Астат

Астат, At (англ. astatine, нім. Astat) — 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.

Астат (At)
Атомний номер	85
Зовнішній вигляд простої речовини	Нестабільний, радіоактивний галоген
Властивості атома
Атомна маса (молярна маса)	209,9871 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома	127пм
Енергія іонізації (перший електрон)	899 (9,32) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація	[Xe] 4f^14 5d^10 6s^2 6p^5
Хімічні властивості
Ковалентний радіус	148-150 пм
Радіус іона	(+7e) 76 пм
Електронегативність (за Полінгом)	2,2
Електродний потенціал	At2→2At^− 0.2В
Ступені окиснення	+7, +5, +3, +1, −1
Термодинамічні властивості
Густина	6,4-7 г/см³
Молярна теплоємність	n/a Дж/(К·моль)
Теплопровідність	1,7-2 Вт/(м·К)
Температура плавлення	573-577 К
Теплота плавлення	23,8 кДж/моль
Температура кипіння	623 К
Теплота випаровування	585,22 кДж/моль
Молярний об'єм	33 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки	n/a
Період ґратки	n/a Å
Відношення с/а	n/a
Температура Дебая	n/a К
Інші властивості
Критична точка	н/д
H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og * La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu ** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Астат у Вікісховищі

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 Фреда Аллісона^[en] 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 Хорія Хулубей^[en] опублікували роботу, де описувались три спектральні лінії, що відповідали передбаченим для 85-го елементу. Ці лінії зафіксовано під час серії експериментів із дослідження спектру радону-222, що тривали з 1934 року. Вже під час війни, їх результати підтвердив португальський вчений Мануель Валадарес^[pt].

Паралельно, швейцарський хімік Волтер Міднер^[en] 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 Алісою Лей-Сміт^[en]. Відзначаючи її внесок, Міднер запропонував нову назву, англогельвецій. Втім, ці результати не змогли відтворити інші вчені.

У 1940 році Дейл Корсон^[en], Кеннет МакКензі^[en] 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 елементу.

Не знаючи про результати американських колег, австрійські вчені Берта Карлік і Труда Берне^[fr] 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 грец. ἀστατέω — 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(інші мови) (t_½=1,5 секунд) входить в ряд урану
• Астат-215(інші мови) (t_½=0,1 мілісекунди) і астат-219(інші мови) (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

${\displaystyle \mathrm {_{83}Bi^{209}+_{2}He^{4}\longrightarrow _{85}At^{210}+3_{0}n^{1}} }$

${\displaystyle \mathrm {_{83}Bi^{209}+_{2}He^{4}\longrightarrow _{85}At^{211}+2_{0}n^{1}} }$

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⁻:

${\displaystyle \mathrm {2At+SO_{2}+2H_{2}O=2At^{-}+3H^{+}+HSO_{4}^{-}} }$,

який з йонами срібла утворює нерозчинний астатид срібла AgAt. Останній кількісно співоосаджується з йодидом срібла як носій. Астатат-йон AtO⁻
₃ утворюється при окисненні астатид-йона перйодатною кислотою H₅IO₆ або церієм(IV):

${\displaystyle \mathrm {6Ce^{4+}+At^{-}+3H_{2}O=AtO_{3}^{-}+6Ce^{3+}+6H^{+}} }$

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(інші мови), 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.