Astat: Hemijski element sa simbolom At i atomskim brojem 85

On je najrjeđi element koji se prirodno javlja u Zemljinoj kori. Na Zemlji se nalazi kao proizvod radioaktivnog raspada raznih težih elemenata. Svi njegovi izotopi su kratkoživući, a najstabilniji među njima je astat-210 sa vremenom poluraspada od 8,1 sati. Elementarni astat nikad nije viđen golim okom, jer bi svaki makroskopski uzorak odmah ispario zbog radioaktivnog zagrijavanja. Istražuje se da li bi ova "prepreka" kod dobijanja astata mogla biti prevaziđena uz dostatno hlađenje uzorka.

Astat,  ₈₅At

Astat u periodnom sistemu
↓                                                                     ↓                                                             →                                                             →
Hemijski element, Simbol, Atomski broj	Astat, At, 85
Serija	Halogeni (nekad svrstavan i kao metaloid)
Grupa, Perioda, Blok	17, 6, p
Izgled	nepoznato, vjerovatno metalni izgled
Zastupljenost	3 · 10-24 %
Atomske osobine
Atomska masa	(210) u
Atomski radijus (izračunat)	? ( -) pm
Kovalentni radijus	150 pm
Van der Waalsov radijus	202 pm
Elektronska konfiguracija	[Xe] 4f145d106s26p5
Broj elektrona u energetskom nivou	2, 8, 18, 32, 18, 7
1. energija ionizacije	899,003 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje	čvrsto
Gustoća	6.200–6.500 kg/m3
Magnetizam	?
Tačka topljenja	575 K (302 °C)
Tačka ključanja	610 K (337 °C)
Molarni volumen	? m3/mol
Toplota isparavanja	(At2) 54,39 kJ/mol
Toplota topljenja	6 kJ/mol
Pritisak pare	1000 Pa pri 475 K
Brzina zvuka	? m/s
Toplotna provodljivost	1,7 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacioni broj	±1, 3, 5, 7
Elektronegativnost	2,2 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR 209At sin 5,41 h β+ 3,486 209Po α 5,758 205Bi 210At sin 8,1 h β+ 3,981 210Po α 5,632 206Bi 211At sin 7,21 h ε 0,786 211Po α 5,983 207Bi
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja Oznaka upozorenja nepoznata
Obavještenja o riziku i sigurnosti	R: / S: /
Ostala upozorenja
Radioaktivnost
Radioaktivni element
Ako je moguće i u upotrebi, koriste se osnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.

Osobine astata u većim količinama nisu poznate a podaci su nepouzdani. Mnoge njegove osobine se zasnivaju na njegovom mjestu u periodnom sistemu elemenata, gdje je on teži analog joda i član grupe halogenih elemenata (koja uključuje elemente fluor, hlor, brom i jod). Pretpostavlja se da ima taman ili sjajan izgled a može biti i poluprovodnik ili čak metal. Postoje mišljenja da bi vjerovatno imao višu tačku topljenja od joda. U hemijskom smislu, poznato je nekoliko vrsta iona astata, a većina njegovih spojeva nalikuje na spojeve joda. Također u određenim aspektima pokazuje i neke metalne osobine, kao što je mogućnost građenja stabilnih jednoatomnih kationa u vodenim rastvorima (za razliku od lakših halogena).

Naučnici Dale R. Corson, Kenneth Ross MacKenzie i Emilio G. Segrè prvi su sintetizirali ovaj element na Univerzitetu Kalifornije u Berkeleyu, a ime su mu dali po grčkoj riječi astatos (ἄστατος), "nestabilan". Kasnije su pronađena četiri izotopa astata u prirodi, mada je najmanje rasprostranjeni prirodni element, a u svakom trenutku u Zemljnoj kori ga ima mnogo manje od jednog grama. U medicini se koriste najstabilniji izotopi astata-210 i 211, a oni se ne javljaju u prirodi. Proizvode se isključivo sintetički, obično postupkom bombardiranja bizmuta-209 alfa česticama.

Kada je Dmitrij Mendeljejev 1869. sastavio svoj periodni sistem, predvidio je postojanje nekih, u to vrijeme, još ne otkrivenih elemenata, između ostalih i jednog kojeg je, nakon otkrića, trebalo smjestiti ispod joda. Iz tih razloga, neki naučnici su pokušavali otkriti taj element, nazvan "eka-jod".

Godine 1931. Fred Allison i njegovi saradnici sa Politehničkog instituta Alabame (danas Univerzitet Auburn) objavili su da su otkrili nedostajući element te su mu dali naziv alabamin (Ab). Međutim, njihovo otkriće nije moglo biti potvrđeno te je kasnije proglašeno lažnim. Hemičar De Rajendralal Mitra iz Dhake, Bangladeš (tada Britanske Indije) 1937. godine pri proučavanju članova porodice radioaktivnog torija pronašao je dva nova elementa. Prvom je dao ime dakin (eka-jod), što je predstavljalo engleski naziv za grad Dhaku (Dacca), a drugom gourij. Niti jedan pronalazak novih elemenata nije potvrđen ni priznat.

Švicarski hemičar Walter Minder predložio je naziv helvecij, kada je 1940. objavio otkriće elementa 85. Međutim, dvije godine kasnije, 1942. promijenio je prijedlog za ime elementa u anglohelvecij. Potvrda otkrića astata (od starogrč. ἀστατέω = "biti nepostojan", zbog njegovog radioaktivnog raspada) došla je tek 1940. kada su naučnici Dale Corson, Kenneth MacKenzie i Emilio Gino Segrè na Univerzitetu Kalifornije proizveli novi element bombardiranjem bizmuta alfa-česticama. Tri godine kasnije, ovaj kratkoživući element također su pronašli Berta Karlik i Traude Bernert kao proizvod prirodnog procesa raspada uranija.

Astat je izuzetno radioaktivan element, svi njegovi izotopi imaju kratka vremena poluraspada od 8,1 sati ili manje, a raspadaju se na druge izotope astata ili na izotope bizmuta, polonija ili radona. Svi izotopi astata su veoma nestabilni, većina ih se raspada za manje od sekunde. Među prvih 101 elementa periodnog sistema, samo je francij nestabilniji od njega.

Osobine astata u većim količinama nisu poznate i predmet su pretpostavki i nagađanja. Njegovo istraživanje je ograničeno kratkim vremenom raspada, koje onemogućava stvaranje mjerljivih količina elementa. Kada bi se dobio vidljiv komad astata, on bi gotovo odmah ispario zbog ogromne toplote koja nastaje zbog njegove intenzivne radijacije. Postoje određena istraživanja da se potrebnim hlađenjem dobiju makroskopske količine astata koje bi se mogle istaložiti u tankom sloju. Astati se najčešće ne ubraja niti u nemetale ni u metaloide; a neka istraživanja sugeriraju da bi mogao imati i metalne osobine.

Fizičke

Većina fizičkih osobina astata su procijenjene (bilo interpolacijom ili ekstrapolacijom), koristeći teoretske ili metode izvedene iz prakse. Naprimjer, halogeni elementi su sve tamniji kako se povećava atomska težina: fluor je gotovo bezbojan, hlor je žuto-zelen, brom je crveno-smeđ dok je jod ljubičasto-tamnosiv. Zbog takve pravilnosti smatra se da bi astat vjerovatno trebao biti crna ili vrlo tamna čvrsta tvar (ako se ovaj trend nastavlja niz grupu) ili možda ima metalni oblik (ako je zapravo metaloid ili metal). Tačke topljenja i ključanja astata očekuju se da bi mogle slijediti trend elemenata halogene serije, koje rastu povećanjem atomskog broja. Za osnovu toga, one su procijenjene na 302 i 337 °C, respektivno. Neki eksperimentalni dokazi pokazuju da bi astat mogao imati niže tačke topljenja i ključanja od onih koje implicira halogeni "trend". Astat sublimira mnogo slabije od joda, te ima niži pritisak pare. Kada bi se to ispostavilo tačnim, polovina količine uzorka astata bi isparila za oko sat vremena ako bi se uzorak stavio na čistu staklenu površinu pri sobnoj temperaturi. Spektar apsorpcije astata na srednjim ultraljubičastim talasnim dužinama ima linije na 224,401 i 216,225 nm, što sugerira tranzicije 6p na 7s.

Struktura čvrstog astata nije poznata. Kao analog joda, mogao bi imati ortorompsku kristalnu strukturu sastavljenu iz dvoatomskih molekula astata, a također bi mogao biti i poluprovodnik (sa širinom zabranjene vrpce od 0,7 eV). Za razliku od tih mišljenja, ako bi kondenzirani astat gradio metalnu fazu kako je predviđeno, mogao bi imati monoatomsku plošno centriranu kubičnu strukturu. Dokazi za (ili protiv) postojanja dvoatomskog astata (At₂) su rijetki i ne nude nedvosmislen zaključak. Neki izvodi navode da At₂ uopće ne postoji, ili barem da nikad nije proučen, dok drugi izvori dokazuju i impliciraju njegovo postojanje. I pored kontroverze, mnoge osobine dvoatomskog astata su pretpostavljene; naprimjer, dužina njegove veze bi trebala biti 300 ±10 pm, energija disocijacije 83,7 ±12,5 kJ·mol⁻¹, a toplota isparavanja (∆H_vap) 54,39 kJ·mol⁻¹. Posljednji podatak znači da bi astat trebao (u najmanju ruku) biti metalnog oblika u tečnom stanju na osnovu toga da elementi sa toplotom isparavanja višom od ~42 kJ·mol⁻¹ su metalni kada su u tečnom stanju; a dvoatomski jod, s vrijednošću od 41,71 kJ·mol⁻¹, neznatno je ispod ove granice.

Hemijske

Hemija astata je "obavijena tamnim oblacima" zbog ekstremno niskih koncentracija pri kojima se vrše eksperimenti s ovim elementom, kao i mogućnosti reakcija uz prisustvo nečistoća i filtera, kao i radioaktivnih nusproizvoda, te drugih neželjenih interakcija u nano-skali. Mnoge od njegovih pretpostavljenih osobina su istraživanje u studijama pomoću radioaktivnih trasera na ekstremno razrijeđenim rastvorima astata, obično rjeđim od 10⁻¹⁰ mol·L⁻¹. Neke osobine, poput građenja aniona, odgovaraju onima kod halogena. Astat također ima i neke karakteristike metala, poput elektroprevlačenja na katodama, kotaloženju sa metalnim sulfidima u hlorovodičnoj kiselini, te građenju stabilnih monoatomskih kationa u vodenom rastvoru. Astat gradi komplekse sa EDTA, sredstvom za heliranje metala, te je u mogućnosti da djeluje kao metal u radioaktivnom trasiranju antitijela, a u nekim aspektima astat u stanju +1 dosta nalikuje srebru u istom stanju. Ipak, u većem dijelu organske hemije astat djeluje kao analog joda.

Astat ima elektronegativnost od 2,2 na revidiranoj Paulingovoj skali, što je niže od joda (2,66) a gotovo isto kao i kod vodika. U vodik-astatidu (HAt) predviđa se da bi negativni naboj trebao biti na atomu vodika, čime se implicira da bi ovaj spoj trebao biti nazvan "astat-hidrid". To bi bilo u skladu sa elektronegativnošću astata na Allred-Rochowoj skali (1,9) što je manje od one kod vodika (2,2). Za afinitet prema elektronu astata se predviđa da bi trebao biti smanjen za jednu trećinu zbog spin-orbitalnih interakcija.

Izotopi

Postoji 39 poznatih izotopa astata, sa atomskim masama (masenim brojevima) od 191 do 229. Prema teorijskim modelima trebalo bi postojati još 37 izotopa. Nikad nisu pronađeni stabilni niti dugoživeći izotopi ovog elementa niti se očekuje da bi oni mogli postojati.

Energije njegovih alfa raspada slijede isti trend kao kod drugih teških elemenata. Lakši izotopi astata imaju relativno visoke energije alfa raspada, koje se snižavaju što je teže jezgro. Astat-211 ima značajno višu energiju od prethodnog izotopa, pošto ima jezgro sa 126 neutrona, a smatra se da je 126 "magični broj" koji odgovara popunjenoj neutronskoj ljuski. I pored toga što ima slično vrijeme poluraspada kao i prethodnik (8,1 sati za astat-210 a 7,2 sati za As-211), vjerovatnoća alfa raspada je mnogo viša za ovaj drugi: 41,81% u odnosu na 0,18%. Dva sljedeća izotopa otpuštaju čak i više energije, tako da izotop astat-213 otpušta najviše. Zbog toga, astat-213 je najkraće živući izotop. Iako teži izotopi otpuštaju manje enegije, ne postoji niti jedan dugoživući izotop astata, jer se povećava uloga beta raspada (emisija elektrona). Ovaj način raspada je naročito važan za astat; tako da je već 1950tih bilo teoretizirano da svi izotopi elementa potpadaju pod beta raspad. Načini beta raspada su otkriveni za sve izotope astata osim za astat-213, -214, -215 i -216m. Astat-210 i lakši izotopi iskazuju beta plus raspad (emisiju pozitrona), astat-216 i teži izotopi pokazuju beta (minus) raspad, a astat-212 se raspada na oba načina, dok se izotop astat-211 raspada elektronskim zahvatom.

Najstabilniji izotop je astat-210, čije vrijeme poluraspada iznosi 8,1 sati. Njegov osnovni način raspada je beta plus, dajući relativno dugoživući (barem u odnosu na izotope astata) alfa emiter polonij-210. Sveukupno, samo pet izotopa astata imaju vremena poluraspada koja su duža od jednog sata (astat-207 do -211). Najnestabilniji izotop u osnovnom stanju je astat-213, čije vrijeme poluraspada iznosi 125 nanosekundi. On se raspada alfa raspadom te prelazi u ekstremno dugoživući bizmut-209.