镤

镤（protactinium；旧译鎃），是一种化学元素，其化学符号为镤，原子序数为91，原子量为231.03588u，属于锕系元素，具有放射性。镤是银灰色、密度高的金属，容易与氧、水蒸汽和无机酸反应。镤在化合物中的氧化态主要是+5，但也存在+4和更加罕见的+3及+2氧化态。

镤于1913年由卡西米尔·法扬斯和奥斯瓦尔德·格林发现，并将其命名为brevium，字源为拉丁文brevis（短暂），因为当时发现的镤同位素234mPa的半衰期很短。1917至1918年间，莉泽·迈特纳和奥托·哈恩共同发现了一种更稳定的镤同位素231Pa，因此将该元素更名为protoactinium，因为231Pa是锕同位素227Ac的母同位素。同一时期，弗雷德里克·索迪、约翰·A·克兰斯顿、爱达·希钦斯也独立发现了231Pa。

镤寿命最长且最主要的天然同位素为235U的衰变产物231Pa，半衰期为32650年，远短于地球的年龄，因此所有原始核素的镤元素，也就是在地球形成时可能存在的镤，至今都已全部衰变殆尽。现今镤在自然界中主要作为铀的衰变产物在铀矿中微量生成，含量非常稀少，在地壳中的平均浓度通常为兆分之一，但在一些晶质铀矿的矿床中可能达到百万分之一。由于天然铀矿中的镤含量非常稀少，作为提取来源并不实际，因此目前研究用的镤主要是从用过核燃料中提取。镤在海洋学中有所应用，水与矿物中钍、镤、铀的相对丰度可用于沉积物的放射性定年法，以及模拟各种地理过程。

## 历史

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早在1871年，德米特里·门得列夫便预测钍和铀之间有未知元素的存在，并在周期表中预留了位置。由于当时锕系元素的概念还没有被提出，所以在1871年版的门得列夫周期表的排序方式中，钍位于第Ⅳ族、锆之下，铀位于第Ⅵ族、钨之下，并在第V族的钽下方的位置留空，将未知元素暂时命名为eka-钽（即钽下方一格的元素）。这样的编排方式一直持续到接受锕系理论的1940年代末，并造成很长一段时间内化学家们都在积极寻找与钽性质相似的新元素，从而几乎不可能发现镤。钽下方的元素实际上为人造元素𬭊，但之后的研究发现比起钽，𬭊的性质更像镤。

1900年，威廉·克鲁克斯用乙醚溶解硝酸铀酰（UO2(NO3)2·6H2O），分离出一种强放射性物质，但无法确定它是否为新的化学元素，将其命名为铀X。在他的实验中，硝酸铀酰的结晶水会产生水相，溶解铀衰变而来的234Th、234Pa、234mPa。该过程至今仍用于从铀化合物中分离这些核素。

镤发现于1913年，当时卡西米尔·法扬斯和奥斯瓦尔德·格林发现铀衰变链中的铀X其实是两种元素，分别为铀X1（即今天的234Th）与铀X2（即今天的234mPa）。他们发现铀X2能与水合五氧化二钽共沉淀，确认它就是eka-钽。由于铀X2的半衰期只有短短的1.1分钟，因此他们将新元素命名为brevium，字源为拉丁文brevis，意为短暂。

1917至1918年间，奥托·哈恩和莉泽·迈特纳发现镤更稳定的同位素231Pa，半衰期长达32650年。他们将91号元素名称从brevium变更为protoactinium，字源为πρῶτος（意为首先、之前）与actinium（锕）的结合，因为231Pa在锕衰变链中位于227Ac之前，为227Ac的母同位素。IUPAC之后于1949年把protoactinium缩短成今天的protactinium。弗雷德里克·索迪、约翰·A·克兰斯顿、爱达·希钦斯也独立发现了231Pa。虽然他们发表发现的时间比哈恩和迈特纳略迟，但声称其实早在1915年就已经发现231Pa，只是因为第一次世界大战而未能及时发表。镤的发现填掉了元素周期表最后几个空格之一。

1927年，阿里斯蒂德·冯·格罗斯提取出2毫克的五氧化二镤（Pa2O5），之后于1934年首次从0.1毫克的五氧化二镤中分离出纯镤。他使用了两种方法分离金属镤，一种方法是在真空中用35 keV的电子轰击五氧化二镤，另一种方法则是将五氧化二镤转化成卤化物，然后在晶棒法中与热钨丝接触分解而成：

2 PaI5 → 2 Pa + 5 I2

英国原子能管理局（UKAEA）在1961年花了50万美元处理了60吨的用过核燃料，提炼出127克纯度为99.9％的镤，并成为多年来世界上唯一的镤来源，提供给各实验室研究。

## 生成

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镤是天然存在的元素中最罕见、最昂贵的元素之一。镤有四种同位素存在于自然界，分别是由235U的衰变产生的231Pa，由238U的衰变产生的234Pa及234mPa，以及由233Th（天然232Th中子活化而成）和237Np（铀矿核反应产生）衰变产生的233Pa。231Pa在这些同位素之中最常见。

镤在地球地壳中的平均浓度约为兆分之一，在晶质铀矿中的浓度约为0.3至3 ppm。镤均匀分布于大多数天然材料和水中，但浓度更低，仅约兆分之一，放射性约为0.1 pCi/g。镤容易黏附在土壤上，沙土中含有的镤是沙土中水里的镤浓度的550倍，而这个比例在壤土、黏土（如皂土）中可以达到2000以上。

### 核反应堆

钍在核反应堆里主要产生两种镤同位素——231Pa和233Pa。它们都是需要移除的废物，使得核反应堆的设计与运行更复杂。231Pa由232Th经过(n, 2n)反应产生，其长半衰期会导致核反应堆高放射性废物更难管理。231Pa还可捕获一个中子，产生半衰期较短的232U，232U又会衰变成会释放高能β射线及γ射线的核素。

$$\mathrm{^{232}_{\ 90}Th \ + \ ^{1}_{0}n \ \longrightarrow \ ^{231}_{\ 90}Th \ + 2 \ ^{1}_{0}n \ \ }$$

$$\mathrm{^{231}_{\ 90}Th \ \xrightarrow[25.52\ h]{\beta^-} \ ^{231}_{\ 91}Pa \ \ }$$

$$\mathrm{^{231}_{\ 91}Pa \ + \ ^{1}_{0}n \ \longrightarrow \ ^{232}_{\ 91}Pa \ \xrightarrow[1.32\ d]{\beta^-} \ ^{232}_{\ 92}U \ \xrightarrow[68.9\ y]{\alpha} \ ...}$$

233Pa由232Th捕获中子而成。它会衰变成233U，或是再捕获一个中子，产生不可裂变的234U。233Pa的半衰期较长（27天），且中子捕获截面高（容易捕获中子），因此相当一部分233Pa不会衰变成有用的233U，而是浪费中子来产生不可裂变的核素，影响核反应堆的效率。为了避免浪费，运行中的钍熔盐堆需要立刻分离233Pa，使它只能衰变成233U。233Pa可用金属锂的铋溶液分离。金属锂会把镤化合物还原成金属镤，而铋则因为熔点低（271 °C）、蒸气压低、易溶解金属锂与锕系元素而不易溶解熔融卤化物，能够充当溶剂。

$$\mathrm{^{232}_{\ 90}Th \ + \ ^{1}_{0}n \ \longrightarrow \ ^{233}_{\ 90}Th \ \xrightarrow[21.83\ min]{\beta^-} \ ^{233}_{\ 91}Pa \ \xrightarrow[26.975\ d]{\beta^-} \ ^{233}_{\ 92}U}$$

## 制备

231Pa可从铀矿石中分离，但过程繁杂，涉及酸碱浸滤、共沉淀、分段结晶。由于镤的用处不大，历史上从未大规模地从铀矿石中分离镤。它也可通过两种核反应产生，分别是热中子轰击232Th，或是中子照射230Th。虽然这两种核反应都可以避免从铀矿石分离镤的部分难题，但各有缺点，热中子轰击232Th会产生大量副产物，而230Th难以取得，且经常伴随更大量的232Th。乏核燃料中的镤可用2,6-二甲基-4-庚醇分离。

233Pa可通过用中子轰击232Th而成，然后用离子交换技术与钍分离。它也可由237Np的衰变产生，之后用正辛醇与盐酸分离镎和镤。用乙醚溶解硝酸铀酰会使铀的衰变产物234Th从中分离出来，而234Pa及234mPa可通过234Th的衰变产生，可通过离子交换或溶剂提取分离。

纯的镤金属可以在1300–1400°C的温度下用钙、锂或钡还原四氟化镤来制备。

## 性质

镤是带银灰色光泽的金属，具延展性，可在空气中暴露数月而不失去金属光泽。镤容易与氧气、水蒸气、酸反应，但不与碱反应。镤在周期表中位于钍的右侧、铀的左侧，其大部分物理性质介于这两个锕系元素之间。镤的密度比钍大，而比铀小；其熔点低于钍，而高于铀。这三个元素彼此的热膨胀系数、电导率、热导率相当，表现出典型的贫金属特征。镤的剪切模量估计与钛相近。

在室温下，镤呈体心四方晶系，其可被视为扭曲的体心立方晶格结晶，这种结构在被压缩至高达53 GPa时仍不会改变。镤从大约1200°C的高温冷却后，其结构变为面心立方晶系。镤在20°C时的热膨胀系数为11.8−6/°C。镤具有顺磁性，在温度低于1.4K时成为超导体。四氯化镤在室温下是顺磁性的，但在冷却至182K后会转为铁磁性。

镤无论是在固体或在水溶液中都存在两个主要的氧化态：+4和+5，而+3和+2态的镤也在一些固相中被观察到。镤原子的电子组态是Rn7s26d15f2，其+5氧化态对应的是稳定的5f0电子构型。镤(IV)和镤(V)在水溶液中都是无色的，主要离子包括Pa4+、Pa(OH)3+、Pa(OH)22+、Pa(OH)3+、PaO3+、PaO(OH)2+、PaO(OH)2+、Pa(OH)6-。其它已知的离子包括PaOF2+、PaOF2+、PaF6-、PaF72-、PaF83-、PaOSO4+、PaO(SO4)2-、PaO(SO4)33-、PaOCl52-、PaCl6-。

### 同位素

目前已发现从210Pa至239Pa共30种镤的同位素，全部都具有放射性。其中最稳定的是半衰期32650年的231Pa，半衰期26.975天的233Pa，以及半衰期17.4天的230Pa。其它同位素的半衰期都短于1.6天，大部分更短于1.8秒。镤还有6种核异构体，其中半衰期1.159分钟的234mPa最稳定。

较轻的镤同位素（210Pa至227Pa）及231Pa的主要衰变模式为α衰变，产生锕的同位素，而228Pa至230Pa则通过正电子发射或电子捕获衰变成钍的同位素。镤较重的同位素（232Pa至239Pa）的主要衰变模式为β衰变，产生铀的同位素。

镤最长寿、最常见的同位素231Pa被能量大于1 MeV的快中子轰击后会发生裂变。核反应堆产生的另一种镤同位素233Pa被1 MeV以上的中子轰击时也会裂变。

## 化合物

化学式｜颜色｜晶系｜空间群｜空间群编号｜皮尔逊符号｜a（pm）｜b（pm）｜c（pm）｜Z｜密度（g/cm3）

Pa｜银灰｜四方晶系｜I4/mmm｜139｜tI2｜392.1｜392.1｜323.5｜2｜15.43

PaO｜立方晶系｜Fm3m｜225｜cF8｜496.1｜496.1｜496.1｜4｜13.44

PaO2｜黑｜立方晶系｜Fm3m｜225｜cF12｜550.5｜550.5｜550.5｜4｜10.47

Pa2O5｜白｜立方晶系｜Fm3m｜225｜cF16｜545.5｜545.5｜545.5｜4｜10.96

Pa2O5｜白｜正交晶系｜692｜402｜418

PaH3｜黑｜立方晶系｜Pm3n｜223｜cP32｜664.8｜664.8｜664.8｜8｜10.58

PaF4｜深棕｜单斜晶系｜C2/c｜15｜mS60｜12

PaCl4｜黄绿｜四方晶系｜I41/amd｜141｜tI20｜837.7｜837.7｜748.1｜4｜4.72

PaBr4｜棕｜四方晶系｜I41/amd｜141｜tI20｜882.4｜882.4｜795.7｜5.90

PaCl5｜黄｜单斜晶系｜C2/c｜15｜mS24｜797｜1135｜836｜4｜3.74

PaBr5｜红｜单斜晶系｜P21/c｜14｜mP24｜838.5｜1120.5｜895.0｜4｜4.98

PaOBr3｜单斜晶系｜C2｜5｜1691.1｜387.1｜933.4

Pa(PO3)4｜正交晶系｜696.9｜895.9｜1500.9

Pa2P2O7｜立方晶系｜Pa3｜865｜865｜865

Pa(C8H8)2｜金黄｜单斜晶系｜709｜875｜1062

上表中的a、b和c为晶格常数，Z为每晶胞所含的化学式单元数。密度并非实验数据，而是由晶体参数计算得出。

### 氧化物及含氧酸盐

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镤有许多氧化物，其中最稳定的是白色的五氧化二镤（Pa2O5）。它的水合物由镤(V)的酸性溶液与氢氧化钠反应制得，而无水物可通过在空气中加热水合物至500 °C而成。它呈立方晶系，实际为实验式PaO2.25的非整比化合物。此外，五氧化二镤还有与五氧化二钽类似，呈正交晶系的晶体。五氧化二镤一共有至少五种同质异形体，由它加热至不同温度产生。黑色的二氧化镤（PaO2）由氢气在1550 °C下还原五氧化二镤而成。它不溶于硝酸、盐酸、硫酸，但易溶于氢氟酸。它在氧气气氛下加热至1100 °C会变回五氧化二镤。一氧化镤（PaO）只以金属镤上的薄层形式观测到，尚未分离。

镤可与多种金属形成混合氧化物。它和碱金属可以形成通式为APaO3（钙钛矿结构）、A3PaO4（扭曲氯化钠结构）、A7PaO6的化合物，其中的镤原子呈八面体结构。Pa2O5也可与稀土元素氧化物R2O3反应，生成钙钛矿结构的非整比化合物。

镤的氧化物带碱性，容易变成氢氧化物，且可形成硫酸盐、磷酸盐、硝酸盐等盐。硝酸镤呈白色，但会因为辐解变成棕色。在空气中加热硝酸镤至400 °C时会分解，生成五氧化二镤。偏磷酸镤（Pa(PO3)4）可通过PaF2SO4与磷酸在惰性气氛下反应而成，然后加热至900 °C消除氢氟酸、三氧化硫、五氧化二磷等副产物。继续加热Pa(PO3)4会使其分解成PaP2O7。PaP2O7在空气中加热到1400 °C时会分解成五氧化二镤及五氧化二磷。

### 卤化物

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五氟化镤（PaF5）是白色固体，会形成四方晶系的结晶，与β-UF5异质同形。五氯化镤（PaCl5）是黄色晶体，与7粒氯原子配位，形成五角双锥构型。它是单斜晶系的多聚体，其中的氯原子会在镤原子周围形成五边形的平面。深红色的五溴化镤（PaBr5）则是6配位的，呈八面体构型。镤在四卤化物中都呈8配位，但结构不同。四氟化镤（PaF4）的镤形成四角反棱柱构型，而四氯化镤（PaCl4）、四溴化镤（PaBr4）则呈扭棱锲形体构型。棕色的三碘化镤（PaI3）中的镤也呈8配位，结构为二侧锥三角柱构型。

PaF5可由Pa2O5与五氟化溴或三氟化溴在600 °C下反应而成。它的水合物可以通过水合Pa2O5与氟化氢气体的反应制得。PaF4则是通过Pa2O5、氢气、氟化氢在600 °C下的反应产生的。镤还有更复杂的氟化物，如Pa2F9。

PaCl5由Pa2O5与四氯化碳在200–300 °C下反应而成，PaOCl3等副产物可通过分馏去除。它容易水解。用氢气在800 °C下还原PaCl5可得到黄绿色的PaCl4，它在400 °C的真空下升华。PaCl4也可通过PaO2与四氯化碳在400 °C下反应制得。

PaBr5可通过PaCl5与三溴化硼在500–550 °C下反应而成。它有两种相似的晶体结构，都呈单斜晶系，一种可通过将其升华至400–410 °C得到，另一种则通过将其升华至温度稍低的390–400 °C而成。

五碘化镤（PaI5）可由金属镤与碘在400–450 °C下直接反应而成，或是四碘化硅与Pa2O5、PaCl5或PaBr5加热反应制得。四碘化镤（PaI4）由氢气在400 °C下还原PaI5制得，而PaI3由PaI5在真空下加热分解而成。

镤可形成通式MPaF6（M = Li、Na、K、Rb、Cs、NH4）、M2PaF7（M = K、Rb、Cs、NH4）、M3PaF8（M = Li、Na、Rb）的三元氟化物，皆为白色晶体。MPaF6可看作是MF与PaF5形成的化合物，由这两种氟化物的氢氟酸溶液蒸干而成。NaPaF6呈四方晶系，而阳离子更大的MPaF6（M = K、Rb、Cs、NH4）则变为正交晶系。通式M2PaF7的化合物中也可观察到晶体结构因阳离子大小而变化。M2PaF7（M = K、Rb、NH4）都有类似的结构，Cs2PaF7则不然。

### 其它无机化合物

目前已发现多种镤的卤氧化物。镤的氟氧化物Pa2OF8由水合五氟化镤在140 °C的氟化氢气氛下分解而成。它在空气中继续加热会产生其它氟氧化物PaO2F及Pa3O7F，超过650 °C时会分解成Pa2O5。氯氧化物Pa2OCl8可通过PaCl5与氧气在400 °C下反应得到，其热分解会产生Pa2O3Cl及PaO2Cl。PaOBr3由PaBr5和氧气加热反应产生，呈单斜晶系，具有由桥接氧原子及溴原子连接的双链结构。其中的镤为7配位，呈扭曲五角双锥构型。PaI5及三氧化二锑在真空加热反应，可以得到碘氧化物PaOI3及PaO2I。

PaOS是浅黄色、没有挥发性的固体，与其它锕系元素氧硫化物一样呈立方晶系。它可由五氯化镤与硫化氢和二硫化碳的混合物在900 °C下反应而成。三氢化镤（PaH3）由镤与氢气在250 °C下直接反应而成，其晶体结构与三氢化铀相似。四氯化镤或五氯化镤和氨气反应会产生氮化镤，其为亮黄色固体，在800 °C的真空下稳定。碳化镤（PaC）则是通过在1400 °C的碳坩埚里用金属钡还原四氟化镤而成。硼氢化镤（Pa(BH4)4）由四氟化镤与硼氢化铝反应而成，具有不寻常的螺旋状多聚体结构。其中的镤离子被6个BH4−离子环绕，与14个氢原子配位，形成双六角锥反角柱构型。

PaH3与磷反应可以得到PaP2，加热分解得到Pa3P4。PaAs2由PaH3与砷在400 °C下反应而成，它加热到840 °C时分解为Pa3As4。镤的锑化物则可通过PaH3和锑加热反应制得。Pa2O5在贵金属铂、铱、铑存在下与氢气反应，可以得到对应金属间化合物Pt3Pa与Pt5Pa、Ir3Pa、Rh3Pa，用金属铍还原Pa2O5则可得到Be13Pa。

### 有机镤化合物

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四氯化镤与二茂铍（Be(C5H5)2）反应，可以得到有四个茂基的四茂镤（Pa(C5H5)4），它的一个茂基可被卤素取代。金黄色的双环辛四烯合镤（Pa(C8H8)2）的结构与双环辛四烯合铀类似，由两个环辛四烯阴离子夹住金属离子而成。它可由四氯化镤和环辛四烯二钾（K2C8H8）在四氢呋喃中反应制得。

## 应用

虽然元素周期表中位于镤前后的钍和铀由于半衰期长且存量丰富而都有着广泛的应用，但镤本身由于存量稀少，且具有高放射性和高毒性，目前在科学研究之外没有其它用途。

231Pa曾经被认为能够维持核连锁反应，理论上可以用来制造核武器，物理学家沃尔特·塞弗里茨曾估计其临界质量为750±180公斤，但之后的计算发现231Pa无法维持自身的核链式反应。铌、镁、镓、锰、少量镤的混合氧化物可用于制造陶瓷电容的高温介电质。由于234mPa的半衰期短，且容易制备，因此常在课堂实验中演示放射性。

随着高灵敏度质谱仪面世，镤开始在地质学和古海洋学中用作示踪剂，可透过沉积物中231Pa和230Th的比例测定年代，并用于模拟各种地理过程。使用此法测定海洋沉积物的年代，可让科学家们能够重建冰河时期冰川最后一次融化期间北大西洋水体的流动。与镤相关的年代测定依靠于铀及其衰变而来的长寿命镤、钍同位素的相对浓度的分析。铀、镤、钍分别具有6、5、4个价电子，因此易分别形成+6、+5、+4氧化态，表现出不同的性质。其中钍和镤的化合物难溶于水，会沉淀成沉积物，而铀则否，且钍的沉淀速率比镤快。分析231Pa（半衰期32650年）和230Th（半衰期75400年）的浓度比例与仅测量一种同位素的浓度相比，可以提高年代测定的准确度。此外，这种双同位素测定法受同位素空间分布的不均匀性及其沉淀速率的变化性影响较小。该定年法也可用于考古学，以测量骨骼、牙齿距今的年代，特别是距今7万年以上，放射性碳定年法已无法使用的样本。

## 危害

镤在人体中不发挥任何生物学作用。由于镤具有强放射性，对生物体具有很高的毒性，因此须在密封的手套箱进行操作。其最稳定的同位素231Pa的活性比度为每克0.048居里（1.8 GBq），主要会发射能量为5 MeV的α粒子，用任何材料的薄片或皮肤即可阻挡，通常只有在被摄入体内时才会对健康构成危害。然而它会慢慢地衰变成227Ac，半衰期为32650年。227Ac的活性比度为每克74居里（2700 GBq），会同时发射α及β粒子，半衰期仅22年。227Ac接着会衰变成一些半衰期更短、活性比度更大的放射性同位素，最终衰变成稳定的207Pb。其衰变链整理于下表：

同位素种类｜231Pa｜227Ac｜227Th｜223Ra｜219Rn｜215Po｜211Pb｜211Bi｜207Tl

活性比度（居里/克）｜0.048｜73｜3.14｜5.24｜1.310｜3.013｜2.57｜4.28｜1.98

衰变模式｜α｜α, β｜α｜α｜α｜α｜β｜α, β｜β

半衰期｜3.3万年｜22年｜19天｜11天｜4.0秒｜1.8毫秒｜36分钟｜2.1分钟｜4.8分钟

镤是微量存在于自然界中的天然元素，可通过进食、饮水或呼吸空气进入体内。当吸入时，很大一部分的镤可以从肺部透过血液移动到其它器官，这取决于该镤化合物的溶解度。通常人体内沉积的镤可能是肠胃道从食物和饮水中吸收而来，摄入体内的镤中只有大约0.05%会进入血液，其余的则会被排出体外。血液中的镤有大约40%进入骨骼中，约15%进入肝脏，2%进入肾脏，其余的被排泄出体外。镤在骨骼中的生物半衰期约为50年，而在其它器官中，其排泄动力学具有快速和缓慢的组成部分。例如肝脏中70%的镤的生物半衰期为10天，剩下的30%为60天；肾脏的相应值则为20%（10天）和80%（60天）。在镤处于这些器官中的期间内，其放射性会持续增加癌症产生的风险。镤在人体内的最大放射性活度安全剂量是0.03微居里（1.1 kBq），相当于0.5微克231Pa的放射性，这种同位素的毒性是氢氰酸的2.58倍。在德国，231Pa在空气中的最大允许浓度为3−4 Bq/m3。