PROTACTINIUM

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Le protactinium (Pa) est l'élément chimique de numéro atomique 91. Tous ses isotopes sont radioactifs ; deux d'entre eux, 231Pa et 234Pa, existent dans la nature associés à la géochimie de l'uranium. L'isotope de masse 231, émetteur α de demi-vie T1/2 = 32 760 ans, appartient à la famille radioactive 4n + 3 engendrée par l'uranium 235 et se trouve en quantité pondérable dans les minerais d'uranium (0,3 partie par million). Il donne naissance à l'actinium 227 : d'où son nom. L'autre isotope naturel, 234Pa, en filiation avec 238U (famille 4n + 2), n'existe qu'à l'état de trace. Il a deux isomères émetteurs β : UX2 (T1/2 = 1,159 min) et UZ (T1/2 = 6,70 h). C'est l'isotope UX2 qui a été séparé le premier de son parent 234Th (UX1), en 1913, par Kasimir Fajans et O. H. Göring ; 231Pa a été découvert cinq ans plus tard indépendamment par Otto Hahn et Lise Meitner et par Frederick Soddy et John A. Cranston. On a préparé 27 isotopes artificiels, dont l'un, 233Pa (β, T1/2 = 26,975 j), d'obtention aisée par irradiation neutronique du thorium 232, selon la séquence :

est particulièrement bien adapté comme indicateur dans les recherches chimiques sur l'élément. Il constitue l'étape intermédiaire de la transmutation de 232Th en 233U fissile. Dans cette transmutation, 231Pa est aussi formé. 232Th pourrait ainsi constituer un combustible nucléaire d'avenir. Les autres isotopes artificiels sont produits en irradiant le thorium ou l'uranium par des protons ou des hélions accélérés. Le protactinium 231 peut être synthétisé en irradiant l'ionium (230Th) aux neutrons (mais l'ionium est rare) ou plus simplement le thorium naturel, qui renferme aussi, outre 232Th, de l'ionium. Les réactions sont alors :

Lise Meitner

Photographie : Lise Meitner

Physicienne et chimiste autrichienne, Lise Meitner (1878-1968) s'oriente très tôt vers la recherche en physique nucléaire. 

Crédits : Douglas Miller/ Hulton Archive/ Getty Images

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La quantité de 231Pa produite est de l'ordre de 10 grammes par tonne de thorium irradié pendant un an dans un réacteur nucléaire ayant un flux de 4 × 1013 n.cm–2.s–1. Cette voie a été utilisée en ex-U.R.S.S. Les propriétés physico-chimiques du protactinium ont été intensément utilisées jusque vers les années 1980, et cet élément suscite encore des recherches car c'est un élément clé de la classification périodique : c'est celui où apparaît le premier électron 5f.

Obtention et propriétés physiques

L'extraction du protactinium à partir de diverses fractions résiduelles résultant de l'attaque des minerais d'uranium ou du thorium irradié est une opération extrêmement difficile qui explique que la quantité de protactinium à l'état pur dans le monde ait été d'environ 200 g, dont 130 g ont été préparés en 1960 par des radiochimistes britanniques. Avant cette date, peu de laboratoires disposaient de cet élément en quantité pondérable. L'année 1960 a marqué le début d'une période extrêmement fertile pour la connaissance des propriétés de cet élément et de ses composés. Aristid von Grosse prépara le premier, en 1927, 2 mg d'oxyde Pa2O5, puis le protactinium, en 1934, par bombardement électronique de cet oxyde ou par dissociation thermique d'un halogénure sur un fil de tungstène. Depuis, plusieurs échantillons de quelques milligrammes ont été obtenus par réduction de PaF4 avec la vapeur de calcium ou de baryum à 1 400 0C. On a produit le protactinium métallique extrêmement pur à l'échelle du gramme par dissociation de PaI5 sur un globule de tungstène chauffé par haute fréquence, PaI5 étant lui-même produit à partir du carbure PaC par attaque avec du diiode (I2).

Le protactinium est un métal de couleur grise, de structure quadratique centrée (puis cubique centrée vers 1 170 0C), malléable, qui fond à 1 560 0C. Il se ternit rapidement à l'air en formant PaO, réagit avec l'hydrogène pour donner l'hydrure PaH3. Enfin, il est peu réactif vis-à-vis des acides chlorhydrique et fluorhydrique.

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Écrit par :

  • : professeur honoraire à l'université de Paris-XI, Orsay, directeur du laboratoire de radiochimie de l'Institut de physique nucléaire d'Orsay, membre de l'Académie des sciences de Paris

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«  PROTACTINIUM  » est également traité dans :

MEITNER LISE (1878-1968)

  • Écrit par 
  • Georges KAYAS
  •  • 220 mots
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Physicienne et chimiste nucléaire autrichienne. Après des études à Vienne où elle était née, Lise Meitner se rend, en 1907, à Berlin pour y recevoir l'enseignement de Max Planck, qui, en introduisant, en 1900, le « quantum d'action », avait jeté les bases de l'ancienne théorie des quanta. Elle travaille ensuite avec Otto Hahn au Kaiser Wilhelm Institut ; ils découvrent ensemble l'existence de grou […] Lire la suite

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Pour citer l’article

Robert GUILLAUMONT, « PROTACTINIUM », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 17 juin 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/protactinium/