En Pahalı Element Protaktinyum Nedir?

25 Haziran 2023 Yazar: Uğur Eskier

Protaktinyum, en nadir ve en pahalı elementtir. Doğal olarak uranyum cevherinden elde edilir. “Aktinyumun atası” olarak adını bu sözcükten almıştır.

Protaktinyum, radyoaktif bir aktinit elementtir. Doğada en az bulunan ve en pahalı elementtir. Uranyum cevherinde çok nadir bulunur. Bozunma zincirinde bulunan aktinyumdan dolayı “protaktinyum” adını almıştır. “Aktinyumun atası” olarak bilinir. Toryumun bazı izotoplarının bozunma zincirinden de elde edilebilir. 1990-1930 yılları arasında farklı kimyagerler tarafından, farklı yerlerde bağımsız olarak keşfedilen ve çeşitli formları hazırlanan protaktinyumun isimlendirilerek periyodik tabloya eklenmesi 1949 yılında gerçekleşmiştir. Geleceğin elementleri arasında olabilecek kapasitedeki protaktinyumla ilgili birçok bilgiyi derlemeye çalıştık.

(Frederic Soody'nin kullandığı, protaktinyumun elde edilmesi için kullanılan uranyum ve toryum içerikli deney tüpleri... 1918)

Tarihçesi

Protaktinyum, ilk olarak 1913 yılında Polonyalı kimyager Kasimir Fajans ve Alman kimyager Oswald Helmuth Göhring tarafından Almanya’nın Baden-Württemberg eyaletine bağlı Karlsruhe kentinde keşfedilmiştir. Fajans ve Göhring, Uranyum-238 izotopunun bozunma zinciri çalışmaları sırasında 1,17 dakika yarılanma ömrü olan “Protaktinyum-234m” nükleer izomerini elde etti.

En uzun ömürlü Protaktinyum-231 izotopu ise, 1917-1918 yılları arasında Almanya’nın başkenti Berlin’de bulunan Kaiser Wilhelm Enstitüsü’nde görevli Alman kimyager Otto Hahn ve Avusturyalı nükleer fizikçi Lise Meitner tarafından, aktinyuma bozunan bir “ana element” arama çalışmaları sırasında keşfedilmiştir. Hahn ve Meitner, uranyum oksit (uraninit) cevherinin silika atıklarındaki incelemeleri sırasında 32 bin 760 yarılanma ömrü olan Pa-231’i elde etti. Otto Hahn, amaçlarını “aktinit serisinin başlangıç noktasını oluşturan aktinyum elementinin ana maddesini tespit etmek” olarak açıkladı.

(Soody'nin radyoaktif element çalışmaları ile ilgili bir haber kupürü...)

Protaktinyum ile ilgili diğer bazı önemli tarihler şunlardır;

Periyodik tabloyu sıralamak için Periyodik Kanun’u bulan Rus bilim adamı Dimitri Mendeleyev, 1871 yılında toryum ve uranyum arasında bir element bulunması gerektiğini öngördü.
1900 yılında İngiliz fizikçi ve kimyager Sir William Crookes, uranyum cevherinde yeni bir radyoaktif madde tespit etti. Bu maddeye “Uranyum-X” adını verdi. Ancak bu maddeyi tanımlayamadı. Daha sonra “UX-2” olarak adlandırılan bu maddenin, 1913 yılında izole edilen 1,17 dakika yarılanma ömrüne sahip Pa-234m nükleer izomer olduğu anlaşıldı.
1915 yılında İngiliz kimyager Frederic Soddy ve İskoç kimyager Dr. John Arnold Cranston tarafından İskoçya’nın Glasgow kentindeki İskoçya Üniversitesi’nde bağımsız olarak Protaktinyum-231 izotopu keşfedildi. Birinci Dünya Savaşı sebebiyle keşiflerini ilan edemediler. Soddy, keşif raporunu 1918 yılında yayınlayabildi.
1927 yılında Alman nükleer kimyacı Aristid von Grosse tarafından tartılabilir miktarda protaktinyum oksit elde etti. Aynı zamanda atom kütlesi belirlendi ve halojenleri hazırlandı.
1934 yılında Grosse, protaktinyum oksidi iyodür haline dönüştürerek oksitten izole etti ve yüksek vakumda ısıtılmış filament üzerinde ayrıştırarak metal protaktinyum elde etti.
1949 yılında Uluslararası Temel ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC) tarafından “protaktinyum” ismi tanındı ve periyodik tabloya eklendi.
1960 yılında İngiliz Atom Enerjisi Kurumu’nda 125 gram protaktinyum üretildi. Bu miktar, protaktinyumun birçok kimyasal özelliğinin belirlenmesini sağladı.

“Protaktinyum” kelimesi, Yunanca “ilk önce” anlamındaki “protos” ve element “aktinyum” kelimelerinin birleştirilmesinden türetilmiş bir sözcüktür. İlk keşfedilen Protaktinyum-234m izomerinin kısa yarılanma ömrü sebebiyle (1,17 dakika) “kısalık” anlamındaki “brevity” sözcüğünden esinlenilerek “brevium” olarak adlandırıldı. İlk keşfedilen izotopu Pa-234m’nin diğer adı ise uranyum bozunma zincirinin bir parçası olduğu için “Uranyum-X2” veya “UX2” şeklindeydi. 1918 yılında keşfedilen Pa-231 izotopunun uzun yarılanma ömrü ve diğer özelliklerinden dolayı “aktinyumun atası” anlamındaki “proto-actinium” adı uygun görüldü. Bunun sebebi, protaktinyumun, radyoaktif bozunum ile aktinyum elementine dönüşmesidir. 1949 yılında IUPAC tarafından “protactinium” olarak kısaltıldı.

Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri

Protaktinyumun kimyasal sembolü “Pa”dır. Atom numarası 91, atom ağırlığı 231’dir. Periyodik tablonun 3-A Grubu, 7. Periyot, F-Blok elementlerinden biridir. Aktinit yani nadir bulunan radyoaktif element serisinde yer alır. Erime noktası 1568 derece, kaynama noktası 4027 derecedir. Yoğunluğu 15,37 gr/cm3’tür. Enerji seviyesi başına elektronları “2, 8, 18, 32, 20, 9, 2” şeklindedir. Atom yarıçapı 161 pm’dir. Oksidasyon durumları “+4, +5” şeklindedir. -271 derecenin altında süper iletkendir. Kristal yapısı oda sıcaklığında tetragonaldır. Havada metalik bir parlaklığa sahiptir. Gümüşî beyaz görünümlü, radyoaktif bir metaldir. Saf protaktinyum, oldukça yoğun, parlak ve soluk gümüş renklidir.

Protaktinyum, az sayıda bileşik oluşturabilir. Birkaç bileşiği renklidir. Hidrojenle ve halojenlerle bileşikler oluşturabilir. Bileşikleri suda kolaylıkla hidrolize olur, koloidler oluşturabilirler ve kompleks iyonlar oluşturarak çözünürler. Çeşitli bileşikler oluşturmak için oksijen, su buharı ve inorganik asitlerle kolayca tepki verir. Protaktinyum oksit, baziktir; kolayca hidroksitlere dönüşür ve sülfatlar, nitratlar ve fosfatlar gibi çeşitli tuzları oluşturabilir. Nitratlar beyazdır; ancak radyolitik bozunma sebebiyle kahverengi olabilirler.

İzotopları

Protaktinyum, doğada uranyum kaynağı olan uranyum oksit cevheri uraninitten (peklend veya pitchblend) elde edilen bir elementtir. Uranyum elde edilmesi sırasında yan ürün olarak da üretilebilir. Çok yoğun radyoaktif bir elementtir ve bir alfa parçacığının emisyonuyla kendi kendine parçalanır. İzotoplarının tamamı izotop sayısına bağlı olarak alfa ve beta emisyonu zincirleri vasıtasıyla aktinyum izotoplarına dönüşür. Protaktinyumun en önemli izotopları Pa-231 ve Pa-233, nükleer reaktörlerde toryumdan da elde edilebilir.

Atom kütle numaraları 212 ila 239 arasında değişen 29 radyoaktif izotopu bulunan protaktinyumun kararlı izotopu yoktur. Bu izotoplardan 5’i, Uranyum-235 ve Uranyum-238 izotoplarının radyoaktif bozunumlarının bir ürünüdür. Protaktinyumun en çok bulunan ve en uzun ömürlü izotopu Pa-231’dir. Aynı zamanda en kararlı izotop olan Pa-231’in yarılanma ömrü 32 bin 760 yıldır. Doğadaki hemen hemen bütün protaktinyum içeriğini temsil eden Pa-231, kendi kendine parçalanarak alfa parçacıkları verir. Uranyum-235 izotopunun bozunma ürünü olan Pa-231, alfa çürümesi ile Aktinyum-277’ye bozunur.

Uranyum-238’ün bozunma ürünlerinden biri olan Pa-234 izotopunun yarılanma ömrü 6,7 saattir. Uranyum-238’in yüzde 99,8’lik bölümü önce 1,17 dakika yarılanma ömrü olan Pa-234m izomerine, daha sonra da Pa-234 izotopuna bozunur. Sentetik Pa-233 izotopu, Toryum-233 izotopunun beta parçacığı yayarak bozunması ile elde edilir. Aynı zamanda Toryum-232 izotopunun nötron ışınlamasıyla da elde edilebilir ve Uranyum-233 izotopunun da öncüsüdür.

Bunları Biliyor Musunuz?

Protaktinyum, doğal elementler arasında en az bulunan ve en pahalı olan element olarak bilinir.
Bir gram protaktinyumun maliyeti yaklaşık 300 dolardır.
Uranyum cevherlerinde tahmini olarak milyonda 0,34 parça protaktinyum içeriği vardır. Pa-231 izotopu, uraninit cevherinde 10 milyonda 1 oranında bulunur. Afrika’daki bazı uraninit cevherlerindeki miktarı ise milyonda 3 civarındadır.
Protaktinyum-231 ve Toryum-230 izotopları, farklı uranyum izotoplarının bozunma ürünleridir; ancak benzer özelliklere sahiptir ve benzer oranlarda oluşurlar.
Okyanus sedimentlerindeki Pa-231 ve Th-230 oranları, buzul hareketlerinin incelenmesinde, 175 bin yaşındaki sedimentlerin radyometrik olarak tarihlendirilmesinde ve çeşitli jeolojik süreçlerin modellenmesinde kullanılır.
Günümüze kadar elde edilen en büyük saf protaktinyum miktarı 125 gramdır. Bu miktar, İngiltere Atom Enerjisi Kurumu tarafından 1959-1961 yılları arasında 60 ton nükleer atıktan elde edilmiştir. Yüzde 99,9 saflıktaki bu miktarın değeri yaklaşık 500 bin dolar civarındadır. Bu miktarın üretimi için yaklaşık 50 bin dolar harcanmıştır.
İngiltere’de üretilen 125 gramlık protaktinyum, uzun yıllar dünyanın dört bir yanındaki laboratuvara element örneği sağladı.
Protaktinyumun kimyasal araştırmalar dışında ciddi bir uygulaması ve kullanımı bulunmuyor.
Protaktinyum, birçok kullanımı olan toryum ve uranyumun arasında bir konumda yer almasına rağmen bu elementler kadar kullanışlı ve yararlı değildir.
Protaktinyum, doğal olarak toprak, kaya, yüzey suları, yeraltı suları, bitkiler ve hayvanlarda çok düşük konsantrasyonlarda bulunabilir.
Protaktinyum, insan ve hayvan sağlığı için tehlikeli ve toksik özelliği bulunan bir elementtir. Doğal kaynaklardan besin zinciri vasıtasıyla vücuda alınan protaktinyumun büyük bir bölümü dışkı yoluyla vücuttan atılır. Alınan yüzde 0,05’lik miktarın yüzde 40’ı kemiklerde, yüzde 15’i karaciğerde, yüzde 2’si de böbreklerde birikebilir. Kalan miktarda çeşitli yollarla vücuttan atılır.
Kemiklerdeki protaktinyumun biyolojik yarılanma ömrü 50 yıldır. Karaciğerlerdeki protaktinyum içeriğinin yüzde 70’inin biyolojik yarılanma ömrü ise 10 gündür. Bu miktarlar, radyoaktifliği sebebiyle bazı durumlarda kanserojen riskler oluşturabilir.