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砹   85At
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Uus
外觀
未知,可能是金屬、類金屬或非金屬
概況
名稱·符號·序數 砹(Astatine)·At·85
元素類別 鹵素
(未定,有時歸為類金屬,甚至有可能為金屬[1]
·週期· 17·6·p
標準原子質量 (210)
電子排布

[] 4f14 5d10 6s2 6p5
2, 8, 18, 32, 18, 7

砹的电子層(2, 8, 18, 32, 18, 7)
歷史
發現 戴爾·科爾森、肯尼斯·羅斯·麥肯西和埃米利奧·塞格雷(1940年)
物理性質
物態 固體
密度 (接近室温
(At2)6.2﹣6.5(預測)[2] g·cm−3
熔點 575 K,302 °C,576 °F
沸點 610 K,337 °C,639 °F
汽化熱 (At2)54.39 kJ·mol−1

蒸汽壓

壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 361 392 429 475 531 607
原子性質
氧化態 −1, +1, +3, +5, +7
電負性 2.2(鲍林标度)
電離能 第一:899.003[3] kJ·mol−1
共價半徑 150 pm
范德華半徑 202 pm
雜項
熱導率 1.7 W·m−1·K−1
CAS號 7440-68-8
最穩定同位素

主条目:砹的同位素

同位素 豐度 半衰期 方式 能量MeV 產物
209At 人造 5.41小時 β+ 3.486 209Po
α 5.758 205Bi
210At 人造 8.1小時 β+ 3.981 210Po
α 5.632 206Bi
211At 人造 7.21小時 ε 0.786 211Po
α 5.983 207Bi

Astatine,台湾、港澳译作,舊訛作「」、「」)是一種放射性化學元素,符號為At,原子序為85。地球上所有的砹都是更重的元素衰變過程中產生的。其同位素壽命都很短,其中最穩定的是砹-210,半衰期為8.5小時。[4]科學家對這一元素所知甚少。砹在元素週期表中位於之下,其許多性質可以從碘推算出來,推算值與砹的已知性質相符。

人們尚未觀測過砹元素的單質,因為所有肉眼能觀察到量都會產生大量的放射性熱量,使它瞬間氣化。它的熔點很可能比碘高很多,與和釙相近。砹的化學屬性與其他鹵素相似:它會與包括其他鹵素在內的非金屬形成共價化合物,估計能夠與鹼金屬鹼土金屬形成砹化物。不過,砹正離子的化學屬性則有別於較輕的鹵素。壽命第二長的砹-211同位素是唯一一種具有商業應用的砹同位素,目前在醫學中用作α粒子射源,以診斷及治療某些疾病。由於放射性極強,所以砹的使用量非常低。

伯克利加州大學的戴爾·科爾森(Dale R. Corson)、肯尼斯·羅斯·麥肯西(Kenneth Ross MacKenzie)和埃米利奧·塞格雷在1940年發現了砹元素。由於產物極不穩定,所以他們根據希臘文αστατος」(astatos,意為「不穩定」)將其命名為「astatine」。三年後,該元素被發現存在於大自然中,是在地殼中豐度最低的非超鈾元素,任一時刻的總量不到1克。[5]自然界中的重元素經各種衰變途徑一共產生6種砹的同位素原子量介乎214和219,但最穩定的兩種同位素砹-210和砹-211都不存在於自然中。

性質[编辑]

砹具有極高的放射性。所有砹同位素的半衰期都在12小時以下,並會衰變成以及其他砹同位素。在首101種化學元素中,只有的穩定性比砹低。[6]

人們對砹的宏觀特性所知甚少。[7]其壽命太短,因此可用於研究的量極為有限。[8]可觀量的砹元素會釋放大量輻射,將自身加熱,迅速氣化。[9]砹一般歸為非金屬或類金屬[10][11]有科學家認為,砹能夠形成凝聚態金屬物質。[12]

物理[编辑]

砹的大部份物理特性都是根據理論或實驗證據推算而得的。[13]例如,鹵素的原子量越高,色澤就越深(幾乎無色,呈亮綠色,呈棕色,而碘呈深灰或紫色)。如果該趨勢持續,那麼砹將會具有黑色金屬質地。[14][15][16]根據類似的趨勢,可推斷砹的熔點沸點比輕鹵素都要高,估值分別為575 K和610 K。[17]然而一些實驗證據顯示,砹的熔點和沸點有可能比理論預測的低。[18]砹的昇華作用比碘緩慢,其蒸氣壓也較低。[8]室溫下把砹置於玻璃表面,1小時之後一半的砹會氣化。[註 1]

固體砹的晶體結構目前是未知的,[20]對於砹是否會形成雙原子分子(At2),目前也未有證據證實或否定。[21][22][23][24][25]某些文獻主張At2從未被觀測到,因此並不存在;[26][27]另一些文獻則表示或暗示它是存在的。[18][28][29]儘管爭議持續,但是砹雙原子分子的許多屬性都有理論的預測值,[30]如密度為6.2至6.5 g/cm3[2]

化學[编辑]

砹的許多化學屬性都是通過在極稀釋的砹溶液中用放射性示蹤劑進行研究得出的。[29][31]大部份屬性,例如負離子的形成等,都與其他鹵素相符。[8]它也同時擁有一些金屬的特性,比如會電鍍陰極上,[註 2]氫氯酸中與金屬的硫化物共沉澱[33]以及會在強酸中形成正離子。[33]

砹在鮑林標度上的電負性為2.2,比碘的2.66低,與氫相同。但是砹化氫(HAt)的負電荷預計更靠向氫原子,[34][35][36][37]且砹在阿萊﹣羅周標度(Allred-Rochow scale)上的電負性為1.9,比氫的2.2低,所以可能應更準確地稱其為「氫化砹」。[38][註 3]

化合物[编辑]

砹的化學活性比碘低,因此是鹵素中活性最低的元素。[40]科學家成功合成了多種砹化合物,量極少。這些化合物會因砹的放射性而迅速瓦解,因此研究機會非常寶貴。實驗一般把稀釋砹溶液混合在大量的碘溶液中。碘作為載體,可保證有足夠的量進行化學分析,如過濾和沉澱等。[41][42][註 4]

早期研究砹化學的科學家已發現,砹可以和氫形成砹化氫[45]砹在(稀釋)硝酸中會輕易氧化、酸化,形成At0或At+。加入(I)會使小部份砹沉澱出來,形成砹化銀(I)(AgAt)。相比之下,碘則不會被氧化,且會沉澱為碘化銀(I)[8][46]

已知的金屬砹化物很少,[9]其中包括、銀和的砹化物。利用推算的方法可以得出砹化銀以及各種鹼金屬和鹼土金屬的砹化物的屬性。[47]

一碘化砹是已知最重的互鹵化物

在氣體狀態下,砹會與其他鹵素碘、反應,形成雙原子互鹵化物,如AtI、AtBr和AtCl。[43]Atl和AtBr可在水中產生:砹與碘/碘離子溶液反應形成AtI,砹與碘/一溴化碘/溴離子溶液反應形成AtBr。過量碘離子或溴離子會導致產生AtBr
2
AtI
2
離子;[43]在氯離子溶液中,反應會與氯離子達致平衡,產生AtCl
2
AtBrCl[44]在硝酸溶液中用重鉻酸氧化砹元素,加入氯離子會產生一種分子,可能是AtCl或AtOCl。用類似的方法可以產生AtOCl
2
AtCl
2
[43]在利用電漿離子源的質譜儀中,將其他鹵素的氣體加入到含有砹且充滿氣的空間中,會分別產生[AtI]+、[AtBr]+和[AtCl]+。這有助證明砹在電漿離子態下可以形成穩定的中性分子。[43]人們尚未發現砹的任何氟化物。科學家猜測,這是因為這種化合物反應性極強,可能在形成後瞬間與容器玻璃壁反應產生不揮發的物質。[註 5]雖然氟化砹有可能能夠形成,但實驗需要用到液態鹵素氟化物。[50][43]

砹在高氯酸溶液中與某些氧化劑(例如溴和過硫酸鈉)反應,會產生AtOAtO
2
和AtO+[51][8]氫氧化鉀溶液中,次氯酸鉀能把砹氧化,形成AtO
3
[52][53]二氟化氙(在熱鹼性溶液中)或高碘酸(在中性或鹼性溶液中)再次進行氧化,可產生高砹酸離子AtO
4
。不過,這種離子只有在中性或鹼性溶液中才會穩定。[50]在酸性溶液中,一價砹會和碘酸銀(I)重鉻酸鉈(I)等不可溶金屬鹽共沉澱。有科學家因此認為,砹能夠以正離子的形式與含氧負離子(如碘酸重鉻酸離子等)形成鹽。[53][54]

砹可以和其他氧族元素成鍵,如和形成S7At+At(CSN)
2
,和形成硒脲配合物,以及和形成砹﹣碲膠體[55]另外,砹在適當條件下,還會與[56][57][58]鍵合。

已知的有機砹化合物包括四砹化碳(CAt4)。[9]砹可以替換中的一個氫原子,形成C6H5At,氯可以再將其氧化為C6H5AtCl2。該化合物在鹼性次氯酸鹽溶液中會轉化為C6H5AtO2[53]

歷史[编辑]

門捷列夫1871年的元素表,其中碘以下的位置為空格

1869年德米特里·門捷列夫所發表的元素週期表中,碘以下的位置為空格。在尼爾斯·玻爾確立了化學元素分類的物理基礎後,確定第五個鹵素應該在碘以下。在正式發現之前,這一元素被稱為eka-碘(eka在梵文中意為「一」),就是「碘之下一格」的意思。[59]多人嘗試在自然中尋找該元素,但由於其含量極為稀少,許多人的發現都是錯誤的。[60]

美國阿拉巴馬理工學院(今奧本大學)的弗雷德·艾利森(Fred Allison)等人在1931年首次聲稱發現85號元素。他們將該元素命名為「alabamine」,符號Ab,以紀念學院所在地阿拉巴馬州。科學界在其後的幾年中都使用這一名稱。[61][62][63]然而在1934年,伯克利加州大學的H·G·麥克弗森(H. G. MacPherson)推翻了艾利森的實驗方法的有效性。[64]1937年,英屬印度達卡(今孟加拉達卡市)的化學家拉真達拉·德(Rajendralal De)也同樣錯誤發現85號元素。他將其命名為「dakin」,並表示它是釷衰變系中與鐳F(即釙-210)對等的核素。他的報告中關於這一元素的數據並不符合砹的屬性,而至今dakin究竟是甚麼仍不得而知。[65]

砹的發現者之一埃米利奧·塞格雷

1940年,瑞士化學家瓦爾特·敏德(Walter Minder)宣佈在鐳A(即釙-218)的β衰變產物中發現第85號元素,並以瑞士的拉丁文名稱「Helvetia」將該元素命名為「helvetium」。不過,貝爾塔·卡爾利克(Berta Karlik)和特羅德·貝爾奈(Traude Bernert)無法重現實驗的結果,因此推論敏德實驗所用的氡氣受到了污染(氡-222是釙-218的母同位素)。[66]1942年,敏德與英國科學家愛麗絲·雷-史密斯(Alice Leigh-Smith)合作,宣佈在釷A(即釙-216)的β衰變產物中發現85號元素的另一同位素。他們將其命名為「anglo-helvetium」,其中的「anglo」是英國的意思。[67]卡爾利克和貝爾奈同樣無法重現這一結果。[41]

1940年,戴爾·科爾森(Dale R. Corson)、肯尼斯·羅斯·麥肯西(Kenneth Ross MacKenzie)和埃米利奧·塞格雷終於在伯克利加州大學成功分離出該元素。他們並沒有在自然界中尋找,而是在迴旋加速器中對-209進行α粒子撞擊來合成砹元素(釋放兩個中子後形成砹-211)。[68][69]產物迅速進行放射性衰變,因此發現團隊將其取名為「astatine」,詞源為希臘文中的「ἄστατος」(ástatos,意為「不穩定」)。[69]三年後,卡爾利克和貝爾奈在自然產生的衰變鏈中發現了砹元素。[70][71]此後科學家在一共四個自然衰變鏈中的三個當中發現了砹。[72]

同位素[编辑]

砹共有32種已知同位素,原子量為191和193至223。[6]砹沒有穩定或長壽命的同位素。[73]

砹各同位素的α衰變數據[註 6]
原子量 質量過剩[6] 產物質量過剩[6] 平均α衰變能量 半衰期[6] α衰變機率[6] α半衰期
207 −13.243 MeV −19.116 MeV 5.873 MeV 1.80小時 8.6% 20.9小時
208 −12.491 MeV −18.243 MeV 5.752 MeV 1.63小時 0.55% 12.3天
209 −12.880 MeV −18.638 MeV 5.758 MeV 5.41小時 4.1% 5.5天
210 −11.972 MeV −17.604 MeV 5.632 MeV 8.1小時 0.175% 193天
211 −11.647 MeV −17.630 MeV 5.983 MeV 7.21小時 41.8% 17.2小時
212 −8.621 MeV −16.436 MeV 7.825 MeV 0.31秒 ≈100% 0.31秒
213 −6.579 MeV −15.834 MeV 9.255 MeV 125納秒 100% 125納秒
214 −3.380 MeV −12.366 MeV 8.986 MeV 558納秒 100% 558納秒
219 10.397 MeV 4.073 MeV 6.324 MeV 56秒 97% 58秒
220 14.350 MeV 8.298 MeV 6.052 MeV 3.71分鐘 8% 46.4分鐘
221[註 7] 16.810 MeV 11.244 MeV 5.566 MeV 2.3分鐘 不進行α衰變

砹共有23種同核異構體,也就是某同位素的一個或多個核子處於激發態時的原子核。同核異構體也可稱為亞穩態,也就是其內部能量比基態能量高,容易衰變回基態。每種同位素可以擁有多個同核異構體。最穩定的砹同核異構體是砹-202m1,[註 8]半衰期約為3分鐘;最為不穩定的是砹-214m1,半衰期只有265納秒[6]

砹的α衰變能量符合重元素的規律。[73]較輕的砹同位素擁有較高的α衰變能量,而能量隨原子核質量的增加而降低。砹-211的能量卻比它前面的同位素高出許多,因為其原子核有126個中子──126是一個幻數,即中子殼層都已填滿。雖然砹-211的半衰期與砹-210的相近,但是砹-211的α衰變機率有41.81%,比砹-210的0.18%高出許多。[6][註 9]接著的兩種同位素則釋放更多能量。砹-213釋放的能量是所有砹同位素中最高的,所以它也是壽命最短的同位素。[73]儘管較重的同位素釋放較少能量,但是由於β衰變(電子發射)機率也隨著提升,所以所有砹同位素都是不穩定的。[73]早在1950年,科學家就預測砹不擁有任何β穩定的同位素(即不進行β衰變的同位素)。[74]實驗證明,除了砹-213、214、215和216m以外,所有砹同位素都可進行β衰變。[6]砹-210及以下同位素進行β+衰變(正子發射),砹-216及以上同位素進行β衰變,砹-212可同時進行這兩種衰變模式,砹-211則進行中子捕獲[6]

最穩定的砹同位素是砹-210,半衰期為8.1小時。該同位素的主要通過β+衰變形成壽命較長(相對其他砹同位素而言)的釙-210。一共只有5種砹同位素的半衰期超過1小時(原子量從207到211)。基態最不穩定的同位素是砹-213,半衰期為125納秒。這一同位素會經α衰變形成近乎穩定的鉍-209。[6]

自然存量[编辑]

鎿衰變系:鎿-237延續下來,中間經過砹-217

砹是自然界中最稀有的非超鈾元素,在地殼中每一時刻只有不到1克的總量。[5]所有在地球形成時存在的砹元素都早已衰變殆盡了,而今天自然中的砹都是重元素的衰變產物。砹曾經被認為是地球上最稀有的元素,但科學家之後發現高濃度含鈾礦藏裡含有經中子捕獲產生的超鈾元素,而錇比砹更稀有。[9]

自然產生的砹同位素共有6種(砹-214至砹-219)。[75]它們的半衰期都很短,所以都只以痕量存在。[76]沒有數據顯示砹能在恒星中形成。[77]

其中四種自然同位素(砹-215、217、218和219)是在自然衰變鏈中發現的。鍅-223是砹-219的母同位素,其α衰變機率只有0.006%,所以就算和其他砹同位素相比,砹-219同樣極為稀有。然而它的半衰期卻是所有自然砹同位素中最長的(56秒)。[6]砹-219會衰變成釙-215,再經β衰變形成砹-215,機率只有0.00023%。南北美洲16公里深的地殼以內,每一時刻只有大約一(萬億)個砹-215原子。[78]砹-218是釙-218的β衰變產物,可在自然中出現。與鍅-223和釙-215一樣,形成砹的途徑並不是主要的衰變途徑。[76]不過,鎿衰變系從鎿-237開始,一直到鍅-221都只有唯一的衰變途徑,而鍅-221也只會衰變成砹-217。[76]

自然同位素-226、227和228會經三重α衰變產生砹-214、215和216。[75]但是這些同位素也都非常稀有,所以砹-214至216一般都不被當做是自然同位素。[8][79]

合成[编辑]

形成[编辑]

對鉍-209進行α撞擊後的可能反應
反應 α粒子能量
209
83
Bi
+ 4
2
He
211
85
At
+ 2 1
0
n
26 MeV[41]
209
83
Bi
+ 4
2
He
210
85
At
+ 3 1
0
n
40 MeV[41]
209
83
Bi
+ 4
2
He
209
85
At
+ 4 1
0
n
60 MeV[80]

砹的主要生產方法是用高能α粒子對鉍-209進行撞擊。每次的產量十分微少,現今的技術每一生產週期可以產出2 太拉貝克勒爾(即2萬億貝克勒爾),約等於25微克[81]

砹-211是目前唯一一個具有商業用途的砹同位素。[82]首先把鉍金屬濺射表面上,每平方厘米約含50至100微克。這一鉍層(或是氧化鉍)再與銅片融合,從而製成核反應的鉍目標體。[83]目標體在不易反應的氮氣中存放,[84]並以水進行降溫,以避免產生了的砹過早地揮發。[83]α粒子(氦-4原子核)在如迴旋加速器等粒子加速器中[85]高速撞擊鉍目標。雖然使用的只有一種鉍同位素(鉍-209),但有三種可能發生的核反應,分別形成砹-209、210和211。通過把加速器的最高能量調整在砹-211和砹-210的所需能量之間,科學家能夠選擇性地生產砹-211,並避免其他同位素的形成。[83]

分離[编辑]

核反應過後所產生的砹與各種其他元素混雜,因此需要經過分離過程。 [86]含有砹元素的鉍目標體加熱至270 °C,這可氣化所有揮發性放射性同位素。之後溫度提高至800 °C。雖然80%的砹會在此溫度下氣化,但鉍也同時開始氣化。[86]砹的氣化過程在600 °C以下速率較慢,但在800 °C以上就會迅速從鉍表面上揮發出來。[註 10] 氣體凝聚後在水冷鉑表面上收集,再轉移到U形石英器皿中。石英器皿再加溫至130 °C,以移除雜質(一般是釙),然後到500 °C。這時氣化了的砹可收集到指形冷凝器中。[86]這樣得出的純化砹可以用弱硝酸溶液洗出冷凝器,作化學和物理分析等用途。這種方法的砹產量可以達到30%。[86]

應用及安全[编辑]

幾種含211At分子及其應用[87]
分子 應用
[211At]砹﹣碲膠體 隔腔腫瘤
6-[211At]砹基-2-甲基-1,4-萘醌醇二磷酸 腺癌
標有211At的亞甲藍 黑色素瘤
間[211At]砹苄基胍 神經內分泌腫瘤
5-[211At]砹-2'-脫氧尿苷 多用途
標有211At的生物素結合物 各種預定位
標有211At的奧曲肽 生長抑素受體
標有211At的單株抗體和碎片 多用途
標有211At的類藥物 骨轉移

砹-211具有核醫學應用。[87]剛製成的砹需要馬上使用,因為在7.2小時之後,其總量就會減半。砹-211會釋放α粒子,或經電子捕獲衰變成釋放α粒子的釙-211,所以可用於α粒子靶向治療[87]

砹和碘一樣會積聚在甲狀腺,但程度較低。如果釋入全身循環,砹會以放射性膠體的形式累積在肝臟當中。[83]碘-131是另一種用於醫學的放射性同位素。砹-211與它最大的醫用分別在於,碘-131會釋放高能β粒子,而砹-211則不會。β粒子的穿透能力比較重的α粒子強許多:砹-211所釋放的α粒子可在周圍組織穿透約70 µm,而碘-131所釋放的β粒子則可穿透約2 mm,這是前者的30倍左右。[83]因此使用-211可以對甲狀腺施以適量的放射性治療,但同時不足以破壞鄰近的副甲狀腺組織。由於半衰期更短,穿透能力也較弱,所以砹一般比碘-131更加適合作放射性診斷。[83]

然而,在老鼠和猴子身上進行的實驗指出,砹對甲狀腺的破壞比碘-131大得多。重複注射砹會造成腺體壞死和異型增生。這些實驗也顯示,砹可以對任何生物的甲狀腺造成損壞。[88]早期研究還指出,注射致命量的砹還會使乳房組織的形態進行變化,[33]不過這一結論仍具爭議。[88]

備註[编辑]

  1. ^ 但是,如果砹置於表面上,則這一「半昇華期」可以長達16小時。這可能是砹與貴金屬間某種未知的交互作用所導致的。[19]
  2. ^ 這也有可能只是吸附作用。[32]
  3. ^ 根據阿萊﹣羅周標度所用的算法,氫的電負性其實會與的3.5相近,這並不合理。因此,氫的電負性需定義為2.2。[39]
  4. ^ 碘會在水中與砹反應,但仍可以作為載體,因為這些反應所需的不但有I2,還有碘離子I-[43][44]
  5. ^ 使用三氟化氯對砹進行氟化所產生的物質粘附在玻璃的表面。然而反應卻形成了一氟化氯、氯氣和四氟化硅[48]該實驗進行後十年,理論預測該化合物確實不具揮發性。這與其他鹵素的對應化合物屬性相駁,但與氟化氡相似。[49]
  6. ^ 表中的質量過剩以能量等量作單位;產物質量過剩是子同位素和α離子的質量過剩之和;α半衰期指忽略α以外的其他衰變模式後的半衰期。
  7. ^ 尚沒有證據顯示砹-221會進行α衰變,因此其衰變能量和能量過剩都不是測量而得的,而是經理論預測估算的。
  8. ^ 「m1」指同位素位於基態以上的最低能量狀態,「m2」指基態以上第二低能量狀態,如此類推。如果只有一種亞穩態,可以省略數字,只寫「m」,如砹-216m。
  9. ^ 這意味著如果忽略α以外的衰變模式,那麼砹-210的α半衰期有4,628.6小時(128.9天),而砹-211只有17.2小時(0.7天)。因此砹-211的α衰變途徑比砹-210不穩定得多。
  10. ^ 砹在較低溫度會和鉍形成不揮發的化合物,但這些化合物在700至800 °C時會分解。[86]

參考資料[编辑]

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外部鏈接[编辑]

  • Astatine at The Periodic Table of Videos(諾丁漢大學)