Resumen

El protactinio (Pa, Z=91) representa un metal actínido radiactivo denso con masa atómica 231,036 u. Este metal grisáceo plateado cristaliza en estructura tetragonal centrada en el cuerpo a temperatura ambiente y demuestra comportamiento paramagnético con superconductividad por debajo de 1,4 K. El elemento exhibe estados de oxidación primarios de +4 y +5, formando numerosos compuestos incluyendo óxidos, haluros y complejos organometálicos. El protactinio ocurre naturalmente en concentraciones de 0,3-3 partes por millón en minerales de uraninita, surgiendo a través de la desintegración alfa del uranio-235 con una vida media de 32 760 años. A pesar de su posición entre el torio y el uranio en la tabla periódica, el protactinio no tiene aplicaciones comerciales debido a su escasez, alta radiactividad (0,048 Ci/g) y toxicidad. Las aplicaciones actuales de investigación se centran en datación radiométrica de sedimentos hasta 175 000 años de antigüedad y estudios paleoceanográficos. El descubrimiento del elemento involucró a múltiples investigadores entre 1913-1918, con Lise Meitner y Otto Hahn recibiendo el crédito principal por identificar el isótopo estable ²³¹Pa.

Introducción

El protactinio ocupa una posición única en la tabla periódica como elemento 91, situado entre el torio (Z=90) y el uranio (Z=92) dentro de la serie actínida. Su descubrimiento cumplió la predicción de Dmitri Mendeleev en 1871 de un elemento entre torio y uranio, completando una importante laguna en las formulaciones tempranas de la tabla periódica. El protactinio exhibe configuración electrónica [Rn]5f²6d¹7s² y demuestra propiedades actínidas características incluyendo múltiples estados de oxidación y química de coordinación compleja. El protactinio natural existe principalmente como ²³¹Pa, formado por desintegración alfa del uranio-235 con una tasa de producción de aproximadamente 7,4 × 10⁻¹⁸ g por gramo de uranio natural anualmente. Su rareza, con abundancia en la corteza de 1,4 × 10⁻¹² g/g, combinada con su naturaleza radiactiva, presenta desafíos significativos para investigación química y desarrollo tecnológico.

Propiedades Físicas y Estructura Atómica

Parámetros Atómicos Fundamentales

El protactinio exhibe número atómico 91 con configuración electrónica [Rn]5f²6d¹7s², colocando dos electrones en el orbital 5f y uno en el orbital 6d. El radio atómico mide 161 pm, intermedio entre torio (179 pm) y uranio (156 pm), reflejando la progresión de la contracción actínida. Los radios iónicos varían con el estado de oxidación: Pa⁴⁺ mide 104 pm mientras que Pa⁵⁺ se contrae a 92 pm, consistente con efectos de carga nuclear aumentada. La primera energía de ionización es de 568 kJ/mol, inferior al torio (608 kJ/mol) pero superior al uranio (598 kJ/mol). Las energías sucesivas de ionización aumentan a 1128, 1814, 2991 y 4174 kJ/mol para el segundo al quinto electrones, con la quinta ionización correspondiendo a la configuración electrónica 5f⁰. La electronegatividad mide 1,5 en la escala de Pauling, reflejando capacidad moderada de atracción electrónica típica de actínidos tempranos.

Características Físicas Macroscópicas

El protactinio cristaliza en estructura tetragonal centrada en el cuerpo (grupo espacial I4/mmm) bajo condiciones ambientales con parámetros de red a = 392,5 pm y c = 323,8 pm. La estructura permanece estable bajo compresión hasta 53 GPa, demostrando rigidez mecánica excepcional. La transición de fase a cúbica centrada en las caras ocurre aproximadamente a 1200°C durante el enfriamiento desde alta temperatura. La densidad es de 15,37 g/cm³, posicionándolo entre torio (11,72 g/cm³) y uranio (19,05 g/cm³). El punto de fusión alcanza 1568°C mientras el punto de ebullición se extiende aproximadamente a 4000°C, aunque valores precisos permanecen inciertos debido a dificultades experimentales. El coeficiente de expansión térmica mide 9,9 × 10⁻⁶/°C entre temperatura ambiente y 700°C para la fase tetragonal. La capacidad térmica aproxima 99,1 J/(mol·K) a 298 K, con conductividad térmica estimada en 47 W/(m·K).

Propiedades Químicas y Reactividad

Estructura Electrónica y Comportamiento de Enlace

El protactinio demuestra química redox compleja con estados de oxidación estables desde +2 hasta +5, aunque predominan +4 y +5 en compuestos. El estado +5 corresponde a la favorable configuración electrónica 5f⁰, lograda mediante pérdida de ambos electrones 5f más los de 6d y 7s. Los potenciales de reducción estándar indican el par Pa⁵⁺/Pa⁴⁺ en aproximadamente +0,3 V en solución ácida, mientras Pa⁴⁺/Pa⁰ mide -1,34 V. El enlace químico involucra carácter covalente significativo, particularmente en estados de oxidación altos, debido a solapamiento orbital entre 5f, 6d y orbitales de ligandos. Los números de coordinación típicamente varían entre 6 y 8 en compuestos sólidos, observándose números superiores en complejos fluoruros. Las longitudes de enlace en compuestos Pa-O miden aproximadamente 2,15 Å para Pa⁵⁺ y 2,25 Å para Pa⁴⁺, reflejando diferencias de radio iónico.

Propiedades Electroquímicas y Termodinámicas

El protactinio exhibe electronegatividad de 1,5 en la escala de Pauling, intermedia entre torio (1,3) y uranio (1,7), reflejando su posición en la serie de contracción actínida. La afinidad electrónica mide aproximadamente 53 kJ/mol, indicando tendencia moderada a aceptar electrones. Los potenciales electroquímicos estándar demuestran Pa⁵⁺/Pa⁰ = -1,4 V y Pa⁴⁺/Pa⁰ = -1,34 V en solución acuosa ácida, confirmando el carácter reductor fuerte del metal protactinio. Las constantes de hidrólisis para iones de protactinio indican hidrólisis extensa: las especies Pa⁵⁺ predominan como Pa(OH)₄⁺ y Pa(OH)₃²⁺ en soluciones neutras a débilmente ácidas. La estabilidad termodinámica de compuestos sigue el orden: fluoruros > óxidos > cloruros > bromuros > yoduros, consistente con interacciones de ácido-base fuertes. Las entalpías de formación para compuestos principales incluyen: PaF₅ (-1898 kJ/mol), Pa₂O₅ (-2178 kJ/mol) y PaCl₅ (-1145 kJ/mol).

Compuestos Químicos y Formación de Complejos

Compuestos Binarios y Ternarios

La química de óxidos de protactinio abarca tres fases principales: PaO (estructura de sal común), PaO₂ (estructura fluorita) y Pa₂O₅ (estructura cúbica). El pentóxido blanco Pa₂O₅ representa la fase más estable, obtenido al calcinar hidróxido de protactinio a 500°C en aire. La estructura cristalina exhibe simetría cúbica (grupo espacial Fm3̄m) con parámetro reticular 547,6 pm y densidad 10,96 g/cm³. El dióxido negro PaO₂ se forma mediante reducción con hidrógeno del pentóxido a 1550°C, cristalizando en estructura cúbica centrada en las caras con a = 550,5 pm. Los compuestos fluoruros incluyen PaF₄ (monoclínico) y PaF₅ (tetragonal), siendo el pentafluoruro isoestructural al β-UF₅. Las fases cloruro abarcan PaCl₄ (tetragonal, verde-amarillo) y PaCl₅ (monoclínico, amarillo) con estructuras poliméricas involucrando centros de protactinio heptacoordinados. Los compuestos ternarios demuestran formación extensa con metales alcalinos, produciendo fases como APaO₃ (perovskita), A₃PaO₄ y A₇PaO₆.

Química de Coordinación y Compuestos Organometálicos

El protactinio demuestra versatilidad notable en coordinación con números de coordinación entre 6 y 14 dependiendo del tamaño del ligando y requisitos electrónicos. Los complejos fluoruros exhiben los números de coordinación más altos, con el Na₃PaF₈ conteniendo protactinio octacoordinado en geometría casi cúbica. La química acuosa involucra hidrólisis extensa produciendo especies Pa(OH)₃⁺, Pa(OH)₂²⁺, Pa(OH)₃⁺ y Pa(OH)₄, todas incoloras en solución. Los complejos con ligandos orgánicos incluyen el notable borohidruro Pa(BH₄)₄ conteniendo protactinio 14-coordinado rodeado por seis ligandos BH₄⁻ en cadenas helicoidales poliméricas. La química organometálica abarca el tetra(ciclopentadienilo)protactinio(IV) Pa(C₅H₅)₄ con geometría tetraédrica, y el protactinoceno dorado-amarillo Pa(C₈H₈)₂ con estructura sándwich análoga al uranoceno. Estos compuestos demuestran carácter covalente significativo con mezcla orbital extendida entre los orbitales f y d del metal y sistemas π de los ligandos.

Abundancia Natural y Análisis Isotópico

Distribución y Abundancia Geoquímicas

El protactinio se encuentra entre los elementos más escasos en la naturaleza con abundancia promedio en la corteza de aproximadamente 1,4 × 10⁻¹² g/g (1,4 ppt en masa). Su ocurrencia principal en depósitos de uraninita (pechblenda) varía entre 0,3 y 3 partes por millón, con concentraciones típicas cercanas a 0,3 ppm. Depósitos excepcionales en la República del Congo contienen hasta 3 ppm de protactinio. Su distribución en materiales naturales refleja comportamiento geoquímico: los suelos arenosos contienen concentraciones aproximadamente 500 veces superiores a las aguas asociadas, con ratios superiores a 2000 en suelos de limo y arcillas bentoníticas. Las concentraciones en agua oceánica miden aproximadamente 2 × 10⁻¹⁵ g/g con niveles de radiactividad de 0,1 picocurios por gramo. El ciclo geoquímico involucra coprecipitación con minerales de torio debido a ratios carga-radio similares y comportamiento químico comparable. Los sedimentos de la plataforma continental acumulan protactinio mediante procesos de captura con tiempos de residencia de varios miles de años en ambientes marinos.

Propiedades Nucleares y Composición Isotópica

Treinta isótopos radiactivos de protactinio abarcan números de masa desde ²¹⁰Pa hasta ²³⁹Pa, siendo ²³¹Pa el único isótopo natural de larga vida (t₁/₂ = 32 650 años). Las propiedades nucleares incluyen espín-paridad del estado fundamental 3/2⁻ para ²³¹Pa con momento magnético +2,01 magnetones nucleares. La composición isotópica natural consiste esencialmente en 100% ²³¹Pa formado por desintegración alfa de ²³⁵U a través de la serie de desintegración actínica. Isótopos naturales menores incluyen ²³⁴Pa (t₁/₂ = 6,7 horas) y el isómero metastable ²³⁴ᵐPa (t₁/₂ = 1,16 minutos) proveniente de la desintegración de ²³⁸U. El isótopo artificial ²³³Pa (t₁/₂ = 27 días) se forma en reactores nucleares con combustible de torio mediante captura de neutrones por ²³²Th seguida de desintegración β⁻ de ²³³Th. Las propiedades de fisión nuclear indican energías umbral superiores a 1 MeV para ²³¹Pa y ²³³Pa, con secciones eficaces de fisión relativamente pequeñas comparadas con actínidos fisionables.

Producción Industrial y Aplicaciones Tecnológicas

Métodos de Extracción y Purificación

La producción industrial de protactinio históricamente dependió del procesamiento de minerales de uranio mediante procedimientos de separación multietapa. La campaña de 1961 de la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido procesó 60 toneladas de material de desecho mediante un procedimiento de 12 etapas, obteniendo 127 gramos de ²³¹Pa al 99,9% de pureza a un costo aproximado de $500 000. La producción moderna se centra en reactores nucleares donde ²³³Pa se forma como intermediario en ciclos de combustible de torio. Los procedimientos de extracción involucran lixiviación ácida inicial del torio irradiado, seguida de extracción con tributilfosfato o cromatografía de intercambio iónico. La preparación del metal emplea reducción del tetrafluoruro con calcio, litio o bario a 1300-1400°C bajo atmósfera inerte. El proceso van Arkel-de Boer convierte óxidos a haluros volátiles, posteriormente reducidos en filamentos metálicos calientes: 2PaI₅ → 2Pa + 5I₂. La disponibilidad actual permanece extremadamente limitada, con el Laboratorio Nacional de Oak Ridge suministrando históricamente cantidades para investigación a aproximadamente $280 por gramo.

Aplicaciones Tecnológicas y Perspectivas Futuras

Las aplicaciones del protactinio permanecen restringidas a investigación científica debido a su escasez extrema, radiactividad elevada y preocupaciones de toxicidad. Su aplicación principal involucra datación radiométrica usando ratios ²³¹Pa/²³⁰Th para sedimentos hasta 175 000 años de antigüedad. Esta técnica es particularmente valiosa en estudios paleoceanográficos, reconstruyendo patrones de circulación oceánica antiguos durante períodos glaciales. El método de doble isótopo mejora la precisión al minimizar la sensibilidad a inhomogeneidades espaciales. Aplicaciones nucleares consideraron ²³¹Pa como potencial material para armas, pero cálculos de masa crítica superiores a 750 kg descartaron aplicaciones prácticas. Las direcciones futuras incluyen comprensión de química actínida fundamental, desarrollo de tecnologías de separación para ciclos de combustible de torio y expansión de aplicaciones paleoclimáticas. Podrían surgir aplicaciones en monitoreo ambiental para seguimiento de productos de desintegración del uranio en sitios contaminados.

Desarrollo Histórico y Descubrimiento

El descubrimiento del protactinio involucró múltiples investigadores durante varios años, comenzando con el aislamiento por William Crookes en 1900 de material intensamente radiactivo denominado "uranio X", sin caracterizarlo como nuevo elemento. Kasimir Fajans y Oswald Helmuth Göhring lograron la primera identificación en 1913 durante estudios de la cadena de desintegración del uranio-238, descubriendo el isótopo de vida breve ²³⁴ᵐPa con semiperíodo de 1,16 minutos. Nombraron al elemento "brevium" reflejando la existencia efímera de su isótopo. Investigaciones simultáneas por John Arnold Cranston con Frederick Soddy y Ada Hitchins identificaron el isótopo estable ²³¹Pa en 1915, aunque el anuncio se retrasó por servicio militar. La caracterización definitiva ocurrió en 1917-1918 mediante trabajos independientes de Lise Meitner y Otto Hahn en Alemania, y el grupo de Soddy en Gran Bretaña. Meitner rebautizó el elemento como "protactinio" significando "precursor del actinio" ya que ²³¹Pa decae produciendo ²²⁷Ac. La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada confirmó esta nomenclatura en 1949, otorgando crédito a Meitner y Hahn como descubridores. Aristid von Grosse logró el primer aislamiento del protactinio metálico en 1934 a partir de 0,1 mg de Pa₂O₅, estableciendo la base para investigaciones químicas posteriores.

Conclusión

El protactinio ocupa una posición distinta entre los elementos actínidos, combinando propiedades químicas fascinantes con limitaciones prácticas extremas. Su ubicación intermedia entre torio y uranio proporciona valiosas perspectivas sobre estructura electrónica actínida y tendencias periódicas, mientras sus propiedades nucleares únicas contribuyen a investigación geocronológica y paleoclimática. Su química de coordinación compleja, estados de oxidación diversos y compuestos organometálicos demuestran el comportamiento químico rico característico de elementos con orbitales 5f. Sin embargo, restricciones severas incluyendo escasez natural, radiactividad intensa y toxicidad biológica impiden aplicaciones comerciales. Oportunidades futuras de investigación abarcan ciencia actínida fundamental, tecnologías avanzadas de separación para ciclos de combustible nuclear y aplicaciones paleoceanográficas expandidas. El estudio continuo de la química del protactinio avanza en la comprensión del comportamiento de elementos pesados y proporciona datos cruciales para modelos teóricos de propiedades de elementos superpesados.