Astatin: Element Eigenschaften und Verwendungen

Einführung in Astatin

Astat ist ein Element mit dem Symbol At und der Ordnungszahl 85, das zu den natürlich vorkommenden und seltensten Elementen auf unserem Planeten gehört. Astat gehört zur Familie der Halogenelemente, die eine gewisse chemische Ähnlichkeit mit Jod und Chlor aufweisen, ist jedoch einzigartig, da es hochradioaktiv und sehr selten ist. Mit einer Halbwertszeit, die je nach Isotop zwischen Stunden und Tagen liegt, ist Astat in der Natur nicht sehr langlebig und kann daher für Wissenschaftler sehr schwierig zu erforschen sein. Seine typischsten Anwendungen beschränken sich auf die Medizin, nämlich die gezielte Alphateilchen-Therapie gegen Krebs.

Geschichte und Namensgebung

Astat wurde erstmals 1940 von Kenneth Ross MacKenzie, Emilio Segrè und Dale R. Corson von der University of California in Berkeley synthetisiert. Sie stellten das Element durch Bismut-209-Beschuss mit Alphateilchen her, um Astatin-211 zu erhalten, das heute das am häufigsten in der Forschung verwendete Isotop ist.

Der Name "Astat" leitet sich vom griechischen Wort "astatos" ab, was so viel wie "instabil" bedeutet, da es extrem radioaktiv und kurzlebig ist. Seine Entdeckung war die Vervollständigung der Halogengruppe im Periodensystem, obwohl die natürlich vorkommenden Mengen sehr gering sind.

Physikalische Eigenschaften

Aufgrund der Seltenheit und Radioaktivität von Astatin werden einige seiner physikalischen Eigenschaften eher berechnet als direkt gemessen. Aus theoretischen Berechnungen und Extrapolation von anderen Halogenen:

Man geht davon aus, dass Astat ein Metalloid ist, das metallische und nichtmetallische Eigenschaften besitzt. Es wird angenommen, dass seine Farbe metallisch und dunkel ist, möglicherweise schwarz oder dunkelviolett in loser Form, obwohl noch nie lose Proben beobachtet worden sind.

Chemische Eigenschaften Beschreibung

Astatin ähnelt anderen Halogenen, seine Radioaktivität geht jedoch mit einem ungewöhnlichen Verhalten einher. Einige der wichtigsten chemischen Eigenschaften sind:

- Oxidationsstufen: Am typischsten ist -1, aber in bestimmten Verbindungen kommen auch +1, +3, +5 und +7 vor.

- Stabilität der Verbindung: Astatinverbindungen sind im Allgemeinen instabil und zerfallen aufgrund der kurzen Halbwertszeiten ihrer Isotope schnell.

- Reaktivität: Es können Metallsalze, z. B. Astatide, gebildet werden, die jedoch nur selten länger als ein paar Minuten überleben.

- Elektronegativität: Mit ~2,2 niedriger als die des Jods (~2,66), daher etwas weniger reaktiv in der Halogenchemie.

Zum Beispiel kann Astatin theoretisch dazu gebracht werden, mit Wasserstoff zu reagieren und Astatwasserstoff (HAt) zu bilden, genau wie Iodwasserstoff (HI), aber die Verbindung zerfällt schnell durch radioaktiven Zerfall.

Methoden der Herstellung

Aufgrund seines geringen natürlichen Vorkommens und seiner kurzen Halbwertszeit wird Astat nicht aus natürlichen Vorkommen gewonnen. Astat wird künstlich in Kernreaktoren oder Zyklotrons hergestellt. Die häufigste Methode ist:

1. Bestrahlung von Wismut-209-Targets mit Alphateilchen.

Das Astatin-211 mit einer Halbwertszeit von 7,2 Stunden ist für medizinische und experimentelle Anwendungen geeignet.

2. Chemische Reinigung und Isotopentrennung: Das Astatin wird durch Trockendestillation oder Lösungsmittelextraktion schnell vom Target getrennt, um es für Laborexperimente oder klinische Anwendungen aufzubereiten.

Aufgrund dieser Einschränkungen sind Forschung und Anwendungen zeitkritisch und müssen in hochspezialisierten, strahlungssicheren Laboratorien durchgeführt werden.

Anwendungen

Trotz seiner Knappheit hat Astat vielversprechende Anwendungen in der Medizin und Kernphysik:

1. Gezielte Alpha-Therapie (TAT) bei Krebs

Astatin-211 sendet hochenergetische Alphateilchen aus, die Krebszellen abtöten und gleichzeitig einen Großteil des umliegenden Normalgewebes verschonen. In klinischen Versuchen wurden Schilddrüsenkrebs und Hirntumore getestet, und es wurde festgestellt, dass mit Astatin markierte Wirkstoffe präzise, gezielte Dosen abgeben können.

- Fallstudie: In einer 2015 an der University of Washington durchgeführten Studie wurde rezidivierender Eierstockkrebs mit At-211-markierten Antikörpern behandelt. Die Therapie war selektiv zytotoxisch für Tumorzellen und reduzierte die systemische Toxizität.

2. Radiopharmazeutische Forschung

Astatin-Isotope werden in der Nuklearmedizin als Tracer zur Untersuchung von Stoffwechselwegen und zur Entwicklung neuer Arzneimittelabgabesysteme eingesetzt. Die kurze Halbwertszeit bietet eine hohe Aktivität in kleinen Mengen, was ideal für die In-vivo-Bildgebung und eine schnelle Wirkung bei der Behandlung ist.

3. Experimente in der Kernphysik

Aufgrund seiner Stellung im Periodensystem eignet sich Astat auch gut für die Untersuchung der Chemie schwerer Elemente, der Isotopenzerfallsketten und der Halogenchemie unter extremen Bedingungen.

Schlussfolgerung

Astat ist ein außergewöhnliches Element, das sich durch seine Seltenheit, seine Radioaktivität und sein therapeutisches Potenzial auszeichnet. Obwohl es in der Natur nur in winzigen Mengen vorkommt, hat die künstliche Herstellung neue Erwartungen für Krebstherapien und die moderne Kernforschung geweckt. Seine Geschichte - von der Entdeckung im Jahr 1940 bis zur heutigen Verwendung in Radiopharmazeutika - veranschaulicht die ungewöhnlichen Herausforderungen und Vorteile der Arbeit mit einem der flüchtigsten Elemente der Natur.

Häufig gestellte Fragen

Warum ist Astatin so selten?

Es ist extrem instabil und radioaktiv und zerfällt nach Stunden oder Tagen in andere Elemente, so dass in der Natur immer nur sehr geringe Mengen vorkommen.

Wie erfolgt die Laborsynthese von Astat?

Durch Bestrahlung von Wismut-209-Targets mit Alphateilchen aus Kernreaktoren oder Zyklotrons zur Erzeugung von Astat-Isotopen, hauptsächlich At-211.

Was sind seine wichtigsten chemischen Eigenschaften?

Astat ist ein halogenähnliches Element, das jedoch auch radioaktiv instabile Verbindungen erzeugt. Seine geringere Elektronegativität und seine kurzlebigen Isotope erzeugen hochreaktive und flüchtige chemische Verbindungen.

Warum ist Astat für die Krebstherapie von Interesse?

Seine Alphastrahlung gewährleistet, dass bösartige Zellen gezielt und mit geringer Zerstörung von gesundem Gewebe angegriffen werden können.

Gibt es industrielle Anwendungen für Astat?

Es gibt nur sehr wenige industrielle Anwendungen; es wird hauptsächlich in der Medizin und in der Nuklearwissenschaft eingesetzt, im Gegensatz zu kommerziellen Massenverfahren.