Astatine - Astatine

Astate,  ₈₅ A

Astatine
Prononciation	/ Æ s t ə t i n , - t ɪ n / ( AS S-adolescent, -⁠tin )
Apparence	inconnu, probablement métallique
Nombre de masse	[210]
Astate dans le tableau périodique
Hydrogène Hélium Lithium Béryllium Bore Carbone Azote Oxygène Fluor Néon Sodium Magnésium Aluminium Silicium Phosphore Soufre Chlore Argon Potassium Calcium Scandium Titane Vanadium Chrome Manganèse Le fer Cobalt Nickel Le cuivre Zinc Gallium Germanium Arsenic Sélénium Brome Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdène Technétium Ruthénium Rhodié Palladium Argent Cadmium Indium Étain Antimoine Tellure Iode Xénon Césium Baryum Lanthane Cérium Praséodyme Néodyme Prométhium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutécium Hafnium Tantale Tungstène Rhénium Osmium Iridium Platine Or Mercure (élément) Thallium Mener Bismuth Polonium Astatine Radon Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Américium Curium Berkélium Californie Einsteinium Fermium Mendélévie nobélium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flérovium Moscou Livermorium Tennessine Oganesson  I  ↑ A ↓ Ts polonium ← astate → radon
Numéro atomique ( Z )	85
Grouper	groupe 17 (halogènes)
Période	période 6
Bloquer	p-bloc
Configuration électronique	[ Xe ] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 5
Électrons par coquille	2, 8, 18, 32, 18, 7
Propriétés physiques
Phase à  STP	phase inconnue
Propriétés atomiques
États d'oxydation	-1 , +1 , +3, +5, +7
Énergies d'ionisation
Autres propriétés
Occurrence naturelle	de la pourriture
Numero CAS	7440-68-8
Histoire
Appellation	après le grec astatos (αστατος), signifiant « instable »
Découverte	Dale R. Corson , Kenneth Ross MacKenzie , Emilio Segrè (1940)
Principaux isotopes de l'astate
Isotope Abondance Demi-vie ( t 1/2 ) Mode de décomposition Produit 209 à syn 5,41 heures β + 209 Po ?? 205 Bi 210 à syn 8,1 heures β + 210 Po ?? 206 Bi 211 à syn 7.21 heures ?? 211 Po ?? 207 Bi
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L'astatine est un élément chimique portant le symbole At et le numéro atomique 85. C'est l' élément naturel le plus rare dans la croûte terrestre , n'apparaissant que sous forme de produit de désintégration de divers éléments plus lourds. Tous les isotopes de l'astate sont de courte durée ; le plus stable est l'astate-210, avec une demi-vie de 8,1 heures. Un échantillon de l'élément pur n'a jamais été assemblé, car tout échantillon macroscopique serait immédiatement vaporisé par la chaleur de sa propre radioactivité.

Les propriétés en vrac de l'astate ne sont pas connues avec certitude. Beaucoup d'entre eux ont été estimés sur la base de la position de l'élément sur le tableau périodique en tant qu'analogue plus lourd de l' iode et membre des halogènes (le groupe d'éléments comprenant le fluor , le chlore , le brome et l'iode). Cependant, l'astate se situe également à peu près le long de la ligne de démarcation entre les métaux et les non-métaux , et un certain comportement métallique a également été observé et prédit pour elle. L'astate est susceptible d'avoir un aspect sombre ou brillant et peut être un semi - conducteur ou éventuellement un métal . Chimiquement, plusieurs espèces anioniques d'astate sont connues et la plupart de ses composés ressemblent à ceux de l'iode, mais elle présente aussi parfois des caractéristiques métalliques et présente quelques similitudes avec l' argent .

La première synthèse de l'élément a eu lieu en 1940 par Dale R. Corson , Kenneth Ross MacKenzie et Emilio G. Segrè à l' Université de Californie à Berkeley , qui l'a nommé du grec astatos (ἄστατος), signifiant « instable ». Quatre isotopes de l'astate se sont par la suite avérés être d'origine naturelle, bien que beaucoup moins d'un gramme soit présent à un moment donné dans la croûte terrestre. Ni l'isotope le plus stable astate-210, ni l'astate-211 médicalement utile, ne se produisent naturellement ; ils ne peuvent être produits que de manière synthétique, généralement en bombardant le bismuth -209 avec des particules alpha .

Caractéristiques

L'astate est un élément extrêmement radioactif; tous ses isotopes ont des demi-vies de 8,1 heures ou moins, se désintégrant en d'autres isotopes de l'astate, du bismuth , du polonium ou du radon . La plupart de ses isotopes sont très instables, avec des demi-vies d'une seconde ou moins. Sur les 101 premiers éléments du tableau périodique, seul le francium est moins stable, et tous les isotopes de l'astate plus stables que le francium sont de toute façon synthétiques et n'existent pas dans la nature.

Les propriétés en vrac de l'astate ne sont pas connues avec certitude. La recherche est limitée par sa courte demi-vie, qui empêche la création de quantités pesables. Un morceau visible d'astate se vaporiserait immédiatement à cause de la chaleur générée par sa radioactivité intense. Il reste à voir si, avec un refroidissement suffisant, une quantité macroscopique d'astate pourrait se déposer sous forme de film mince. L'astatine est généralement classée soit comme un non - métal, soit comme un métalloïde ; la formation de métal a également été prédite.

Physique

La plupart des propriétés physiques de l'astate ont été estimées (par interpolation ou extrapolation ), en utilisant des méthodes dérivées théoriquement ou empiriquement. Par exemple, les halogènes deviennent plus foncés avec l'augmentation du poids atomique – le fluor est presque incolore, le chlore est vert jaune, le brome est brun rouge et l'iode est gris foncé/violet. L'astate est parfois décrite comme étant probablement un solide noir (en supposant qu'elle suive cette tendance), ou comme ayant un aspect métallique (s'il s'agit d'un métalloïde ou d'un métal).

L'astate se sublime moins facilement que l'iode, ayant une pression de vapeur plus faible . Même ainsi, la moitié d'une quantité donnée d'astate se vaporisera en une heure environ si elle est placée sur une surface en verre propre à température ambiante . Le spectre d'absorption de l'astate dans la région de l'ultraviolet moyen présente des raies à 224,401 et 216,225 nm, suggérant des transitions 6p à 7s .

La structure de l'astate solide est inconnue. En tant qu'analogue de l'iode, il peut avoir une structure cristalline orthorhombique composée de molécules d' astatine diatomiques et être un semi-conducteur (avec une bande interdite de 0,7 eV ). Alternativement, si l'astate condensée forme une phase métallique, comme cela a été prédit, elle peut avoir une structure cubique monoatomique à faces centrées ; dans cette structure, il pourrait bien s'agir d'un supraconducteur , comme la phase similaire à haute pression de l'iode. Les preuves pour (ou contre) l'existence de l'astatine diatomique (At ₂ ) sont rares et peu concluantes. Certaines sources affirment qu'il n'existe pas, ou du moins n'a jamais été observé, tandis que d'autres sources affirment ou impliquent son existence. Malgré cette controverse, de nombreuses propriétés de l'astate diatomique ont été prédites ; par exemple, sa longueur de liaison serait300 ± 10  pm , énergie de dissociation83,7 ± 12,5 kJ/mol , et chaleur de vaporisation (∆H _vap ) 54,39 kJ/mol. De nombreuses valeurs ont été prédites pour les points de fusion et d' ébullition de l'astate, mais uniquement pour At ₂ .

Chimique

La chimie de l'astate est « obscurcie par les concentrations extrêmement faibles auxquelles les expériences sur l'astate ont été menées, et la possibilité de réactions avec des impuretés, des parois et des filtres, ou des sous-produits de radioactivité, et d'autres interactions indésirables à l'échelle nanométrique ». Bon nombre de ses propriétés chimiques apparentes ont été observées à l'aide d' études de traceurs sur des solutions d'astate extrêmement diluées, généralement inférieures à 10 ^-10 mol·L ^-1 . Certaines propriétés, telles que la formation d'anions, s'alignent avec d'autres halogènes. L'astatine a également certaines caractéristiques métalliques, telles que le placage sur une cathode et la coprécipitation avec des sulfures métalliques dans l'acide chlorhydrique. Il forme des complexes avec l' EDTA , un agent chélatant les métaux , et est capable d'agir comme un métal dans le radiomarquage des anticorps ; à certains égards, l'astate dans l'état +1 s'apparente à l'argent dans le même état. La plus grande partie de la chimie organique de l'astate est cependant analogue à celle de l'iode. Il a été suggéré que l'astate peut former un cation monoatomique stable en solution aqueuse, mais des preuves d'électromigration suggèrent que l'espèce cationique At(I) est l'acide hypoastatique protoné (H ₂ OAt ⁺ ), montrant une analogie avec l'iode.

L'astatine a une électronégativité de 2,2 sur l' échelle de Pauling révisée  – inférieure à celle de l'iode (2,66) et la même que l'hydrogène. Dans l'astate d'hydrogène (HAt), la charge négative est prédite sur l'atome d'hydrogène, ce qui implique que ce composé pourrait être appelé hydrure d'astate selon certaines nomenclatures. Cela serait cohérent avec l'électronégativité de l'astate sur l' échelle Allred-Rochow (1,9) étant inférieure à celle de l'hydrogène (2,2). Cependant, la nomenclature stoechiométrique officielle de l'IUPAC est basée sur une convention idéalisée de détermination des électronégativités relatives des éléments par la simple vertu de leur position dans le tableau périodique. Selon cette convention, l'astate est traitée comme si elle était plus électronégative que l'hydrogène, quelle que soit sa véritable électronégativité. L' affinité électronique de l'astate, à 233 kJ mol ^-1 , est inférieure de 21 % à celle de l'iode. En comparaison, la valeur de Cl (349) est 6,4% plus élevée que F (328) ; Br (325) est inférieur de 6,9 ​​% à Cl; et I (295) est de 9,2 % inférieur à Br. La réduction marquée pour At a été prédite comme étant due aux interactions spin-orbite . La première énergie d'ionisation de l'astate est d'environ 899 kJ mol ^-1 , ce qui poursuit la tendance à la diminution des premières énergies d'ionisation vers le bas du groupe halogène (fluor, 1681; chlore, 1251; brome, 1140; iode, 1008).

Composés

Moins réactive que l'iode, l'astate est le moins réactif des halogènes. Ses composés ont été synthétisés en quantités microscopiques et étudiés le plus intensément possible avant leur désintégration radioactive. Les réactions impliquées ont été typiquement testées avec des solutions diluées d'astate mélangées à de plus grandes quantités d'iode. Agissant en tant que vecteur, l'iode assure qu'il y a suffisamment de matière pour que les techniques de laboratoire (telles que la filtration et la précipitation ) fonctionnent. Comme l'iode, il a été démontré que l'astate adopte des états d'oxydation impairs allant de -1 à +7.

Seuls quelques composés avec des métaux ont été signalés, sous forme d'états de sodium, de palladium , d'argent, de thallium et de plomb. Certaines propriétés caractéristiques de l'astatide d'argent et de sodium, et des autres astatides hypothétiques alcalins et alcalino-terreux, ont été estimées par extrapolation à partir d'autres halogénures métalliques.

Modèle de remplissage d'espace à l' hydrogène

La formation d'un composé d'astate avec de l'hydrogène - généralement appelé astatide d'hydrogène - a été notée par les pionniers de la chimie de l'astate. Comme mentionné, il y a lieu de se référer plutôt à ce composé sous le nom d'hydrure d'astate. Il s'oxyde facilement ; l'acidification par l'acide nitrique dilué donne les formes At ⁰ ou At ⁺ , et l'ajout ultérieur d'argent(I) ne peut que partiellement, au mieux, précipiter l'astate sous forme d'astatide d'argent(I) (AgAt). L'iode, en revanche, n'est pas oxydé et précipite facilement sous forme d'iodure d'argent (I) .

L'astatine est connue pour se lier au bore , au carbone et à l' azote . Divers composés de cage de bore ont été préparés avec des liaisons At-B, celles-ci étant plus stables que les liaisons At-C. L'astatine peut remplacer un atome d'hydrogène dans le benzène pour former l'astatobenzène C ₆ H ₅ At; celui-ci peut être oxydé en C ₆ H ₅ AtCl ₂ par le chlore. En traitant ce composé avec une solution alcaline d'hypochlorite, on peut produire du C ₆ H ₅ AtO ₂ . Le cation dipyridine-astatine(I), [At(C ₅ H ₅ N) ₂ ] ⁺ , forme des composés ioniques avec le perchlorate (un anion non coordonnant ) et avec le nitrate , [At(C ₅ H ₅ N) ₂ ]NO ₃ . Ce cation existe sous la forme d'un complexe de coordination dans lequel deux liaisons covalentes datives relient séparément le centre astate (I) avec chacun des cycles pyridine via leurs atomes d'azote.

Avec l'oxygène, il existe des preuves des espèces AtO ⁻ et AtO ⁺ en solution aqueuse, formées par la réaction de l'astate avec un oxydant tel que le brome élémentaire ou (dans le dernier cas) par le persulfate de sodium dans une solution d' acide perchlorique : ce dernier l'espèce pourrait également être l'acide astateux protoné, H
₂AtO⁺
₂. L'espèce que l'on croyait auparavant être AtO⁻
₂a depuis été déterminé comme étant AtO(OH)⁻
₂, un produit d'hydrolyse d'AtO ⁺ (un autre de ces produits d'hydrolyse étant AtOOH). L' ATO bien caractérisé⁻
₃l'anion peut être obtenu, par exemple, par l'oxydation de l'astate avec de l'hypochlorite de potassium dans une solution d' hydroxyde de potassium . La préparation du triastatate de lanthane La(AtO ₃ ) ₃ , suite à l'oxydation de l'astate par une solution chaude de Na ₂ S ₂ O ₈ , a été rapportée. Poursuite de l'oxydation de l' AtO⁻
₃, comme par le difluorure de xénon (dans une solution alcaline chaude) ou le periodate (dans une solution neutre ou alcaline), donne l'ion perastatate AtO⁻
₄; ce n'est stable que dans les solutions neutres ou alcalines. On pense également que l'astatine est capable de former des cations dans des sels avec des oxyanions tels que l' iodate ou le dichromate ; ceci est basé sur l'observation que, dans les solutions acides, les états positifs monovalents ou intermédiaires de l'astate coprécipitent avec les sels insolubles des cations métalliques tels que l'iodate d'argent(I) ou le dichromate de thallium(I).

L'astate peut former des liaisons avec les autres chalcogènes ; ceux-ci incluent S ₇ At ⁺ et At(CSN)⁻
₂avec du soufre , un composé de coordination sélénourée avec du sélénium , et un colloïde astatine- tellure avec du tellure.

Structure du monoiodure d'astate, l'un des interhalogènes d' astate et l'interhalogène diatomique le plus lourd connu.

L'astatine est connue pour réagir avec ses homologues plus légers, l'iode, le brome et le chlore à l'état de vapeur ; ces réactions produisent des composés interhalogènes diatomiques de formules AtI, AtBr et AtCl. Les deux premiers composés peuvent également être produits dans l'eau – l'astate réagit avec une solution d' iode/ iodure pour former AtI, tandis que l'AtBr nécessite (à part l'astate) une solution d' iode/ monobromure / bromure d' iode . L'excès d'iodures ou de bromures peut conduire à l' AtBr⁻
₂et AtI⁻
₂ions, ou dans une solution de chlorure, ils peuvent produire des espèces comme AtCl⁻
₂ou AtBrCl⁻
via des réactions d'équilibre avec les chlorures. L'oxydation de l'élément avec du dichromate (dans une solution d'acide nitrique) a montré que l'ajout de chlorure transformait l'astate en une molécule susceptible d'être soit AtCl soit AtOCl. De même, AtOCl⁻
₂ou AtCl⁻
₂peut être produit. Les polyhalogénures PdAtI ₂ , CsAtI ₂ , TlAtI ₂ et PbAtI sont connus ou présumés avoir été précipités. Dans un spectromètre de masse à source d'ions plasma , les ions [AtI] ⁺ , [AtBr] ⁺ , et [AtCl] ⁺ ont été formés en introduisant des vapeurs d'halogène plus légères dans une cellule remplie d' hélium contenant de l'astatine, soutenant l'existence de molécules neutres stables dans l'état des ions plasma. Aucun fluorure d'astate n'a encore été découvert. Leur absence a été attribuée de manière spéculative à l'extrême réactivité de ces composés, y compris la réaction d'un fluorure initialement formé avec les parois du récipient en verre pour former un produit non volatil. Ainsi, bien que la synthèse d'un fluorure d'astatine soit considérée comme possible, elle peut nécessiter un solvant fluorure d'halogène liquide, comme cela a déjà été utilisé pour la caractérisation du fluorure de radon.

Histoire

La table de Dmitri Mendeleev de 1871, avec un espace vide à la position eka-iode

En 1869, lorsque Dmitri Mendeleev publia son tableau périodique , l'espace sous iode était vide ; après que Niels Bohr ait établi la base physique de la classification des éléments chimiques, il a été suggéré que le cinquième halogène y appartenait. Avant sa découverte officiellement reconnue, il s'appelait "eka-iode" (du sanskrit eka  - "un") pour impliquer qu'il s'agissait d'un espace sous iode (de la même manière que l' eka-silicium, l'eka-bore et autres ). Les scientifiques ont essayé de le trouver dans la nature ; étant donné son extrême rareté, ces tentatives ont abouti à plusieurs fausses découvertes.

La première découverte revendiquée d'éka-iode a été faite par Fred Allison et ses associés à l'Alabama Polytechnic Institute (maintenant l'Université d'Auburn ) en 1931. Les découvreurs ont nommé l'élément 85 « alabamine », et lui ont attribué le symbole Ab, désignations qui ont été utilisées pour quelques années. En 1934, HG MacPherson de l' Université de Californie à Berkeley a réfuté la méthode d'Allison et la validité de sa découverte. Il y a eu une autre réclamation en 1937, par le chimiste Rajendralal De. Travaillant à Dacca en Inde britannique (aujourd'hui Dhaka au Bangladesh ), il choisit le nom "dakin" pour l'élément 85, qu'il prétendait avoir isolé comme l' équivalent de la série du thorium du radium F (polonium-210) dans la série du radium . Les propriétés qu'il a rapportées pour le dakin ne correspondent pas à celles de l'astate ; de plus, l'astate ne se trouve pas dans la série du thorium et la véritable identité de dakin n'est pas connue.

En 1936, l'équipe du physicien roumain Horia Hulubei et de la physicienne française Yvette Cauchois a affirmé avoir découvert l'élément 85 par analyse aux rayons X. En 1939, ils ont publié un autre article qui a soutenu et étendu les données précédentes. En 1944, Hulubei a publié un résumé des données qu'il avait obtenues jusqu'alors, affirmant qu'elles étaient étayées par les travaux d'autres chercheurs. Il a choisi le nom "dor", vraisemblablement du roumain pour "désir" [de paix], car la Seconde Guerre mondiale avait commencé cinq ans plus tôt. Comme Hulubei écrivait en français, une langue qui n'accepte pas le suffixe « ine », dor aurait probablement été rendu en anglais par « dorine », s'il avait été adopté. En 1947, la demande de Hulubei a été effectivement rejetée par le chimiste autrichien Friedrich Paneth , qui allait plus tard présider le comité IUPAC responsable de la reconnaissance de nouveaux éléments. Même si les échantillons de Hulubei contenaient de l'astate, ses moyens de la détecter étaient trop faibles, selon les normes actuelles, pour permettre une identification correcte. Il avait également été impliqué dans une fausse déclaration antérieure concernant la découverte de l'élément 87 (francium) et cela aurait poussé d'autres chercheurs à minimiser son travail.

Emilio Segrè , l'un des découvreurs de l' élément du groupe principal astate

En 1940, le chimiste suisse Walter Minder annonça la découverte de l'élément 85 comme produit de désintégration bêta du radium A (polonium-218), en choisissant le nom « helvetium » (de Helvetia , le nom latin de la Suisse). Berta Karlik et Traude Bernert n'ont pas réussi à reproduire ses expériences et ont par la suite attribué les résultats de Minder à la contamination de son flux de radon (le radon-222 est l'isotope parent du polonium-218). En 1942, Minder, en collaboration avec la scientifique anglaise Alice Leigh-Smith, a annoncé la découverte d'un autre isotope de l'élément 85, présumé être le produit de la désintégration bêta du thorium A (polonium-216). Ils nommèrent cette substance « anglo-helvetium », mais Karlik et Bernert furent à nouveau incapables de reproduire ces résultats.

Plus tard en 1940, Dale R. Corson , Kenneth Ross MacKenzie et Emilio Segrè ont isolé l'élément à l'Université de Californie à Berkeley. Au lieu de rechercher l'élément dans la nature, les scientifiques l'ont créé en bombardant du bismuth-209 avec des particules alpha dans un cyclotron (accélérateur de particules) pour produire, après émission de deux neutrons, de l'astate-211. Les découvreurs, cependant, n'ont pas immédiatement suggéré de nom pour l'élément. La raison en était qu'à l'époque, un élément créé synthétiquement en "quantités invisibles" qui n'avait pas encore été découvert dans la nature n'était pas considéré comme totalement valable ; en outre, les chimistes hésitaient à reconnaître les isotopes radioactifs aussi légitimement que les isotopes stables. En 1943, l'astate a été trouvée en tant que produit de deux chaînes de désintégration naturelles par Berta Karlik et Traude Bernert, d'abord dans la série dite de l' uranium , puis dans la série de l' actinium . (Depuis lors, l'astate a également été trouvée dans une troisième chaîne de désintégration, la série neptunium .) Friedrich Paneth en 1946 a appelé à enfin reconnaître les éléments synthétiques, citant, entre autres raisons, la confirmation récente de leur occurrence naturelle, et a proposé que les découvreurs de la les éléments sans nom nouvellement découverts nomment ces éléments. Au début de 1947, Nature publia les suggestions des découvreurs ; une lettre de Corson, MacKenzie et Segrè a suggéré le nom "astatine" venant du grec astatos (αστατος) signifiant "instable", en raison de sa propension à la désintégration radioactive , avec la terminaison "-ine", trouvée dans les noms des quatre halogènes précédemment découverts. Le nom a également été choisi pour poursuivre la tradition des quatre halogènes stables, où le nom faisait référence à une propriété de l'élément.

Corson et ses collègues ont classé l'astate comme un métal sur la base de sa chimie analytique . Des chercheurs ultérieurs ont signalé un comportement semblable à l'iode, cationique ou amphotère . Dans une rétrospective de 2003, Corson a écrit que « certaines des propriétés [de l'astate] sont similaires à celles de l'iode… il présente également des propriétés métalliques, plus comme ses voisins métalliques Po et Bi ».

Isotopes

Il existe 39 isotopes connus de l'astate, avec des masses atomiques (nombres de masse) de 191-229. La modélisation théorique suggère que 37 isotopes supplémentaires pourraient exister. Aucun isotope d'astate stable ou à longue durée de vie n'a été observé, et l'on ne s'attend pas à ce qu'il existe.

Les énergies de désintégration alpha de l'astate suivent la même tendance que pour les autres éléments lourds. Les isotopes d'astate plus légers ont des énergies de désintégration alpha assez élevées , qui diminuent à mesure que les noyaux deviennent plus lourds. L'astatine-211 a une énergie significativement plus élevée que l'isotope précédent, car elle a un noyau avec 126 neutrons, et 126 est un nombre magique correspondant à une coquille de neutrons remplie. Malgré une demi-vie similaire à l'isotope précédent (8,1 heures pour l'astate-210 et 7,2 heures pour l'astate-211), la probabilité de décroissance alpha est bien plus élevée pour ce dernier : 41,81 % contre seulement 0,18 %. Les deux isotopes suivants libèrent encore plus d'énergie, l'astate-213 libérant le plus d'énergie. Pour cette raison, il s'agit de l'isotope de l'astate dont la durée de vie est la plus courte. Même si les isotopes d'astate plus lourds libèrent moins d'énergie, il n'existe pas d'isotope d'astate à vie longue, en raison du rôle croissant de la désintégration bêta (émission d'électrons). Ce mode de désintégration est particulièrement important pour l'astate ; dès 1950, il a été postulé que tous les isotopes de l'élément subissent une désintégration bêta, bien que les mesures de masse nucléaire indiquent que ²¹⁵ At est en fait bêta-stable , car il a la masse la plus faible de tous les isobares avec A  = 215. Un mode de désintégration bêta a été trouvé pour tous les autres isotopes de l'astate, à l'exception de l'astate-213, de l'astate-214 et de l'astate-216m. L'astatine-210 et les isotopes plus légers présentent une désintégration bêta plus ( émission de positons ), l'astatine-216 et les isotopes plus lourds présentent une désintégration bêta moins, et l'astate-212 se désintègre via les deux modes, tandis que l'astatine-211 subit une capture d'électrons .

L'isotope le plus stable est l'astate-210, qui a une demi-vie de 8,1 heures. Le mode de désintégration primaire est bêta plus, par rapport à l'émetteur alpha polonium-210 à durée de vie relativement longue (par rapport aux isotopes de l'astate) . Au total, seuls cinq isotopes ont des demi-vies supérieures à une heure (astatine-207 à -211). L'isotope fondamental le moins stable est l'astate-213, avec une demi-vie de 125 nanosecondes. Il subit une désintégration alpha en bismuth-209 à vie extrêmement longue .

L'astatine possède 24 isomères nucléaires connus , qui sont des noyaux avec un ou plusieurs nucléons ( protons ou neutrons ) à l' état excité . Un isomère nucléaire peut également être appelé un " méta-état ", ce qui signifie que le système a plus d' énergie interne que " l' état fondamental " (l'état avec la plus faible énergie interne possible), ce qui rend le premier susceptible de se désintégrer en ce dernier. Il peut y avoir plus d'un isomère pour chaque isotope. Le plus stable de ces isomères nucléaires est l'astate-202m1, qui a une demi-vie d'environ 3 minutes, plus longue que celles de tous les états fondamentaux sauf ceux des isotopes 203-211 et 220. Le moins stable est l'astate-214m1 ; sa demi-vie de 265 nanosecondes est plus courte que celle de tous les états fondamentaux à l'exception de celle de l'astate-213.

Occurrence naturelle

Série Neptunium, montrant les produits de désintégration, y compris l'astate-217, formé à partir du neptunium-237

L'astate est l'élément naturel le plus rare. La quantité totale d'astate dans la croûte terrestre (masse citée 2,36 × 10 ²⁵ grammes) est estimée par certains à moins d'un gramme à un moment donné. D'autres sources estiment la quantité d'astate éphémère, présente sur terre à un moment donné, à une once (environ 28 grammes).

Toute astate présente lors de la formation de la Terre a depuis longtemps disparu ; les quatre isotopes naturels (astatine-215, -217, -218 et -219) sont plutôt produits en continu à la suite de la désintégration de minerais de thorium et d' uranium radioactifs et de traces de neptunium-237 . La masse continentale de l'Amérique du Nord et de l'Amérique du Sud combinées, jusqu'à une profondeur de 16 kilomètres (10 miles), ne contient qu'environ mille milliards d'atomes d'astate-215 à un moment donné (environ 3,5 × 10 ^-10 grammes). L'astatine-217 est produite par la désintégration radioactive du neptunium-237. Les restes primordiaux de ce dernier isotope - en raison de sa demi-vie relativement courte de 2,14 millions d'années - ne sont plus présents sur Terre. Cependant, des traces se produisent naturellement en tant que produit de réactions de transmutation dans les minerais d'uranium . L'astate-218 a été le premier isotope de l'astate découvert dans la nature. L'astatine-219, avec une demi-vie de 56 secondes, est le plus long des isotopes naturels.

Les isotopes de l'astate ne sont parfois pas répertoriés comme étant d'origine naturelle en raison d'idées fausses selon lesquelles il n'existe pas de tels isotopes ou de divergences dans la littérature. L'astatine-216 a été comptée comme un isotope naturel, mais les rapports de son observation (qui ont été décrits comme douteux) n'ont pas été confirmés.

Synthèse

Formation

L'astate a d'abord été produite en bombardant le bismuth-209 avec des particules alpha énergétiques, et c'est toujours la principale voie utilisée pour créer les isotopes à durée de vie relativement longue de l'astate-209 à l'astate-211. L'astate n'est produite qu'en quantités infimes, avec des techniques modernes permettant des séries de production allant jusqu'à 6,6  giga becquerels (environ 86  nanogrammes ou 2,47 × 10 ¹⁴ atomes). La synthèse de plus grandes quantités d'astate en utilisant cette méthode est limitée par la disponibilité limitée de cyclotrons appropriés et la perspective de faire fondre la cible. La radiolyse des solvants due à l'effet cumulatif de la désintégration de l'astate est un problème connexe. Avec la technologie cryogénique, des quantités de microgrammes d'astate pourraient être générées par irradiation de protons de thorium ou d' uranium pour produire du radon-211, qui se désintégrerait à son tour en astate-211. On s'attend à ce que la contamination par l'astate-210 soit un inconvénient de cette méthode.

L'isotope le plus important est l'astate-211, le seul à être utilisé commercialement. Pour produire la cible de bismuth, le métal est pulvérisé sur une surface d'or, de cuivre ou d'aluminium à raison de 50 à 100 milligrammes par centimètre carré. L'oxyde de bismuth peut être utilisé à la place ; celui-ci est fusionné de force avec une plaque de cuivre. La cible est maintenue sous une atmosphère d' azote chimiquement neutre et est refroidie avec de l'eau pour empêcher la vaporisation prématurée de l'astate. Dans un accélérateur de particules, tel qu'un cyclotron, les particules alpha entrent en collision avec le bismuth. Même si un seul isotope du bismuth est utilisé (bismuth-209), la réaction peut se produire de trois manières possibles, produisant de l'astate-209, de l'astate-210 ou de l'astate-211. Afin d'éliminer les nucléides indésirables, l'énergie maximale de l'accélérateur de particules est fixée à une valeur (de manière optimale 29,17 MeV) supérieure à celle de la réaction produisant l'astate-211 (pour produire l'isotope souhaité) et inférieure à celle produisant l'astatine-210 (pour produire l'isotope souhaité) éviter de produire d'autres isotopes de l'astate).

Méthodes de séparation

L'astate étant le produit principal de la synthèse, après sa formation, elle ne doit être séparée que de la cible et de tout contaminant significatif. Plusieurs méthodes sont disponibles, "mais elles suivent généralement l'une des deux approches suivantes : la distillation sèche ou le traitement acide [humide] de la cible suivi d'une extraction par solvant". Les méthodes résumées ci-dessous sont des adaptations modernes de procédures plus anciennes, telles que revues par Kugler et Keller. Les techniques d'avant 1985 portaient plus souvent sur l'élimination du polonium toxique coproduit; cette exigence est maintenant atténuée en plafonnant l'énergie du faisceau d'irradiation du cyclotron.

Sécher

La cible cyclotron contenant de l'astate est chauffée à une température d'environ 650 °C. L'astate se volatilise et se condense dans (typiquement) un piège froid . Des températures plus élevées allant jusqu'à environ 850 °C peuvent augmenter le rendement, au risque de contamination au bismuth par volatilisation simultanée. Redistiller le condensat peut être nécessaire pour minimiser la présence de bismuth (car le bismuth peut interférer avec les réactions de marquage à l' astate ). L'astate est récupérée du piège à l'aide d'un ou plusieurs solvants à faible concentration tels que la soude , le méthanol ou le chloroforme . Des rendements en astate allant jusqu'à environ 80 % peuvent être atteints. La séparation à sec est la méthode la plus couramment utilisée pour produire une forme chimiquement utile d'astate.

Mouiller

La cible de bismuth irradiée (ou parfois de trioxyde de bismuth ) est d'abord dissoute dans, par exemple, de l'acide nitrique ou perchlorique concentré. Après cette première étape, l'acide peut être éliminé par distillation pour laisser un résidu blanc qui contient à la fois du bismuth et le produit d'astate souhaité. Ce résidu est ensuite dissous dans un acide concentré, tel que l'acide chlorhydrique. L'astatine est extraite de cet acide à l'aide d'un solvant organique tel que l'éther butylique ou isopropylique, l'éther diisopropylique (DIPE) ou le thiosemicarbazide . En utilisant l'extraction liquide-liquide, le produit d'astate peut être lavé à plusieurs reprises avec un acide, tel que HCl, et extrait dans la couche de solvant organique. Un rendement de séparation de 93 % à l'aide d'acide nitrique a été signalé, tombant à 72 % une fois les procédures de purification terminées (distillation de l'acide nitrique, purge des oxydes d'azote résiduels et redissolution du nitrate de bismuth pour permettre l' extraction liquide-liquide ). Les méthodes humides impliquent « plusieurs étapes de manipulation de la radioactivité » et n'ont pas été considérées comme bien adaptées pour isoler de plus grandes quantités d'astate. Cependant, des méthodes d'extraction par voie humide sont à l'étude pour une utilisation dans la production de plus grandes quantités d'astate-211, car on pense que les méthodes d'extraction par voie humide peuvent fournir plus de cohérence. Ils peuvent permettre la production d'astate dans un état d'oxydation spécifique et peuvent avoir une plus grande applicabilité en radiochimie expérimentale .

Utilisations et précautions

L'astate-211 nouvellement formée fait l'objet de recherches en cours en médecine nucléaire . Il doit être utilisé rapidement car il se désintègre avec une demi-vie de 7,2 heures ; c'est assez long pour permettre des stratégies d'étiquetage en plusieurs étapes . L'astatine-211 a un potentiel pour la thérapie ciblée par particules alpha , car elle se désintègre soit par émission d'une particule alpha (en bismuth-207), soit par capture d'électrons (en un nucléide à durée de vie extrêmement courte, le polonium-211, qui subit une pourriture), atteignant très rapidement sa petite-fille stable lead-207. Les rayons X au polonium émis à la suite de la branche de capture d'électrons, dans la plage de 77 à 92  keV , permettent le suivi de l'astate chez les animaux et les patients. Bien que l'astate-210 ait une demi-vie légèrement plus longue, elle est totalement inappropriée car elle subit généralement une désintégration bêta plus en polonium-210 extrêmement toxique.

La principale différence médicinale entre l'astate-211 et l' iode-131 (un isotope radioactif de l'iode également utilisé en médecine) est que l'iode-131 émet des particules bêta de haute énergie, contrairement à l'astate. Les particules bêta ont un pouvoir de pénétration beaucoup plus important à travers les tissus que les particules alpha beaucoup plus lourdes. Une particule alpha moyenne libérée par l'astate-211 peut voyager jusqu'à 70 µm à travers les tissus environnants ; une particule bêta d'énergie moyenne émise par l'iode-131 peut voyager près de 30 fois plus loin, jusqu'à environ 2 mm. La courte demi-vie et le pouvoir de pénétration limité du rayonnement alpha à travers les tissus offrent des avantages dans les situations où "la charge tumorale est faible et/ou les populations de cellules malignes sont situées à proximité immédiate des tissus normaux essentiels". Une morbidité significative dans les modèles de culture cellulaire de cancers humains a été atteinte avec de un à dix atomes d'astate-211 liés par cellule.

Plusieurs obstacles ont été rencontrés dans le développement de produits radiopharmaceutiques à base d' astate pour le traitement du cancer . La Seconde Guerre mondiale a retardé la recherche pendant près d'une décennie. Les résultats des premières expériences ont indiqué qu'un porteur sélectif du cancer devrait être développé et ce n'est que dans les années 1970 que des anticorps monoclonaux sont devenus disponibles à cette fin. Contrairement à l'iode, l'astate a tendance à se déshalogéner à partir de supports moléculaires tels que ceux-ci, en particulier au niveau des sites carbonés sp ³ (moins à partir des sites sp ² ). Compte tenu de la toxicité de l'astate accumulée et retenue dans l'organisme, cela a souligné la nécessité de s'assurer qu'elle reste attachée à sa molécule hôte. Alors que l'efficacité des transporteurs d'astate à métabolisation lente peut être évaluée, les transporteurs à métabolisation plus rapide restent un obstacle important à l'évaluation de l'astate en médecine nucléaire. L'atténuation des effets de la radiolyse induite par l'astate de la chimie de marquage et des molécules porteuses est un autre domaine nécessitant un développement plus poussé. Une application pratique de l'astate en tant que traitement anticancéreux conviendrait potentiellement à un nombre « ahurissant » de patients ; la production d'astate dans les quantités qui seraient nécessaires reste un problème.

Les études animales montrent que l'astate, de même que l'iode – bien que dans une moindre mesure, peut-être en raison de sa nature légèrement plus métallique – est préférentiellement (et dangereusement) concentrée dans la glande thyroïde . Contrairement à l'iode, l'astate a également tendance à être absorbée par les poumons et la rate, peut-être à cause de l'oxydation dans le corps de At ^- en At ⁺ . S'il est administré sous forme de radiocolloïde, il a tendance à se concentrer dans le foie . Des expériences sur des rats et des singes suggèrent que l'astate-211 cause des dommages beaucoup plus importants à la glande thyroïde que l'iode-131, l'injection répétitive du nucléide entraînant une nécrose et une dysplasie cellulaire dans la glande. Les premières recherches suggéraient que l'injection d'astate dans des rongeurs femelles provoquait des changements morphologiques dans le tissu mammaire; cette conclusion est restée controversée pendant de nombreuses années. Un accord général a été conclu plus tard que cela était probablement causé par l'effet de l'irradiation du tissu mammaire combiné à des changements hormonaux dus à l'irradiation des ovaires. Des traces d'astate peuvent être manipulées en toute sécurité dans des hottes si elles sont bien aérées; l'absorption biologique de l'élément doit être évitée.

Voir également

• Protection contre les radiations

Remarques

Les références

Bibliographie

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Liens externes

• Astatine au Tableau périodique des vidéos (Université de Nottingham)
• Astate : Halogène ou Métal ?