Protactinium – Steckbrief

Stellung im Periodensystem

Zum ganzen Periodensystem

Vorkommen und Gewinnung

Protactinium kommt in der Natur nur in Spuren vor. Es entsteht in der Zerfallsreihe von Uran-235, und sein wichtigstes Isotop, Protactinium-231, hat eine Halbwertszeit von mehr als dreißigtausend Jahren. In Uranerzen steckt davon weniger als ein Gramm je Tonne Erz. Eine Gewinnung aus Erzen lohnt sich kaum.

Die Entdeckung verlief in zwei Schritten. Fajans und Göhring fanden 1913 ein sehr kurzlebiges Isotop, dessen Halbwertszeit nur gut eine Minute beträgt, und nannten das Element Brevium, vom lateinischen brevis für kurz. Das langlebige Protactinium-231 wiesen erst 1917 und 1918 Otto Hahn und Lise Meitner in Berlin nach, unabhängig davon auch Frederick Soddy und John Cranston in Großbritannien. Hahn und Meitner gaben den Namen Protactinium, abgeleitet von griechisch protos für zuerst. Er sagt aus, dass das Element dem Actinium im Zerfall vorausgeht: Protactinium-231 wandelt sich in Actinium-227 um.

Das reine Metall stellte man erst Jahrzehnte später her. Noch in den 1960er-Jahren gewann man aus vielen Tonnen von Rückständen der Uranverarbeitung nur gut hundert Gramm. Wer Protactinium braucht, bezieht sehr kleine Mengen aus Spezialeinrichtungen.

Eigenschaften und Reaktionen

Protactinium steht in Periode 7 und ist das dritte Actinoid, in der Tabelle in der Actinoiden-Zeile zwischen Thorium links und Uran rechts. Das Atom hat die Elektronenkonfiguration [Rn] 5f² 6d¹ 7s². Hinzu kommen eine Elektronegativität von 1,5 und ein Atomradius von 180 pm. Die Dichte beträgt 15,37 g/cm³, der Schmelzpunkt 1572 °C. Einen Siedepunkt hat man bisher nicht bestimmt. Als Atommasse gilt 231,036 u, die Masse von Protactinium-231.

Protactinium ist ein glänzendes, silbrig graues Metall, das an der Luft eine Zeit lang seinen Glanz behält. Chemisch tritt es meist mit der Oxidationszahl plus fünf auf, seltener plus vier. Eine Besonderheit ist sein Verhalten in Lösung: Protactinium neigt dazu, sich als feine Teilchen abzuscheiden und an Gefäßwänden zu haften. Das erschwert die chemische Untersuchung und macht das Element zu einem der am schwierigsten zu handhabenden.

Protactinium-231 ist ein Alphastrahler, und seine Zerfallsprodukte, darunter Actinium-227, strahlen ebenfalls. Gelangt Protactinium in den Körper, lagert es sich in Knochen, Leber und Nieren ab und bestrahlt das Gewebe über lange Zeit. Wegen der Strahlung gilt es als hochgiftig, auch wenn über die chemische Giftigkeit wenig bekannt ist. Man arbeitet damit nur in dicht abgeschlossenen Handschuhkästen von Fachleuten.

Forschung und Herstellung

Eine Verwendung außerhalb der Forschung gibt es nicht. Die geringen Mengen und die Gefährlichkeit machen das Element für die Technik uninteressant. Man stellt Protactinium-231 nur für Messungen und für chemische Studien bereit.

Wichtig ist es in der Geowissenschaft. Im Meerwasser entsteht Protactinium-231 aus gelöstem Uran-235 und Thorium-230 aus Uran-234. Thorium haftet leichter an absinkenden Teilchen als Protactinium. Das Verhältnis der beiden Isotope in Meeressedimenten verrät deshalb, wie stark Meeresströmungen Protactinium wegtransportierten. Aus dem Verhältnis erschließen Forschende, wie kräftig die Umwälzung des Atlantiks in vergangenen Eiszeiten und Warmzeiten war. Aus dem Zerfall des überschüssigen Protactinium-231 lässt sich zudem das Alter junger Sedimentschichten abschätzen. Das trägt zum Verständnis des Klimas der Vergangenheit bei.

Auch in der Kerntechnik taucht das Element auf. In Reaktoren mit Thorium entsteht zunächst Protactinium-233, das mit rund 27 Tagen Halbwertszeit zu spaltbarem Uran-233 zerfällt. Es ist deshalb ein Zwischenprodukt dieses Brennstoffkreislaufs.

Kurz gefragt

Welche Ordnungszahl hat Protactinium (Pa)?

Häufige Fragen