Protactinium
Le protactinium est un élément chimique de symbole Pa et de numéro atomique 91. C’est un métal dense, gris argenté, qui réagit facilement avec l’oxygène, la vapeur d’eau et les acides inorganiques. Il forme divers composés chimiques dans lesquels son état d’oxydation est généralement +5, mais peut aussi être +4, voire +3 ou +2.
Identité
- Masse atomique
- 231.036 u
- Catégorie
- Actinides
- Groupe
- 3
- Période
- 7
- Bloc
- f
- États d'oxydation
- +4, +5
- État physique (à 25 °C)
- Solide
- Apparence
- éclat métallique brillant et argenté
Structure électronique
- Configuration électronique
- 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f2 6d1
- Configuration abrégée
- [Rn] 5f2 6d1 7s2
- Électrons par couche
- 2, 8, 18, 32, 20, 9, 2
- Électronégativité (Pauling)
- 1.50
- Affinité électronique
- 53.0 kJ/mol
- 1ʳᵉ énergie d'ionisation
- 568 kJ/mol
Propriétés physiques
- Point de fusion
- 1567.8 °C (1841 K)
- Point d'ébullition
- 4026.8 °C (4300 K)
- Densité
- 15.37 g/cm³
- Capacité thermique molaire
- —
Comportement chimique de l'protactinium
Le protactinium possède cinq électrons externes ([Rn] 5f² 6d¹ 7s²) et présente principalement l’état d’oxydation +5, tandis que l’état +4 est stable dans le dioxyde et les halogénures. Son électronégativité est faible (1.50) et c’est un métal dense, brillant et extrêmement rare. Toute sa chimie est étudiée sur des quantités de quelques microgrammes, dans des installations blindées : il est si radioactif qu’il chauffe et décompose ses propres composés.
Réactivité
4 Pa + 5 O₂ → 2 Pa₂O₅
À l’air, il se recouvre d’une couche de pentoxyde blanc très stable. Lorsqu’il est chauffé, il brûle pour former l’oxyde à l’état +5, qui résiste aux acides concentrés.
Pa + 4 HF → PaF₄ + 2 H₂
Avec l’acide fluorhydrique, il forme un tétrafluorure insoluble, utile pour le séparer de l’uranium et du thorium lors du retraitement.
Pa₂O₅ + 6 HCl → 2 PaOCl₃ + 3 H₂O
Avec l’acide chlorhydrique, il forme des oxychlorures complexes, qui servent de base à sa séparation par extraction par solvant dans des cellules chaudes.
Pa + 5 F₂ → PaF₅
En présence d’un excès de fluor, il forme le pentafluorure volatil, qui se sublime et permet sa purification par distillation des fluorures.
Composés notables
| Composé | Formule | Utilisation ou importance |
|---|---|---|
| Pentoxyde de protactinium | Pa₂O₅ | Forme stable et datation Pa-Th |
| Tétrafluorure de protactinium | PaF₄ | Séparation de l’uranium et du thorium |
| Pentafluorure de protactinium | PaF₅ | Purification par volatilité |
| Dioxyde de protactinium | PaO₂ | Combustibles expérimentaux |
| Oxychlorure de protactinium | PaOCl₃ | Intermédiaire radi chimique |
Distribution de la couche électronique
Afficher dans le générateur d'atomesIsotopes
Le protactinium 231 (²³¹Pa, 32 760 ans) est prédominant dans la chaîne de désintégration de l’uranium 235 et constitue l’isotope de référence pour la datation marine. Le protactinium 233 (²³³Pa, 27 jours) est un intermédiaire indispensable entre le thorium 233 et l’uranium 233 dans les cycles au thorium. Le protactinium 234m (234m, 1,17 minute) permet de détecter les fuites d’uranium dans le cadre des garanties nucléaires.
Occurrence et production
Il est présent à l’état de traces dans la pechblende, à hauteur d’environ 0,3 ppm de la teneur en uranium, soit environ 100 tonnes dans l’ensemble de la croûte terrestre accessible. Il provient entièrement de la désintégration de l’uranium 235. Il est extrait des résidus d’uranium ou du combustible nucléaire usé par extraction par solvant dans des installations agréées.
Histoire et origine du nom
Kasimir Fajans et Oswald Göhring l’ont entrevu en 1913 sous le nom de brévium, en raison de sa courte durée de vie ; Hahn et Meitner ont isolé le Pa-231 en 1917 et l’ont nommé protactinium, car il engendre l’actinium lors de sa désintégration. Le débat sur la priorité de la découverte a duré plusieurs années. Sa rareté l’a longtemps cantonné aux vitrines des musées, jusqu’à ce que l’océanographie en fasse un outil de datation du climat.
Applications et importance de l'protactinium
Utilisations de l'élément
Sous forme métallique, il est très peu utilisé en raison de sa rareté et de sa radioactivité. Sa valeur est essentiellement scientifique : les échantillons de Pa-231 servent à étalonner les spectromètres alpha et contribuent à l’étude des actinides superlourds.
Utilisations de ses composés
Le couple ²³¹Pa/²³⁰Th permet de dater les sédiments et de reconstituer la circulation de l’Atlantique sur les 175 000 dernières années. Le Pa-233, en tant qu’intermédiaire, permet de surveiller la production d’U-233 dans les réacteurs au thorium.
Santé, sécurité et environnement
Rôle biologique
Il n’a aucune fonction biologique connue et présente une radiotoxicité élevée : il s’accumule dans les os, les reins et le foie, avec une longue demi-vie biologique. Toute incorporation nécessite une surveillance médicale et, à titre expérimental, un traitement par chélation.
Sécurité
Il est manipulé dans des boîtes à gants équipées de blindages, de systèmes de ventilation et de moniteurs alpha-bêta-gamma. Les travaux portent sur des quantités de quelques microgrammes ; il n’est présent ni dans les produits de consommation ni dans les détecteurs domestiques.
Environnement
Il n’y a pas de rejets accidentels courants : tous les stocks sont traçables et les déchets sont vitrifiés avec le combustible usé. Sa mesure dans les sédiments constitue un outil d’étude du climat, et non un indicateur de pollution.
Questions fréquentes sur l' Protactinium
À quoi sert le protactinium ?
Le protactinium possède très peu d’applications en dehors de la recherche scientifique. Son isotope protactinium 231 est utilisé en géochronologie et en paléo-océanographie pour dater les sédiments marins et étudier les changements de circulation océanique au cours des derniers millénaires. Il intervient également dans la recherche nucléaire et l’étude des chaînes de désintégration radioactive. Sa rareté, sa radiotoxicité et son coût excluent les utilisations commerciales à grande échelle.
Le protactinium est-il dangereux ?
Oui. Le protactinium est hautement radioactif et toxique, et aucune fonction biologique ne lui est connue. Son principal risque provient des rayonnements et de la contamination par inhalation, ingestion ou contact avec des poussières. C’est pourquoi il est manipulé dans des boîtes à gants, avec des blindages, une ventilation contrôlée et des protocoles stricts de radioprotection. Il n’est présent ni dans les produits de consommation ni dans les applications domestiques.
Que signifie le fait que le protactinium soit un actinide ?
Le protactinium appartient aux actinides, une série d’éléments métalliques radioactifs qui s’étend de l’actinium au lawrencium. Comme les autres actinides, il tend à former des composés présentant différents états d’oxydation et apparaît dans les chaînes de désintégration de l’uranium et du thorium. Son nom vient du grec protos, qui signifie « premier », car le protactinium 231 se désintègre en actinium 227.
D’où provient le protactinium utilisé pour la recherche ?
Le protactinium peut être extrait des minerais d’uranium, bien qu’en très petites quantités, ou récupéré à partir de combustible nucléaire usé. Dans les deux cas, des procédés de séparation et de purification radiochimiques sont nécessaires dans des installations agréées. En raison de sa radiotoxicité et des difficultés liées à sa manipulation, il est produit et utilisé en quantités infimes, principalement pour la géochronologie, la recherche nucléaire et les études environnementales utilisant des traceurs.
Pourquoi le protactinium est-il si rare et si coûteux ?
Le protactinium est présent en quantités infimes dans les minerais d’uranium et se forme au cours de chaînes de désintégration radioactive naturelles. Bien que le protactinium 231 possède une longue demi-vie, sa concentration dans la croûte terrestre est très faible et sa séparation est difficile. De plus, il doit être manipulé comme une matière radioactive dans des installations spécialisées. Cette combinaison de rareté, de radiotoxicité et de complexité de production explique son coût élevé.
Comment le protactinium permet-il de dater les sédiments marins ?
Le rapport entre les isotopes protactinium 231 et thorium 230 présents dans les sédiments permet aux scientifiques d’estimer l’âge des couches géologiques et de reconstituer les changements de circulation océanique. Les deux isotopes proviennent de la désintégration de l’uranium dans l’eau de mer et se déposent à des vitesses différentes. En comparant leurs proportions, les scientifiques peuvent dater des sédiments vieux d’environ 175 000 ans au maximum et étudier les variations climatiques passées.
Le protactinium est-il présent dans les détecteurs de fumée ?
Pas en tant que composant intentionnel. Les détecteurs de fumée domestiques utilisent de l’américium 241, et non du protactinium. Cependant, l’américium se désintègre au fil du temps et peut produire des traces de protactinium comme produit de filiation. Cette quantité est négligeable et reste confinée dans la source scellée du détecteur. Un détecteur de fumée ne doit donc pas être considéré comme contenant du protactinium exploitable ni comme présentant un risque d’exposition significatif.
Principales sources consultées : PubChem, Royal Society of Chemistry, NIST, IUPAC. Dernière révision : novembre 2026.