Периодическая система элементов Менделеева - At

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 30 граммов 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 astatsz 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 технеций и Франции) 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 1962 года 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 экайода

Д. И. Менделеев именовал последний галоген не только экайодом, но и галоидом X. Он писал в 1898 году:

«Можно, например, сказать, что при открытии галоида Х с атомным весом, большим, чем йод, он все же будет образовывать КХ, КХО₃ и т. п., что его водородное соединение будет газообразной, очень непрочной кислотой, что атомный вес будет... около 215».

В 1920 году немецкий химик Э. Вагнер вновь привлек внимание к все еще гипотетическому пятому члену группы галоидов, 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 йод — твердое вещество, проявляющее, хотя и в малой степени, свойства металлов. Экайод — самый тяжелый галоген.

Очевидно, он должен быть еще более металлоподобен, нежели йод, и, обладая многими свойствами галогенов, так или иначе похож и на своего соседа слева — полоний... Вместе с другими галогенами экайод, по-видимому, должен находиться в воде морей, океанов, буровых скважин. Его пытались, подобно йоду, искать в морских водорослях, рассолах и т. п. Английский химик И. Фриенд пытался найти нынешние астат и франции в водах Мертвого моря, в которых, как было известно, и галогенов, и щелочных металлов более чем достаточно. Для извлечения экайода из раствора хлоридов осаждалось хлористое серебро; Фриенд полагал, что осадок увлечет за собой и следы 85-го элемента. Однако ни рентгеноспектральный анализ, ни массспектрометрия не дали положительного результата.

В 1932 году химики Политехнического института штата Алабама (США) во главе с Ф. Аллисоном сообщили, что ими из монацитового песка выделер продукт, в котором содержится около 0,000002 грамма 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 1947 года.

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 экайода. Первым в этой группе следует назвать известного немецкого радиохимика Отто Гана, который еще в 1926 году предположил возможность образования изотопов 85-го элемента при бета-распаде полония.

За 19 лет, с 1925 по 1943 год, в периодической печати появилось по меньшей мере полдюжины сообщений об открытии экайода. 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 21 Мэв, и ядерная реакция получения элемента №85 была такова:

83²⁰⁹Bi + ₂⁴He = ₈₅²¹¹At + 2₀¹n

Новый синтетический элемент получил название лишь после войны, в 1947 году. Но еще раньше, в 1943 году 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 RаА 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 коротко-живущие изотопы ²¹⁵At, ²¹⁶At и ²¹⁷At. А в 1953 году 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. Немного проще и удобней получать, астат искусственным путем.

Обнаружить, выделить, узнать

Приведенную выше реакцию облучения висмута альфа-частицами можно использовать и для синтеза других изотопов астата. Достаточно повысить энергию бомбардирующих частиц до 30 Мэв, 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.

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

79¹⁹⁷Au + ₆¹²C = ₈₅²⁰⁵At + 4₀¹n

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° С. 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 одного грамма металлического тория протонами с энергией 660 Мэв 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.

Чаще всего с астатом работает большая группа исследователей, так как эксперимент ведется непрерывно в течение нескольких суток, до тех пор, пока весь астат не распадется (обычно это 2—3 дня).

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 (0,000002 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° С, т. е. астат, как и йод, должен легче возгоняться, чем плавиться.

Все исследования по химии астата проводились с с ультрамалыми количествами этого элемента, порядка 10^-9—10^-13 граммов 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, например перекиси водорода.

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 йода. Как и йод, он хорошо растворяется в большинстве органических растворителей, но зато легче, чем йод, 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 1940 году, сразу же после получения этого элемента. Группа сотрудников Калифорнийского университета установила, что астат, подобно йоду, 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 йодом-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.