عنصر البروتكتينيوم هو عبارة عن عنصر كيميائي في الجدول الدوري برمز Pa ورقم ذري يساوي 91، كما ويصنف على أنه الأكتينيدات، والبروتكتينيوم هو عبارة عن مادة صلبة في درجة حرارة الغرفة.
اكتشاف عنصر البروتكتينيوم
اسم البروتكتينيوم مشتق من البروتوس اليوناني (الأول) الذي يسبق عنصر الأكتينيوم، وذلك لأن نظيره الأكثر شيوعًا هو النظير (231-Pa) يتحلل إلى النظير (227-Ac) بفقدان جسيم ألفا.
في عام 1913 ميلادي، حدد الكيميائيان الألمان حدد (K. فاجانز و يا هان جوهرينج) النظير الأول للبروتكتينيوم النظير (231-Pa) مع عمر نصف أطول 3.25 (1) × 10^4، ولقد تم تحديده في عام 1918 ميلادي من قبل الكيميائي الألماني يا هان والفيزيائي النمساوي لام مايتنر، وبشكل مستقل في بريطانيا من قبل ف.سودي وجيه.أ.كرانستون.
لقد تم التعرف على البروتكتينيوم لأول مرة بواسطة قاسمير فجان وأوه. جورينج في عام 1913 ميلادي أثناء دراسة سلسلة اضمحلال عنصر اليورانيوم، أن النظير المعين الذي وجدوه هو نظير البروتكتينيوم 234، وله عمر نصف يبلغ حوالي 1.17 دقيقة، أطلقوا على العنصر اسم البريفيوم بمعنى موجز ثم تابعوا دراستهم.
لقد تم تأكيد وجود عنصر البروتكتينيوم في عام 1918 ميلادي عندما تم اكتشاف ودراسة نظير آخر وهو نظير البروتكتينيوم 231 بشكل مستقل من قبل مجموعتين من العلماء أوتو هان وليز مايتنر من ألمانيا وفريدريك سودي وجون كرانستون من بريطانيا العظمى.
لقد تم عزل عنصر البروتكتينيوم لأول مرة بواسطة أريستيد جروس في عام 1934 ميلادي، حيث يعتبر البروتكتينيوم عنصرًا نادرًا وسامًا ومكلفًا موجودًا في خامات اليورانيوم بكميات صغيرة جدًا، وفي عام 1961 ميلادي، تمكنت هيئة الطاقة الذرية في بريطانيا العظمى من إنتاج 125 جرامًا من البروتكتينيوم النقي بنسبة 99.9٪، على الرغم من أنه كان عليهم معالجة حوالي 55000 كيلوجرام من الخام وإنفاق حوالي 500000 دولار للحصول عليه.
إن من أكثر نظائر البروتكتينيوم ثباتًا هو نظير البروتكتينيوم 231، له عمر نصف يبلغ حوالي 32760 عامًا، إذ يتحلل إلى نظير الأكتينيوم 227 من خلال عملية اضمحلال ألفا. في عام 1871 ميلادي تنبأ ديمتري مندلي بوجود عنصر بين عنصر الثوريوم وعنصر اليورانيوم، وفي عام 1900 ميلادي قام ويليام كروكس بعملية عزل البروتكتينيوم من اليورانيوم، حيث كانت مادة مشعة بشكل مكثف ومع ذلك لم يستطع وصفها كعنصر كيميائي جديد وبالتالي أطلق عليها اسم اليورانيوم X.
في عام 1913 ميلادي تم اكتشاف أول نظير للعنصر وهو نظير 91 وهو النظير (234-Pa) ولقد كان عضوًا قصير العمر جدًا في سلسلة اضمحلال النظير (238-U) والتي تحدث بشكل طبيعي وعلى هذا النحو أطلقوا عليها اسم “البريفيوم”، وفي عام 1917/18 ميلادي اكتشفت مجموعتان من العلماء وهما أوتو هان وليز مايتنر من ألمانيا وفريدريك سودي وجون كرانستون من بريطانيا العظمى بشكل مستقل نظيرًا آخر للبروتكتينيوم وهو النظير (231-Pa، له نصف عمر أطول بكثير يبلغ حوالي 32000 سنة.
لقد تم تغيير الاسم إلى بروتو أكتينيوم باعتباره أكثر اتساقًا مع الخصائص الأطول عمراً لأكثر النظائر وفرة، وفي عام 1927 ميلادي، أعد جروس 2 ملغ من مسحوق أبيض، والذي تبين أنه عبارة عن أكسيد البروتكتينيوم (Pa2O5)، وفي عام 1934 ميلادي تم عزل العنصر من 0.1 جم من (Pa2O5) النقي بطريقتين إحداهما كانت عن طريق تحويل الأكسيد إلى يوديد و “تكسيره” في فراغ عالي بواسطة خيوط مسخنة كهربائياً عن طريق التفاعل: (2PaI5> 2Pa + 5I2).
في عام 1949 ميلادي، اختصر الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية اسم البروتوكتينيوم الذي أطلق عليه رسميًا اسم البروتكتينيوم وأكد أن هان ومايتنر هما مكتشفان مشاركان، والاسم الجديد يعني “والد الأكتينيوم” ويعكس حقيقة أن الأكتينيوم هو نتاج عملية اضمحلال من التحلل الإشعاعي للبروتكتينيوم.
معلومات عامة عن البروتكتينيوم
معدن البروتكتينيوم هو عبارة عن مادة كثيفة رمادية فضية ذات بريق معدني لامع يحتفظ بها لبعض الوقت في الهواء، ولكنها تتفاعل بسهولة مع الأكسجين وبخار الماء والأحماض غير العضوية لتكوين مركبات مختلفة.
في المركبات الصلبة يكون البروتكتينيوم أكثر استقرارًا في حالة الأكسدة +5، ولكنه موجود أيضًا في حالات الأكسدة +4 و +3 و +2، وفي المحلول تتحلل الحالة +5 بسرعة عن طريق الدمج مع أيونات الهيدروكسيد لتكوين مواد صلبة من أكسيد الهيدروكسي قابلة للذوبان أو غير قابلة للذوبان والتي تميل إلى الالتصاق بأسطح الأوعية التي تحتوي عليها، يُعرف عدد من مركبات البروتكتينيوم وبعضها ملون، كما أن العنصر فائق التوصيل أقل من 1.4 كيلو.
بسبب ندرة عنصر البروتكتينيوم وكلا من نشاطه الإشعاعي المرتفع وسميته المرتفعة، فإنه لا توجد حاليًا أي استعمالات للعنصر بعيدا نطاق البحث العلمي الرئيسي، ولهذا الغرض فإنه يتم استخراج البروتكتينيوم بشكل عام من الوقود النووي المستهلك. يعد عنصر البروتكتينيوم أحد أندر العناصر الطبيعية كما أنها أكثرها تكلفة، وعادة ما يكون متوسط تركيزات البروتكتينيوم في قشرة الأرض في حدود بضعة أجزاء لكل تريليون، ولكن قد يصل إلى بضعة أجزاء في المليون في بعض رواسب خام اليورانيت.
يظهر العنصر في بيتشبلند في حدود حوالي 1 جزء من النظير (231-Pa) إلى 10 ملايين جزء من الخام، والخامات من زائير لديها حوالي ما يقارب 3 جزء في المليون. في عامي 1959 ميلادي و 1961 ميلادي أُعلن أن هيئة الطاقة الذرية البريطانية استخرجت ما يقارب 125 جرامًا من 99.9٪ من البروتكتينيوم عن طريق عملية مكونة من 12 مرحلة، وهو يعد المخزون الوحيد في العالم من المعدن لسنوات عديدة بعد ذلك، كما تم الاستخراج من 60 طنا من النفايات بتكلفة حوالي 500000 دولار.
لقد تم اكتشاف تسعة وعشرين نظيرا مشعا من عنصر البروتكتينيوم، وتقريبا كل البروتكتينيوم الموجود طبيعيا هو عبارة عن النظير (231-Pa) مع نصف عمر يساوي 32700 سنة، كما إنه باعث ألفا ويتكون من خلال عملية اضمحلال نظير اليورانيوم 235، بينما ينتج بيتا نظير بروتكتينيوم 234 بنصف عمر 6.74 ساعة نتيجة لعملية اضمحلال نظير اليورانيوم 238.
يتحلل كل نظير اليورانيوم 238 تقريبًا (99.8٪) أولاً إلى أيزومر (234mPa ) ثم إلى ( 234Pa)، كما وتحدث كميات ضئيلة من أيزومر نووي قصير العمر (Pa-234m) في سلسلة اضمحلال نظير اليورانيوم 238، وينتج نظير البروتكتينيوم 233 عن طريق عملية اضمحلال الثوريوم 233 كجزء من سلسلة الأحداث المستخدمة لإنتاج اليورانيوم 233 عن طريق عملية التشعيع النيوتروني للثوريوم 232.
النظير (231-Pa) هو عبارة عن نظير مشع طبيعي ينتج عن عملية اضمحلال ألفا من نظير (235-U) إلى النظير (231-Th)، يليه انبعاث بيتا لتكوين النظير (231-Pa).
على الرغم من أن سلوكه في البيئة كعضو عابر في سلسلة اضمحلال السلسلة U قد يكون معقدًا، فقد تم استخدام قياسات ونمذجة النظير (231-Pa) فيما يتعلق بنظائر اليورانيوم والثوريوم في مجموعة متنوعة من التطبيقات الجيولوجية الزمنية على نطاقات زمنية من 103 إلى 105 سنة، وتشمل الدراسات حركة الكتل والجسيمات المائية في المحيطات ومعدلات ذوبان الصهارة والحركة تحت البراكين وأعمار الرواسب المعدنية الكربونية بما في ذلك الشعاب المرجانية فيما يتعلق بتغير المناخ.
