Химический элемент №85 - астат

Астат

Астат - пятый галоген - наименее распространенный элемент на нашей планете, если, конечно, не считать трансурановые элементы. Приблизительный расчет показывает, что во всей земной коре содержится лишь около 30г астата, и эта оценка - самая оптимистическая. У элемента №85 стабильных изотопов нет, а самый долгоживущий радиоактивный изотоп имеет период полураспада 8,3 часа, т.е. от полученного утром астата к вечеру не остается и половины.

Таким образом, в названии астата - а по-гречески ??????? значит "неустойчивый" - удачно отражена природа этого элемента. Чем же тогда может быть интересен астат и стоит ли заниматься его изучением? Стоит, ибо астат (так же, как прометий, технеций и франций) в полном смысле слова создан человеком, и изучение этого элемента дает много поучительного - прежде всего для познания закономерностей в изменении свойств элементов периодической системы. Проявляя в одних случаях металлические свойства, а в других - неметаллические, астат представляет собой один из наиболее своеобразных элементов.

До 1962г. в русской химической литературе этот элемент называли астатином, а теперь за ним закрепилось название "астат", и это, видимо, правильно: ни в греческом, ни в латинском названии этого элемента (по-латыни astatium) нет суффикса "ин".

Поиски экаиода

Д. И, Менделеев именовал последний галоген не только экаиодом, но и галоидом X. Он писал в 1898г.: "Можно, например, сказать, что при открытии галоида X с атомным весом, большим, чем иод, он все же будет образовывать KX, KXO³ и т.п., что его водородное соединение будет газообразной, очень непрочной кислотой, что атомный весь будет... около 215".

В 1920г. немецкий химик Э.Вагнер вновь привлек внимание к все еще гипотетическому пятому члену группы галогенов, утверждая, что этот элемент должен быть радиоактивным.

Тогда и начались интенсивные поиски элемента №85 в природных объектах.

В предположениях о свойствах 85-го элемента химики исходили из местоположения его в периодической системе и из данных о свойствах соседей этого элемента по таблице Менделеева. Рассматривая свойства других членов группы галогенов, легко заметить следующую закономерность: фтор и хлор - газы, бром - уже жидкость, а иод - твердое вещество, проявляющее, хотя и в малой степени, свойства металлов. Экаиод - самый тяжелый галоген. Очевидно, он должен быть еще более металлоподобен, нежели иод, и, обладая многими свойствами галогенов, так или иначе похож и на своего соседа слева - полоний... Вместе с другими галогенами экаиод, по-видимому, должен находиться в воде морей, океанов, буровых скважин. Его пытались, подобно иоду, искать в морских водорослях, рассолах и т.п. Английский химик И.Фриенд пытался найти нынешние астат и франций в водах Мертвого моря, в которых, как было известно, и галогенов, и щелочных металлов более чем достаточно. Для извлечения экаиода из раствора хлоридов осаждалось хлористое серебро; Фриенд полагал, что осадок увлечет за собой и следы 85-го элемента. Однако ни рентгеноспектральный анализ, ни масс-спектрометрия не дали положительного результата.

В 1932г. химики Политехнического института штата Алабама (США) во главе с Ф.Аллисоном сообщили, что ими из монацитового песка выделен продукт, в котором содержится около 0,000002г одного из соединений элемента №85. В честь своего штата они назвали его "алабамий" и описали даже его соединение с водородом и кислородсодержащие кислоты. Название "алабамий" для 85-го элемента фигурировало в учебниках и справочниках по химии до 1947г.

Однако уже вскоре после этого сообщения у нескольких ученых возникли сомнения в достоверности открытия Аллисона. Свойства алабамия резко расходились с предсказаниями периодического закона. Кроме того, к этому времени стало ясно, что все элементы тяжелее висмута не имеют стабильных изотопов. Допустив же стабильность элемента №85, наука оказалась бы перед необъяснимой аномалией. Ну, а если элемент №85 не стабилен, тогда на Земле его можно обнаружить лишь в двух случаях: если у него есть изотоп с периодом полураспада больше возраста Земли или если его изотопы образуются при распаде долгоживущих радиоактивных элементов.

Предположение, что элемент №85 может быть продуктом радиоактивного распада других элементов, стало отправной точкой для другой большой группы исследователей, занимавшихся поисками экаиода. Первым в этой группе следует назвать известного немецкого радиохимика Отто Гана, который еще в 1926г. предположил возможность образования изотопов 85-го элемента при бета-распаде полония.

За 19 лет, с 1925 по 1943г., в периодической печати появилось по меньшей мере полдюжины сообщений об открытии экаиода. Ему приписывали определенные химические свойства, присваивали звучные названия: гельвеций (в честь Швейцарии), англогельвеций (в честь Англии и Швейцарии), дакин (от названия древней страны даков в Средней Европе), лептин (в переводе с греческого "слабый", "шаткий", "обездоленный") и т.д. Однако первое достоверное сообщение об открытии и идентификации элемента №85 сделали физики, занятые синтезом новых элементов.

На циклотроне Калифорнийского университета Д.Корсон, К.Мак-Кензи и Э.Сегре облучили альфа-частицами мишень из висмута. Энергия частиц составляла 21МэВ, и ядерная реакция получения элемента №85 была такова:

²⁰⁹₈₃Bi + ⁴₂He > ²¹¹₈₅At + 2 ¹₀n.

Новый синтетический элемент получил название лишь после войны, в 1947г. Но еще раньше, в 1943г., было доказано, что изотопы астата образуются во всех трех рядах радиоактивного распада. Следовательно, астат есть в природе.

Астат в природе

Астат в природе первыми нашли австрийские химики Б.Карлик и Т.Бернерт. Изучая радиоактивность дочерних продуктов радона, они обнаружили, что незначительная часть радия-А (так называли тогда, да и сейчас еще называют, изотоп ²¹⁸Po) распадается двояко (так называемая радиоактивная вилка):

В свежевыделенном образце RaA наряду с альфа-частицами, порождаемыми полонием-218, были зарегистрированы и альфа-частицы с иными характеристиками. Как раз такие частицы могли, по теоретическим оценкам, испускать ядра изотопа ²¹⁸85.

Позже в других опытах были обнаружены короткожи-вущие изотопы ²¹⁵At, ²¹⁶At и ²¹⁷At. А в 1953г. американские радиохимики Э.Хайд и А.Гиорсо химическим путем выделили изотоп ²¹⁹At из франция-223. Это единственный случай химической идентификации изотопа астата из имеющегося в природе изотопа. Намного проще и удобней получать астат искусственным путем.

Обнаружить, выделить, узнать

Приведенную выше реакцию облучения висмуса альфа-частицами можно использовать и для синтеза других изотопов астата. Достаточно повысить энергию бомбардирующих частиц до 30МэВ, как пойдет реакция с вылетом трех нейтронов и вместо астата-211 образуется астат-210. Чем выше энергия альфа-частиц, тем больше образуется вторичных нейтронов и тем меньше, следовательно, массовое число образующегося изотопа. В качестве мишеней для облучения используют металлический висмут или его окись, которые наплавляют или напыляют на алюминиевую или медную подложку.

Рис. 1. Зависимость между энергией испускаемых альфа-частиц и массовым числом (или числом нейтронов в ядре) изотопов астата

Другой метод синтеза астата состоит в облучении ускоренными ионами углерода мишени из золота. В этом случае происходит, в частности, такая реакция:

¹⁹⁷₇₉Au + ¹²₆C > ²⁰⁵₈₅At + 4 ¹₀n.

Для выделения образующегося астата из висмутовых или золотых мишеней используют достаточно высокую летучесть астата - он же все-таки галоген! Дистилляция происходит в токе азота или в вакууме при нагревании мишени до 300...600°C. Астат конденсируется на поверхности стеклянной ловушки, охлаждаемой жидким азотом или сухим льдом.

Еще один способ получения астата основан на реакциях расщепления ядер урана или тория при облучении их альфа-частицами или протонами высоких энергий. Так, например, при облучении 1г металлического тория протонами с энергией 680МэВ на синхроциклотроне Объединенного института ядерных исследований в Дубне получается около 20 микрокюри (иначе 3·10¹³ атомов) астата. Однако в этом случае гораздо труднее выделить астат из сложной смеси элементов. Эту нелегкую проблему сумела решить группа радиохимиков из Дубны во главе с В.А.Халкиным.

Сейчас известно уже 20 изотопов астата с массовыми числами от 200 до 219. Самый долгоживущий из них - изотоп ²¹⁰At (период полураспада 8,3 часа), а самый короткоживущий - ²¹⁴At (2·10-⁶ секунды).

Поскольку астат не может быть получен в весомых количествах, его физические и химические свойства изучены неполно, а физико-химические константы чаще всего рассчитываются по аналогии с более доступными соседями по периодической системе. В частности, вычислены температуры плавления и кипения астата - 411 и 299°C, т.е. астат, как и иод, должен легче возгоняться, чем плавиться.

Все исследования по химии астата проводились с ультрамалыми количествами этого элемента, порядка 10-⁹...10-¹³г на литр растворителя. И дело даже не в том, что нельзя получить более концентрированные растворы. Если бы их и удалось получить, работать с ними было бы крайне сложно. Альфа-излучение астата приводит к радиолизу растворов, сильному их разогреву и образованию больших количеств побочных продуктов.

И все же, несмотря на все эти трудности, несмотря на то, что количество атомов астата в растворе сравнимо со случайными (хотя и тщательно избегаемыми) загрязнениями, в изучении химических свойств астата достигнуты определенные успехи. Установлено, что астат может существовать в шести валентных состояниях - от 1 - до 7+. В этом он проявляет себя как типичный аналог иода. Как и иод, он хорошо растворяется в большинстве органических растворителей, но зато легче, чем иод, приобретает положительный электрический заряд.

Получены и изучены свойства ряда межгалогенных соединений астата, например AtBr, AtI, CsAtI₂.

Попытка с годными средствами

Первые попытки применить астат на практике были предприняты еще в 1940г., сразу же после получения этого элемента. Группа сотрудников Калифорнийского университета установила, что астат, подобно иоду, селективно концентрируется в щитовидной железе. Опыты показали, что использовать ²¹¹At для лечения заболеваний щитовидной железы более выгодно, чем радиоактивный ¹³¹I.

Астат-211 испускает лишь альфа-лучи - весьма энергичные на небольших расстояниях, но не способные уйти далеко. В итоге они действуют лишь на щитовидную железу, не затрагивая соседнюю - паращитовидную. Радиобиологическое действие альфа-частиц астата на щитовидную железу в 2,8 раза сильнее, чем бета-частиц, излучаемых иодом-131. Это говорит о том, что в качестве терапевтического средства при лечении щитовидной железы астат весьма перспективен. Найдено и надежное средство выведения астата из организма. Роданид-ион блокирует накопление астата в щитовидной железе, образуя с ним прочный комплекс. Так что элемент №85 уже нельзя назвать практически бесполезным.