Astat hält einen einzigartigen Rekord: Es ist das seltenste natürliche Element auf der Erde. Schätzungen zufolge beträgt die Gesamtmenge an Astat, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Erdkruste vorhanden ist, weniger als 30 Gramm. Diese extreme Seltenheit erklärt sich dadurch, dass alle seine Isotope radioaktiv sind und sehr kurze Halbwertszeiten haben. Das langlebigste, Astat-210, hat eine Halbwertszeit von nur 8,1 Stunden. Somit hat sich alles primordiale Astat, das bei der Entstehung der Erde vorhanden war, längst zerfallen. Das heute vorhandene Astat wird ständig als Zwischenprodukt in den natürlichen Zerfallsketten von Uran und Thorium neu gebildet, verschwindet aber fast sofort wieder.
Mehrere Isotope des Astats treten in den Zerfallsketten von Uran und Thorium auf, durch Betazerfälle ihrer Mutternuklide, Polonium oder Wismut. Zum Beispiel:
Diese Isotope werden in winzigen Mengen produziert und haben so kurze Lebensdauern, dass sie sich nicht ansammeln können.
Abgesehen von radioaktiven Zerfällen kann Astat auf natürliche Weise, in noch geringeren Mengen, durch kosmische Spallation erzeugt werden: Wenn hochenergetische kosmische Strahlung auf schwerere Kerne wie Blei oder Wismut in der Erdkruste trifft, können diese fragmentiert werden und exotische Kerne, darunter Astat, erzeugen.
Astat befindet sich in einer Region des Periodensystems, in der die Kernstabilität sehr gering ist. Die Untersuchung seiner Isotope, insbesondere derer mit einer "magischen" Neutronenzahl (wie \(^{211}\mathrm{At}\) mit 126 Neutronen, einer magischen Zahl), hilft Kernphysikern, Modelle der Kernstruktur zu verfeinern und die Grenzen der Stabilität schwerer Kerne zu verstehen.
Die Existenz von Astat wurde von Dmitri Mendeleev bereits bei der Erstellung seines Periodensystems im Jahr 1869 vorhergesagt. Er gab ihm den vorläufigen Namen "Eka-Iod" und sagte voraus, dass es sich um ein Halogen handeln würde, das schwerer als Iod ist, mit ähnlichen chemischen Eigenschaften, aber einer höheren Atommasse und wahrscheinlich metallischen Eigenschaften. Die Suche nach diesem fehlenden Element mobilisierte mehrere Chemiker über Jahrzehnte hinweg, ohne Erfolg, aufgrund seiner extremen Instabilität.
Astat wurde schließlich 1940 künstlich von einem Forscherteam der Universität von Kalifornien in Berkeley hergestellt: Dale R. Corson, Kenneth Ross MacKenzie und Emilio Segrè. Sie beschossen ein Wismut-209-Target mit Alpha-Teilchen, die im 60-Zoll-Zyklotron von Berkeley beschleunigt wurden. Die Kernreaktion erzeugte Astat-211:
\(^{209}\mathrm{Bi} + \alpha \, (^{4}\mathrm{He}) \rightarrow \,^{211}\mathrm{At} + 2n\)
Sie identifizierten es durch seine charakteristische Radioaktivität und nannten es zunächst "Alabamine" (Symbol Ab), aber dieser Name wurde nicht beibehalten.
Nach dem Zweiten Weltkrieg, im Jahr 1943, gelang es Berta Karlik und Traude Bernert, Spuren von Astat (die Isotope \(^{218}\mathrm{At}\) und \(^{219}\mathrm{At}\)) in natürlichen Zerfallsprodukten von Uran und Thorium nachzuweisen und damit zu bestätigen, dass es in der Natur, wenn auch in winzigen Mengen, vorkommt. Der endgültige Name, "Astat" (abgeleitet vom griechischen astatos, αστατος, was "instabil" bedeutet), wurde von den Entdeckern vorgeschlagen und angenommen, um seine auffälligste Eigenschaft zu betonen.
Heute wird Astat ausschließlich künstlich hergestellt, hauptsächlich in Teilchenbeschleunigern (Zyklotronen). Die gängigsten Methoden sind:
Die weltweite Produktion ist extrem gering, in der Größenordnung von einigen Mikrogramm bis zu einigen Milligramm pro Jahr, hauptsächlich in spezialisierten Forschungslaboren (USA, Russland, Europa, Japan). Seine Kosten sind astronomisch (Millionen von Dollar pro Gramm, falls man überhaupt ein Gramm ansammeln könnte), und es gibt keinen "Markt" im herkömmlichen Sinne.
Astat (Symbol At, Ordnungszahl 85) ist ein Element der Gruppe 17, der Halogene. Es ist das schwerste und radioaktivste Mitglied dieser Familie, zu der Fluor, Chlor, Brom, Iod und Tenness gehören. Sein Atom hat 85 Protonen und, je nach Isotop, 116 bis 140 Neutronen. Das am häufigsten verwendete Isotop, \(^{211}\mathrm{At}\), hat 126 Neutronen. Seine Elektronenkonfiguration ist [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁵, mit sieben Valenzelektronen (6s² 6p⁵).
Aufgrund seiner Instabilität und der geringen Menge, die jemals produziert wurde (man schätzt, dass weniger als ein Millionstel Gramm elementares Astat jemals synthetisiert wurde), wurden die meisten seiner physikalischen Eigenschaften niemals direkt an einer makroskopischen Probe gemessen. Sie werden aus theoretischen Berechnungen, Extrapolationen der Trends der Halogengruppe und Studien an winzigen Mengen abgeleitet.
Geschätzter Schmelzpunkt: ~575 K (~302 °C).
Geschätzter Siedepunkt: ~610 K (~337 °C).
Chemisch gesehen sollte sich Astat wie ein Halogen verhalten, aber mit deutlichen Unterschieden aufgrund seines Gewichts und relativistischer Effekte. Es wird erwartet, dass es das am wenigsten reaktive der Halogene ist und metallische Eigenschaften zeigt (Tendenz zur Bildung von Kationen, At⁺). Seine möglichen Oxidationsstufen reichen von -1 bis +7, wobei -1, +1, +3, +5 und +7 plausibel sind.
Ordnungzahl: 85.
Gruppe: 17 (Halogene).
Elektronenkonfiguration: [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁵.
Physikalischer Zustand (20°C): Fest (vorhergesagt).
Radioaktivität: Alle Isotope sind radioaktiv.
Wichtiges medizinisches Isotop: \(^{211}\mathrm{At}\) (Halbwertszeit 7,2 h, α-Strahler).
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Herstellung / Vorkommen | Halbwertszeit / Zerfallsart | Bemerkungen / Anwendungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Astat-210 — \(^{210}\mathrm{At}\) | 85 | 125 | 209,987148 u | Synthetisch / Natürliche Spur | 8,1 Stunden (α, 99,8%; CE, 0,2%) | Isotop mit der längsten Halbwertszeit (aber weniger reiner α-Strahler als \(^{211}\mathrm{At}\)). |
| Astat-211 — \(^{211}\mathrm{At}\) | 85 | 126 | 210,987496 u | Synthetisch (α auf Bi-209) | 7,214 Stunden (α, 100%) | Das wichtigste Isotop. Reiner hochenergetischer Alpha-Strahler (5,87 MeV). Ideale Halbwertszeit für die Medizin (Therapie). Bevorzugtes Ziel für die Forschung. |
| Astat-217 — \(^{217}\mathrm{At}\) | 85 | 132 | 216,992420 u | Produziert in der Zerfallskette von \(^{225}\mathrm{Ac}\) | 32,3 ms (α, 99,99%) | Zerfallsprodukt von Actinium-225, verwendet in der gezielten Alpha-Therapie (TAT). Seine Kette produziert drei Alpha-Teilchen. |
| Astat-218 — \(^{218}\mathrm{At}\) | 85 | 133 | 217,995350 u | Natürliche Spur (U-238-Kette) | 1,5 s (α, 99,9%; β⁻, 0,1%) | Sehr flüchtiges natürliches Isotop. |
| Astat-219 — \(^{219}\mathrm{At}\) | 85 | 134 | 218,996590 u | Natürliche Spur (U-235-Kette) | 56 s (α, 97%; β⁻, 3%) | Natürliches Isotop, längste Halbwertszeit unter den natürlichen Astat-Isotopen. |
N.B.:
Elektronenschalen: Wie die Elektronen um den Kern organisiert sind.
Astat hat 85 Elektronen, die auf sechs Elektronenschalen verteilt sind. Seine Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁵ weist sieben Valenzelektronen in der 6. Schale (s² p⁵) auf, eine für Halogene charakteristische Konfiguration. Dies kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(32) O(18) P(7) oder vollständig: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s² 6p⁵.
K-Schale (n=1): 2 Elektronen (1s²).
L-Schale (n=2): 8 Elektronen (2s² 2p⁶).
M-Schale (n=3): 18 Elektronen (3s² 3p⁶ 3d¹⁰).
N-Schale (n=4): 32 Elektronen (4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴).
O-Schale (n=5): 18 Elektronen (5s² 5p⁶ 5d¹⁰).
P-Schale (n=6): 7 Elektronen (6s² 6p⁵).
Astat hat 7 Valenzelektronen (6s² 6p⁵). Wie die anderen Halogene neigt es dazu, ein Elektron aufzunehmen, um die stabile Konfiguration des Edelgases (Radon) zu erreichen, und bildet so das Astid-Ion (At⁻). Dies ist der Oxidationszustand -1, der am stabilsten sein sollte. Aufgrund seiner Größe und relativistischer Effekte zeigt Astat jedoch eine starke Tendenz, in positiven Oxidationszuständen vorzuliegen, im Gegensatz zu den leichteren Halogenen. Die Zustände +1 (At⁺), +3 (AtO⁻ oder At³⁺), +5 (AtO₃⁻) und +7 (AtO₄⁻) sind möglich und wurden in Spurenverbindungen beobachtet. Diese Chemie ähnelt eher der von Iod als der von Chlor oder Brom.
Die Chemie von Astat konnte nie mit sichtbaren Proben untersucht werden. Sie wird mit Methoden der Radiochemie in Spuren erforscht: Das Verhalten weniger Atome oder Moleküle, die durch die Radioaktivität von Astat markiert sind, wird in extrem verdünnten Lösungen verfolgt. Dies ermöglicht die Bestimmung von Eigenschaften wie Verteilungskoeffizienten, Redoxpotentiale oder die Stabilität verschiedener Komplexe.
Studien bestätigen, dass sich Astat wie ein Halogen verhält:
Aber es zeigt auch Unterschiede:
Dies ist die vielversprechendste und praktisch die einzige Anwendung. Astat-211 ist ein reiner Alpha-Strahler, ideal für die gezielte interne Strahlentherapie:
Um Astat-211 zum Tumor zu lenken, muss es kovalent und stabil an ein Vektormolekül gebunden werden, das spezifisch Krebszellen erkennt. Diese Bioconjugate sind eine große chemische Herausforderung, da die At-C-Bindung (Kohlenstoff-Astat) relativ schwach und anfällig für Deastatisierung (Verlust des Astat-Atoms) ist. Die untersuchten Vektoren umfassen:
Präklinische und klinische Studien (Phasen I/II) mit \(^{211}\mathrm{At}\) konzentrieren sich auf:
Die vorläufigen Ergebnisse sind ermutigend und zeigen antitumorale Wirksamkeit bei begrenzter Toxizität.
Astat-211 teilt mit Polonium-210 eine extreme radioaktive Toxizität bei Inkorporation, bedingt durch seine hochenergetische Alpha-Emission. Seine Gefährlichkeit ist in mancher Hinsicht sogar größer:
Die Handhabung von Astat-211 erfolgt ausschließlich in Hochsicherheitslaboren (Stufe P3), die mit gasdichten Handschuhkästen unter kontrollierter Atmosphäre (Stickstoff oder Argon) ausgestattet sind. Der Schutz vor Alpha-Emissionen ist einfach (Handschuhe, Kasten), aber die Verhinderung der Inkorporation (Inhalation von Dämpfen, Verschlucken, Hautkontakt) ist von größter Bedeutung. Alle Operationen sind darauf ausgelegt, mit Aktivitäten in der Größenordnung von Gigabecquerel (GBq) in winzigen Volumina zu arbeiten.
Es gibt kein spezifisches Gegenmittel. Prävention ist die einzige wirksame Strategie. Im Falle einer vermuteten Kontamination könnten Notfallmaßnahmen (Dekontamination, Überwachung der Exkremente) und die Verabreichung von stabilem Iod (um die Schilddrüse zu sättigen und die Aufnahme von Astat zu begrenzen) in Betracht gezogen werden, obwohl deren Wirksamkeit nicht bewiesen ist.
Wie Polonium und andere radioaktive Stoffe der Kategorie 1 unterliegt Astat-211 den strengsten IAEA-Vorschriften in Bezug auf nukleare Sicherheit und Sicherheit. Sein Transport ist stark reguliert (ADR/RID-Vorschriften für radioaktive Materialien). Nur wenige Laboratorien weltweit sind berechtigt, es herzustellen und zu handhaben.
Das Haupthemmnis für die Entwicklung von Astat-211-Therapien ist seine begrenzte Produktion. Sie erfordert einen Zyklotron mit mittlerer Energie (~30 MeV) mit einer dedizierten Strahllinie für die Beschießung von Wismut. Die chemische Trennung von Astat aus geschmolzenem Wismut (Destillationsmethode) oder in Lösung ist komplex und muss schnell erfolgen. Die Entwicklung effizienterer Produktionsmethoden und einer Logistik, die die Lieferung des Isotops an Krankenhäuser innerhalb weniger Stunden nach der Produktion ermöglicht, ist ein aktives Forschungsgebiet.
Die Zukunft von Astat ist fast ausschließlich mit der theranostischen Nuklearmedizin verbunden:
Astat, dieses "Phantom" des Periodensystems, könnte so vom Status einer Labor-Kuriosität zu einem lebensrettenden Präzisions-Therapiewerkzeug aufsteigen und das Paradoxon der Radioelemente verkörpern: eine zerstörerische Kraft, die zur Heilung kanalisiert wird.
Das Atom in all seinen Formen: Von der antiken Intuition zur Quantenmechanik 
