Protactínio (Pa)

O protactínio, símbolo Pa, é o elemento número 91 da Tabela Periódica. Raro e de difícil obtenção, poucas são as aplicações desse elemento. É sabido, contudo, que seu estado de oxidação mais estável é o +5, com comportamento químico que se assemelha ao tântalo e ao nióbio. É o primeiro elemento da série dos actinídeos a possuir elétrons no subnível f.

Esse elemento apresenta supercondutibilidade em temperaturas abaixo de 1,4 K, além de 29 isótopos conhecidos. Destes, apenas dois são naturais: o de massa 231 e o de massa 234. A maior parte do protactínio é obtido de resíduos nucleares de urânio. O Pa foi descoberto por meio de trabalhos que ocorreram na década de 1910.

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Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre protactínio
• 2 - Propriedades do protactínio
• 3 - Características do protactínio
• 4 - Onde o protactínio pode ser encontrado?
• 5 - Obtenção do protactínio
• 6 - Precauções com o protactínio
• 7 - Aplicações do protactínio
• 8 - História do protactínio
• 9 - Exercícios resolvidos sobre protactínio

Resumo sobre protactínio

• O protactínio é um metal pertencente ao bloco f da Tabela Periódica.

• Na forma metálica, é dúctil e maleável.

• Em solução, seu principal NOx é +5, tal qual tântalo e nióbio.

• Possui 29 isótopos conhecidos, sendo apenas dois encontrados na natureza: os de massa 231 e 234.

• É de difícil obtenção e extração. Sua principal fonte natural são rejeitos nucleares de urânio.

• Quase não se conhecem aplicações para o protactínio, embora se saiba que é extremamente perigoso.

Propriedades do protactínio

• Símbolo: Pa.

• Número atômico: 91.

• Massa atômica: 231,03588 u.m.a.

• Eletronegatividade: 1,5.

• Ponto de fusão: 1572 °C.

• Ponto de ebulição: 4000 °C.

• Densidade: 15,37 g.cm^-3 (calculado).

• Configuração eletrônica: [Rn] 7s² 5f² 6d¹.

• Série química: actinídeos, bloco f, elementos de transição interna.

Características do protactínio

O protactínio, número atômico 91 e símbolo Pa, é um dos elementos chamados de actínideos. Embora um elemento raro e de difícil obtenção, é sabido que o Pa, em sua forma metálica, é dúctil e maleável. Não se oxida em contato com o ar em temperatura ambiente, o que muda com o aumento da temperatura.

Seu principal estado de oxidação é o +5, o que lembra os elementos tântalo e nióbio, de certa forma, no que diz respeito ao comportamento químico em solução aquosa. O protactínio também é o primeiro da série dos actinídeos a possuir um elétron no subnível f (mais especificamente o 5f), com propriedades intermediárias entre as do tório e do urânio.

É atacado pelo ácido clorídrico (8 mol.L^-1), ácido fluorídrico (12 mol.L^-1) e ácido sulfúrico (2,5 mol.L^-1). Ainda sobre seus aspectos reacionais, o protactínio pode reagir com O₂, H₂O ou CO₂ em uma temperatura entre 300 e 500 °C, produzindo o óxido Pa₂O₅.

Com amônia (NH₃), o protactínio reage para formar o PaN₂, e com o gás hidrogênio (H₂), há a formação do PaH₃. Entre os halogênios, o protactínio reage com iodo (I₂) em uma temperatura de cerca de 400 °C para formar PaI₅.

O protactínio se torna um supercondutor na temperatura de 1,4 K. Além disso, percebeu-se que tais propriedades eram consequência do subnível 5f em sua estrutura, o que tornou evidente que o Pa seria de fato um actinídeo.

São conhecidos 29 isótopos do protactínio, destacando-se apenas os isótopos ²³¹Pa e ²³⁴Pa, os quais são naturais, e o ²³³Pa, produzido em reatores nucleares. Dentre estes, o de maior tempo de meia-vida é o ²³¹Pa, com 3,28 x 10⁴ anos.

Onde o protactínio pode ser encontrado?

Em termos geológicos, o tempo de meia-vida do protactínio (²³¹Pa) é muito pequeno. Por isso, todo e qualquer protactínio encontrado na natureza é oriundo do decaimento radioativo do ²³⁵U.

A questão é que, apesar de o urânio ser bem distribuído pela crosta terrestre (com teor médio de 2,7 ppm), apenas 0,711% dessa massa corresponde ao isótopo de massa 235 do urânio. Dessa forma, estima-se que o teor médio de protactínio é de 8,7 x 10^-7 ppm.

Obtenção do protactínio

A extração do elemento 91 é uma das mais difíceis via fontes naturais. Até então, não foi produzido protactínio em larga escala, pois não há interesse comercial. Quantidades mensuráveis desse elemento são geralmente obtidas dos resíduos de urânio.

Além disso, técnicas de purificação clássicas, como resinas de troca iônica, precipitação e cristalização, além de extração com solvente e cromatografia, podem ser empregadas para a obtenção de um produto mais rico em protactínio.

Em 1959 e 1961, foi anunciado que a Autoridade de Energia Atômica da Grã-Bretanha extraiu, em um processo de 12 etapas, 125 g de protactínio 99,9% puro advindos de 60 toneladas de resíduos, a um custo de cerca de US$ 500.000.

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Precauções com o protactínio

O protactínio é muito perigoso e tóxico. Isso faz com que seja necessário adotar precauções de manuseio semelhantes às do plutônio. Estima-se que o protactínio disperso no ar na forma de aerossol pode ser até 250 milhões de vezes mais tóxico que o ácido cianídrico nas mesmas concentrações.

Aplicações do protactínio

Toda a toxicidade do protactínio, somada ao fato de ele ser um elemento de difícil extração, limita suas aplicações. Entre as poucas aplicações conhecidas, destaca-se que o protactínio já foi utilizado em cintiladores para detecção de raios X. Também já foi usado para datação de objetos antigos, por meio da relação ²³¹Pa/²³⁵U.

História do protactínio

Mendeleev previu o elemento 91 no espaço vacante entre tório e urânio de sua Tabela Periódica. Chamou-o de “eka-tântalo”, conferindo-lhe uma massa atômica aproximada de 235 e prevendo que suas propriedades químicas seriam próximas às do nióbio e do tântalo.

Contudo, apenas em 1913 é que Kasimir Fajans e seu estudante Oswald Göhring identificaram o elemento 91, baseados em experimentos e trabalhos prévios de Ernest Rutherford e Frederick Soddy.

O novo elemento, que era na verdade o ^234mPa (um isômero metaestável do protactínio-234), recebeu o nome de “brévio” (símbolo Bv), por conta de sua breve existência: apenas um minuto de tempo de meia-vida.

Concomitantemente, havia um outro problema à época: a origem do actínio (Ac), elemento 89. Já se sabia que o Ac não poderia ser o elemento radioativo primário, já que sua meia-vida era de cerca de 30 anos, porém não se sabia qual série de decaimento o produzia.

A partir daí, Frederick Soddy sugeriu que o elemento que originaria o actínio seria um emissor de partículas alfa, posicionado no grupo 5 da Tabela Periódica, após o tântalo. O nome “eka-tântalo” foi então utilizado para designar esse elemento.

Até que em março de 1918, superando Soddy, Lise Meitner e Otto Hahn descobriram o isótopo ²³¹Pa, o qual recebeu o codinome “abracadabra” em suas correspondências. De fato, esse novo elemento gerava o actínio por emissão de partícula alfa e recebeu de ambos o nome protactínio, significando “parente do actínio”. Essa nomenclatura para o elemento 91 acabou se sobrepondo ao “brévio” de Fajans e Göhring, uma vez que o tempo de meia-vida do ²³¹Pa é de cerca de 32 mil anos.

Exercícios resolvidos sobre protactínio

Questão 1

Embora um actinídeo, o protactínio, símbolo Pa, apresenta o mesmo estado de oxidação de nióbio e tântalo (+5). Talvez por isso, na época de sua descoberta, tenha sido chamado de “eka-tântalo”. Em qual dos compostos a seguir o protactínio apresenta o estado de oxidação citado?

A) PaBr₂

B) PaH₃

C) PaCl₄

D) Pa₂O₅

E) PaI

Resolução:

Alternativa D

Os halogênios, na ausência do átomo de oxigênio na fórmula, apresentam carga igual a -1. O hidrogênio apresenta a carga igual a +1. Já o oxigênio possui carga igual a -2. Assim, o cálculo do NOx do protactínio em cada substância é dado da seguinte forma:

• PaBr₂: x + 2(–1) = 0 → x = +2; logo, resposta errada.

• PaH₃: x + 3(+1) = 0 → x + 3 = 0 → x = -3; logo, resposta errada.

• PaCl₄: x + 4(–1) = 0 → x – 4 = 0 → x = +4; logo, resposta errada.

• Pa₂O₅: 2x + 5(–2) = 0 → 2x – 10 = 0 → x = +5; logo, resposta correta.

• PaI: x + (–1) = 0 → x – 1 = 0 → x = +1; logo, resposta errada.

Questão 2

Inicialmente, o protactínio, elemento 91, foi chamado de “brévio”, símbolo Bv, uma vez que seu primeiro isótopo, o 234, apresentava cerca de um minuto de meia-vida. Qual a porcentagem de massa resultante do isótopo “brévio” depois de cinco minutos de sua preparação?

A) 50%

B) 25%

C) 12,5%

D) 6,25%

E) 3,125%

Resolução:

Alternativa E

O tempo de meia-vida é caracterizado pelo tempo necessário para a massa de amostra radioativa cair pela metade. Se o tempo de meia-vida é de um minuto, isso significa que a cada minuto a massa cai pela metade.

Assim, em cinco minutos, a massa caiu de 2⁵, o mesmo que 1/32 da massa inicial. Assim, a massa remanescente é de 3,125 %.

Por Stéfano Araújo Novais
Professor de Química