 크랜스턴은 독자적으로 32,000년의 긴 반감기를 갖는 새로운 동위 원소 프로트악티늄-231를 발견, 프로토악티늄(protoactinium)이라는 이름을 붙였다. 이는 우라늄-235가 악티늄으로 붕괴하는 붕괴 사슬의 일부이기 때문이다.[4][19][21][22]
1949년, IUPAC은 발음의 편의를 위해 프로토악티늄은 프로트악티늄(protactinium)으로 이름을 바꾸었다.[39][23]
2. 2. 초기 발견
1871년 드미트리 멘델레예프는 주기율표에서 토륨과 우라늄 사이에 원소가 존재할 것이라고 예측하고, "예카탄탈럼"(eka-tantalum)이라고 명명했다.[11] 당시에는 악티늄족이 알려지지 않았기 때문에 멘델레예프는 우라늄을 텅스텐 아래에, 토륨을 지르코늄 아래에 배치했다. 이 때문에 화학자들은 탄탈럼 아래의 빈자리에 해당하는 원소를 찾으려 했다.[9] 멘델레예프가 예측한 에카-탄탈륨은 훗날 초우라늄 원소인 더브늄으로 밝혀졌으나, 더브늄은 탄탈륨보다 프로트악티늄과 화학적으로 더 유사하다.[10]1900년 윌리엄 크룩스는 우라늄에서 강한 방사선을 띤 프로트악티늄을 분리했지만, 새로운 화학 원소라는 것을 밝히지 못하고 우라늄-X라고 명명했다.[11][12][13] 크룩스는 질산우라늄을 에테르에 녹여서 분리했는데, 이 방법은 1950년대까지 와 를 분리하는 데 사용되었다.[14]
1913년 카지미에시 파얀스와 오스발트 헬무트 괴링은 우라늄-238의 붕괴 사슬에서 프로트악티늄-234를 발견하고, 반감기가 짧다는 의미에서 브레븀(brevium)이라는 이름을 붙였다.[15][16][17][18][19][20]
1917년과 1918년 사이, 독일의 오토 한과 리제 마이트너, 영국의 프레더릭 소디와 존 크랜스턴은 각각 독립적으로 반감기가 긴 프로트악티늄-231을 발견하고 프로토악티늄(protoactinium)이라고 명명했다.[4][19][21] 이는 우라늄-235가 악티늄으로 붕괴하는 과정에서 생성되기 때문이다.[22] 1949년 IUPAC은 발음하기 쉽도록 프로트악티늄(protactinium)으로 명칭을 변경했다.[39][23]
아리스티드 폰 그로세는 1927년 Pa2O5 2밀리그램을 생산했고,[25] 1934년에는 0.1밀리그램의 Pa2O5로부터 처음으로 순수한 프로트악티늄을 분리했다.[26]
1961년 영국 원자력 에너지 당국은 12단계 공정을 통해 60톤의 폐기물에서 99.9% 순도의 프로트악티늄-231 127그램을 생산했다.[39][40]
2. 3. 프로트악티늄-231의 발견과 명명
1871년, 드미트리 멘델레예프는 주기율표에서 토륨과 우라늄 사이에 위치할 원소의 존재를 예측하고 "예카탄탈럼"(eka-tantalum)이라고 명명했다.[11] 당시 악티늄족 원소는 알려지지 않았기 때문에 멘델레예프는 우라늄을 텅스텐 아래에, 토륨을 지르코늄 아래에 배치했다. 1940년대 후반 악티늄족 개념이 확립되기 전까지 이러한 구조의 주기율표가 사용되었다.[8] 화학자들은 탄탈럼과 유사한 성질을 가진 "에카-탄탈륨"[9]을 찾았으나, 이는 프로트악티늄 발견을 어렵게 만들었다. 훗날 탄탈륨의 무거운 동족체는 더브늄으로 밝혀졌지만, 더브늄은 탄탈륨보다 프로트악티늄과 화학적으로 더 유사하다.[10]1900년, 윌리엄 크룩스는 우라늄에서 강한 방사능을 띤 프로트악티늄을 분리했지만, 새로운 화학 원소임을 밝히지 못하고 우라늄-X라고 명명했다.[11][12][13] 크룩스는 질산우라늄을 에테르에 녹여 분리했으며, 이 방법은 1950년대까지 와 를 분리하는 데 사용되었다.[14]
1913년, 카지미에시 파얀스와 오스발트 헬무트 괴링은 우라늄-238의 붕괴 사슬 연구 중 프로트악티늄-234를 발견하고, 짧은 반감기(1. 16분)를 고려하여 "브레븀"(brevium, 라틴어 brevis에서 유래)이라고 명명했다.[15][16][17][18][19][20]
1917년/1918년, 독일의 오토 한과 리제 마이트너, 영국의 프레더릭 소디와 존 크랜스턴은 독자적으로 반감기가 32,000년으로 긴 프로트악티늄-231을 발견하고, 프로토악티늄(protoactinium)이라고 명명했다.[4][19][21] 이는 우라늄-235가 악티늄으로 붕괴하는 과정에서 생성되기 때문이다.[22] 1949년, IUPAC은 발음 편의를 위해 프로트악티늄(protactinium)으로 명칭을 변경했다.[39][23]
아리스티드 폰 그로세는 1927년 2mg의 Pa2O5를 생산했고,[25] 1934년에는 0.1mg의 Pa2O5로부터 원소 상태의 프로트악티늄을 분리했다.[26] 그는 두 가지 방법을 사용했는데, 하나는 진공에서 35 keV 전자로 프로트악티늄 산화물을 조사하는 방법이고, 다른 하나는 반 아르켈-더 보어 공정으로, 산화물을 할로겐화물로 변환 후 전기 가열된 금속 필라멘트로 진공에서 환원하는 방법이다.[39][27]
1961년, 영국 원자력 에너지 당국(UKAEA)은 12단계 공정을 통해 60톤의 폐기물에서 99.9% 순도의 프로트악티늄-231 127g을 생산했다.[39][40]
2. 4. 추가 연구
드미트리 멘델레예프는 1871년 주기율표에서 토륨과 우라늄 사이에 원소가 존재할 것이라고 예측하고, "예카탄탈럼"(eka-tantalum)이라고 명명했다.[11] 당시에는 악티늄족이 알려지지 않았기 때문에 멘델레예프는 우라늄을 텅스텐 아래에, 토륨을 지르코늄 아래에 배치했다. 1940년대 후반 악티늄족 개념이 널리 받아들여지기 전까지 이러한 구조를 가진 주기율표가 발표되었다.[8] 화학자들은 탄탈럼과 비슷한 화학적 성질을 가진 원소인 에카-탄탈륨[9]을 찾았으나, 프로트악티늄 발견은 거의 불가능했다. 탄탈륨의 무거운 동족체는 나중에 초우라늄 원소 더브늄으로 밝혀졌지만, 더브늄은 탄탈륨이 아니라 프로탁티늄과 화학적으로 더 유사하다.[10]1900년, 윌리엄 크룩스는 우라늄에서 강한 방사선을 지닌 프로트악티늄을 분리했지만, 새로운 화학 원소로 특징짓지 못하고 우라늄-X라고 명명했다.[11][12][13] 크룩스는 질산우라늄을 에테르에 녹였고, 잔류 수용액에는 대부분의 와 가 포함되어 있었다. 그의 방법은 1950년대까지 우라늄 화합물에서 와 를 분리하는 데 사용되었다.[14]
1913년, 카지미에시 파얀스와 오스발트 헬무트 괴링은 우라늄-238의 붕괴 사슬 연구 중 프로트악티늄-234를 발견하고, 6.7 시간의 짧은 반감기를 갖는 이 새로운 원소에 브레븀(brevium, 라틴어의 짧다는 뜻의 brevis에서 왔음)이라는 이름을 붙였다.[15][16][17][18][19][20]
1917/18년, 독일의 오토 한과 리제 마이트너, 영국의 프레더릭 소디와 존 크랜스턴은 독자적으로 32,000년의 긴 반감기를 갖는 새로운 동위 원소 프로트악티늄-231를 발견하고, 프로토악티늄(protoactinium)이라는 이름을 붙였다. 이는 우라늄-235가 악티늄으로 붕괴하는 붕괴 사슬의 일부이기 때문이다.[4][19][21] 1949년, IUPAC은 발음의 편의를 위해 프로토악티늄을 프로트악티늄(protactinium)으로 이름을 바꾸었다.[39][23]
아리스티드 폰 그로세는 1927년 2밀리그램의 Pa2O5를 생산했고,[25] 1934년에는 처음으로 0.1밀리그램의 Pa2O5로부터 원소 상태의 프로탁티늄을 분리했다.[26] 그는 진공에서 35 keV 전자로 프로탁티늄 산화물을 조사하거나, 반 아르켈-더 보어 공정을 통해 산화물을 할로겐화물(염화물, 브롬화물 또는 요오드화물)로 변환한 다음 전기적으로 가열된 금속 필라멘트로 진공에서 환원하는 두 가지 방법을 사용했다.[39][27]
: 2 PaI5 → 2 Pa + 5 I2
1961년, 영국 원자력 에너지 당국(UKAEA)은 12단계 공정을 통해 60톤의 폐기물을 처리하여 99.9% 순도의 프로트악티늄-231 127그램을 생산했는데, 비용은 약 50만 달러였다.[39][40] 수년 동안 이것은 세계 유일의 중요한 프로탁티늄 공급원이었으며, 과학 연구를 위해 다양한 연구소에 제공되었다.[11] 미국의 오크리지 국립 연구소는 그램당 약 280달러의 비용으로 프로탁티늄을 제공했다.[28]
3. 동위원소
프로트악티늄(Protactinium)은 29가지의 동위원소가 존재가 확인되었지만, 안정 동위원소는 없으며 모두 방사성 동위원소이다. 자연에는 4가지의 동위원소가 존재하며, 가장 반감기가 긴 것은 프로트악티늄-231(231Pa)로 32,760년이다. 이 원소에는 두 가지의 핵 이성체 217mPa(반감기 1.15밀리초)와 234mPa(반감기 1.17분)가 존재한다.
가장 수명이 길고 풍부한 프로트악티늄 동위원소인 231Pa는 약 1 MeV를 초과하는 고속 중성자에 의해 핵분열될 수 있다.[30] 원자로에서 생성되는 다른 프로탁티늄 동위원소인 233Pa 또한 1 MeV의 핵분열 임계값을 갖는다.[31]
3. 1. 핵분열
가장 수명이 길고 풍부한 프로트악티늄 동위원소인 231Pa는 약 1 MeV를 초과하는 고속 중성자에 의해 핵분열될 수 있다.[30] 원자로에서 생성되는 다른 프로탁티늄 동위원소인 233Pa 또한 1 MeV의 핵분열 임계값을 갖는다.[31]4. 존재
프로트악티늄은 가장 희귀하고 값비싼 천연 원소 중 하나이다. 두 가지 주요 동위원소인 231Pa와 234Pa 형태로 존재하며, 234Pa 동위원소는 두 가지 다른 에너지 상태로 존재한다.[32] 거의 모든 천연 프로트악티늄은 프로트악티늄-231(231Pa)이다. 이것은 알파 붕괴체이며 우라늄-235의 붕괴로 생성되는 반면, 베타 방출성 프로트악티늄-234(234Pa)는 의 결과로 생성된다. 거의 모든 우라늄-238(99.8%)은 더 수명이 짧은 234mPa 이성질핵으로 먼저 붕괴된다.[32]
프로트악티늄은 우라니나이트(피치블렌드)에 약 0.3~3 ppm의 231Pa 농도로 존재한다.[11] 일반적인 함량은 0.3 ppm에 가깝지만[68] (야히모프, 체코[33]), 콩고 민주 공화국의 일부 광석에는 약 3 ppm이 포함되어 있다.[39] 프로트악티늄은 대부분의 천연 물질과 물에 균일하게 분산되어 있지만, 훨씬 더 낮은 농도인 1조분의 1 정도로 존재하며, 이는 0.1 피코큐리(pCi)/g의 방사능에 해당한다. 모래 토양 입자에는 같은 토양 샘플에 존재하는 물과 비교했을 때 약 500배 더 많은 프로트악티늄이 있다. 양토 토양과 벤토나이트와 같은 점토에서는 2,000 이상의 훨씬 더 높은 비율이 측정된다.[32][34]
두 가지 주요 프로탁티늄 동위원소인 231Pa와 233Pa는 토륨에서 원자로에서 생성된다. 232Th는 (n, 2n) 반응을 통해 231Th를 생성하며, 이는 빠르게 231Pa로 붕괴된다(반감기 25.5시간). 231Pa는 32,760년의 긴 반감기를 가지며 사용 후 핵연료의 장기적인 방사성 독성에 크게 기여한다.[36]
프로탁티늄-233(233Pa)은 232Th가 중성자를 포획할 때 생성된다. 이는 우라늄-233으로 추가적으로 붕괴되거나, 다른 중성자를 포획하여 핵분열이 일어나지 않는 우라늄-234로 전환된다.[35] 233Pa는 27일의 비교적 긴 반감기와 중성자 포획에 대한 높은 단면적(소위 "중성자 독")을 가지고 있다. 따라서 유용한 233U로 빠르게 붕괴되는 대신, 상당한 양의 233Pa가 핵분열이 일어나지 않는 동위원소로 전환되고 중성자를 소모하여 원자로 효율을 저하시킨다. 중성자 손실을 줄이기 위해, 233Pa는 토륨 용융염 원자로의 활성 영역에서 작동 중에 추출되어 233U로만 붕괴될 수 있도록 한다. 233Pa의 추출은 리튬이 용해된 용융 비스무트 기둥을 사용하여 수행된다. 리튬은 프로탁티늄 염을 프로탁티늄 금속으로 선택적으로 환원하며, 이는 용융염 순환에서 추출된다. 용융 비스무트는 271 °C의 낮은 융점, 낮은 증기압, 리튬 및 악티늄에 대한 좋은 용해도, 그리고 용융 할라이드와의 불혼합성 때문에 선택되었다.[36]
프로트악티늄은 우라늄 광석에 미량 존재하며, 우라늄 붕괴 시 극미량 생성된다.
5. 물리적, 화학적 성질
프로트악티늄은 주기율표에서 우라늄의 왼쪽, 토륨의 오른쪽에 위치한 악티늄족 원소이며, 많은 물리적 성질이 인접한 악티늄족 원소들 사이의 중간 값을 갖는다. 프로트악티늄은 토륨보다 밀도가 높고 더 단단하지만 우라늄보다는 가볍다. 녹는점은 토륨보다 낮지만 우라늄보다는 높다. 이 세 원소의 열팽창, 전기 전도도 및 열 전도도는 비슷하며 전이 후 금속의 전형적인 값을 갖는다. 프로트악티늄의 추정 전단 계수는 티타늄과 유사하다.[38] 프로트악티늄은 은회색 광택을 지닌 금속으로, 공기 중에서 어느 정도 시간 동안 광택을 유지한다.[39][40] 프로트악티늄은 산소, 수증기 및 산과 쉽게 반응하지만 알칼리와는 반응하지 않는다.[11]
상온에서 프로트악티늄은 체심 사방정계 구조로 결정화되는데, 이는 왜곡된 체심 입방 격자로 간주될 수 있다. 이 구조는 53 GPa까지의 압축에서 변하지 않는다. 약 1200 °C의 고온에서 냉각하면 면심 입방(fcc) 구조로 변한다.[37][41] 사방정계 상의 열팽창 계수는 상온에서 700 °C 사이에서 9.9×10-6/°C이다.[37]
프로트악티늄은 상자성이며, 어떤 온도에서도 알려진 자기적 전이가 없다.[42] 1.4 K 이하의 온도에서 초전도성을 나타낸다.[11][43] 사염화 프로트악티늄은 상온에서 상자성이지만 182 K로 냉각되면 강자성이 된다.[44]
프로트악티늄은 고체와 용액 모두에서 +4와 +5의 두 가지 주요 산화 상태를 갖는다. 그리고 일부 고체에서 +3과 +2 상태가 관찰되었다. 중성 원자의 전자 배열이 [Rn]5f26d17s2이므로, +5 산화 상태는 낮은 에너지(따라서 선호되는) 5f0 배열에 해당한다. +4와 +5 상태 모두 물에서 수산화물을 쉽게 형성하며, 주요 이온은 Pa(OH)3+, Pa(OH)22+, Pa(OH)3+, 그리고 Pa(OH)4이며, 모두 무색이다.[45] 다른 알려진 프로트악티늄 이온으로는 PaCl22+, PaSO42+, PaF3+, PaF22+, PaF6-, PaF72-, 그리고 PaF83-가 있다.[46][62]
6. 화합물
프로탁티늄은 +2, +4, +5의 산화 상태를 가지는 산화물을 형성한다. 가장 안정한 산화물은 백색의 오산화 프로탁티늄(V)(Pa₂O₅)이며, 이는 수산화 프로탁티늄(V)을 공기 중에서 500°C로 가열하여 생성할 수 있다.[54] Pa₂O₅의 결정 구조는 입방정계이며, 화학 조성은 비화학량론적(PaO₂.₂₅)인 경우가 많다. 사방정계 대칭을 갖는 Pa₂O₅도 보고되었다.[47][55] 흑색의 이산화 프로탁티늄(IV)(PaO₂)은 Pa₂O₅를 1550°C에서 수소로 환원시켜 얻는다. PaO₂는 묽거나 진한 질산, 염산, 황산에 잘 녹지 않지만 불산에는 쉽게 녹는다.[47] PaO₂는 산소를 포함하는 환경에서 1100°C로 가열하면 다시 Pa₂O₅로 전환된다.[55] 일산화 프로탁티늄(PaO)은 프로탁티늄 금속 표면의 얇은 코팅으로만 관찰되었을 뿐, 분리된 형태로는 관찰되지 않았다.[47]
프로탁티늄은 알칼리 금속(A)과 혼합 이원 산화물을 형성한다. 이 때, 결정은 APaO₃ (페로브스카이트 구조), A₃PaO₄ (왜곡된 암염 구조), A₇PaO₆ (산소 원자가 육방밀집구조 격자 형성) 등의 화학식을 갖는다. 이들 물질에서 프로탁티늄 이온은 모두 팔면체 배위를 갖는다.[56][57] Pa₂O₅는 희토류 금속 산화물(R₂O₃)과 결합하여 페로브스카이트 구조의 다양한 비화학량론적 혼합 산화물을 형성한다.[58]
프로탁티늄 산화물은 염기성이며, 수산화물로 쉽게 전환되고 황산염, 인산염, 질산염 등 다양한 염을 형성할 수 있다. 프로탁티늄 질산염은 일반적으로 흰색이지만 방사선 분해로 인해 갈색을 띨 수 있다.[71] 공기 중에서 질산염을 400°C로 가열하면 백색의 Pa₂O₅가 된다. 폴리트리옥소인산염(Pa(PO₃)₄)은 이플루오르화 황산염(PaF₂SO₄)을 인산(H₃PO₄)과 반응시켜 생성할 수 있다. Pa(PO₃)₄를 약 900°C로 가열하면 반응 부산물(불산, 삼산화황, 인산 무수물)이 제거된다. Pa(PO₃)₄를 더 높은 온도에서 가열하면 이인산염(PaP₂O₇)으로 분해된다. PaP₂O₇을 1400°C에서 공기 중에서 가열하면 인과 프로탁티늄의 오산화물로 분해된다.[52]
프로탁티늄(V) 플루오르화물은 흰색 결정이며, 프로탁티늄 이온이 오각 이중 피라미드 구조에서 다른 7개의 이온과 배위되어 있다. 프로탁티늄(V) 염화물도 같은 배위를 갖지만 노란색이다. 갈색의 프로탁티늄(V) 브롬화물은 배위가 팔면체로 바뀌지만, 프로탁티늄(V) 아이오다이드의 배위는 알려져 있지 않다. 모든 사할로겐화물에서 프로탁티늄의 배위수는 8이지만, 배열은 프로탁티늄(IV) 플루오르화물에서는 정방향 반프리즘형이고, 염화물과 브롬화물에서는 십이면체형이다. 갈색의 프로탁티늄(III) 아이오다이드가 보고되었는데, 여기서 프로탁티늄 이온은 이중 첨가 삼각 기둥 배열로 8배위된다.[59]
프로탁티늄(V) 플루오르화물과 프로탁티늄(V) 염화물은 단사정계의 중합체 구조를 갖는다. 하나의 중합체 사슬 내에서 모든 할로겐화물 원자는 흑연과 같은 평면에 위치하며 프로탁티늄 이온 주위에 평면 오각형을 형성한다. 프로탁티늄의 7배위는 5개의 할로겐화물 원자와 인접 사슬에 속하는 프로탁티늄 원자와의 2개의 결합에서 비롯된다. 이들 화합물은 물에서 쉽게 가수분해된다.[61] 프로탁티늄(V) 염화물은 300°C에서 녹고 더 낮은 온도에서 승화된다.
프로탁티늄(V) 플루오르화물은 약 600°C에서 프로탁티늄 산화물을 오플루오르화 브롬 또는 삼플루오르화 브롬과 반응시켜 제조할 수 있다. 프로탁티늄(IV) 플루오르화물은 600°C에서 산화물과 수소, 플루오르화 수소의 혼합물로부터 얻을 수 있으며, 반응에 산소가 유입되는 것을 막기 위해 과량의 수소가 필요하다.[47]
프로탁티늄(V) 염화물은 200~300°C에서 프로탁티늄 산화물을 사염화탄소와 반응시켜 제조한다.[47] 부산물(PaOCl₃ 등)은 분별 승화로 제거한다.[50] 프로탁티늄(V) 염화물을 약 800°C에서 수소로 환원시키면 프로탁티늄(IV) 염화물이 생성된다. 프로탁티늄(IV) 염화물은 진공에서 400°C에서 승화되는 황록색 고체이며, 400°C에서 사염화탄소로 프로탁티늄 이산화물을 처리하여 직접 얻을 수도 있다.[47]
프로탁티늄 브롬화물은 프로탁티늄 산화물에 브롬화 알루미늄, 브롬화 수소, 사브롬화탄소, 또는 브롬화 수소와 티오닐 브롬의 혼합물을 작용시켜 생성하거나, 프로탁티늄 펜타염화물을 브롬화 수소나 티오닐 브롬과 반응시켜 생성할 수 있다.[47] 프로탁티늄(V) 브롬화물은 두 가지 유사한 단사정계 형태를 갖는데, 하나는 400~410°C에서 승화시켜 얻고, 다른 하나는 390~400°C에서 승화시켜 얻는다.[60][51]
프로탁티늄 아이오다이드는 600°C에서 프로탁티늄 금속을 요오드 원소와 반응시키거나, 600°C에서 Pa₂O₅를 AlO₃와 반응시켜 생성할 수 있다.[47] 프로탁티늄(V) 아이오다이드를 진공에서 가열하면 프로탁티늄(III) 아이오다이드가 생성된다.[61] 프로탁티늄은 알칼리 금속과 혼합 할로겐화물을 형성하는데, 그 중 Na₃PaF₈은 프로탁티늄 이온이 8개의 F⁻ 이온으로 둘러싸여 완벽에 가까운 정육면체를 형성한다.[46]
더 복잡한 프로탁티늄 플루오르화물 (Pa₂F₉[61], MPaF₆ (M = Li, Na, K, Rb, Cs, NH₄), M₂PaF₇ (M = K, Rb, Cs, NH₄), M₃PaF₈ (M = Li, Na, Rb, Cs))도 알려져 있으며, 모두 백색 결정성 고체이다. MPaF₆는 MF와 PaF₅의 조합으로 나타낼 수 있다. 이들 화합물은 두 착물을 포함하는 불화수소산 용액을 증발시켜 얻을 수 있다. 작은 알칼리 양이온(Na 등)의 경우 결정 구조는 정방정계이지만, 큰 양이온(K⁺, Rb⁺, Cs⁺, NH₄⁺)의 경우 사방정계가 된다. M₂PaF₇ 플루오르화물에서도 비슷한 변화가 관찰되었는데, 결정 대칭은 양이온에 따라 달라져 Cs₂PaF₇과 M₂PaF₇ (M = K, Rb, NH₄)이 서로 다르다.[62]
프로탁티늄의 산화할로겐화물과 산화황화물이 알려져 있다. PaOBr₃는 이중 사슬 단위로 구성된 단사정계 구조를 가지며, 프로탁티늄은 배위수 7을 가지고 오각 이방추형으로 배열되어 있다. 사슬은 산소와 브롬 원자를 통해 서로 연결되어 있으며, 각 산소 원자는 세 개의 프로탁티늄 원자와 결합되어 있다.[60] PaOS는 담황색의 비휘발성 고체이며, 다른 악티늄족 산화황화물과 동형인 입방 결정 격자를 갖는다. PaOS는 900°C에서 프로탁티늄(V) 염화물을 황화수소와 이황화탄소 혼합물과 반응시켜 얻을 수 있다.[47]
수소화물과 질화물에서 프로탁티늄은 약 +3의 낮은 산화 상태를 보인다. 수소화물은 250°C에서 금속에 수소를 직접 작용시켜 얻으며, 질화물은 암모니아와 프로탁티늄 사염화물 또는 오염화물의 생성물이다. 이 밝은 황색 고체는 진공에서 800°C까지 열적으로 안정하다. 프로탁티늄 탄화물(PaC)은 약 1400°C에서 탄소 도가니에서 바륨으로 프로탁티늄 사불화물을 환원시켜 생성된다.[47] 프로탁티늄은 붕수소화물(Pa(BH₄)₄)을 형성하는데, 나선형 사슬을 가진 중합체 구조를 가지며 프로탁티늄 원자는 배위수 12를 갖고 여섯 개의 BH₄⁻ 이온으로 둘러싸여 있다.[63]
프로탁티늄(IV)는 4개의 사이클로펜타디에닐 고리가 배위된 사면체 착물인 테트라키스(사이클로펜타디에닐)프로탁티늄(IV)(Pa(C₅H₅)₄)을 형성하며, 이는 프로탁티늄(IV) 염화물을 용융된 Be(C₅H₅)₂와 반응시켜 합성할 수 있다. 하나의 고리는 할라이드 원자로 치환될 수 있다.[64] 금색을 띤 노란색의 유기금속 착물인 비스(π-사이클로옥타테트라엔)프로탁티늄(프로탁티노센, Pa(C₈H₈)₂)은 우라노센과 구조적으로 유사하며, 두 개의 사이클로옥타테트라엔 리간드 사이에 금속 원자가 위치한다. 프로탁티노센은 프로탁티늄 사염화물을 테트라히드로푸란에서 디포타슘 사이클로옥타테트라엔화물(K₂C₈H₈)과 반응시켜 제조할 수 있다.[53]
7. 제조
원자로가 등장하기 전에는 프로트악티늄을 우라니나이트 광석에서 분리하여 과학 실험에 사용하였다. 
:
프로트악티늄 금속은 1300~1400 °C의 온도에서 플루오르화물을 칼슘,[37] 리튬, 또는 바륨으로 환원시켜 제조할 수 있다.[43][47]
8. 용도
프로트악티늄은 희귀하고 방사능과 독성이 강해 현재 과학 연구 외에는 사용되지 않는다.[32]
우라늄-235의 붕괴로 자연 생성되는 프로트악티늄-231(231Pa)은 핵반응로에서 232Th + n → 231Th + 2n 반응과 231Th의 베타 붕괴를 통해 인공적으로 만들 수 있다. 한때 핵 연쇄 반응을 일으켜 핵무기 제조에 사용될 수 있다고 생각되었으나,[65] 231Pa의 임계성 가능성은 배제되었다.[30][66]
고감도 질량 분석기 덕분에 231Pa를 지질학과 고해양학에서 추적자로 사용할 수 있게 되었다. 프로트악티늄-231과 토륨-230의 비율을 통해 최대 17만 년 된 퇴적물의 방사성 동위원소 연대 측정과 광물 형성을 모델링한다.[68] 해양 퇴적물 평가는 마지막 빙하기 빙하 해빙 동안 북대서양 수괴 이동 재구성에 기여했다.[67] 우라늄, 프로트악티늄, 토륨 등 우라늄 붕괴 사슬의 장수명 원소들의 상대 농도 분석에 기반한 연대 측정법도 있다. 이 원소들은 6, 5, 4개의 원자가 전자를 가져 +6, +5, +4 산화 상태를 선호하며, 서로 다른 물리, 화학적 특성을 보인다. 토륨과 프로트악티늄은 수용액에 잘 녹지 않고 침전되며, 토륨의 침전 속도가 더 빠르다. 프로트악티늄-231(반감기 32,760년)과 토륨-230(반감기 75,380년) 농도 분석은 단일 동위원소 측정보다 정확도를 높인다. 이 방법은 동위원소 분포 불균일성과 침전 속도 변화에 덜 민감하다.[68][69]
9. 인체 독성
프로트악티늄은 독성이 있고 방사능이 매우 강하기 때문에, 전적으로 밀폐된 글러브 박스에서 취급한다.[32] 주요 동위원소인 231Pa는 그램당 0.048 Ci(1.8 GBq)의 비활동도를 가지며, 주로 5 MeV 에너지의 알파 입자를 방출하는데, 이는 어떤 물질의 얇은 층으로도 차단될 수 있다. 그러나 32,760년의 반감기를 가지고 서서히 227Ac로 붕괴되는데, 227Ac는 그램당 74 Ci (2,700 GBq)의 비활동도를 가지며, 알파와 베타 방사선을 모두 방출하고, 22년이라는 훨씬 짧은 반감기를 가진다. 227Ac는 다시 더 짧은 반감기와 훨씬 더 높은 비활동도를 가진 더 가벼운 동위원소로 붕괴된다.[32]
| 동위원소 | 231Pa | 227Ac | 227Th | 223Ra | 219Rn | 215Po | 211Pb | 211Bi | 207Tl |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 비활동도 (Ci/g) | 0.048 | 73 | 3.1×104 | 5.2×104 | 1.3×1010 | 3×1013 | 2.5×107 | 4.2×108 | 1.9×108 |
| 붕괴 | α | α, β | α | α | α | α | β | α, β | β |
| 반감기 | 33 ka | 22 a | 19일 | 11일 | 4초 | 1.8 ms | 36분 | 2.1분 | 4.8분 |
프로트악티늄은 대부분의 천연 제품과 물질에 소량 존재하기 때문에, 음식이나 물을 통해 섭취되고 공기를 통해 흡입된다. 섭취된 프로트악티늄의 약 0.05%만 혈액에 흡수되고 나머지는 배설된다. 혈액으로부터 프로트악티늄의 약 40%는 뼈에 축적되고, 약 15%는 간으로, 2%는 신장으로 이동하며, 나머지는 체외로 배출된다. 프로트악티늄의 생물학적 반감기는 뼈에서는 약 50년인 반면, 다른 장기에서는 빠른 및 느린 성분을 가진다. 예를 들어, 간에 있는 프로트악티늄의 70%는 10일의 생물학적 반감기를 가지며, 나머지 30%는 60일의 반감기를 가진다. 신장에 대한 해당 값은 20%(10일)과 80%(60일)이다. 각 영향을 받는 장기에서 프로트악티늄은 방사능을 통해 암을 유발한다.[32][71] 인체 내 프로트악티늄의 최대 안전 복용량은 0.03 µCi (1.1 kBq)이며, 이는 0.5 마이크로그램의 231Pa에 해당한다.[70] 독일에서 허용되는 231Pa의 최대 공기 중 농도는 3×10-4 Bq/m3이다.[71]
프로트악티늄은 강한 방사능과 맹독성을 지니고 있으며, 플루토늄의 알파선과 동등한 강한 발암성을 지닌다.
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