At · Элемент 85 · Металлоид
Самый редкий встречающийся в природе элемент на Земле — в каждый момент во всей земной коре существует, возможно, около 25 граммов.
Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение астат среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 150 pm — это 0,15 нм, поэтому около 3,33 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Астат находится в жидком состоянии в диапазоне 35 K — от 575 K до 610 K.
История
Самый редкий встречающийся в природе элемент на Земле — в каждый момент во всей земной коре существует, возможно, около 25 граммов.
Астат был открыт в 1940 году Dale Corson, Kenneth MacKenzie и Emilio Segrè в University of California, Berkeley, став последним открытым природным элементом. Команда искусственно создала астат, бомбардируя висмут-209 альфа-частицами в циклотроне диаметром 60 дюймов, в результате чего образовался астат-211. Это открытие заполнило последний пробел в периодической таблице природных элементов.
До открытия было известно о существовании элемента 85 на основании периодического закона Менделеева, однако на протяжении десятилетий его не удавалось обнаружить. Было сделано множество ошибочных заявлений, а также предложены такие названия, как «алабамин» (1931) и «дор» (1936). Команда Berkeley первоначально назвала своё открытие «алабамином», но позднее изменила название на «астат», образованное от греческого слова «astatos», означающего «нестабильный» и точно описывающего его радиоактивную природу.
Для 1940 года это открытие требовало невероятно сложных методов. Команде пришлось отличать астат от других радиоактивных продуктов, изучая закономерности распада, периоды полураспада и химическое поведение. Существование астата было доказано тем, что он химически ведёт себя подобно галогену, может извлекаться органическими растворителями и обладает предсказанными радиоактивными свойствами элемента 85.
Хотя сначала астат был создан искусственно, позднее, в 1943 году, учёные подтвердили его природное существование, обнаружив его в цепочках распада урана. Это сделало астат уникальным элементом, который сначала был создан искусственно, а затем найден в природе, подчеркнув человеческую изобретательность и чрезвычайную редкость элемента в природных системах.
Применение
Астат-211 представляет собой один из наиболее перспективных радиоизотопов для таргетной альфа-терапии (ТАТ) в современной ядерной медицине. Его период полураспада, составляющий 7,2 часа, обеспечивает оптимальное терапевтическое окно: этого достаточно для сложной подготовки радиофармпрепарата и лечения пациента, но недостаточно для значительного длительного радиационного облучения. Научно-исследовательские учреждения по всему миру изучают астат-211, соединённый с моноклональными антителами, для лечения различных видов рака, включая глиобластому, рак яичников и гематологические злокачественные заболевания.
Несмотря на чрезвычайную редкость (в любой момент на Земле существует менее 30 граммов), астат служит важнейшим трассером в экспериментах по ядерной физике. Исследователи используют микроскопические количества астата для изучения поведения галогенов в химических реакциях, помогая понять, как другие галогены могут вести себя в экстремальных условиях. Его уникальное положение как самого тяжёлого природного галогена делает его незаменимым для проверки предсказаний периодической таблицы и моделей квантовой механики.
Изотопы астата помогают учёным понять пути радиоактивного распада и ядерную стабильность. Астат-210 — астат-219 дают представление о процессах альфа-распада и помогают калибровать оборудование для обнаружения других радиоактивных материалов. Эти исследования необходимы для обращения с ядерными отходами, радиологической безопасности и развития методов синтеза сверхтяжёлых элементов.
Хотя реальные образцы астата чрезвычайно редки и опасны, компьютерные симуляции и теоретические модели поведения астата помогают обучать ядерных химиков и физиков-медиков. Понимание принципов химии астата подготавливает исследователей к работе с другими нестабильными тяжёлыми элементами и помогает разрабатывать протоколы безопасности для исследований сверхтяжёлых элементов.
Астат-211 интенсивно изучается как противораковое средство следующего поколения. В отличие от бета-излучателей, применяемых в традиционной лучевой терапии, астат-211 испускает высокоэнергетические альфа-частицы, которые могут с высокой точностью уничтожать раковые клетки, причиняя минимальный вред окружающим здоровым тканям. В крупных онкологических центрах продолжаются клинические испытания, однако чрезвычайная сложность производства астата-211 ограничивает его доступность лишь для наиболее специализированных исследовательских учреждений.
Исследователи используют фемтограммовые количества (10^-15 грамма) изотопов астата для изучения химического поведения и проверки теоретических предсказаний о свойствах галогенов. Эти исследования помогают подтверждать компьютерные модели, используемые для прогнозирования поведения других редких элементов, и расширяют понимание химических связей в тяжёлых атомах.
Известные количества изотопов астата служат эталонами для калибровки чувствительного оборудования для обнаружения излучения. Это применение имеет решающее значение для ядерной безопасности, экологического мониторинга и обеспечения точности оборудования для медицинской лучевой терапии.
Из-за чрезвычайной редкости и радиоактивности астат не имеет коммерческого применения. Все области применения ограничены узкоспециализированными академическими и медицинскими исследованиями, проводимыми в учреждениях с наиболее передовыми протоколами радиационной безопасности. Большинство исследований астата носит теоретический характер и выполняется с использованием компьютерных моделей, а не реальных образцов.
Откуда он происходит
0 мг/кг земной коры · более распространён, чем 0% элементов
Астат считается самым редким природным элементом на Земле: по оценкам, в любой момент во всей земной коре присутствует менее 30 граммов этого элемента. Такая необычная редкость обусловлена его участием в нескольких цепочках радиоактивного распада и чрезвычайно коротким периодом полураспада, из-за чего астат встречается ещё реже, чем многие искусственно созданные элементы.
В природе астат встречается исключительно как промежуточный продукт в трёх основных рядах радиоактивного распада: ряду урана-235 (образуются астат-215 и астат-219), ряду урана-238 (образуется астат-218) и ряду тория-232 (образуется астат-216). Эти изотопы формируются, когда более тяжёлые радиоактивные элементы, такие как франций, радий и полоний, претерпевают альфа- или бета-распад, но быстро распадаются дальше, обычно в течение нескольких секунд или часов.
Поскольку астат образуется в результате радиоактивного распада, а не геологических процессов, он не формирует концентрированных залежей и не имеет определённого географического распределения. Следовые количества существуют везде, где обнаруживаются урановые и ториевые руды, включая такие места, как бассейн Атабаска в Канаде, Олимпик-Дам в Австралии, а также различные участки в Казахстане, Намибии и западной части США. Однако концентрации настолько бесконечно малы, что добыча невозможна.
Самый долгоживущий природный изотоп астата, астат-219, имеет период полураспада всего 56 секунд, тогда как астат-215 существует лишь 0,1 миллисекунды. Это означает, что атомы астата непрерывно образуются и разрушаются в урансодержащих породах. Элемент существует в состоянии динамического равновесия: новые атомы образуются в результате радиоактивного распада примерно с той же скоростью, с какой существующие атомы распадаются на другие элементы.
Обращение
Астат радиоактивен. У него нет стабильных изотопов — каждое ядро распадается. Для обращения требуются соответствующие средства защиты и лицензия.
Астат — один из самых опасных известных радиоактивных элементов. Все его изотопы испускают высокоэнергетические альфа-частицы, а некоторые также испускают бета-частицы и гамма-лучи. Даже микроскопические количества могут вызвать смертельные дозы облучения. Наиболее изученный изотоп At-211 испускает альфа-частицы с энергией 5,9 МэВ, которые могут вызвать тяжёлое повреждение клеток и разрушение ДНК.
Исследования астата требуют помещений с высшим уровнем радиационной защиты (эквивалентным уровню биобезопасности 3+). Все работы должны проводиться в специализированных горячих камерах с оборудованием для дистанционных манипуляций. Персонал обязан носить полные костюмы радиационной защиты с автономными источниками воздуха и постоянно проходить радиационный контроль. Даже небольшая утечка может навсегда загрязнить всю лабораторию.
Безопасного уровня воздействия астата не существует. Склонность элемента концентрироваться в щитовидной железе (как у иода) делает его особенно опасным и может привести к раку щитовидной железы, лучевой болезни и смерти. Биологический период полураспада у человека неизвестен из-за этических ограничений, однако исследования на животных указывают на быстрое поглощение и тяжёлое повреждение тканей.
Астат доступен только лицензированным учреждениям, занимающимся ядерными исследованиями и располагающим необходимыми средствами защиты. Для транспортировки требуются специальные разрешения Комиссии по ядерному регулированию и бронированные автомобили, предназначенные для перевозки радиоактивных материалов высокого уровня активности. Везде, где присутствует астат, должны действовать протоколы реагирования на чрезвычайные ситуации, включая процедуры эвакуации и специализированное медицинское лечение при радиационном поражении.
Краткие ответы
Астат (символ At) — элемент 85 в периодической таблице, представитель семейства металлоид в 6 периоде, 17 группе. Самый редкий встречающийся в природе элемент на Земле — в каждый момент во всей земной коре существует, возможно, около 25 граммов. При комнатной температуре это твёрдое вещество, и оно радиоактивно.
[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁵; она включает 6 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 32, 18, 7. На внешней оболочке находится 7 электронов, что определяет характер химических связей.Астат плавится при 575 K (301.9 °C) и кипит при 610 K (336.9 °C).
У Астат нет стабильных изотопов, поэтому для него не существует стандартной атомной массы. Указанное значение 210 — массовое число наиболее долгоживущего известного изотопа.
Предполагается, что плотность Астат составляет около 7 г/см³, хотя образец, достаточно большой для взвешивания, ещё ни разу не был получен. Для сравнения, плотность воды — 1,0 г/см³.
Электроотрицательность Астат по шкале Полинга составляет 2.2. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Астат был открыт в 1940 году Corson, MacKenzie & Segre. Назван в честь греческое astatos, «неустойчивый».
Астат практически не встречается в природе на Земле — его получают в реакторе или ускорителе.
Да. Астат не имеет стабильных изотопов — каждое его ядро распадается. Следовые количества естественным образом образуются как продукты распада более тяжёлых элементов.