Астатин - Astatine

Астат,  85 В
Астатин
Произношение / Æ с т ə т я п , - т ɪ п / ( AS -tə-подросток, -⁠tin )
Появление неизвестно, вероятно металлический
Массовое число [210]
Астатин в периодической таблице
Водород Гелий
Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон
Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон
Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон
Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебряный Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон
Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон
Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Беркелиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Нихоний Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон
 I 

At

Ts
полонийастатрадон
Атомный номер ( Z ) 85
Группа группа 17 (галогены)
Период период 6
Блокировать   p-блок
Электронная конфигурация [ Xe ] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 5
Электронов на оболочку 2, 8, 18, 32, 18, 7
Физические свойства
Фаза на  СТП неизвестная фаза
Атомные свойства
Состояния окисления -1 , +1 , +3, +5, +7
Энергии ионизации
Прочие свойства
Естественное явление от разложения
Количество CAS 7440-68-8
История
Именование после греческого astatos (αστατος), что означает «нестабильный»
Открытие Дейл Р. Корсон , Кеннет Росс Маккензи , Эмилио Сегре (1940)
Основные изотопы астата
Изотоп Избыток Период полураспада ( t 1/2 ) Режим распада Продукт
209 В син 5,41 ч β + 209 По
α 205 Би
210 В син 8.1 ч β + 210 По
α 206 Би
211 В син 7.21 ч ε 211 Po
α 207 Би
Категория Категория: Астатин
| использованная литература

Астатин - химический элемент с символом At и атомным номером 85. Это самый редкий природный элемент в земной коре , встречающийся только как продукт распада различных более тяжелых элементов. Все изотопы астата недолговечны; наиболее стабильным является астатин-210 с периодом полураспада 8,1 часа. Образец чистого элемента никогда не собирался, потому что любой макроскопический образец немедленно испарился бы под действием тепла его собственной радиоактивности.

Объемные свойства астата достоверно неизвестны. Многие из них были оценены на основе положения элемента в периодической таблице как более тяжелый аналог йода и член галогенов (группа элементов, включая фтор , хлор , бром и йод). Тем не менее, астат также находится примерно на границе раздела между металлами и неметаллами , и для него также наблюдались и предсказывались некоторые металлические свойства. Астатин может иметь темный или блестящий вид и может быть полупроводником или, возможно, металлом . С химической точки зрения известно несколько анионных разновидностей астата, и большинство его соединений напоминают соединения йода, но иногда он проявляет металлические свойства и имеет некоторое сходство с серебром .

Первый синтез элемента был в 1940 году Дейл Р. Корсоном , Кеннет Росс Маккензи и Эмилио Сегре Г. в Университете Калифорнии, Беркли , который назвал его от греческого astatos (ἄστατος), что означает «нестабильным». Впоследствии было обнаружено, что четыре изотопа астата встречаются в природе, хотя в земной коре в любой момент времени присутствует гораздо меньше одного грамма. Ни наиболее стабильный изотоп астат-210, ни полезный с медицинской точки зрения астат-211 не встречаются в природе; они могут быть произведены только синтетически, обычно путем бомбардировки висмута- 209 альфа-частицами .

Характеристики

Астатин - чрезвычайно радиоактивный элемент; все его изотопы имеют период полураспада 8,1 часа или меньше, распадаясь на другие изотопы астата, висмут , полоний или радон . Большинство его изотопов очень нестабильны, их период полураспада составляет одну секунду или меньше. Из первого 101 элемента периодической таблицы только франций менее стабилен, а все изотопы астата, более стабильные, чем франций, в любом случае являются синтетическими и не встречаются в природе.

Объемные свойства астата достоверно неизвестны. Исследования ограничены его коротким периодом полураспада, который предотвращает создание взвешенных количеств. Видимый кусок астатина немедленно испарится из-за тепла, выделяемого его интенсивной радиоактивностью. Еще неизвестно, можно ли при достаточном охлаждении осаждать макроскопическое количество астата в виде тонкой пленки. Астатин обычно классифицируется как неметалл или металлоид ; также было предсказано образование металлов.

Физический

Большинство физических свойств астатина было оценено (путем интерполяции или экстраполяции ) с использованием теоретических или эмпирических методов. Например, галогены темнеют с увеличением атомного веса - фтор почти бесцветен, хлор желто-зеленый, бром красно-коричневый, а йод темно-серый / фиолетовый. Иногда астатин описывается как твердое вещество черного цвета (при условии, что он следует этой тенденции) или как имеющий металлический вид (если это металлоид или металл).

Астатин возгоняется с меньшей легкостью, чем йод, поскольку он имеет более низкое давление пара . Даже в этом случае половина заданного количества астата испарится примерно за час, если положить его на чистую стеклянную поверхность при комнатной температуре . Спектр поглощения астатина в средней ультрафиолетовой области имеет линии на 224.401 и 216.225 нм, наводит на мысль о 6р к 7s переходов .

Строение твердого астата неизвестно. Как аналог йода он может иметь ромбическую кристаллическую структуру, состоящую из двухатомных молекул астата, и быть полупроводником (с шириной запрещенной зоны 0,7 эВ ). В качестве альтернативы, если конденсированный астатин образует металлическую фазу, как было предсказано, он может иметь одноатомную гранецентрированную кубическую структуру ; в этой структуре он вполне может быть сверхпроводником , как подобная фаза высокого давления йода. Доказательства в пользу (или против) существования двухатомного астата (At 2 ) немногочисленны и неубедительны. Некоторые источники заявляют, что его не существует или, по крайней мере, никогда не наблюдалось, в то время как другие источники утверждают или подразумевают его существование. Несмотря на это противоречие, были предсказаны многие свойства двухатомного астата; например, длина его связи будет300 ± 10  пм , энергия диссоциации83,7 ± 12,5 кДж / моль , а теплота испарения (∆H пар ) 54,39 кДж / моль. Многие значения были предсказаны для точек плавления и кипения астата, но только для At 2 .

Химическая

Химический состав астата «омрачен чрезвычайно низкими концентрациями, при которых проводились эксперименты с астатином, и возможностью реакций с примесями, стенками и фильтрами или побочными продуктами радиоактивности, а также другими нежелательными взаимодействиями нанометрового масштаба». Многие из его очевидных химических свойств наблюдались с помощью трассерных исследований в чрезвычайно разбавленных растворах астата, обычно менее 10 -10 моль · л -1 . Некоторые свойства, такие как образование анионов, совпадают с другими галогенами. Астатин также имеет некоторые металлические свойства, такие как нанесение покрытия на катод и соосаждение с сульфидами металлов в соляной кислоте. Он образует комплексы с ЭДТА , хелатирующим агентом с металлами , и способен действовать как металл при радиоактивной метке антител ; в некоторых отношениях астат в состоянии +1 сродни серебру в том же состоянии. Однако большая часть органической химии астата аналогична йоду. Было высказано предположение, что астатин может образовывать стабильный одноатомный катион в водном растворе, но данные об электромиграции предполагают, что катионная форма At (I) представляет собой протонированную гипоастатозную кислоту (H 2 OAt + ), демонстрируя аналогию с йодом.

Астатин имеет электроотрицательность 2,2 по пересмотренной шкале Полинга  - ниже, чем у йода (2,66), и такой же, как у водорода. В водородном астатиде (HAt) предполагается , что отрицательный заряд находится на атоме водорода, подразумевая, что это соединение может называться астатин-гидридом в соответствии с определенной номенклатурой. Это согласуется с тем, что электроотрицательность астата по шкале Оллреда – Рохоу (1.9) меньше, чем у водорода (2.2). Однако официальная стехиометрическая номенклатура ИЮПАК основана на идеализированном соглашении об определении относительной электроотрицательности элементов просто на основании их положения в периодической таблице. Согласно этому соглашению, с астатином обращаются так, как будто он более электроотрицателен, чем водород, независимо от его истинной электроотрицательности. Сродство к электрону астатина, на 233 кДж моль -1 , составляет 21% меньше , чем у йода. Для сравнения, значение Cl (349) на 6,4% выше, чем F (328); Br (325) на 6,9% меньше, чем Cl; а I (295) на 9,2% меньше Br. Было предсказано, что заметное уменьшение At связано со спин-орбитальным взаимодействием . Первая энергия ионизации астатина составляет около 899 кДжей моль -1 , которая продолжает тенденцию уменьшения энергии ионизации первой вниз галогенной группа (фтор, 1681; хлор, 1251; бром, 1140; йод, 1008).

Соединения

Менее реакционноспособен, чем йод, астатин является наименее реактивным из галогенов. Его соединения были синтезированы в микроскопических количествах и изучены максимально интенсивно до их радиоактивного распада. Соответствующие реакции обычно тестировались с разбавленными растворами астатина, смешанными с большим количеством йода. Выступая в качестве носителя, йод обеспечивает достаточное количество материала для работы лабораторных методов (таких как фильтрация и осаждение ). Как и йод, астатин принимает нечетные степени окисления в диапазоне от -1 до +7.

Сообщалось только о нескольких соединениях с металлами в виде астатидов натрия, палладия , серебра, таллия и свинца. Некоторые характерные свойства астатидов серебра и натрия, а также других гипотетических астатидов щелочных и щелочноземельных металлов были оценены экстраполяцией из галогенидов других металлов.

Образование соединения астата с водородом, обычно называемого водородным астатидом, было отмечено пионерами химии астата. Как уже упоминалось, есть основания вместо этого называть это соединение гидридом астата. Легко окисляется ; подкисление разбавленной азотной кислотой дает формы At 0 или At + , и последующее добавление серебра (I) может только частично, в лучшем случае, осаждать астат в виде астатида серебра (I) (AgAt). Йод, напротив, не окисляется и легко осаждается в виде иодида серебра (I) .

Известно, что астатин связывается с бором , углеродом и азотом . Были получены различные каркасные соединения бора со связями At – B, которые более стабильны, чем связи At – C. Астатин может замещать атом водорода в бензоле с образованием астатобензола C 6 H 5 At; он может быть окислен хлором до C 6 H 5 AtCl 2 . Обработкой этого соединения щелочным раствором гипохлорита можно получить C 6 H 5 AtO 2 . Катион дипиридин-астатин (I), [At (C 5 H 5 N) 2 ] + , образует ионные соединения с перхлоратом ( некоординирующий анион ) и с нитратом , [At (C 5 H 5 N) 2 ] NO 3 . Этот катион существует в виде координационного комплекса, в котором две дативные ковалентные связи по отдельности связывают центр астатина (I) с каждым из пиридиновых колец через их атомы азота.

Что касается кислорода, есть свидетельства наличия в водном растворе разновидностей AtO - и AtO + , образованных реакцией астата с окислителем, таким как элементарный бром, или (в последнем случае) персульфатом натрия в растворе хлорной кислоты : последний частицы также могут быть протонированной астатовой кислотой, H
2
AtO+
2
. Виды, ранее считавшиеся AtO-
2
с тех пор было определено, что это AtO (OH)-
2
, продукт гидролиза AtO + (другим таким продуктом гидролиза является AtOOH). Хорошо охарактеризованный AtO-
3
анион можно получить, например, окислением астата гипохлоритом калия в растворе гидроксида калия . Сообщалось о получении триастатата лантана La (AtO 3 ) 3 после окисления астата горячим раствором Na 2 S 2 O 8 . Дальнейшее окисление AtO-
3
, например, дифторидом ксенона (в горячем щелочном растворе) или периодатомнейтральном или щелочном растворе), образует перастатат-ион AtO-
4
; он стабилен только в нейтральных или щелочных растворах. Астат также полагают, способен образовывать катионы в соли с оксианионами , такими как йодид или дихромат ; это основано на наблюдении, что в кислых растворах одновалентные или промежуточные положительные состояния астата соосаждены с нерастворимыми солями катионов металлов, такими как йодат серебра (I) или дихромат таллия (I).

Астатин может образовывать связи с другими халькогенами ; к ним относятся S 7 At + и At (CSN)-
2
с серой , координационное соединение селеномочевины с селеном и астатин- теллуровый коллоид с теллуром.

Структура астатин monoiodide, один из астатина interhalogens и тяжелой известной двухатомной interhalogen.

Известно, что астатин реагирует со своими более легкими гомологами йодом, бромом и хлором в парообразном состоянии; в этих реакциях образуются двухатомные межгалогенные соединения с формулами AtI, AtBr и AtCl. Первые два соединения могут также образовываться в воде - астатин реагирует с раствором йода / йодида с образованием AtI, тогда как для AtBr требуется (помимо астата) раствор йода / монобромида / бромида йода . Избыток йодидов или бромидов может привести к образованию AtBr.-
2
и AtI-
2
ионы, или в растворе хлорида, они могут производить такие виды, как AtCl-
2
или AtBrCl-
посредством равновесных реакций с хлоридами. Окисление элемента дихроматом (в растворе азотной кислоты) показало, что добавление хлорида превращает астат в молекулу, которая, вероятно, будет либо AtCl, либо AtOCl. Аналогично AtOCl-
2
или AtCl-
2
могут быть произведены. Полигалогениды PdAtI 2 , CsAtI 2 , TlAtI 2 и PbAtI известны или предположительно осаждены. В масс-спектрометре с плазменным источником ионов ионы [AtI] + , [AtBr] + и [AtCl] + были образованы путем введения более легких паров галогена в заполненную гелием ячейку, содержащую астатин, что подтверждает существование стабильных нейтральных молекул в состояние иона плазмы. Фторидов астата пока не обнаружено. Их отсутствие предположительно объясняется крайней реакционной способностью таких соединений, включая реакцию первоначально образовавшегося фторида со стенками стеклянной емкости с образованием нелетучего продукта. Таким образом, хотя синтез фторида астатина считается возможным, он может потребовать жидкого фторидного растворителя галогена, который уже использовался для определения характеристик фторида радона.

История

Периодическая таблица Менделеева (1971), с отсутствием астата ниже хлора, брома и йода ("J")
Таблица Дмитрия Менделеева 1871 г., с пустым местом в позиции эка-йода

В 1869 году, когда Дмитрий Менделеев опубликовал свою периодическую таблицу , место под йодом было пусто; после того, как Нильс Бор установил физическую основу классификации химических элементов, было высказано предположение, что пятый галоген принадлежит именно им. До своего официально признанного открытия он назывался «эка-йод» (от санскрита эка  - «один»), что означало, что это было одно пространство под йодом (таким же образом, как эка-кремний, эка-бор и другие ). Ученые пытались найти его в природе; учитывая его крайнюю редкость, эти попытки привели к нескольким ложным открытиям.

Первое заявленное открытие эка-йода было сделано Фредом Эллисоном и его сотрудниками в Политехническом институте Алабамы (ныне Обернский университет ) в 1931 году. Первооткрыватели назвали элемент 85 «алабамин» и присвоили ему символ Ab, обозначения, которые использовались для несколько лет. В 1934 году Х. Г. Макферсон из Калифорнийского университета в Беркли опроверг метод Эллисона и обоснованность его открытия. В 1937 году химик Раджендралал Де сделал еще одно заявление. Работая в Дакке в Британской Индии (ныне Дакка в Бангладеш ), он выбрал название «дакин» для элемента 85, который, как он утверждал, выделил в качестве ториевого эквивалента радия F (полония-210) в радиевом ряду . Свойства дакина, о которых он сообщил, не соответствуют свойствам астата; более того, астатин не встречается в ториевом ряду, и истинное происхождение дакина неизвестно.

В 1936 году группа румынского физика Хория Хулубея и французского физика Иветт Кошуа заявила, что открыла элемент 85 с помощью рентгеновского анализа. В 1939 году они опубликовали еще одну статью, которая поддержала и расширила предыдущие данные. В 1944 году Хулубей опубликовал сводку данных, полученных им к тому времени, заявив, что они подтверждаются работой других исследователей. Он выбрал название «дор», предположительно от румынского, означающего «стремление к миру», поскольку Вторая мировая война началась пятью годами ранее. Поскольку Хулубей писал на французском языке, который не вмещает суффикс «ine», дор, вероятно, был бы переведен на английский язык как «dorine», если бы он был принят. В 1947 году требование Хулубея было фактически отклонено австрийским химиком Фридрихом Панетом , который позже возглавил комитет ИЮПАК, ответственный за признание новых элементов. Несмотря на то, что образцы Хулубея действительно содержали астат, его средства обнаружения были слишком слабыми по нынешним стандартам, чтобы обеспечить правильную идентификацию. Он также был причастен к более раннему ложному заявлению об открытии элемента 87 (франций), и это, как полагают, заставило других исследователей преуменьшить значение его работы.

Фотография верхней части тела мужчины в оттенках серого.
Эмилио Сегре , один из первооткрывателей элемента основной группы астатин

В 1940 году швейцарский химик Вальтер Миндер объявил об открытии элемента 85 как продукта бета- распада радия А (полония-218), выбрав название «гельвеций» (от Helvetia , латинского названия Швейцарии). Берте Карлик и Трауде Бернерт не удалось воспроизвести его эксперименты, и впоследствии они приписали результаты Миндера загрязнению его потока радона ( радон-222 является родительским изотопом полония-218). В 1942 году Миндер в сотрудничестве с английским ученым Элис Ли-Смит объявил об открытии другого изотопа элемента 85, который предположительно является продуктом бета-распада тория А (полония-216). Они назвали это вещество «англо-гельвеем», но Карлик и Бернерт снова не смогли воспроизвести эти результаты.

Позже, в 1940 году, Дейл Р. Корсон , Кеннет Росс МакКензи и Эмилио Сегре выделили элемент в Калифорнийском университете в Беркли. Вместо поиска элемента в природе, ученые создали его при бомбардировке висмута-209 с альфа - частиц в циклотроне (ускоритель частиц) с получением, после испускания двух нейтронов, астатин-211. Однако первооткрыватели не сразу предложили название элементу. Причина этого заключалась в том, что в то время элемент, созданный синтетическим путем в «невидимых количествах», который еще не был обнаружен в природе, не считался полностью допустимым; кроме того, химики неохотно признавали радиоактивные изотопы так же правомерно, как и стабильные. В 1943 году Берта Карлик и Трауде Бернерт обнаружили астатин как продукт двух естественных цепочек распада , сначала в так называемом урановом ряду , а затем в актиниевом ряду . (С тех пор астатин также был обнаружен в третьей цепочке распада, в серии нептуния .) Фридрих Панет в 1946 году призвал наконец признать синтетические элементы, цитируя, среди прочего, недавнее подтверждение их естественного происхождения, и предположил, что первооткрыватели недавно обнаруженные безымянные элементы называют эти элементы. В начале 1947 года « Nature» опубликовала предложения первооткрывателей; в письме Корсона, Маккензи и Сегре было предложено название «астатин», происходящее от греческого слова « астатос» (αστατος), означающего «нестабильный», из-за его склонности к радиоактивному распаду , с окончанием «-ин», встречающимся в названиях четыре ранее открытых галогена. Название было также выбрано, чтобы продолжить традицию четырех стабильных галогенов, где название относится к свойству элемента.

Корсон и его коллеги классифицировали астат как металл на основе его аналитической химии . Последующие исследователи сообщили о йодоподобном, катионном или амфотерном поведении. В ретроспективе 2003 года Корсон написал, что «некоторые свойства [астатина] аналогичны свойствам йода ... он также проявляет металлические свойства, более похожие на его металлических соседей Po и Bi».

Изотопы

Характеристики альфа-распада для образцов изотопов астата
Массовое
число

Избыток массы
Период полураспада Вероятность
альфа-
распада
Период полураспада альфа-
распада
207 −13,243 МэВ 1.80 ч 8,6 % 20.9 ч
208 −12,491 МэВ 1,63 ч 0,55 % 12,3 г
209 −12,880 МэВ 5,41 ч 4,1 % 5,5 дн
210 −11,972 МэВ 8.1 ч 0,175 % 193 г
211 −11,647 МэВ 7.21 ч 41,8 % 17,2 ч
212 −8,621 МэВ 0,31 с ≈100% 0,31 с
213 −6,579 МэВ 125 нс 100 % 125 нс
214 −3,380 МэВ 558 нс 100 % 558 нс
219 10,397 МэВ 56 с 97 % 58 с
220 14,350 МэВ 3,71 мин. 8 % 46,4 мин
221 16,810 МэВ 2.3 мин. экспериментально
альфа стабильный

Известно 39 изотопов астата с атомными массами (массовыми числами) 191–229. Теоретическое моделирование предполагает, что могло существовать еще 37 изотопов. Стабильного или долгоживущего изотопа астатина не наблюдалось, и не ожидается, что он будет существовать.

Энергии альфа-распада астатина следуют той же тенденции, что и для других тяжелых элементов. Более легкие изотопы астата имеют довольно высокие энергии альфа-распада, которые становятся ниже по мере того, как ядра становятся тяжелее. Астатин-211 имеет значительно более высокую энергию, чем предыдущий изотоп, потому что у него есть ядро ​​с 126 нейтронами, а 126 - магическое число, соответствующее заполненной нейтронной оболочке. Несмотря на аналогичный период полураспада с предыдущим изотопом (8,1 часа для астатина-210 и 7,2 часа для астатина-211), вероятность альфа-распада для последнего намного выше: 41,81% против всего лишь 0,18%. Два следующих изотопа выделяют еще больше энергии, а астат-213 выделяет больше всего энергии. По этой причине это самый короткоживущий изотоп астата. Несмотря на то, что более тяжелые изотопы астата выделяют меньше энергии, долгоживущего изотопа астата не существует из-за возрастающей роли бета-распада (электронной эмиссии). Этот режим распада особенно важен для астата; Еще в 1950 г. было постулировано, что все изотопы элемента подвергаются бета-распаду, хотя измерения ядерной массы показывают, что 215 At на самом деле является бета-стабильным , поскольку он имеет самую низкую массу из всех изобар с A  = 215. Режим бета-распада был обнаружен для всех других изотопов астата, кроме астатина-213, астатина-214 и астатина-216m. Астатин-210 и более легкие изотопы демонстрируют бета-плюс-распад ( позитронная эмиссия ), астатин-216 и более тяжелые изотопы демонстрируют бета-минус-распад, а астатин-212 распадается в обоих режимах, в то время как астат-211 подвергается электронному захвату .

Самый стабильный изотоп - астатин-210, период полураспада которого составляет 8,1 часа. Основной режим распада - бета-плюс относительно долгоживущего (по сравнению с изотопами астата) альфа-излучателя полония-210 . Всего лишь пять изотопов имеют период полураспада, превышающий один час (астатин-207–211). Наименее стабильным изотопом в основном состоянии является астат-213 с периодом полураспада 125 наносекунд. Он подвергается альфа-распаду до чрезвычайно долгоживущего висмута-209 .

Астатин имеет 24 известных ядерных изомера , которые представляют собой ядра с одним или несколькими нуклонами ( протонами или нейтронами ) в возбужденном состоянии . Ядерный изомер также можно назвать « мета -state», то есть система имеет больше внутренней энергии , чем « основное состояние » (состояние с наименьшей возможной внутренней энергии), что делает бывший , вероятно, распадаться в последний. Для каждого изотопа может быть более одного изомера. Наиболее стабильным из этих ядерных изомеров является астатин-202m1, который имеет период полураспада около 3 минут, что больше, чем у всех основных состояний, за исключением изотопов 203–211 и 220. Наименее стабильным является астатин-214m1; его период полураспада 265 наносекунд короче, чем у всех основных состояний, кроме астатина-213.

Естественное явление

последовательность разноцветных шаров, каждый из которых содержит двухбуквенный символ и несколько цифр
Ряд нептуния, показывающий продукты распада, включая астат-217, образованный из нептуния-237.

Астатин - самый редкий элемент, встречающийся в природе. Общее количество астата в земной коре (указанная масса 2,36 × 10 25 граммов) оценивается некоторыми как менее одного грамма в любой момент времени. Другие источники оценивают количество эфемерного астата, присутствующего на Земле в любой момент, до одной унции (около 28 граммов).

Любой астат, присутствовавший при формировании Земли, давно исчез; четыре встречающихся в природе изотопа (астатин-215, -217, -218 и -219) вместо этого непрерывно производятся в результате распада радиоактивных ториевых и урановых руд и следовых количеств нептуния-237 . На суше Северной и Южной Америки вместе взятых на глубине до 16 километров (10 миль) содержится всего около одного триллиона атомов астатина-215 в любой момент времени (около 3,5 × 10 -10 граммов). Астатин-217 образуется в результате радиоактивного распада нептуния-237. Первородные остатки последнего изотопа - из-за его относительно короткого периода полураспада, составляющего 2,14 миллиона лет - больше не присутствуют на Земле. Однако следовые количества встречаются в природе как продукт реакций трансмутации в урановых рудах . Астатин-218 был первым изотопом астата, обнаруженным в природе. Астатин-219 с периодом полураспада 56 секунд является самым долгоживущим из встречающихся в природе изотопов.

Изотопы астата иногда не упоминаются как встречающиеся в природе из-за неправильных представлений об отсутствии таких изотопов или из-за разночтений в литературе. Астатин-216 считается изотопом природного происхождения, но сообщения о его наблюдениях (которые были описаны как сомнительные) не подтвердились.

Синтез

Формирование

Возможные реакции после бомбардировки висмута-209 альфа-частицами
Реакция Энергия альфа-частицы
209
83
Би
+4
2
Он
211
85
При
+21
0
п
26 МэВ
209
83
Би
+4
2
Он
210
85
При
+ 31
0
п
40 МэВ
209
83
Би
+4
2
Он
209
85
В
+41
0
п
60 МэВ

Впервые астатин был получен путем бомбардировки висмута-209 энергичными альфа-частицами, и это все еще основной путь, используемый для создания относительно долгоживущих изотопов астатин-209 через астат-211. Астат производится только в крохотных количествах, с современными методами позволяет производственный цикл до 6,6  гига беккерелях (около 86  нанограмм или 2,47 × 10 14 атомов). Синтез больших количеств астата с использованием этого метода ограничен ограниченной доступностью подходящих циклотронов и перспективой плавления мишени. Растворитель радиолиз из - за кумулятивный эффект астатина распада является связанной проблемой. С помощью криогенной технологии можно было бы получить микрограммы астата путем облучения протонами тория или урана с образованием радона-211, который, в свою очередь, распадается до астатина-211. Ожидается, что загрязнение астатином-210 будет недостатком этого метода.

Наиболее важным изотопом является астат-211, единственный изотоп, который используется в коммерческих целях. Для изготовления висмутовой мишени металл напыляют на поверхность из золота, меди или алюминия из расчета от 50 до 100 миллиграммов на квадратный сантиметр. Вместо этого можно использовать оксид висмута ; это принудительно сплавлено с медной пластиной. Мишень находится в химически нейтральной атмосфере азота и охлаждается водой для предотвращения преждевременного испарения астата. В ускорителе частиц, таком как циклотрон, альфа-частицы сталкиваются с висмутом. Даже несмотря на то, что используется только один изотоп висмута (висмут-209), реакция может протекать тремя возможными путями, давая астат-209, астат-210 или астат-211. Чтобы исключить нежелательные нуклиды, максимальная энергия ускорителя частиц устанавливается на значение (оптимально на 29,17 МэВ) выше, чем для реакции с образованием астатина-211 (для получения желаемого изотопа), и ниже энергии, производящей астатин-210 (для избегать производства других изотопов астата).

Методы разделения

Поскольку астатин является основным продуктом синтеза, после его образования его нужно только отделить от мишени и любых значительных примесей. Доступно несколько методов, «но они обычно следуют одному из двух подходов - сухой перегонке или [влажной] кислотной обработке мишени с последующей экстракцией растворителем». Приведенные ниже методы представляют собой современные модификации старых процедур, рассмотренные Куглером и Келлером. Методы, существовавшие до 1985 года, чаще были направлены на ликвидацию токсичного полония, производимого совместно; теперь это требование смягчается за счет ограничения энергии пучка циклотронного излучения.

Сухой

Циклотронная мишень, содержащая астат, нагревается до температуры около 650 ° C. Астатин улетучивается и конденсируется (обычно) в холодной ловушке . Более высокие температуры примерно до 850 ° C могут увеличить выход, но при этом существует риск загрязнения висмутом из-за одновременного улетучивания. Для минимизации присутствия висмута может потребоваться повторная перегонка конденсата (поскольку висмут может мешать реакциям мечения астатином ). Астатин извлекают из ловушки с использованием одного или нескольких растворителей с низкой концентрацией, таких как гидроксид натрия , метанол или хлороформ . Может быть достигнут выход астатина примерно до 80%. Сухое разделение - это метод, наиболее часто используемый для получения химически полезной формы астатина.

Влажный

Облученную мишень висмута (или иногда триоксида висмута ) сначала растворяют, например, в концентрированной азотной или хлорной кислоте. После этой первой стадии кислоту можно отогнать, чтобы оставить белый остаток, содержащий как висмут, так и желаемый продукт астат. Затем этот остаток растворяют в концентрированной кислоте, такой как соляная кислота. Астатин экстрагируют из этой кислоты с использованием органического растворителя, такого как бутиловый или изопропиловый эфир , диизопропиловый эфир (DIPE) или тиосемикарбазид . Используя экстракцию жидкость-жидкость, астатиновый продукт можно многократно промывать кислотой, такой как HCl, и экстрагировать в слой органического растворителя. Сообщается, что при использовании азотной кислоты выход разделения составляет 93%, упав до 72% к моменту завершения процедур очистки (дистилляция азотной кислоты, продувка остаточных оксидов азота и повторное растворение нитрата висмута для обеспечения жидкостно-жидкостной экстракции ). Влажные методы включают «несколько этапов обработки радиоактивности» и не считаются подходящими для выделения больших количеств астатина. Однако методы влажной экстракции изучаются на предмет использования при производстве больших количеств астатина-211, поскольку считается, что методы влажной экстракции могут обеспечить большую стабильность. Они могут способствовать производству астата в определенной степени окисления и могут иметь большее применение в экспериментальной радиохимии .

Использование и меры предосторожности

Несколько молекул, содержащих 211 At, и их экспериментальное использование
Агент Приложения
[ 211 At] коллоиды астат-теллура Компартментные опухоли
6- [ 211 At] астато-2-метил-1,4-нафтахинолдифосфат Аденокарциномы
Метиленовый синий с меткой 211 At Меланомы
Мета [ 211 At] астатобензилгуанидин Нейроэндокринные опухоли
5- [ 211 At] астато-2'-дезоксиуридин Различный
211 At-меченные конъюгаты биотина Различный предварительный таргетинг
211 At-меченый октреотид Рецептор соматостатина
211 At-меченные моноклональные антитела и фрагменты Различный
211 В меченных бисфосфонатах Костные метастазы

Недавно образованный астат-211 является предметом постоянных исследований в ядерной медицине . Его необходимо использовать быстро, так как он распадается с периодом полураспада 7,2 часа; этого достаточно, чтобы разрешить многоэтапные стратегии маркировки . Астатин-211 имеет потенциал для целенаправленной терапии альфа-частицами , поскольку он распадается либо в результате испускания альфа-частицы (до висмута-207), либо в результате захвата электронов (до чрезвычайно короткоживущего нуклида, полония-211, который подвергается дальнейшей альфа-реакции). распад), очень быстро достигая своей стабильной внучки свинец-207. Рентгеновские лучи полония, испускаемые в результате ветви электронного захвата, в диапазоне 77–92  кэВ , позволяют отслеживать астат у животных и пациентов. Хотя астатин-210 имеет немного более длительный период полураспада, он совершенно непригоден, поскольку обычно подвергается бета-распаду до чрезвычайно токсичного полония-210.

Основное медицинское различие между астатином-211 и йодом-131 (радиоактивный изотоп йода, также используемый в медицине) заключается в том, что йод-131 испускает высокоэнергетические бета-частицы, а астат - нет. Бета-частицы обладают гораздо большей проникающей способностью через ткани, чем гораздо более тяжелые альфа-частицы. Средняя альфа-частица, выделяемая астатином-211, может проходить через окружающие ткани на расстояние до 70 мкм; бета-частица со средней энергией, испускаемая йодом-131, может путешествовать почти в 30 раз дальше, примерно до 2 мм. Короткий период полураспада и ограниченная проникающая способность альфа-излучения через ткани дает преимущества в ситуациях, когда «опухолевое бремя невелико и / или популяции злокачественных клеток расположены в непосредственной близости от основных нормальных тканей». Значительная заболеваемость в моделях рака человека на клеточных культурах была достигнута при наличии от одного до десяти атомов астатина-211, связанных на клетку.

Астатин ... жалко творить и черт с ним работать.

П. Дурбин, Исследования излучения человека: вспоминая ранние годы , 1995

При разработке радиофармацевтических препаратов на основе астата для лечения рака возникло несколько препятствий . Вторая мировая война отложила исследования почти на десять лет. Результаты ранних экспериментов показали, что необходимо будет разработать носитель, избирательный к раку, и только в 1970-х годах для этой цели стали доступны моноклональные антитела . В отличие от йода, астатин проявляет тенденцию дегалогенироваться на молекулярных носителях, таких как эти, особенно на сайтах углерода sp 3 (в меньшей степени - на сайтах sp 2 ). Учитывая токсичность астатина, накапливаемого и удерживаемого в организме, это подчеркивает необходимость обеспечения того, чтобы он оставался прикрепленным к своей молекуле хозяина. В то время как носители астата, которые медленно метаболизируются, можно оценить по их эффективности, носители с более быстрым метаболизмом остаются значительным препятствием для оценки астата в ядерной медицине. Смягчение эффектов индуцированного астатом радиолиза меченых химикатов и молекул-носителей - еще одна область, требующая дальнейшего развития. Практическое применение астата для лечения рака потенциально может быть подходящим для «ошеломляющего» числа пациентов; Производство астата в необходимых количествах остается проблемой.

Исследования на животных показывают, что астат, как и йод, - хотя и в меньшей степени, возможно, из-за его немного более металлической природы - преимущественно (и опасно) сконцентрирован в щитовидной железе . В отличие от йода, астат также имеет тенденцию поглощаться легкими и селезенкой, возможно, из-за окисления At - до At + в организме . При введении в виде радиоколлоида он имеет тенденцию концентрироваться в печени . Эксперименты на крысах и обезьянах показывают, что астат-211 наносит гораздо больший ущерб щитовидной железе, чем йод-131, при этом повторяющиеся инъекции нуклида приводят к некрозу и дисплазии клеток внутри железы. Ранние исследования показали, что введение астата самкам грызунов вызывает морфологические изменения в тканях груди; этот вывод оставался спорным в течение многих лет. Позднее было достигнуто общее согласие, что это, вероятно, было вызвано эффектом облучения ткани груди в сочетании с гормональными изменениями из-за облучения яичников. Незначительные количества астатина можно безопасно обрабатывать в вытяжных шкафах, если они хорошо вентилируются; необходимо избегать биологического поглощения элемента.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

Библиография

внешние ссылки