Protactinium

Protactinium
Échantillon de protactinium 233 (zone sombre au centre) photographié en 1969.
Thorium ← Protactinium → Uranium Pr     91 Pa                                                                                                                                                                                                                                                                                           ↑ Pa ↓ ? Tableau complet Tableau étendu
Position dans le tableau périodique
Symbole	Pa
Nom	Protactinium
Numéro atomique	91
Groupe	–
Période	7e période
Bloc	Bloc f
Famille d'éléments	Actinide
Configuration électronique	[Rn] 5f2 6d1 7s2
Électrons par niveau d’énergie	2, 8, 18, 32, 20, 9, 2
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique	231,035 88 ± 0,000 02 u[1]
Rayon atomique (calc)	163 pm
Rayon de covalence	200 pm[2]
État d’oxydation	2, 3, 4, 5
Électronégativité (Pauling)	1,5
Oxyde	Base faible
Énergies d’ionisation[3]
1re : 5,89 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD MeV 230Pa {syn.} 17,4 j ε β- 1,310 0,563 230Th 230U 231Pa {syn.} 32 760 a α 5,149 227Ac 233Pa {syn.} 26,967 j β- 0,571 233U 234mPa {syn.} 1,17 min β- 2,29 234U
Propriétés physiques du corps simple
État ordinaire	solide
Masse volumique	15,37 g·cm-3 (calculée)[1]
Système cristallin	Tétragonal centré
Couleur	éclat brillant métallique argenté
Point de fusion	1 572 °C[1]
Point d’ébullition	4 026,85 °C
Enthalpie de fusion	15 kJ·mol-1
Enthalpie de vaporisation	470 kJ·mol-1
Volume molaire	15,18×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur	5,1×10-5 Pa
Chaleur massique	120 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique	5,29×106 S·m-1
Conductivité thermique	47 W·m-1·K-1
Divers
No CAS	7440-13-3[4]
No ECHA	100.122.906
Précautions
Radioélément à activité notable
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le protactinium est un élément chimique de symbole Pa et de numéro atomique 91.

C'est un métal gris-argent de la famille des actinides.

Son nom est composé du mot grec πρῶτος « premier » et d'« actinium », le protactinium 231 précédant l'actinium dans la chaîne de désintégration radioactive de l'uranium 235.

Dès 1900, William Crookes sépare ²³⁴Pa d'un échantillon d'uranium mais ne l'identifie pas comme un nouvel élément (il lui donne le nom d'uranium-X). Cet isotope est identifié en 1913 par Kazimierz Fajans et Otto Göhring (en), qui le nomment brévium (pour « bref »)^[5].

En 1918, Otto Hahn et Lise Meitner découvrent l'isotope ²³¹Pa, plus stable, et donnent à l'élément le nom de protoactinium. Il n'est isolé qu'en 1934, par le procédé Van-Arkel-de-Boer^[5]. Le protoactinium est renommé en protactinium par l'IUPAC en 1949^[6].

Parmi les 29 isotopes connus du protactinium, aucun n'est stable. Les plus stables sont ²³¹Pa (demi-vie 32 760 ans), ²³³Pa (période 26,967 jours) et ²³⁰Pa (période 17,4 jours). Tous les autres isotopes ont des périodes inférieures à 1,6 jour. Cet élément possède également deux isomères peu stables, ^217mPa (1,15 ms) et ^234mPa (1,17 minute).

Deux des isotopes du protactinium sont des produits intermédiaires situés en seconde position dans la chaîne de désintégration radioactive de l'uranium naturel :

• l'isotope 231 est issu de la désintégration β⁻ du thorium 231 selon (ν_e désignant l'antineutrino électronique) :

235
92U ⟶ 231
90Th + 4
2He ;

231
90Th ⟶ 231
91Pa + e⁻ + ν_e ;

• l'isomère 234m est issu de la désintégration β⁻ du thorium 234 selon :

238
92U ⟶ 234
90Th + 4
2He ;

234
90Th ⟶ 234m
91Pa + e⁻ + ν_e.

Du fait de son rayonnement α intense, le protactinium 231 est très radiotoxique par ingestion (0,71 μSv/Bq pour un adulte) et par inhalation (jusqu’à 140 μSv/Bq pour un adulte), soit des valeurs supérieures à celles du plutonium 238.

Le protactinium est présent en très faible quantité (typiquement de l'ordre de 1 ppm) dans les gisements naturels de minéraux uranifères (type pechblende), où il se forme lors de la lente décroissance radioactive de l'uranium. C'est un des plus rares et des plus coûteux des éléments naturels.

Le protactinium est supraconducteur avec une température critique de 1,4 K^[7].

Composés connus du protactinium :

• fluorures : PaF₄ et PaF₅ ;
• chlorures : PaCl₄ et PaCl₅ ;
• bromures : PaBr₄ et PaBr₅ ;
• iodures : PaI₃, PaI₄ et PaI₅ ;
• oxydes : PaO, PaO₂ et Pa₂O₅.

Le protactinium a été utilisé dans des scintillateurs de détection de rayons X et des céramiques de condensateurs. L'isotope ²³¹Pa est également utilisé dans la méthode de datation ²³¹Pa / ²³⁵U^[7].

Le proctactimium 233 est un élément majeur des réacteurs au thorium comme intermédiaire dans le cycle de surgénération : ²³²Th + neutron → ²³³Th → ²³³Pa → ²³³U.

Il en est une étape critique, car il peut absorber des neutrons avant de se désintégrer en ²³³U, mais cela réduit le rendement de surgénération et oblige à une difficile séparation, qui augmente la production nette de ²³³U mais constitue l’un des verrous majeurs du cycle thorium, car elle exige une chimie en ligne fiable et fortement blindée^[8].