At · Element 85 · Halbmetall
Das seltenste natürlich vorkommende Element der Erde – möglicherweise existieren zu jedem Zeitpunkt nur etwa 25 Gramm in der gesamten Erdkruste.
Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo Astat bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 150 pm — das entspricht 0,15 nm; etwa 3,33 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.
Temperaturbereich
Astat ist über einen Bereich von 35 K flüssig, von 575 K bis 610 K.
Die Geschichte
Das seltenste natürlich vorkommende Element der Erde – möglicherweise existieren zu jedem Zeitpunkt nur etwa 25 Gramm in der gesamten Erdkruste.
Astat wurde 1940 von Dale Corson, Kenneth MacKenzie und Emilio Segrè an der University of California, Berkeley, entdeckt und war damit das letzte natürlich vorkommende Element, das entdeckt wurde. Das Team erzeugte Astat künstlich, indem es Bismut-209 im 60-Zoll-Zyklotron mit Alphateilchen beschoss und dabei Astat-211 herstellte. Diese Entdeckung schloss die letzte Lücke im Periodensystem der natürlich vorkommenden Elemente.
Vor seiner Entdeckung war aufgrund des periodischen Gesetzes von Mendeleev bekannt, dass Element 85 existieren musste, doch es entzog sich jahrzehntelang dem Nachweis. Es waren viele falsche Entdeckungsansprüche erhoben worden, mit vorgeschlagenen Namen wie „Alabamin“ (1931) und „Dor“ (1936). Das Berkeley-Team nannte seine Entdeckung zunächst „Alabamin“, änderte den Namen später jedoch in „Astat“, abgeleitet vom griechischen Wort „astatos“ für „instabil“, was seine radioaktive Natur genau beschreibt.
Die Entdeckung erforderte für das Jahr 1940 äußerst ausgefeilte Verfahren. Das Team musste Astat anhand von Zerfallsmustern, Halbwertszeiten und chemischem Verhalten von anderen radioaktiven Produkten unterscheiden. Sie wiesen die Existenz von Astat nach, indem sie zeigten, dass es sich chemisch wie ein Halogen verhielt, mit organischen Lösungsmitteln extrahiert werden konnte und die für Element 85 vorhergesagten radioaktiven Eigenschaften besaß.
Obwohl es zunächst künstlich erzeugt wurde, bestätigten Wissenschaftler 1943 das natürliche Vorkommen von Astat, indem sie es in Uran-Zerfallsreihen identifizierten. Damit war Astat einzigartig als Element, das künstlich erzeugt wurde, bevor es in der Natur gefunden wurde, und verdeutlichte sowohl den menschlichen Erfindergeist als auch die extreme Seltenheit des Elements in natürlichen Systemen.
Anwendungen
Astat-211 stellt eines der vielversprechendsten Radioisotope für die zielgerichtete Alphatherapie (TAT) in der modernen Nuklearmedizin dar. Seine Halbwertszeit von 7.2 Stunden bietet das optimale therapeutische Zeitfenster – lang genug für die aufwendige Herstellung von Radiopharmazeutika und die Behandlung von Patienten, aber kurz genug, um die langfristige Strahlenbelastung zu minimieren. Forschungseinrichtungen weltweit untersuchen At-211, das an monoklonale Antikörper gebunden ist, zur Behandlung verschiedener Krebsarten, darunter Glioblastome, Eierstockkrebs und hämatologische bösartige Erkrankungen.
Trotz seiner extremen Seltenheit (zu jedem Zeitpunkt existieren auf der Erde weniger als 30 Gramm) dient Astat als wichtiger Tracer in kernphysikalischen Experimenten. Forscher verwenden mikroskopische Mengen, um das chemische Verhalten von Halogenen zu untersuchen und besser zu verstehen, wie sich andere Halogene unter extremen Bedingungen verhalten könnten. Seine einzigartige Stellung als schwerstes natürlich vorkommendes Halogen macht es unschätzbar wertvoll für die Überprüfung von Vorhersagen des Periodensystems und quantenmechanischer Modelle.
Astat-Isotope helfen Wissenschaftlern, radioaktive Zerfallswege und die Kernstabilität zu verstehen. At-210 bis At-219 liefern Erkenntnisse über Alphazerfallsprozesse und helfen bei der Kalibrierung von Messgeräten für andere radioaktive Materialien. Diese Untersuchungen sind entscheidend für die Entsorgung nuklearer Abfälle, den Strahlenschutz und die Weiterentwicklung unseres Verständnisses der Synthese superschwerer Elemente.
Während tatsächliche Astatproben unvorstellbar selten und gefährlich sind, helfen Computersimulationen und theoretische Modelle des Verhaltens von Astat bei der Ausbildung von Kernchemikern und Medizinphysikern. Das Verständnis der Prinzipien der Astatchemie bereitet Forscher auf die Arbeit mit anderen instabilen, schweren Elementen vor und unterstützt die Entwicklung von Sicherheitsprotokollen für die Erforschung superschwerer Elemente.
Astat-211 wird intensiv als Krebsbehandlung der nächsten Generation untersucht. Anders als Betastrahler, die in der konventionellen Strahlentherapie eingesetzt werden, emittiert At-211 hochenergetische Alphateilchen, die Krebszellen mit punktgenauer Präzision zerstören können und dabei nur minimale Schäden am umliegenden gesunden Gewebe verursachen. An großen Krebszentren laufen klinische Studien, doch die extrem schwierige Herstellung von At-211 beschränkt seine Verfügbarkeit auf die am stärksten spezialisierten Forschungseinrichtungen.
Forscher verwenden Femtogramm-Mengen (10^-15 Gramm) von Astat-Isotopen, um das chemische Verhalten zu untersuchen und theoretische Vorhersagen über die Eigenschaften von Halogenen zu überprüfen. Diese Untersuchungen helfen, Computermodelle zu validieren, die zur Vorhersage des Verhaltens anderer seltener Elemente verwendet werden, und tragen zu unserem Verständnis der chemischen Bindung in schweren Atomen bei.
Bekannte Mengen von Astat-Isotopen dienen als Referenzstandards für die Kalibrierung empfindlicher Strahlungsmessgeräte. Diese Anwendung ist entscheidend für die nukleare Sicherheit, die Umweltüberwachung und die Sicherstellung der Genauigkeit medizinischer Strahlentherapiegeräte.
Aufgrund seiner extremen Seltenheit und Radioaktivität hat Astat keine kommerziellen Anwendungen. Alle Verwendungen sind auf hochspezialisierte akademische und medizinische Forschung in Einrichtungen mit den fortschrittlichsten Strahlenschutzprotokollen beschränkt. Der Großteil der Astatforschung ist theoretischer Natur und verwendet Computermodelle statt tatsächlicher Proben.
Woher es stammt
0 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 0 % der Elemente
Astat gilt als das seltenste natürlich vorkommende Element auf der Erde; zu jedem Zeitpunkt befinden sich schätzungsweise insgesamt weniger als 30 Gramm in der gesamten Erdkruste. Diese außergewöhnliche Knappheit ist auf seine Stellung in mehreren radioaktiven Zerfallsreihen und seine extrem kurze Halbwertszeit zurückzuführen, wodurch es seltener ist als viele künstlich erzeugte Elemente.
Natürliches Astat kommt ausschließlich als Zwischenprodukt in drei bedeutenden radioaktiven Zerfallsreihen vor: der Uran-235-Reihe (die At-215 und At-219 hervorbringt), der Uran-238-Reihe (die At-218 hervorbringt) und der Thorium-232-Reihe (die At-216 hervorbringt). Diese Isotope entstehen, wenn schwerere radioaktive Elemente wie Francium, Radium und Polonium einem Alpha- oder Betazerfall unterliegen, zerfallen jedoch rasch weiter, typischerweise innerhalb von Sekunden bis Stunden.
Da Astat durch radioaktiven Zerfall und nicht durch geologische Prozesse entsteht, gibt es keine konzentrierten Lagerstätten oder eine bestimmte geografische Verteilung. Spurenmengen existieren überall dort, wo Uran- und Thoriumerze vorkommen, unter anderem im Athabasca-Becken in Kanada, in Olympic Dam in Australien sowie an verschiedenen Orten in Kasachstan, Namibia und im Westen der Vereinigten Staaten. Die Konzentrationen sind jedoch so unendlich klein, dass eine Gewinnung unmöglich ist.
Das langlebigste natürliche Astat-Isotop, At-219, hat eine Halbwertszeit von nur 56 Sekunden, während At-215 lediglich 0.1 Millisekunden besteht. Das bedeutet, dass Astat-Atome in uranhaltigen Gesteinen kontinuierlich erzeugt und zerstört werden. Das Element befindet sich in einem dynamischen Gleichgewicht – neue Atome entstehen durch radioaktiven Zerfall ungefähr mit derselben Rate, mit der vorhandene Atome in andere Elemente zerfallen.
Handhabung
Astat ist radioaktiv. Es besitzt kein stabiles Isotop — jeder Atomkern zerfällt. Die Handhabung erfordert eine geeignete Abschirmung und Genehmigungen.
Astat gehört zu den gefährlichsten bekannten radioaktiven Elementen. Alle Isotope emittieren hochenergetische Alphateilchen, einige außerdem Betateilchen und Gammastrahlung. Selbst mikroskopische Mengen können tödliche Strahlendosen verursachen. At-211, das am intensivsten untersuchte Isotop, emittiert Alphateilchen mit 5.9 MeV, die schwere Zellschäden und die Zerstörung von DNA verursachen können.
Die Astatforschung erfordert Einrichtungen zur Strahlungsabschirmung der höchsten Stufe (entsprechend Biosicherheitsstufe 3+). Alle Arbeiten müssen in speziellen Heißen Zellen mit Fernbedienungsausrüstung durchgeführt werden. Das Personal muss vollständige Strahlenschutzanzüge mit unabhängiger Luftversorgung tragen und kontinuierlich auf Strahlung überwacht werden. Selbst die kleinste Verschüttung könnte ein gesamtes Labor dauerhaft kontaminieren.
Es gibt keine sichere Expositionshöhe für Astat. Die Neigung des Elements, sich in der Schilddrüse anzureichern (wie Iod), macht es besonders gefährlich und kann möglicherweise Schilddrüsenkrebs, Strahlenkrankheit und den Tod verursachen. Die biologische Halbwertszeit beim Menschen ist aufgrund ethischer Einschränkungen unbekannt, doch Tierversuche deuten auf eine rasche Aufnahme und schwere Gewebeschäden hin.
Astat ist ausschließlich für zugelassene kerntechnische Forschungseinrichtungen mit geeigneten Einschlussmöglichkeiten verfügbar. Der Transport erfordert spezielle Genehmigungen der Nuclear Regulatory Commission und gepanzerte Fahrzeuge, die für hochradioaktive Materialien ausgelegt sind. Überall dort, wo Astat vorhanden ist, müssen Notfallmaßnahmen vorhanden sein, einschließlich Evakuierungsverfahren und spezieller medizinischer Behandlung bei Strahlenexposition.
Schnelle Antworten
Astat (Symbol At) ist Element 85 im Periodensystem, ein Halbmetall in der 6, Gruppe 17. Das seltenste natürlich vorkommende Element der Erde – möglicherweise existieren zu jedem Zeitpunkt nur etwa 25 Gramm in der gesamten Erdkruste. Bei Raumtemperatur ist es fest und radioaktiv.
[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁵; sie ergibt 6 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 18, 32, 18, 7. Seine Außenschale enthält 7 Elektronen, wodurch sein Bindungsverhalten bestimmt wird.Astat schmilzt bei 575 K (301.9 °C) und siedet bei 610 K (336.9 °C).
Astat hat kein stabiles Isotop und daher keine Standardatommasse. Die angegebene Zahl 210 ist die Massenzahl seines langlebigsten bekannten Isotops.
Für Astat wird eine Dichte von etwa 7 g/cm³ vorhergesagt, obwohl noch nie eine ausreichend große Probe zum Wiegen hergestellt wurde. Zum Vergleich: Wasser hat eine Dichte von 1.0 g/cm³.
Astat hat eine Elektronegativität von 2.2 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Werte in diesem mittleren Bereich führen eher zur Bildung kovalenter als stark ionischer Bindungen.
Astat wurde 1940 von Corson, MacKenzie & Segre entdeckt. Es ist nach griechisch astatos, „instabil“ benannt.
Astat kommt auf der Erde in keiner nennenswerten Menge natürlich vor — es wird in einem Reaktor oder einem Teilchenbeschleuniger hergestellt.
Ja. Astat hat kein stabiles Isotop — jeder seiner Atomkerne zerfällt. Spurenmengen kommen natürlich als Zerfallsprodukte schwererer Elemente vor.