Астат

Астат, At (Шаблон:Lang-en, Шаблон:Lang-de) — неметалічний радіоактивний хімічний елемент, атомний номер 85, атомна маса 210. Належить до групи галогенів. Дуже нестабільний, тому у природі зустрічається лише у слідових кількостях. Астат за хімічними властивостями подібний до галогенів і до металів.

Історія

Існування астату було передбачене ще Менделєєвим — він помістив його у свою таблицю під назвою «ека-йод» і передбачив атомну вагу близько 215. Проте спроби знайти цей елемент в природі були марними. У 1913 році Генрі Мозлі відкрив атомні номери, що підтвердило існування невідкритого елементу між полонієм і радоном.

У 1925 році Фредерік Лорінг і Джеральд Дрюс повідомили про відкриття елементів номер 87 і 85 при аналізі піролюзиту. Обидва «відкриття» не підтвердилися, проте протягом наступних років пошуки ека-йоду сильно активізувались. У 1926 році Отто Ган шукав його у радії, Джон Ньютон Френд — у багатій галогенами воді з Мертвого Моря, проте успіху не досягли.

У 1931 році група Шаблон:Не перекладено з Алабамського Політехнічного інституту повідомили про відкриття 85 елементу у бразильських монацитових пісках. Для пошуку Аллісон використовував винайдений ним самим новий метод «магнето-оптичного аналізу» речовини. Наступного року він випустив ще одну статтю, в якій описував властивості ека-йоду, і запропонував назву «алабамін» для нього. Тільки у 1935 році було показано, що магнето-оптичний аналіз, запропонований Аллісоном, не працює, а «відкриття» є лише артефактом цього методу. Втім, алабамін продовжував з'являтися у деяких підручниках і періодичних таблицях аж до 1947 року.

У 1937 Раджендралал Де, індійський фізик з Дакки, надихнувшись дослідженнями Аллісона, виділив з монациту чорну речовину, яку вважав 85-м елементом, і запропонував назву «дакін» для нього. Відкриття Де курйозне тим, що у 1947 і навіть у 1962 році він продовжував публікувати статті, у яких наполягав, що знайдена їм речовина була 85-м елементом. У статті 1947 року він пропонував вже трохи іншу назву для нього, «декін», виводячи його і від Дакки і від терміну «ека-йод». Втім, оскільки Де говорив про виділення кількох міліграмів речовини, інтенсивна радіація від них, ймовірно, вбила б його, якби він дійсно зміг отримати цей елемент.

У 1939 році французька вчена-фізик Івет Кошуа і румунський фізик Шаблон:Не перекладено опублікували роботу, де описувались три спектральні лінії, що відповідали передбаченим для 85-го елементу. Ці лінії були зафіксовані під час серії експериментів по дослідженню спектру радону-222 що тривали з 1934 року. Вже під час війни, їх результати були підтверджені португальським вченим Шаблон:Не перекладено.

Паралельно, швейцарський хімік Шаблон:Не перекладено показав, що полоній-218 (що утворюється при альфа-розпаді радону-222, і, як тоді вважалося, теж завжди розпадається по альфа-каналу) час від часу все ж розпадається і через бета-канал, відповідно утворюючи ізотоп 85²¹⁸. Міднер опублікував свої результати у 1940 році, позиціюючи їх як відкриття елементу 85. Він запропонував для нього назву гельвецій, на честь латинської назви Швейцарії. У 1942 році він опублікував нові результати, отримані під час співпраці з британською фізикинею Шаблон:Не перекладено. Відзначаючи її внесок, Міднер запропонував нову назву, англогельвецій. Втім, ці результати не змогли відтворити інші вченіШаблон:Sfn.

У 1940 році Шаблон:Не перекладено, Шаблон:Не перекладено і Еміліо Сегре вперше змогли отримати елемент 85 штучно. На 60-дюймовому циклотроні в Берклі вони опромінювали бісмут альфа-частинками. В продуктах реакції був виявлений альфа-випромінювач, активність якого спадала з періодом напіврозпаду близько 8 годин. Як тепер зрозуміло, таким чином був відкритий ізотоп At²¹¹. Саме цю трійцю вважають першовідкривачами цього елементуШаблон:Sfn.

Не знаючи про результати американських колег, австрійські вчені Берта Карлік і Шаблон:Не перекладено досліджували альфа-активність радону-222. У енергетичному спектрі альфа-частинок вони виявили компоненту, що (за законом Ґейґера — Неттола) відповідала невідомому і дуже короткоживучому ізотопу. Вони також показали, що результати Міднера і Лей-Сміт були помилкою, спричиненою забрудненням обладнання.

Сучасна назва елементу була дана лише в 1947 році, після статті Фрідріха Панета, в якій він запропонував загальний підхід по визначенню підходу до найменувань. За пропозицією Панета, право обрати назву для елементу отримали Корсон, МакКензі і Сегре (хоча Кошуа і Хулубей відкрили результати раніше, їх метод не дозволяв встановити хімічні властивості нового елементу, тому таке рішення було прийняте без великих суперечок). Вони ж і запропонували назву астат, що походить від Шаблон:Lang-el — бути нестійким, через його надзвичайно малий період напіврозпаду.

Ізотопи

Астат не має стабільних ізотопів, проте у деяких мінералах він присутній, через те, що входить у кілька природних радіоактивних рядів (тобто, ці ізотопи постійно продукуються у мінералах, що містять відповідні елементи, після чого швидко розпадаються):

• Астат-218 (t_½=1,5 секунд) входить в ряд урану
• Астат-215 (t_½=0,1 мілісекунди) і астат-219 (t_½=56 секунд) входять в ряд актинію.

Через надзвичайно низький час життя природних ізотопів, кількість астату у природі дуже низька — у будь-який час загальна кількість астату на Землі, за різними оцінками, становить від сотень міліграмів до 30 грамів.

Загалом відомо 60 ізотопів астату з масовими числами від 191 до 229, 14 з яких — метастабільні. Найбільші періоди напіврозпаду мають At²¹⁰ (8,1 годин) і At²¹¹ (7,214 годин).

Отримання

Виділення астату з природних джерел не є можливим через малу кількість, а також малий час життя природніх ізотопів. Порівняно стабільні ізотопи At²¹⁰ і At²¹¹ отримуються штучно, шляхом опромінення металевого бісмуту α-частинками високої енергії

${}_{\mathrm{8}\mathrm{3}}\mathrm{B}{\mathrm{i}}^{\mathrm{2}\mathrm{0}\mathrm{9}}{\mathrm{+}}_{\mathrm{2}}\mathrm{H}{\mathrm{e}}^{\mathrm{4}}{\mathrm{⟶}}_{\mathrm{8}\mathrm{5}}\mathrm{A}{\mathrm{t}}^{\mathrm{2}\mathrm{1}\mathrm{0}}\mathrm{+}{\mathrm{3}}_{\mathrm{0}}{\mathrm{n}}^{\mathrm{1}}$Шаблон:Sfn

${}_{\mathrm{8}\mathrm{3}}\mathrm{B}{\mathrm{i}}^{\mathrm{2}\mathrm{0}\mathrm{9}}{\mathrm{+}}_{\mathrm{2}}\mathrm{H}{\mathrm{e}}^{\mathrm{4}}{\mathrm{⟶}}_{\mathrm{8}\mathrm{5}}\mathrm{A}{\mathrm{t}}^{\mathrm{2}\mathrm{1}\mathrm{1}}\mathrm{+}{\mathrm{2}}_{\mathrm{0}}{\mathrm{n}}^{\mathrm{1}}$

з наступним відділенням астату співосадженням, екстракцією, хроматографією або дистиляцією на платинову пластинку. Оскільки астат є галогеном, він є досить летким, і легко відділяється від бісмуту хімічно.

Сучасні циклотрони можуть виробляти до 1,5×10¹² атомів астату на годину.

Властивості

Фізичні

Зважаючи на малу кількість доступної для вивчення речовини, фізичні властивості цього елемента погано вивчені і, як правило, побудовані на аналогіях з доступнішими елементами.

Астат — тверда речовина синьо-чорного кольору, за зовнішнім виглядом схожий на йод. Для нього характерно поєднання властивостей неметалів (галогенів) і металів (полоній, свинець тощо). Як і йод, астат добре розчиняється в органічних розчинниках і легко ними екстрагується. За леткістю трохи поступається йоду, але також може легко переганятися.

Температура плавлення 302 °C, кипіння (сублімації) 337 °C.

Хімічні

За властивостями астат найбільше нагадує йод: переганяється, екстрагується чотирьоххлористим вуглецем CCl₄ з водних розчинів, відновлюється цинком або сірчистим газом до астатид-йона At⁻:

$\mathrm{2}\mathrm{A}\mathrm{t}\mathrm{+}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{=}\mathrm{2}\mathrm{A}{\mathrm{t}}^{\mathrm{-}}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{H}\mathrm{S}{O}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{-}}$,

який з йонами срібла утворює нерозчинний астатид срібла AgAt. Останній кількісно співоосаджується з йодидом срібла як носій. Астатат-йон AtOШаблон:Su утворюється при окисненні астатид-йона перйодатною кислотою H₅IO₆ або церієм(IV):

$\mathrm{6}\mathrm{C}{\mathrm{e}}^{\mathrm{4}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{A}{\mathrm{t}}^{\mathrm{-}}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{=}\mathrm{A}\mathrm{t}{O}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{-}}\mathrm{+}\mathrm{6}\mathrm{C}{\mathrm{e}}^{\mathrm{3}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{6}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}$

Формалізований запис цього рівняння відповідає умові електронейтральності. Фактично йони Ce (IV) існують у вигляді гідратованих йонів [Ce(H₂O)_n]⁴, які відщеплюють йон водню і, за винятком дуже кислих розчинів (рН~1), далі піддаються гідролізу і полімеризації. Йони AtO₃₋ кількісно співоосаджуються з нерозчинними у воді Pb(IO₃)₂.

Через неможливість отримати макроскопічні кількості астату, все ще не вирішена фундаментальна проблема його будови — чи є його молекули одноатомними або двоатомними. Всі інші галогени від хлору до йоду мають двоатомні молекули, що формують молекулярні кристали. Але відомо, що вираженість неметалічних властивостей спадає при у цьому ряду, а отже астат має ще більш яскраві ознаки металу. Герман, Гофман і Ешкрофт у роботі 2013 року показують, що, за тиску в одну атмосферу, астат має формувати атомні кристали, проте існують і експерименти, що говорять про протилежне.

Використання

Фізіологічно астат поводить себе подібно до йоду — наприклад, концентрується в щитоподібній залозі, шлунку, селезінці. Оскільки астат супроводжує йод, то це дозволяє разом з препаратами йоду вводити радіоактивний астат і використовувати його при радіотерапії ракових пухлин. Потенційно елемент є дуже перспективним у альфа-терапії пухлин через різномаїття його сполук, а також дуже короткі ланцюжки розпаду астату-211, на кожному з яких випускається лише одна альфа-частинка. Препарати на його основі брали участь у багатьох клінічних дослідженнях, проте широкому використанню перешкоджає важкість його отримання.

Джерела

• Глосарій термінів з хімії // Й. Опейда, О. Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Донецьк: Вебер, 2008. — 758 с. — ISBN 978-966-335-206-0
• Шаблон:МГЕ
• Шаблон:УРЕ
• Шаблон:Книга

Шаблон:Chem-stub