Астат

хімічний елемент з атомним номером 85

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 Нестабільный,
радіоактивний галоген
Властивості атома
Атомна маса (молярна маса) 209,9871 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома 127[1] пм
Енергія іонізації (перший електрон) 899 (9,32)[2] кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація [Xe] 4f14 5d10 6s2 6p5
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[3] 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[4] 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
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
CMNS: Астат у Вікісховищі

ІсторіяРедагувати

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[5][6]. Обидва «відкриття» не підтвердилися, проте протягом наступних років пошуки ека-йоду сильно активізувались. У 1926 році Отто Ган шукав його у радії[6], Джон Ньютон Френд — у багатій галогенами воді з Мертвого Моря[7], 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[6].

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[6].

У 1939 році французька фізикиня Івет Кошуа і румунський фізик Хорія Хулубей[en] 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 Мануелем Валадаресом[pt][6].

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[8].

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[8].

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[6].

Сучасна назва елементу була дана лише в 1947 році, після статті Фредеріка Панета[en], 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[6].

ІзотопиРедагувати

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 (t½=1,5 секунд) входить в ряд урану[9]
  • Астат-215 (t½=0,1 мілісекунди) і астат-219 (t½=56 секунд) входять в ряд актинію[10].

Через надзвичайно низький час життя природних ізотопів, кількість астату у природі дуже низька — у будь-який час у загальна кількість астату на Землі, за різними оцінками, становить від сотень міліграмів до 30 грамів[11].

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)[12].

ОтриманняРедагувати

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

 [13]
 

з наступним відділенням астату співосадженням, екстракцією, хроматографією або дистиляцією на платинову пластинку[14]. Оскільки астат є галогеном, він є досить летким, і легко відділяється від вісмуту хімічно.

Сучасні циклотрони можуть виробляти до 1,5×1012 атомів астату на годину[15].

ВластивостіРедагувати

ФізичніРедагувати

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[16]. 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[16].

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

ХімічніРедагувати

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

 ,

який з йонами срібла утворює нерозчинний астатид срібла AgAt. Останній кількісно співоосаджується з йодидом срібла як носій. Астатат-йон AtO3 утворюється при окисненні астатид-йона перйодатною кислотою H5IO6 або церієм(IV):

 

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[15], проте існують і експерименти, що говорять про протилежне[17].

ВикористанняРедагувати

Фізіологічно астат поводить себе подібно до йоду — наприклад, концентрується в щитоподібній залозі, шлунку, селезінці[18]. 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[19]. Препарати на його основі брали участь у багатьох клінічних дослідженнях, проте широкому використанню перешкоджає важкість його отримання.

ПриміткиРедагувати

ДжерелаРедагувати