प्रोटैक्टिनियम

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प्रोटैक्टिनियम (Protactinium) एक रासायनिक तत्व है; इसका रासायनिक प्रतीक Pa और परमाणु क्रमांक 91 है। यह एक सघन, रेडियोधर्मी, चांदी-धूसर रंग की एक्टिनाइड धातु है जो ऑक्सीजन, जल वाष्प और अकार्बनिक अम्लों के साथ आसानी से अभिक्रिया करती है। यह विभिन्न रासायनिक यौगिक बनाता है, जिनमें प्रोटैक्टिनियम आमतौर पर +5 ऑक्सीकरण अवस्था में मौजूद होता है, लेकिन यह +4 और कभी-कभी +3 या +2 अवस्थाएं भी ग्रहण कर सकता है। पृथ्वी की पपड़ी में प्रोटैक्टिनियम की सांद्रता आमतौर पर कुछ भाग प्रति ट्रिलियन होती है, लेकिन कुछ यूरेनाइट अयस्क भंडारों में यह कुछ भाग प्रति मिलियन तक पहुंच सकती है। अपनी दुर्लभता, उच्च रेडियोधर्मिता और उच्च विषाक्तता के कारण, वर्तमान में वैज्ञानिक अनुसंधान के बाहर प्रोटैक्टिनियम का कोई उपयोग नहीं है, और इस उद्देश्य के लिए, प्रोटैक्टिनियम को ज्यादातर व्ययित परमाणु ईंधन (spent nuclear fuel) से निकाला जाता है। यह एकमात्र अत्यधिक रेडियोधर्मी[1] मोनोन्यूक्लिडिक तत्व भी है जो मोनोआइसोटोपिक नहीं है, और यह लगभग विशेष रूप से यूरेनियम-235 के क्षय के माध्यम से उत्पन्न होता है।

इस तत्व की पहचान सबसे पहले 1913 में काज़िमिएर्ज़ फ़जन्स (Kazimierz Fajans) और ओसवाल्ड हेल्मुथ गोहरिंग (Oswald Helmuth Göhring) द्वारा की गई थी और इसका नाम "ब्रेवियम" (brevium) रखा गया था क्योंकि अध्ययन किए गए विशिष्ट समस्थानिक, 234mPa, की अर्ध-आयु बहुत कम थी। प्रोटैक्टिनियम का एक अधिक स्थिर समस्थानिक, 231Pa, 1917/18 में लीज़ माइट्नर (Lise Meitner) द्वारा ओटो हाह्न (Otto Hahn) के सहयोग से खोजा गया था, और उन्होंने इस तत्व का नाम प्रोटैक्टिनियम रखा।[2] 1949 में, IUPAC ने "प्रोटैक्टिनियम" नाम चुना और हाह्न तथा माइट्नर को इसके खोजकर्ता के रूप में पुष्टि की। नए नाम का अर्थ था "एक्टिनियम का (परमाणु) अग्रदूत,"[3] जो यह दर्शाता है कि एक्टिनियम, प्रोटैक्टिनियम के रेडियोधर्मी क्षय का एक उत्पाद है। जॉन अर्नोल्ड क्रैंस्टन (जिन्होंने फ्रेडरिक सोडी और एडा हिचिन्स के साथ काम किया) को भी 1915 में सबसे स्थिर समस्थानिक की खोज का श्रेय दिया जाता है, लेकिन प्रथम विश्व युद्ध में सेवा के लिए बुलाए जाने के कारण उन्होंने अपनी घोषणा में देरी की।[4]

प्रोटैक्टिनियम का सबसे लंबे समय तक जीवित रहने वाला और सबसे प्रचुर (लगभग 100%) प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला समस्थानिक, 231Pa, की अर्ध-आयु 32,760 वर्ष है और यह यूरेनियम-235 की क्षय श्रृंखला में पाया जाता है। यूरेनियम-238 की क्षय श्रृंखला में अल्पकालिक 234Pa और इसके परमाणु समावयवी 234mPa की बहुत कम मात्रा पाई जाती है। 233Pa, 232Th के न्यूट्रॉन विकिरण द्वारा यूरेनियम-233 के उत्पादन के लिए आवश्यक घटनाओं की श्रृंखला के हिस्से के रूप में थोरियम-233 के क्षय के परिणामस्वरूप उत्पन्न होता है। यह थोरियम-आधारित परमाणु रिएक्टरों में एक अवांछित मध्यवर्ती उत्पाद है, और इसलिए प्रजनन प्रक्रिया के दौरान इसे रिएक्टर के सक्रिय क्षेत्र से हटा दिया जाता है। महासागर विज्ञान इस तत्व का उपयोग प्राचीन महासागर के भूगोल को समझने के लिए करता है: पानी और खनिजों में विभिन्न यूरेनियम, थोरियम और प्रोटैक्टिनियम समस्थानिकों की सापेक्ष सांद्रता का विश्लेषण 175,000 वर्ष पुराने अवसादों की रेडियोमेट्रिक डेटिंग और विभिन्न भूवैज्ञानिक प्रक्रियाओं के मॉडलिंग में किया जाता है।[5]

प्रोटैक्टिनियम गैर-आदिम तत्वों के बीच असामान्य है क्योंकि इसका प्राकृतिक समस्थानिक संयोजन विशिष्ट स्थलीय नमूनों में अत्यधिक समान है, क्योंकि अनिवार्य रूप से सभी प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले प्रोटैक्टिनियम 231Pa हैं, जो केवल एक ही मार्ग (अर्थात, आदिम 235U के क्षय से) के माध्यम से उत्पन्न होते हैं।

इतिहास

दिमित्री मेंडेलीव की 1871 की आवर्त सारणी, जिसमें थोरियम और यूरेनियम के बीच नीचे की पंक्ति में प्रोटैक्टिनियम के लिए एक खाली स्थान है

1871 में, दिमित्री मेंडेलीव ने थोरियम और यूरेनियम के बीच एक तत्व के अस्तित्व की भविष्यवाणी की थी।[6] उस समय एक्टिनाइड श्रृंखला अज्ञात थी, इसलिए मेंडेलीव ने यूरेनियम को टंगस्टन के नीचे समूह VI में, और थोरियम को जिरकोनियम के नीचे समूह IV में रखा, जिससे टैंटलम के नीचे समूह V में स्थान खाली रह गया। 1940 के दशक के अंत में एक्टिनाइड अवधारणा की सामान्य स्वीकृति तक, आवर्त सारणी इसी संरचना के साथ प्रकाशित की जाती थी।[7] लंबे समय तक, रसायनज्ञों ने एका-टैंटलम[note 1] को टैंटलम के समान रासायनिक गुणों वाले तत्व के रूप में खोजा, जिससे प्रोटैक्टिनियम की खोज लगभग असंभव हो गई। टैंटलम का भारी एनालॉग बाद में ट्रांसयूरेनिक तत्व डबनियम पाया गया – हालांकि डबनियम रासायनिक रूप से टैंटलम के बजाय प्रोटैक्टिनियम के अधिक समान है।[8]

1900 में, विलियम क्रुक्स ने यूरेनियम से प्रोटैक्टिनियम को एक अत्यधिक रेडियोधर्मी सामग्री के रूप में अलग किया; हालाँकि, वह इसे एक नए रासायनिक तत्व के रूप में चित्रित नहीं कर सके और इसलिए इसे यूरेनियम X (UX) नाम दिया।[6][9][10] क्रुक्स ने यूरेनियम नाइट्रेट को ईथर में घोला, और अवशिष्ट जलीय चरण में अधिकांश 234 और 234 शामिल थे। उनकी विधि का उपयोग 1950 के दशक तक यूरेनियम यौगिकों से 234 और 234 को अलग करने के लिए किया जाता था।[11] प्रोटैक्टिनियम की पहचान सबसे पहले 1913 में हुई थी, जब कासिमिर फ़जन्स और ओसवाल्ड हेल्मुथ गोहरिंग ने यूरेनियम-238 की क्षय श्रृंखला के अपने अध्ययन के दौरान समस्थानिक 234mPa का सामना किया: 238 → 234 → 234m → 234। उन्होंने नए तत्व का नाम "ब्रेवियम" (लैटिन शब्द brevis से, जिसका अर्थ संक्षिप्त या छोटा है) रखा क्योंकि 234m (यूरेनियम X2) की 1.16 मिनट की अल्प अर्ध-आयु थी।[12][13][14][15][16][17] 1917-18 में, वैज्ञानिकों के दो समूहों, जर्मनी के ओटो हाह्न के सहयोग से लीज़ माइट्नर और ग्रेट ब्रिटेन के फ्रेडरिक सोडी और जॉन क्रैंस्टन ने स्वतंत्र रूप से एक और समस्थानिक, 231Pa की खोज की, जिसकी अर्ध-आयु 32,760 वर्ष थी।[2][16][18] माइट्नर ने "ब्रेवियम" नाम बदलकर प्रोटैक्टिनियम कर दिया क्योंकि नया तत्व यूरेनियम-235 की क्षय श्रृंखला का हिस्सा था और एक्टिनियम का जनक था (ग्रीक πρῶτος prôtos से, जिसका अर्थ है "पहला, पहले")।[19] IUPAC ने 1949 में इस नामकरण की पुष्टि की।[20][21] प्रोटैक्टिनियम की खोज ने आवर्त सारणी के शुरुआती संस्करणों में अंतिम अंतरालों में से एक को पूरा किया, और संबंधित वैज्ञानिकों को प्रसिद्धि दिलाई।[22]

एरिस्टिड वॉन ग्रॉस (Aristid von Grosse) ने 1927 में 2 मिलीग्राम Pa2O5 का उत्पादन किया,[23] और 1934 में पहली बार 0.1 मिलीग्राम Pa2O5 से मौलिक प्रोटैक्टिनियम को अलग किया।[24] उन्होंने दो अलग-अलग प्रक्रियाओं का उपयोग किया: पहली में, प्रोटैक्टिनियम ऑक्साइड को निर्वात में 35 keV इलेक्ट्रॉनों द्वारा विकिरणित किया गया। दूसरी में, जिसे वैन अर्केल-डी बोअर प्रक्रिया कहा जाता है, ऑक्साइड को रासायनिक रूप से एक हैलाइड (क्लोराइड, ब्रोमाइड या आयोडाइड) में परिवर्तित किया गया और फिर विद्युत रूप से गर्म फिलामेंट के साथ निर्वात में अपचयित किया गया:[20][25]

2 PaI5 → 2 Pa + 5 I2

1961 में, यूनाइटेड किंगडम एटॉमिक एनर्जी अथॉरिटी (UKAEA) ने 12-चरणीय प्रक्रिया में 60 टन अपशिष्ट सामग्री को संसाधित करके 99.9% शुद्ध प्रोटैक्टिनियम-231 के 127 ग्राम का उत्पादन किया, जिसकी लागत लगभग 500,000 अमेरिकी डॉलर थी।[20][26] कई वर्षों तक, यह प्रोटैक्टिनियम की दुनिया की एकमात्र महत्वपूर्ण आपूर्ति थी, जो वैज्ञानिक अध्ययनों के लिए विभिन्न प्रयोगशालाओं को प्रदान की गई थी।[6] अमेरिका में ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी ने लगभग 280 अमेरिकी डॉलर प्रति ग्राम की लागत पर प्रोटैक्टिनियम प्रदान किया।[27]

समस्थानिक

मुख्य लेख: Isotopes of protactinium

प्रोटैक्टिनियम के तीस रेडियोआइसोटोप खोजे गए हैं, जो 210Pa से 239Pa तक हैं।[28]ref सबसे स्थिर 231Pa है जिसकी अर्ध-आयु 32,650 वर्ष है, 233Pa जिसकी अर्ध-आयु 26.975 दिन है, और 230Pa जिसकी अर्ध-आयु 17.4 दिन है। अन्य सभी समस्थानिकों की अर्ध-आयु 1.6 दिन से कम है, और इनमें से अधिकांश की अर्ध-आयु 1.8 सेकंड से कम है। प्रोटैक्टिनियम के छह परमाणु समावयवी भी हैं, जिनमें सबसे स्थिर 234mPa (अर्ध-आयु 1.159 मिनट) है।ref

सबसे स्थिर समस्थानिक 231Pa और हल्के समस्थानिकों (210Pa[28] से 227Pa) के लिए प्राथमिक क्षय विधा अल्फा क्षय है, जो एक्टिनियम के समस्थानिक उत्पन्न करता है। 228Pa से 230Pa के लिए प्राथमिक क्षय विधा इलेक्ट्रॉन प्रग्रहण या बीटा प्लस क्षय है, जो थोरियम के समस्थानिक उत्पन्न करता है, जबकि भारी समस्थानिकों (232Pa से 239Pa) के लिए प्राथमिक क्षय विधा बीटा क्षय है, जो यूरेनियम के समस्थानिक उत्पन्न करता है।ref

परमाणु विखंडन

सबसे लंबे समय तक जीवित रहने वाला और सबसे प्रचुर समस्थानिक, 231Pa, ~1 MeV से अधिक के फास्ट न्यूट्रॉन से विखंडित हो सकता है।[29] 233Pa, परमाणु रिएक्टरों में उत्पादित प्रोटैक्टिनियम का दूसरा समस्थानिक, का भी विखंडन थ्रेशोल्ड 1 MeV है।[30]

प्राप्ति

प्रोटैक्टिनियम सबसे दुर्लभ और सबसे महंगे प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले तत्वों में से एक है। यह दो समस्थानिकों, 231Pa और 234Pa के रूप में पाया जाता है, जिसमें समस्थानिक 234Pa दो अलग-अलग ऊर्जा अवस्थाओं में होता है। लगभग सभी प्राकृतिक प्रोटैक्टिनियम 231Pa है। यह एक अल्फा उत्सर्जक है और यूरेनियम-235 के क्षय से बनता है, जबकि बीटा-विकिरण करने वाला 234Pa यूरेनियम-238 क्षय के परिणामस्वरूप उत्पन्न होता है। लगभग सभी यूरेनियम-238 (99.8%) पहले अल्पकालिक 234mPa समावयवी में क्षयित होते हैं।[31]

प्रोटैक्टिनियम यूरेनाइट (पिचब्लेंड) में अयस्क के प्रति मिलियन भागों (ppm) में लगभग 0.3–3 भाग 231Pa की सांद्रता में पाया जाता है।[6] जबकि सामान्य सामग्री 0.3 ppm के करीब होती है[32] (उदाहरण के लिए जैक्यमोव, चेक गणराज्य में[33]), कांगो लोकतांत्रिक गणराज्य के कुछ अयस्कों में लगभग 3 ppm होता है।[20] प्रोटैक्टिनियम अधिकांश प्राकृतिक सामग्रियों और पानी में समान रूप से फैला हुआ है, लेकिन बहुत कम सांद्रता में, प्रति ट्रिलियन एक भाग के क्रम में, जो 0.1 पिकोक्यूरी (pCi)/g की रेडियोधर्मिता के अनुरूप है। रेतीली मिट्टी के कणों में पानी की तुलना में लगभग 500 गुना अधिक प्रोटैक्टिनियम होता है, तब भी जब मिट्टी के उसी नमूने में मौजूद पानी की तुलना की जाती है। दोमट मिट्टी और मिट्टी (जैसे बेंटोनाइट) में 2,000 और उससे अधिक के बहुत उच्च अनुपात मापे जाते हैं।[31][34]

परमाणु रिएक्टरों में

दो प्रमुख प्रोटैक्टिनियम समस्थानिक, 231Pa और 233Pa, परमाणु रिएक्टरों में थोरियम से उत्पन्न होते हैं; दोनों अवांछनीय हैं और आमतौर पर हटा दिए जाते हैं, जिससे रिएक्टर डिजाइन और संचालन में जटिलता बढ़ जाती है। विशेष रूप से, 232Th, (n, 2n) अभिक्रियाओं के माध्यम से, 231Th उत्पन्न करता है, जो जल्दी से 231Pa (अर्ध-आयु 25.5 घंटे) में क्षयित हो जाता है। अंतिम समस्थानिक, हालांकि ट्रांसयूरेनिक अपशिष्ट नहीं है, की अर्ध-आयु 32,760 वर्ष है, और यह व्ययित परमाणु ईंधन की दीर्घकालिक रेडियोटॉक्सिसिटी में एक प्रमुख योगदानकर्ता है।[35]

प्रोटैक्टिनियम-233, 232Th द्वारा न्यूट्रॉन प्रग्रहण पर बनता है। यह या तो 233U में क्षयित हो जाता है, या एक और न्यूट्रॉन प्रग्रहण करता है और गैर-विखंडनीय 234U में परिवर्तित हो जाता है।[36] 233Pa की अर्ध-आयु अपेक्षाकृत लंबी 27 दिन है और न्यूट्रॉन प्रग्रहण के लिए उच्च अनुप्रस्थ काट (तथाकथित "न्यूट्रॉन जहर") है। इस प्रकार, उपयोगी 233U में तेजी से क्षय होने के बजाय, 233Pa का एक महत्वपूर्ण हिस्सा गैर-विखंडनीय समस्थानिकों में परिवर्तित हो जाता है और न्यूट्रॉन की खपत करता है, जिससे रिएक्टर दक्षता कम हो जाती है। न्यूट्रॉन के नुकसान को सीमित करने के लिए, 233Pa को उनके संचालन के दौरान थोरियम पिघले हुए नमक रिएक्टरों के सक्रिय क्षेत्र से निकाला जाता है, ताकि यह केवल 233U में क्षय हो सके। 233Pa का निष्कर्षण इसमें घुले हुए लिथियम के साथ पिघले हुए बिस्मथ के स्तंभों का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है। संक्षेप में, लिथियम चुनिंदा रूप से प्रोटैक्टिनियम लवणों को प्रोटैक्टिनियम धातु में अपचयित करता है, जिसे फिर पिघले हुए नमक चक्र से निकाला जाता है, जबकि पिघला हुआ बिस्मथ केवल एक वाहक है, जिसे इसके 271 °C के कम गलनांक, कम वाष्प दबाव, लिथियम और एक्टिनाइड्स के लिए अच्छी घुलनशीलता, और पिघले हुए हैलाइडों के साथ अमिश्रणीयता के कारण चुना गया है।[35]

तैयारी

प्रोटैक्टिनियम यूरेनाइट अयस्कों में पाया जाता है।

परमाणु रिएक्टरों के आगमन से पहले, प्रोटैक्टिनियम को यूरेनियम अयस्कों से वैज्ञानिक प्रयोगों के लिए अलग किया जाता था। चूंकि रिएक्टर अधिक सामान्य हो गए हैं, यह ज्यादातर थोरियम पर न्यूट्रॉन प्रग्रहण का एक मध्यवर्ती उत्पाद है, जिसका उपयोग विखंडनीय 233U के उत्पादन के लिए किया जाता है:

A90232A2902232Th+A01A2021n⟶A90233A2902233Th→22.3 minβA−A91233A2912233Pa→26.975 dβA−A92233A2922233U⋅

समस्थानिक 231Pa को 230Th को धीमे न्यूट्रॉन के साथ विकिरणित करके तैयार किया जा सकता है, जो इसे बीटा-क्षयकारी 231Th में परिवर्तित करता है; या, 232Th को फास्ट न्यूट्रॉन के साथ विकिरणित करके, (एक उत्पाद के रूप में) 231Th और 2 न्यूट्रॉन उत्पन्न किए जा सकते हैं।

प्रोटैक्टिनियम धातु को 1300–1400 °C के तापमान पर कैल्शियम,[37] लिथियम, या बेरियम के साथ इसके फ्लोराइड के अपचयन द्वारा तैयार किया गया है।[38][39]

गुण

प्रोटैक्टिनियम यूरेनियम के बाईं ओर और थोरियम के दाईं ओर आवर्त सारणी में स्थित एक एक्टिनाइड है, और इसके कई भौतिक गुण इसके पड़ोसी एक्टिनाइड्स के बीच के हैं। प्रोटैक्टिनियम थोरियम की तुलना में सघन और अधिक कठोर है, लेकिन यूरेनियम से हल्का है; इसका गलनांक थोरियम से कम, लेकिन यूरेनियम से अधिक है। इन तीन तत्वों का तापीय विस्तार, विद्युत और तापीय चालकता तुलनीय है और पश्च-संक्रमण धातुों के विशिष्ट हैं। प्रोटैक्टिनियम का अनुमानित कतरनी मापांक (shear modulus) टाइटेनियम के समान है।[40] प्रोटैक्टिनियम चांदी-धूसर चमक वाली एक धातु है जो हवा में कुछ समय के लिए संरक्षित रहती है।[20][26] प्रोटैक्टिनियम आसानी से ऑक्सीजन, जल वाष्प और अम्लों के साथ अभिक्रिया करता है, लेकिन क्षार के साथ नहीं।[6]

कमरे के तापमान पर, प्रोटैक्टिनियम बॉडी-सेंटर्ड टेट्रागोनल संरचना में क्रिस्टलीकृत होता है, जिसे विकृत बॉडी-सेंटर्ड क्यूबिक जाली के रूप में माना जा सकता है; यह संरचना 53 GPa तक संपीड़न पर नहीं बदलती है। उच्च तापमान से ठंडा होने पर, लगभग 1200 °C पर संरचना फेस-सेंटर्ड क्यूबिक (fcc) में बदल जाती है।[37][41] कमरे के तापमान और 700 °C के बीच टेट्रागोनल चरण का तापीय विस्तार गुणांक 9.9-6/°C है।[37]

प्रोटैक्टिनियम अनुचुंबकीय (paramagnetic) है और किसी भी तापमान पर इसके लिए कोई चुंबकीय संक्रमण ज्ञात नहीं है।[42] यह 1.4 K से नीचे के तापमान पर अतिचालक (superconductive) हो जाता है।[6][38] प्रोटैक्टिनियम टेट्राक्लोराइड कमरे के तापमान पर अनुचुंबकीय है, लेकिन 182 K तक ठंडा होने पर लौहचुंबकीय (ferromagnetic) हो जाता है।[43]

प्रोटैक्टिनियम दो प्रमुख ऑक्सीकरण अवस्थाओं में मौजूद है: +4 और +5, ठोस और विलयन दोनों में; और +3 और +2 अवस्थाएं, जिन्हें कुछ ठोस पदार्थों में देखा गया है। चूंकि तटस्थ परमाणु का इलेक्ट्रॉन विन्यास [Rn]5f26d17s2 है, +5 ऑक्सीकरण अवस्था कम-ऊर्जा (और इसलिए पसंदीदा) 5f0 विन्यास के अनुरूप है। +4 और +5 दोनों अवस्थाएं पानी में आसानी से हाइड्रॉक्साइड बनाती हैं, जिसमें प्रमुख आयन Pa(OH)3+, Pa(OH)22+, Pa(OH)3+, और Pa(OH)4 हैं, जो सभी रंगहीन हैं।[44] अन्य ज्ञात प्रोटैक्टिनियम आयनों में PaOF2+, PaOF2+, PaF6-, PaF72-, PaF83-, PaOSO4+, PaO(SO4)2-, PaO(SO4)33-, PaOCl52-, और PaCl6- शामिल हैं।[45][46][47][48]

रासायनिक यौगिक

मुख्य लेख: Protactinium compounds
सूत्र रंग सममिति स्पेस ग्रुप संख्या पियर्सन प्रतीक a (pm) b (pm) c (pm) Z घनत्व (g/cm3)
Pa चांदी जैसा-धूसर टेट्रागोनल I4/mmm 139 tI2 392.5 392.5 323.8 2 15.37
PaO रॉकसॉल्ट[39] Fm3m 225 cF8 496.1 4 13.44
PaO2 काला fcc[39] Fm3m 225 cF12 550.5 4 10.47
Pa2O5 सफेद Fm3m[39] 225 cF16 547.6 547.6 547.6 4 10.96
Pa2O5 सफेद ऑर्थोरोम्बिक[39] 692 402 418
PaH3 काला क्यूबिक[39] Pm3n 223 cP32 664.8 664.8 664.8 8 10.58
PaF4 भूरा-लाल मोनोक्लिनिक[39] C2/c 15 mS60 2
PaCl4 हरा-पीला टेट्रागोनल[49] I41/amd 141 tI20 837.7 837.7 748.1 4 4.72
PaBr4 भूरा टेट्रागोनल[50][51] I41/amd 141 tI20 882.4 882.4 795.7
PaCl5 पीला मोनोक्लिनिक[52] C2/c 15 mS24 797 1135 836 4 3.74
PaBr5 लाल मोनोक्लिनिक[51][53] P21/c 14 mP24 838.5 1120.5 1214.6 4 4.98
PaOBr3 मोनोक्लिनिक[51] C2 1691.1 387.1 933.4
Pa(PO3)4 ऑर्थोरोम्बिक[54] 696.9 895.9 1500.9
Pa2P2O7 क्यूबिक[54] Pa3 865 865 865
Pa(C8H8)2 सुनहरा-पीला मोनोक्लिनिक[55] 709 875 1062

यहाँ, a, b, और c पिकोमीटर में जाली स्थिरांक (lattice constants) हैं, No स्पेस ग्रुप संख्या है, और Z प्रति यूनिट सेल फॉर्मूला इकाइयों की संख्या है; fcc का अर्थ फेस-सेंटर्ड क्यूबिक सममिति है। घनत्व को सीधे मापा नहीं गया था, बल्कि जाली मापदंडों से गणना की गई थी।

ऑक्साइड और ऑक्सीजन युक्त लवण

प्रोटैक्टिनियम ऑक्साइड धातु की +2, +4, और +5 ऑक्सीकरण अवस्थाओं के लिए जाने जाते हैं। सबसे स्थिर सफेद पेंटाऑक्साइड Pa2O5 है, जिसे 500 °C के तापमान पर हवा में प्रोटैक्टिनियम(V) हाइड्रॉक्साइड को गर्म करके (igniting) तैयार किया जा सकता है।[56] इसकी क्रिस्टल संरचना क्यूबिक होती है, और रासायनिक संरचना अक्सर गैर-स्टोइकियोमेट्रिक होती है, जिसे PaO2.25 के रूप में वर्णित किया जाता है। इस ऑक्साइड के ऑर्थोरोम्बिक सममिति वाले एक अन्य चरण की भी सूचना मिली है।[39][57] काला डाइऑक्साइड PaO2 पेंटाऑक्साइड को 1550 °C पर हाइड्रोजन के साथ अपचयित (reducing) करके प्राप्त किया जाता है। यह तनु या सांद्र नाइट्रिक, हाइड्रोक्लोरिक, या सल्फ्यूरिक एसिड में आसानी से घुलनशील नहीं है, लेकिन हाइड्रोफ्लोरिक एसिड में आसानी से घुल जाता है।[39] डाइऑक्साइड को ऑक्सीजन युक्त वातावरण में 1100 °C तक गर्म करके वापस पेंटाऑक्साइड में बदला जा सकता है।[57] मोनोऑक्साइड PaO को केवल प्रोटैक्टिनियम धातु पर एक पतली परत के रूप में देखा गया है, न कि पृथक थोक रूप में।[39]

प्रोटैक्टिनियम विभिन्न धातुओं के साथ मिश्रित बाइनरी ऑक्साइड बनाता है। क्षार धातुओं A के साथ, क्रिस्टल का रासायनिक सूत्र APaO3 और पेरोव्स्काइट संरचना; A3PaO4 और विकृत रॉक-सॉल्ट संरचना; या A7PaO6 होता है, जहाँ ऑक्सीजन परमाणु एक हेक्सागोनल क्लोज-पैक्ड जाली बनाते हैं। इन सभी सामग्रियों में, प्रोटैक्टिनियम आयन ऑक्टाहेड्रली समन्वित (octahedrally coordinated) होते हैं।[58][59] पेंटाऑक्साइड Pa2O5 दुर्लभ-मृदा धातु ऑक्साइड R2O3 के साथ मिलकर विभिन्न गैर-स्टोइकियोमेट्रिक मिश्रित-ऑक्साइड बनाता है, जो पेरोव्स्काइट संरचना के भी होते हैं।[60]

प्रोटैक्टिनियम ऑक्साइड क्षारीय होते हैं; वे आसानी से हाइड्रॉक्साइड में परिवर्तित हो जाते हैं और विभिन्न लवण बना सकते हैं, जैसे कि सल्फेट, फॉस्फेट, नाइट्रेट, आदि। नाइट्रेट आमतौर पर सफेद होता है लेकिन रेडियोलिटिक अपघटन के कारण भूरा हो सकता है। हवा में नाइट्रेट को 400 °C पर गर्म करने से यह सफेद प्रोटैक्टिनियम पेंटाऑक्साइड में बदल जाता है।[61] पॉलीट्रायोफॉस्फेट Pa(PO3)4 को अक्रिय वातावरण में डिफ्लुओराइड सल्फेट PaF2SO4 की फॉस्फोरिक एसिड (H3PO4) के साथ प्रतिक्रिया कराकर उत्पादित किया जा सकता है। उत्पाद को लगभग 900 °C तक गर्म करने से प्रतिक्रिया के उप-उत्पाद निकल जाते हैं, जिनमें हाइड्रोफ्लोरिक एसिड, सल्फर ट्राइऑक्साइड, और फॉस्फोरिक एनहाइड्राइड शामिल हैं। इसे अक्रिय वातावरण में उच्च तापमान पर गर्म करने से Pa(PO3)4 का अपघटन डाइफॉस्फेट PaP2O7 में हो जाता है, जो अन्य एक्टिनाइड्स के डाइफॉस्फेट के समान है। डाइफॉस्फेट में, PO3 समूह C2v सममिति के पिरामिड बनाते हैं। PaP2O7 को हवा में 1400 °C तक गर्म करने से यह फास्फोरस और प्रोटैक्टिनियम के पेंटाऑक्साइड में अपघटित हो जाता है।[54]

हैलाइड

प्रोटैक्टिनियम(V) फ्लोराइड एक सफेद यौगिक है जो टेट्रागोनल क्रिस्टल बनाता है, जो β-UF5 के आइसोमोर्फिक है।[62] प्रोटैक्टिनियम(V) क्लोराइड पीले क्रिस्टल बनाता है जहाँ प्रोटैक्टिनियम आयन पेंटागोनल बाइपिरामिड में व्यवस्थित होते हैं और 7 अन्य आयनों द्वारा समन्वित होते हैं। भूरे प्रोटैक्टिनियम(V) ब्रोमाइड में समन्वय ऑक्टाहेड्रल में बदल जाता है, लेकिन प्रोटैक्टिनियम(V) आयोडाइड के लिए यह अज्ञात है। इसके सभी टेट्राहलाइड्स में प्रोटैक्टिनियम का समन्वय 8 है, लेकिन प्रोटैक्टिनियम(IV) फ्लोराइड में व्यवस्था स्क्वायर एंटीप्रिज्मैटिक और क्लोराइड और ब्रोमाइड में डोडेकाहेड्रल है। भूरे रंग के प्रोटैक्टिनियम(III) आयोडाइड की सूचना मिली है, जहाँ प्रोटैक्टिनियम आयन बिकैप्ड ट्राइगोनल प्रिजमैटिक व्यवस्था में 8-समन्वित होते हैं।[63]

प्रोटैक्टिनियम(V) क्लोराइड में प्रोटैक्टिनियम (ठोस वृत्त) और क्लोरीन परमाणुओं (खुले वृत्त) का समन्वय।

प्रोटैक्टिनियम(V) क्लोराइड की मोनोक्लिनिक सममिति की एक बहुलक (polymeric) संरचना होती है।[64] वहाँ, एक बहुलक श्रृंखला के भीतर, सभी क्लोरीन परमाणु एक ग्रेफाइट-जैसे तल में स्थित होते हैं और प्रोटैक्टिनियम आयनों के चारों ओर समतलीय पेंटागन बनाते हैं। प्रोटैक्टिनियम का 7-समन्वय पांच क्लोरीन परमाणुओं और पास की श्रृंखलाओं से संबंधित प्रोटैक्टिनियम परमाणुओं के दो बंधनों से उत्पन्न होता है। यह पानी में आसानी से हाइड्रोलाइज हो जाता है।[65] यह 300 °C पर पिघलता है और इससे भी कम तापमान पर उर्ध्वपातित (sublimates) हो जाता है।

प्रोटैक्टिनियम(V) फ्लोराइड को प्रोटैक्टिनियम ऑक्साइड की लगभग 600 °C पर ब्रोमीन पेंटाफ्लोराइड या ब्रोमीन ट्राइफ्लोराइड के साथ प्रतिक्रिया कराकर तैयार किया जा सकता है, और प्रोटैक्टिनियम(IV) फ्लोराइड को 600 °C पर ऑक्साइड और हाइड्रोजन तथा हाइड्रोजन फ्लोराइड के मिश्रण से प्राप्त किया जाता है; प्रतिक्रिया में वायुमंडलीय ऑक्सीजन के रिसाव को हटाने के लिए हाइड्रोजन की बड़ी अधिकता की आवश्यकता होती है।[39]

प्रोटैक्टिनियम(V) क्लोराइड को 200–300 °C के तापमान पर प्रोटैक्टिनियम ऑक्साइड की कार्बन टेट्राक्लोराइड के साथ प्रतिक्रिया कराकर तैयार किया जाता है।[39] उप-उत्पादों (जैसे PaOCl3) को आंशिक उर्ध्वपातन द्वारा हटा दिया जाता है।[52] लगभग 800 °C पर हाइड्रोजन के साथ प्रोटैक्टिनियम(V) क्लोराइड का अपचयन प्रोटैक्टिनियम(IV) क्लोराइड देता है – एक पीला-हरा ठोस जो 400 °C पर वैक्यूम में उर्ध्वपातित होता है। इसे 400 °C पर कार्बन टेट्राक्लोराइड के साथ उपचारित करके सीधे प्रोटैक्टिनियम डाइऑक्साइड से भी प्राप्त किया जा सकता है।[39]

प्रोटैक्टिनियम ब्रोमाइड का उत्पादन प्रोटैक्टिनियम ऑक्साइड पर एल्युमीनियम ब्रोमाइड, हाइड्रोजन ब्रोमाइड, कार्बन टेट्राब्रोमाइड, या हाइड्रोजन ब्रोमाइड और थायोनिल ब्रोमाइड के मिश्रण की क्रिया द्वारा किया जाता है। उन्हें वैकल्पिक रूप से प्रोटैक्टिनियम पेंटाक्लोराइड की हाइड्रोजन ब्रोमाइड या थायोनिल ब्रोमाइड के साथ प्रतिक्रिया कराकर उत्पादित किया जा सकता है।[39] प्रोटैक्टिनियम(V) ब्रोमाइड के दो समान मोनोक्लिनिक रूप हैं: एक 400–410 °C पर उर्ध्वपातन द्वारा प्राप्त किया जाता है, और दूसरा 390–400 °C के थोड़े कम तापमान पर उर्ध्वपातन द्वारा।[51][53]

प्रोटैक्टिनियम आयोडाइड का उत्पादन 600 °C पर प्रोटैक्टिनियम धातु की मौलिक आयोडीन के साथ प्रतिक्रिया कराकर, और उच्च तापमान पर Pa2O5 की AlI3 के साथ प्रतिक्रिया कराकर किया जा सकता है।[39] प्रोटैक्टिनियम(III) आयोडाइड को वैक्यूम में प्रोटैक्टिनियम(V) आयोडाइड को गर्म करके प्राप्त किया जा सकता है। ऑक्साइड की तरह, प्रोटैक्टिनियम क्षार धातुओं के साथ मिश्रित हैलाइड बनाता है। इनमें सबसे उल्लेखनीय Na3PaF8 है, जहाँ प्रोटैक्टिनियम आयन सममित रूप से 8 F− आयनों से घिरा होता है, जो एक लगभग पूर्ण क्यूब बनाता है।[66]

अधिक जटिल प्रोटैक्टिनियम फ्लोराइड भी ज्ञात हैं, जैसे Pa2F9[65] और MPaF6 (M = Li, Na, K, Rb, Cs या NH4), M2PaF7 (M = K, Rb, Cs या NH4), और M3PaF8 (M = Li, Na, Rb, Cs) प्रकार के टर्नरी फ्लोराइड, जो सभी सफेद क्रिस्टलीय ठोस हैं। MPaF6 सूत्र को MF और PaF5 के संयोजन के रूप में दर्शाया जा सकता है। इन यौगिकों को दोनों परिसरों (complexes) वाले हाइड्रोफ्लोरिक एसिड समाधान को वाष्पित करके प्राप्त किया जा सकता है। Na जैसे छोटे क्षार धनायनों के लिए, क्रिस्टल संरचना टेट्रागोनल होती है, जबकि बड़े धनायनों K+, Rb+, Cs+ या NH4+ के लिए यह ऑर्थोरोम्बिक हो जाती है। M2PaF7 फ्लोराइड के लिए भी इसी तरह का बदलाव देखा गया: अर्थात्, क्रिस्टल सममिति धनायन पर निर्भर थी और Cs2PaF7 तथा M2PaF7 (M = K, Rb या NH4) के लिए भिन्न थी।[46]

अन्य अकार्बनिक यौगिक

प्रोटैक्टिनियम के ऑक्सीहैलाइड और ऑक्सीसल्फाइड ज्ञात हैं। PaOBr3 की एक मोनोक्लिनिक संरचना होती है जो दोहरी-श्रृंखला इकाइयों से बनी होती है जहाँ प्रोटैक्टिनियम का समन्वय 7 होता है और यह पेंटागोनल बाइपिरामिड में व्यवस्थित होता है। श्रृंखलाएं ऑक्सीजन और ब्रोमीन परमाणुओं के माध्यम से आपस में जुड़ी होती हैं, और प्रत्येक ऑक्सीजन परमाणु तीन प्रोटैक्टिनियम परमाणुओं से संबंधित होता है।[51] PaOS एक हल्के-पीले रंग का, गैर-वाष्पशील ठोस है जिसकी क्यूबिक क्रिस्टल जाली अन्य एक्टिनाइड ऑक्सीसल्फाइड के समान होती है। इसे 900 °C पर हाइड्रोजन सल्फाइड और कार्बन डाइसल्फाइड के मिश्रण के साथ प्रोटैक्टिनियम(V) क्लोराइड की प्रतिक्रिया कराकर प्राप्त किया जाता है।[39]

हाइड्राइड और नाइट्राइड में, प्रोटैक्टिनियम की ऑक्सीकरण अवस्था लगभग +3 होती है। हाइड्राइड 250 °C पर धातु पर हाइड्रोजन की सीधी क्रिया द्वारा प्राप्त किया जाता है, और नाइट्राइड अमोनिया और प्रोटैक्टिनियम टेट्राक्लोराइड या पेंटाक्लोराइड का उत्पाद है। यह चमकीला पीला ठोस वैक्यूम में 800 °C तक तापीय रूप से स्थिर रहता है। प्रोटैक्टिनियम कार्बाइड (PaC) का निर्माण लगभग 1400 °C के तापमान पर कार्बन क्रूसिबल में बेरियम के साथ प्रोटैक्टिनियम टेट्राफ्लोराइड के अपचयन द्वारा होता है।[39] प्रोटैक्टिनियम बोरोहाइड्राइड बनाता है, जिसमें Pa(BH4)4 शामिल है। इसकी एक असामान्य बहुलक संरचना होती है जिसमें पेचदार (helical) श्रृंखलाएं होती हैं, जहाँ प्रोटैक्टिनियम परमाणु की समन्वय संख्या 14 होती है और यह छह BH4− आयनों से घिरा होता है।[67]

ऑर्गेनोमेटैलिक यौगिक

प्रोटैक्टिनोसीन (Pa(C8H8)2) अणु की प्रस्तावित संरचना

प्रोटैक्टिनियम(IV) चार साइक्लोपेंटाडिएनिल रिंगों के साथ एक टेट्राहेड्रल कॉम्प्लेक्स टेट्राकिस(साइक्लोपेंटाडिएनिल)प्रोटैक्टिनियम(IV) (या Pa(C5H5)4) बनाता है, जिसे प्रोटैक्टिनियम(IV) क्लोराइड की Be(C5H5)2 के साथ प्रतिक्रिया कराकर संश्लेषित किया जा सकता है। एक रिंग को हैलाइड परमाणु के साथ प्रतिस्थापित किया जा सकता है।[68] एक अन्य ऑर्गेनोमेटैलिक कॉम्प्लेक्स सुनहरा-पीला बिस(π-साइक्लोऑक्टाटेट्राईन) प्रोटैक्टिनियम, या प्रोटैक्टिनोसीन (Pa(C8H8)2) है, जो संरचना में यूरेनोसीन के समान है। वहाँ, धातु परमाणु दो साइक्लोऑक्टाटेट्राईन लिगेंड्स के बीच सैंडविच होता है। यूरेनोसीन के समान, इसे टेट्राहाइड्रोफ्यूरान में प्रोटैक्टिनियम टेट्राक्लोराइड की डाइपोटेशियम साइक्लोऑक्टाटेट्राएनाइड (K2C8H8) के साथ प्रतिक्रिया कराकर तैयार किया जा सकता है।[55]

अनुप्रयोग

हालाँकि प्रोटैक्टिनियम आवर्त सारणी में यूरेनियम और थोरियम के बीच स्थित है, जिनमें से दोनों के अनेक अनुप्रयोग हैं, लेकिन इसकी दुर्लभता, उच्च रेडियोधर्मिता और उच्च विषाक्तता के कारण वैज्ञानिक अनुसंधान के बाहर प्रोटैक्टिनियम का वर्तमान में कोई उपयोग नहीं है।[31]

231Pa प्राकृतिक 235U के क्षय से स्वाभाविक रूप से उत्पन्न होता है, और परमाणु रिएक्टरों में 232Th + n → 231Th + 2n की प्रतिक्रिया और उसके बाद 231Th के बीटा क्षय द्वारा कृत्रिम रूप से उत्पन्न होता है। कभी यह माना जाता था कि यह एक परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया का समर्थन कर सकता है, जिसका उपयोग सिद्धांत रूप में परमाणु हथियारों के निर्माण के लिए किया जा सकता है; भौतिक विज्ञानी 3=Walter_Seifritz ने एक बार संबंधित क्रांतिक द्रव्यमान का अनुमान 750 ± 180 kg लगाया था।[69] हालाँकि, 231Pa की क्रांतिकता (criticality) की संभावना को तब से खारिज कर दिया गया है।[29][70]

अत्यधिक संवेदनशील मास स्पेक्ट्रोमीटर के आगमन के साथ, भूविज्ञान और पेलियोओशनोग्राफी में एक ट्रेसर के रूप में 231Pa का अनुप्रयोग संभव हो गया है। इस अनुप्रयोग में, 175,000 वर्ष पुराने तलछटों की रेडियोमेट्रिक डेटिंग के लिए और खनिजों के निर्माण के मॉडलिंग में 231Pa से 230Th के अनुपात का उपयोग किया जाता है।[32] विशेष रूप से, समुद्री तलछटों में इसके मूल्यांकन ने हिमयुग के ग्लेशियरों के अंतिम पिघलने के दौरान उत्तरी अटलांटिक जल निकायों की गतिविधियों को पुनर्गठित करने में मदद की।[71] कुछ प्रोटैक्टिनियम-संबंधित डेटिंग विविधताएं यूरेनियम क्षय श्रृंखला के कई लंबे समय तक जीवित रहने वाले सदस्यों - उदाहरण के लिए, यूरेनियम, प्रोटैक्टिनियम और थोरियम - की सापेक्ष सांद्रता के विश्लेषण पर निर्भर करती हैं। इन तत्वों में क्रमशः 6, 5, और 4 वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं, इस प्रकार ये क्रमशः +6, +5, और +4 ऑक्सीकरण अवस्थाओं का पक्ष लेते हैं, और अलग-अलग भौतिक और रासायनिक गुण प्रदर्शित करते हैं। थोरियम और प्रोटैक्टिनियम, लेकिन यूरेनियम यौगिक नहीं, जलीय घोल में खराब घुलनशील होते हैं और तलछट में अवक्षेपित (precipitate) हो जाते हैं; अवक्षेपण दर प्रोटैक्टिनियम की तुलना में थोरियम के लिए तेज है। प्रोटैक्टिनियम-231 (अर्ध-आयु 32,760 वर्ष) और 230Th (अर्ध-आयु 75,380 वर्ष) दोनों के लिए सांद्रता विश्लेषण केवल एक आइसोटोप को मापने की तुलना में माप सटीकता में सुधार करता है; यह द्वि-आइसोटोप विधि आइसोटोप के स्थानिक वितरण में असमानताओं और उनकी अवक्षेपण दर में भिन्नता के प्रति भी कम संवेदनशील है।[32][72]

सावधानियां

प्रोटैक्टिनियम विषाक्त और अत्यधिक रेडियोधर्मी दोनों है; इसलिए, इसे विशेष रूप से एक सीलबंद ग्लव बॉक्स में संभाला जाता है। इसके प्रमुख आइसोटोप 231Pa की विशिष्ट गतिविधि प्रति ग्राम 0.048 Ci है और यह मुख्य रूप से अल्फा कण उत्सर्जित करता है, जिसे किसी भी सामग्री की एक पतली परत द्वारा रोका जा सकता है। हालाँकि, यह धीरे-धीरे 227Ac में क्षय हो जाता है, और फिर अधिक तीव्र एक्टिनियम श्रृंखला का अनुसरण करता है, जिससे इसकी कुल गतिविधि (अल्फा, बीटा, और गामा) उस आंकड़े से अधिक हो जाती है जिसकी गणना कोई करेगा।

चूंकि प्रोटैक्टिनियम अधिकांश प्राकृतिक उत्पादों और सामग्रियों में कम मात्रा में मौजूद होता है, इसलिए इसे भोजन या पानी के साथ निगला जाता है और हवा के साथ अंदर लिया जाता है। निगले गए प्रोटैक्टिनियम का केवल लगभग 0.05% ही रक्त में अवशोषित होता है और शेष उत्सर्जित हो जाता है। रक्त से, लगभग 40% प्रोटैक्टिनियम हड्डियों में जमा हो जाता है, लगभग 15% यकृत (liver) में, 2% गुर्दे (kidneys) में, और बाकी शरीर से बाहर निकल जाता है। हड्डियों में प्रोटैक्टिनियम की जैविक अर्ध-आयु लगभग 50 वर्ष है, जबकि अन्य अंगों में इसकी जैविक अर्ध-आयु का एक तेज और धीमा घटक होता है। उदाहरण के लिए, यकृत में 70% प्रोटैक्टिनियम की जैविक अर्ध-आयु 10 दिन है, और शेष 30% की 60 दिन है। गुर्दे के लिए संबंधित मान 20% (10 दिन) और 80% (60 दिन) हैं। प्रत्येक प्रभावित अंग में, प्रोटैक्टिनियम अपनी रेडियोधर्मिता के माध्यम से कैंसर को बढ़ावा देता है।[31][61] मानव शरीर में अनुमत Pa की अधिकतम मात्रा 0.03 µCi है, जो 0.5 माइक्रोग्राम 231Pa के बराबर है।[73] जर्मनी में हवा में 231Pa की अधिकतम अनुमत सांद्रता 3×10^-4 Bq/m3 है।[61]

इन्हें भी देखें

  • Ada Hitchins, जिन्होंने तत्व प्रोटैक्टिनियम की खोज में सोडी (Soddy) की मदद की थी

नोट्स

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ग्रंथसूची

बाहरी कड़ियाँ

protactinium

स्रोत: अंग्रेज़ी विकिपीडिया के "Protactinium" लेख पर आधारित। मूल लेख: https://en.wikipedia.org/wiki/Protactinium यह लेख स्वचालित रूप से तैयार किया गया है।

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