El protactinio no se sintetiza en cantidades significativas en las estrellas. Como todos los actínidos pesados, su formación está ligada a procesos astrofísicos extremos como el proceso r (captura rápida de neutrones) durante la fusión de estrellas de neutrones o explosiones de supernovas. En el sistema solar, su existencia es efímera y depende de las cadenas de desintegración de elementos padres de vida más larga. El isótopo \(\,^{231}\mathrm{Pa}\) (vida media de 32.760 años) es un eslabón clave en la cadena de desintegración del uranio-235. Su presencia en trazas en minerales de uranio y sedimentos marinos sirve como una herramienta geocronológica poderosa. La relación \(\,^{231}\mathrm{Pa}\)/\(\,^{235}\mathrm{U}\) se utiliza para datar procesos geológicos en escalas de tiempo de 10.000 a 300.000 años, complementando el par torio-230/uranio-238.
La historia del protactinio está marcada por su fugacidad. En 1913, los físicos Kasimir Fajans (1887-1975) y Oswald Helmuth Göhring (1889-1915) descubrieron un nuevo elemento de vida corta en la cadena de desintegración del uranio-238. Lo llamaron "brevio" (del latín brevis, corto) en referencia a su corta vida media (1,17 minutos para el isótopo 234mPa). Sin embargo, el verdadero elemento 91, con un isótopo de vida más larga, fue aislado más tarde. En 1917-1918, dos grupos de científicos lo descubrieron de forma independiente: Lise Meitner (1878-1968) y Otto Hahn (1879-1968) en Alemania, y Frederick Soddy (1877-1956) y John Cranston (1891-1972) en el Reino Unido. Lo identificaron en la cadena del uranio-235 y le dieron el nombre de "protactinio" (del griego protos, primero, y actinium), ya que se desintegra en actinio-227. No fue hasta 1934 que Aristid von Grosse (1905-1985) aisló por primera vez 2 mg de óxido de protactinio puro (Pa2O5) a partir de 5,6 toneladas de pechblenda, una hazaña de radioquímica.
N.B.:
El protactinio es uno de los últimos elementos naturales en ser descubierto: durante décadas, fue el elemento natural más raro y caro del mundo. Antes de la década de 1960, las existencias mundiales no superaban unos pocos cientos de gramos, obtenidos del reprocesamiento de toneladas de residuos de uranio. Su precio era astronómico. Solo con el advenimiento de la industria nuclear a gran escala y el procesamiento de cantidades masivas de combustible gastado se pudieron aislar kilogramos de protactinio.
El protactinio (símbolo Pa, número atómico 91) es un actínido, situado entre el torio y el uranio. Es un metal denso, maleable, de color gris plateado brillante que se empaña lentamente en el aire formando un óxido protector. Presenta una estructura cristalina compleja (tetragonal centrada a temperatura ambiente). Su química es particularmente rica y compleja para un actínido temprano, presentando principalmente el estado de oxidación +5 (Pa5+), pero también el +4 (Pa4+) de manera estable, y a veces el +3 en ciertos compuestos. Esta dualidad lo hace único entre sus vecinos inmediatos. Todos sus isótopos son radiactivos.
Densidad: 15,37 g/cm³.
Punto de fusión: ≈ 1841 K (1568 °C).
Punto de ebullición: ≈ 4300 K (≈ 4027 °C, estimación).
| Isótopo / Notación | Protones (Z) | Neutrones (N) | Masa Atómica (u) | Abundancia Natural | Vida Media / Estabilidad | Modo de Desintegración Principal / Observaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Protactinio-231 — \(\,^{231}\mathrm{Pa}\,\) | 91 | 140 | 231,035884 u | Traza (en uranio-235) | 32.760 años | α (100%). Isótopo natural más estable. Eslabón crucial en la cadena del 235U. Herramienta de datación geológica (relación 231Pa/235U). |
| Protactinio-234m — \(\,^{234m}\mathrm{Pa}\) | 91 | 143 | 234,043308 u | Traza (en uranio-238) | 1,17 minutos | β– (99,84%) e IT (0,16%). Isómero metaestable. Hijo del uranio-238 a través del torio-234. Descubierto primero ("brevio"). |
| Protactinio-233 — \(\,^{233}\mathrm{Pa}\) | 91 | 142 | 233,040247 u | No natural (sintético) | 26,967 días | β– (100%). Isótopo clave en el ciclo del torio. Producido por captura neutrónica en 232Th. Se desintegra en uranio-233 fisionable. |
| Protactinio-230 — \(\,^{230}\mathrm{Pa}\) | 91 | 139 | 230,034541 u | No natural (sintético) | 17,4 días | β– y ε. Producido en aceleradores. Estudios de química fundamental y propiedades nucleares. |
N.B.:
Las capas electrónicas: Cómo se organizan los electrones alrededor del núcleo.
El protactinio tiene 91 electrones. Su configuración electrónica fundamental es [Rn] 5f2 6d1 7s2. Es el primer actínido donde los orbitales 5f comienzan a poblarse de manera no ambigua en el estado fundamental, marcando una transición en la serie. Esta configuración le confiere una química dual única: presenta de manera estable los estados de oxidación +5 y +4, y en menor medida el +3. En solución acuosa, Pa(V) es el estado más estable, existiendo generalmente como el ion oxicatión PaO2+. El ion Pa(IV) es estable en medios no oxidantes. Esta dualidad hace que su química en solución sea compleja y muy dependiente del potencial de oxidación-reducción y del pH.
La química del protactinio está dominada por su fuerte tendencia a la hidrólisis y a la formación de complejos polinucleares o coloidales, especialmente en el estado Pa(V). Esto hace que su comportamiento en solución sea difícil de predecir y manipular experimentalmente. Forma complejos estables con aniones como fluoruros, oxalatos y carbonatos. La separación química del protactinio de otros actínidos (notablemente del torio, uranio y neptunio) es un desafío mayor en radioquímica, explotando a menudo diferencias sutiles en el comportamiento de los estados +4 y +5, o el uso de disolventes específicos como la metilisobutilcetona (MIBK).
En estado sólido, el protactinio forma principalmente compuestos en los estados de oxidación +5 y +4. El óxido blanco Pa2O5 es el más estable. También existen óxidos mixtos (PaO2) y diversos haluros (PaF5, PaCl4, PaBr4, etc.). El pentacloruro de protactinio (PaCl5) es un sólido amarillo utilizado como punto de partida para la síntesis de otros compuestos. La complejidad de su química en estado sólido refleja la riqueza de su configuración electrónica de transición.
El protactinio no existe en yacimientos explotables. Siempre se produce como subproducto de la extracción y procesamiento del uranio. Se concentra en los residuos (colas) de las plantas de procesamiento de mineral de uranio. La fuente más importante para obtener cantidades ponderables (del orden de gramos a kilogramos) es el reprocesamiento de combustibles nucleares gastados, donde se acumula como producto de fisión y activación. El aislamiento del protactinio a partir de estas matrices complejas es un proceso largo y costoso, que implica una sucesión de etapas de precipitación, extracción por disolvente y cromatografía iónica. No hay un mercado comercial para el protactinio; su producción está motivada únicamente por necesidades de investigación científica o desarrollo tecnológico específico. Su costo, si se comercializara, sería extremadamente alto.
El protactinio es un elemento altamente radiactivo y tóxico. El isótopo 231Pa, el más relevante a largo plazo, es un emisor alfa puro. Como con otros emisores alfa, el principal peligro es la incorporación interna (inhalación, ingestión). Una vez en el organismo, se fija preferentemente en los huesos (comportamiento químico similar al del actinio y el torio), donde su desintegración alfa irradia las células de la médula ósea de manera muy localizada y dañina, aumentando fuertemente el riesgo de cáncer. Su manipulación, incluso en trazas, requiere imperativamente instalaciones bajo atmósfera controlada (cajas de guantes estancas o celdas blindadas) para evitar cualquier contaminación del operador o del medio ambiente. El almacenamiento se realiza en forma químicamente estable (generalmente óxido o sal insoluble) en contenedores sellados y blindados.
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