Аста́т, а также астати́н, устар. от лат.Astatium, нестойкий, неусточивый или «э́ка-йод», обозначается символом «At») — химический элемент17-й группы, шестого периода периодической системы (по устаревшей классификации принадлежит к главной подгруппе седьмой группы, или к группе VIIа) с атомным номером 85. Молекула астата, по всей видимости, двухатомна (формула At2). Квантовомеханические расчёты из первых принципов предсказывают, что в конденсированном состоянии астат состоит не из молекул диастата, а образует металлический кристалл, в отличие от всех более лёгких галогенов, образующих при нормальном давлении молекулярные кристаллы из молекул димеров Hal2.
Астат — самый редкий природный элемент периодической системы, поэтому он был синтезирован искусственно до того, как обнаружен в природе. Во всей земной коре его насчитывается не более 1 грамма. Из-за сильной радиоактивности его не удаётся получить в макроскопических количествах, достаточных для глубокого изучения свойств. Предсказан Менделеевым (как «эка-иод») в 1898 году. Впервые астат был получен искусственно в 1940 году Д. Корсоном, К. Р. Маккензи и Э. Сегре (Калифорнийский университет в Беркли).
Самый тяжёлый галоген — астат — в природе практически не встречается. <...> Ничтожные количества астата обнаружены в продуктах естественного радиоактивного распада урана и тория.[1]:340-341
Этот элемент в свободном виде весьма летуч. Он в некоторой степени растворяется в воде, из которой, подобно иоду, может быть извлечён бензолом или четырёххлористым углеродом.[2]
Поскольку астат является самым редким элементом, возникает вполне естественный вопрос: как учёным удалось его обнаружить? Дело в том, что они немного схитрили.[4]
Как ни странно, астат — более стабильный элемент, чем франций. Если взять миллион самых долгоживущих изотопов астата, половина из них распадётся через 40 минут. Половина такого же количества изотопов франция продержится всего-то 20 минут.[4]
— Сэм Кин, «Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева», 2010
Получение видимого количества астата – задача, которая наверняка также останется невыполнимой.[4]
В таблице Менделеева астат расположен прямо под йодом и ведет себя в организме подобно этому элементу: у морских свинок астат накапливался в щитовидной железе. Астат является единственным химическим элементом, открытие которого было подтверждено не приматами.[4]
Однако франций в природе встречается чуть чаще, чем астат. Почему? <...> Вместо того чтобы подвергаться обычному альфа-распаду и в результате (потеряв два протона) превращаться в астат, этот атом более чем в 99,9% случаев облегчает своё перегруженное ядро, претерпевая бета-распад, и становится радием. <...> франций не позволяет своим атомам превращаться в астат, из-за чего астат является ещё более редким.[4]
На периферии ядер такого размера, как у франция и астата, сильное ядерное взаимодействие практически сравнивается с электростатическими силами, поэтому удержать все протоны и нейтроны в таком ядре становится очень сложно. <...> Именно поэтому франций (и по схожим причинам астат) являются крайне нестабильными элементами.[4]
— Сэм Кин, «Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева», 2010
Вместо того чтобы подвергаться обычному альфа-распаду и в результате (потеряв два протона) превращаться в астат, этот атом более чем в 99,9% случаев облегчает свое перегруженное ядро, претерпевая бета-распад, и становится радием. <...> франций не позволяет своим атомам превращаться в астат, из-за чего астат является еще более редким.[4]
— Юрий Норсеев, «Изучение химии астата в Объединённом институте ядерных исследований (Дубна)», 2013
Существование молекулы астата (At2) в обычных условиях при комнатной температуре маловероятно...[5]
— Юрий Норсеев, «Изучение химии астата в Объединённом институте ядерных исследований (Дубна)», 2013
Синтезированные в медицинских ускорителях атомы астата используются для радиоизотопного ме́чения препаратов, позволяющих обнаруживать и прицельно облучать злокачественные опухоли.[6]
— Лентапедия, «Редчайший галоген оказался металлом», 2013
Структура астата должна напоминать ртуть, хотя при нормальных условиях элемент при этом будет не жидким, а твёрдым.[6]
— Лентапедия, «Редчайший галоген оказался металлом», 2013
Ряд короткоживущих изотопов астата присутствуют в ничтожных количествах в урановых рудах как промежуточные продукты. Так, в ряду радия (он начинается с урана-238) на 1 тонну урана приходятся лишь миллиардные доли миллиграмма астата-218, период полураспада которого 1,3 сек.[7]
— Илья Леенсон, Александр Банкрашков, «Путеводитель по Периодической таблице», 2014
Сравнение химических свойств галогенов показывает, что их окислительная активность последовательно уменьшается от фтора к астату. Этот эффект проявляется в способности более легких галогенов в виде простых веществ окислять галогенид-ионы более тяжелых галогенов и в способности более тяжелых галогенов восстанавливать кислородные соединения более легких галогенов...[1]:344
Молекулы простых веществ, образуемых атомами галогенов, двухатомны <по формуле Hal2>. С увеличением в ряду F, Cl, Br, I, At радиуса атомов возрастает поляризуемость молекул. В результате усиливается межмолекулярное дисперсионное взаимодействие, что обусловливает возрастание температур плавления и кипения галогенов.[1]:341
Самый тяжелый галоген — астат — в природе практически не встречается. Его получают путём искусственно осуществляемых ядерных реакций. Наиболее долгоживущий изотоп астата 210At имеет период полураспада всего 8,3 ч. Ничтожные количества астата обнаружены в продуктах естественного радиоактивного распада урана и тория.[1]:340-341
Хотя нет обстоятельных химических данных о существовании положительно заряженных ионов, все же есть вполне убедительные доказательства возможности образования катионов хлора, брома и иода и, если бы это было возможно изучить, астата.[2]
Различные изотопы элемента 85 были идентифицированы как короткоживущие побочные члены естественных рядов урана и тория. В количествах, достаточных для доказательства eгo существования и изучения некоторых свойств, элемент впервые был получен в 1940 г. в циклотроне по реакции: 209Bi (α,2n) 211At. Этот изотоп имеет период полураспада 7,5 часа и распадается приблизительно на 60% путём захвата электрона и приблизительно на 40% путём α-распада.[2]
Так как даже наиболее устойчивый изотоп является короткоживущим, макроколичества элемента накопить не удаётся. Поэтому сведения о химии At основаны исключительно на изучении его микроколичеств, которые показали, что он ведёт себя так, как и следовало ожидать при экстраполяции свойств других галогенов (соответственно занимаемому ими положению в группе). Этот элемент в свободном виде весьма летуч. Он в некоторой степени растворяется в воде, из которой, подобно иоду, может быть извлечён бензолом или четырёххлористым углеродом. Подобно иоду, его нельзя экстрагировать из щелочных растворов.[2]
Как ни странно, астат — более стабильный элемент, чем франций. Если взять миллион самых долгоживущих изотопов астата, половина из них распадётся через 40 минут. Половина такого же количества изотопов франция продержится всего-то 20 минут. Франций нестабилен настолько, что не имеет практического применения. Несмотря на то, что в земной коре франций содержится в достаточном (хоть и мизерном) количестве, чтобы учёные могли его напрямую обнаружить, им никогда не удастся собрать столько атомов франция, чтобы его изучить.[4]
Странные сходства между астатом и францием начинаются с их ядер. Внутри ядер астата и франция, как и во всех других атомах, соперничают разные силы: сильные ядерные взаимодействия (силы притяжения) и электростатические силы (способные отталкивать частицы). Сильное ядерное взаимодействие – самая мощная из фундаментальных сил природы, но, как ни парадоксально, руки у нее коротки, словно тоненькие лапки огромного тираннозавра. Если частицы отдаляются друг от друга всего на несколько триллионных сантиметра, ядерные силы теряют всю свою мощь. По этой причине они редко проявляются за пределами атомных ядер и чёрных дыр.[4]
Однако франций в природе встречается чуть чаще, чем астат. Почему? Дело в том, что многие радиоактивные элементы, расположенные вокруг урана, на том или ином промежуточном этапе распада превращаются во франций. А что же франций? Вместо того чтобы подвергаться обычному альфа-распаду и в результате (потеряв два протона) превращаться в астат, этот атом более чем в 99,9 % случаев облегчает свое перегруженное ядро, претерпевая бета-распад, и становится радием. Затем радий проходит целый ряд стадий альфа-распада, минуя астат. Иными словами, механизм радиоактивного распада многих нестабильных атомов на клетке франция немного пробуксовывает – именно поэтому количество франция в земной коре измеряется несколькими сотнями граммов. В то же время франций не позволяет своим атомам превращаться в астат, из-за чего астат является еще более редким.[4]
На периферии ядер такого размера, как у франция и астата, сильное ядерное взаимодействие практически сравнивается с электростатическими силами, поэтому удержать все протоны и нейтроны в таком ядре становится очень сложно. У франция 87 протонов, и они совершенно не хотят соприкасаться друг с другом. Ещё в ядре франция насчитывается порядка 130 нейтронов, которые образуют неплохой буфер между положительно заряженными частицами. Но в то же время они делают ядро столь массивным, что сильному взаимодействию не удаётся распространить до самых границ и погасить центробежные силы. Именно поэтому франций (и по схожим причинам астат) являются крайне нестабильными элементами.[4]
— Сэм Кин, «Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева», 2010
Существование молекулы астата (At2) в обычных условиях при комнатной температуре маловероятно, так как энергия диссоциации, по экстраполяционным оценкам Кисера, составляет 27 ккал/моль. В то же время ионизированная молекула астата может быть устойчивой при темепературе в несколько сот градусов, поскольку энергия диссоциации At2+, рассчитанная тем же автором, имеет величину 55,4 ккал/моль. Эта молекула может образоваться на выходе из плазмы ионного источника...[5]
— Юрий Норсеев, «Изучение химии астата в Объединённом институте ядерных исследований (Дубна)», 2013
Ученые обнаружили, что формально попадающий в число галогенов (фтор, хлор, бром и йод) астат должен быть металлом. Он не образует двухатомных молекул, аналогичных Cl2, но при этом не выстраивает и характерную для металла кристаллическую решетку. Структура астата должна напоминать ртуть, хотя при нормальных условиях элемент при этом будет не жидким, а твердым. В лабораториях ранее удавалось получить астат в количестве всего 0,05 микрограмма, поэтому до сих пор никому неизвестны такие свойства вещества, как цвет, плотность, электрическая проводимость или теплоемкость. Немногочисленные опыты даже не позволили ответить на вопрос о том, может ли астат формировать двухатомные молекулы. Авторы исследования надеются, что далее удастся рассчитать химические свойства тех элементов, которые получаются лишь считанными атомами и в принципе недоступны для экспериментов из-за очень малого периода полураспада.[6]
— Лентапедия, «Редчайший галоген оказался металлом», 2013
Несмотря на чрезвычайную редкость (по некоторым данным, именно астат является самым редким из элементов, который постоянно находится в земной коре: его распад компенсируется рождением новых атомов при альфа-распаде нестабильных изотопов висмута), астат интересен не только с теоретической точки зрения. Синтезированные в медицинских ускорителях атомы астата используются для радиоизотопного мечения препаратов, позволяющих обнаруживать и прицельно облучать злокачественные опухоли.[6]
— Лентапедия, «Редчайший галоген оказался металлом», 2013
Астат — аналог иода и был предсказан Д. И. Менделеевым как «эка-иод». Этот последний галоген был получен в 1940 году искусственно — облучением на циклотроне висмута альфа-частицами. Но лишь через семь лет авторы открытия — группа американских физиков под руководством Э.Д.Сегре — дали этому элементу название, произведённое от греческого слова astatos — неустойчивый, шаткий, которое, в свою очередь, произведено от отрицательной приставки и греч. statos — стоя́щий (того же корня слово «статика» и множество его производных). Действительно, самый долгоживущий изотоп этого элемента 210At имеет период полураспада всего 8,3 часа. Поэтому в земной коре астата практически нет (оценка даёт его общее количество на Земле около 30 г.) Ряд короткоживущих изотопов астата присутствуют в ничтожных количествах в урановых рудах как промежуточные продукты. Так, в ряду радия (он начинается с урана-238) на 1 тонну урана приходятся лишь миллиардные доли миллиграмма астата-218, период полураспада которого 1,3 сек.[7]
— Илья Леенсон, Александр Банкрашков, «Путеводитель по Периодической таблице», 2014
В очень незначительных количествах астат встречается в природе – он образуется на нескольких побочных маршрутах распада урана. По оценкам, в поверхностном слое земной коры толщиной в километр содержится всего 50 мг астата.[9]
Давыдов подошел к борту, как бы стараясь мысленно пронизать толщу воды океана и его дно, чтобы разгадать происходящее на глубине шестидесяти километров… Твёрдое, остывшее вещество нашей планеты облечено в форму устойчивых химических элементов ― тех девяноста двух кирпичей, из которых состоит вся Вселенная. Эти элементы здесь, на Земле, почти все устойчивы и неизменны, за исключением немногих радиоактивных ― самораспадающихся ― элементов, к которым относится приобретший столь широкую известность уран, а также торий, радий, полоний. Сюда же надо отнести, по-видимому, полностью распавшиеся 43-й, 61-й, 85-й и 87-й элементы менделеевской таблицы (технеций, прометий, астатин и франций). Другое дело в звёздах, где под воздействием гигантских давлений и температур идут реакции перехода одного элемента в другой...[10]
Кстати, надо сказать, что итальянские ученые вообще внесли большой вклад в пополнение Менделеевской таблицы новыми элементами. Например, Э. Сегре, лауреат Нобелевской премии, ученик Энрико Ферми, первым искусственно получил технеций ― элемент № 43 и синтезировал астат. Правда, эти работы ученый выполнил уже в США, куда он эмигрировал из фашистской Италии. Но тем не менее его успех ― это, безусловно, вклад итальянской школы ученых в развитие менделеевского наследия.[3]
— Год Менделеева, 1969
Как известно, Вселенная на 90 % состоит из водорода. Оставшиеся 10 % составляет гелий. Всё остальное вещество, включая нашу Землю массой 6 х 1024 кг, укладывается в статистическуюпогрешность. В этих миллионах миллиардов килограммов содержится ничтожное количество редчайшего элемента астата – лишь несколько десятков грамм. Чтобы хоть как-то представить эти пропорции, вообразите, что вы оставили свой «Бьюик Астат» на огромном паркинге и не можете его найти. В поисках машины вам придется пройти ряд за рядом, этаж за этажом, осматривая каждую машину. Небольшая оговорка: паркинг, на котором вам предстоит искать машину <подобно астату на Земле>, составляет 100 миллионов парковочных мест в ширину, столько же в длину и 100 миллионов этажей в высоту. Более того, таких паркингов вам придется обойти ни много ни мало, а 160 – лишь в этом случае масштабы поиска вашей машины будут сопоставимы с поисками астата в земной коре. Вам останется, кроме как махнуть рукой и отправиться восвояси. <...>
Чтобы представить себе масштабы этих соотношений, вспомните приведенный выше пример, описывающий низкую распространённость астата. Сила гравитации доминирует в нашей повседневной жизни исключительно потому, что сильные и слабые ядерные взаимодействия имеют крошечный радиус, а соотношение протонов и нейтронов вокруг нас достаточно равное, чтобы почти полностью нивелировать электромагнитные силы.[4]
— Сэм Кин, «Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева», 2010
Поскольку астат является самым редким элементом, возникает вполне естественный вопрос: как учёным удалось его обнаружить? Дело в том, что они немного схитрили. Если в древней земной коре и был астат, он давно уже распался. Но астат в свою очередь является продуктом распада других радиоактивных элементов, которые испускают альфа- или бета-частицы. Зная общее количество исходных элементов (обычно это элементы, соседствующие с ураном в таблице Менделеева) и рассчитав вероятность появления астата в результате их распада, учёные могут назвать приблизительное количество атомов астата, существующих на Земле в любой момент времени, а также атомов некоторых других элементов. Так, например, франций, отделённый в таблице от астата лишь одной клеткой, существует на нашей планете в количестве от 550 до 850 г. в любой момент времени.[4]
— Сэм Кин, «Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева», 2010
Получение видимого количества астата – задача, которая наверняка также останется невыполнимой. Тем не менее астат имеет важное практическое применение: его быстродействующие радиоактивные изотопы используются в медицине. Когда учёные под руководством нашего старого знакомого Эмилио Сегре впервые синтезировали астат в 1939 году, они решили изучить его свойства на морских свинках, сделав животным инъекции. В таблице Менделеева астат расположен прямо под йодом и ведет себя в организме подобно этому элементу: у морских свинок астат накапливался в щитовидной железе. Астат является единственным химическим элементом, открытие которого было подтверждено не приматами.[4]
— Сэм Кин, «Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева», 2010
Работы по химии астата были начаты в Дубне Б. И. Курчатовым. Под его руководством проводились исследования по образованию изотопов астата и результате вторичных реакций с ядрами гелия и лития, возникающих при облучении висмута и свинца протонами высоких энергий.[5]
— Юрий Норсеев, «Изучение химии астата в Объединённом институте ядерных исследований (Дубна)», 2013
↑ 1234Н. Л. Глинка. Общая химия: Учебное пособие для вузов (под. ред. В.А.Рабиновича, издание 16-е, исправленное и дополненное). ― Л.: Химия, 1973 г. ― 720 стр.
↑ 12345Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия, часть 2 (пер. с англ.: Иванова Е.К., Прохорова Г.В., Чуранов С.С. Под ред.: Астахов К.В.) — М.: Мир, 1969 г.
↑ 12Год Менделеева (редакционная статья). — М.: «Химия и жизнь», № 9, 1969 г.
↑ 1234Норсеев Ю. В. Изучение химии астата в Объединённом институте ядерных исследований (Дубна). Открытие и исследование свойств новых неорганических и органических соединений астата, синтез терапевтических радиофармпрепаратов. — Дубна, 2013 г., 65 с.
