Technetium nimmt einen einzigartigen Platz in der Geschichte der Chemie ein, da es das erste vollständig künstliche Element ist, das von der Menschheit synthetisiert wurde. Jahrzehntelang blieb das Element 43 unauffindbar und hinterließ eine Lücke im Periodensystem von Mendeleev zwischen Molybdän (42) und Ruthenium (44). Viele Chemiker behaupteten, es entdeckt zu haben, und schlugen Namen wie Masurium oder Lucium vor, doch keine dieser Ankündigungen konnte bestätigt werden.
Die eigentliche Entdeckung gelang im Jahr 1937, als die italienischen Physiker Carlo Perrier (1886-1948) und Emilio Segrè (1905-1989) eine mit Deuteronen bestrahlte Molybdänfolie im Zyklotron in Berkeley, Kalifornien, analysierten. Ernest Lawrence, der Erfinder des Zyklotrons und spätere Nobelpreisträger für Physik, hatte ihnen diese Probe geschickt. Perrier und Segrè gelang es, das Element 43 zu isolieren und zu identifizieren, und lösten damit das Rätsel der fehlenden Lücke.
Der Name Technetium wurde 1947 von Perrier und Segrè gewählt, abgeleitet vom griechischen technetos, was künstlich bedeutet, und unterstreicht seine einzigartige Natur als ein Element, das auf der Erde nicht in nachweisbaren Mengen natürlich vorkommt. Diese Entdeckung markierte einen Wendepunkt im Verständnis der nuklearen Stabilität und leitete das Zeitalter der transuranischen und synthetischen Elemente ein.
Heute ist bekannt, dass Technetium auf der Erde nicht natürlich vorkommt, da alle seine Isotope radioaktiv sind, wobei das stabilste Isotop (Technetium-98) eine Halbwertszeit von nur 4,2 Millionen Jahren hat. Diese Zeitspanne ist geologisch gesehen viel zu kurz: Alles Technetium, das bei der Entstehung der Erde vor 4,5 Milliarden Jahren vorhanden war, ist längst zerfallen. Allerdings existiert Technetium natürlich im Universum, wo es kontinuierlich in Sternen synthetisiert wird.
Technetium (Symbol Tc, Ordnungszahl 43) ist ein Übergangsmetall der Gruppe 7 des Periodensystems. Sein Atom besitzt 43 Protonen und 43 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Kr] 4d⁵ 5s². Die Anzahl der Neutronen variiert je nach Isotop, da Technetium keine stabilen Isotope besitzt.
Metallisches Technetium ist ein silbergraues, glänzendes Metall mit einem Aussehen ähnlich wie Platin. Es hat eine Dichte von 11,5 g/cm³, was es relativ schwer macht. Technetium kristallisiert bei Raumtemperatur in einer hexagonal dichtesten Kugelpackung (hcp). Es ist ein leicht paramagnetisches Metall, eine seltene Eigenschaft für ein Übergangsmetall.
Technetium schmilzt bei 2157 °C (2430 K) und siedet bei 4265 °C (4538 K). Diese hohen Temperaturen ordnen es unter den hochschmelzenden Metallen ein. Technetium ist ein Supraleiter mit einer kritischen Temperatur von 7,8 K (-265,35 °C), eine relativ hohe Temperatur für ein reines metallisches Element.
Alle Isotope von Technetium sind radioaktiv. Das stabilste Isotop, Technetium-98, hat eine Halbwertszeit von 4,2 Millionen Jahren. Technetium-99, ein wichtiges Spaltprodukt, hat eine Halbwertszeit von 211.000 Jahren. Das medizinische Isotop Technetium-99m (metastabiler Zustand) hat eine Halbwertszeit von nur 6,01 Stunden, ideal für die diagnostische Bildgebung.
Schmelzpunkt von Technetium: 2430 K (2157 °C).
Siedepunkt von Technetium: 4538 K (4265 °C).
Technetium ist das leichteste Element ohne stabiles Isotop.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Technetium-97 — \(\,^{97}\mathrm{Tc}\,\) | 43 | 54 | 96,906365 u | Synthetisch | ≈ 4,21 × 10⁶ Jahre | Radioaktiv (Elektroneneinfang). Isotop mit der längsten Halbwertszeit nach Tc-98. |
| Technetium-98 — \(\,^{98}\mathrm{Tc}\,\) | 43 | 55 | 97,907216 u | Synthetisch | ≈ 4,2 × 10⁶ Jahre | Radioaktiv (β⁻). Stabilstes Isotop von Technetium, aber geologisch gesehen kurze Halbwertszeit. |
| Technetium-99 — \(\,^{99}\mathrm{Tc}\,\) | 43 | 56 | 98,906255 u | Synthetisch | ≈ 2,111 × 10⁵ Jahre | Radioaktiv (β⁻). Wichtiges Spaltprodukt. Problem des langlebigen nuklearen Abfalls. |
| Technetium-99m — \(\,^{99m}\mathrm{Tc}\,\) | 43 | 56 | 98,906254 u | Synthetisch | ≈ 6,01 Stunden | Radioaktiv (isomerer Übergang, γ). Metastabiler Zustand von Tc-99. Am häufigsten verwendetes Radioisotop in der Nuklearmedizin. |
| Technetium-95m — \(\,^{95m}\mathrm{Tc}\,\) | 43 | 52 | 94,907657 u | Synthetisch | ≈ 61 Tage | Radioaktiv (Elektroneneinfang). Wird in der medizinischen Forschung und als Tracer verwendet. |
Hinweis:
Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern organisiert sind.
Technetium hat 43 Elektronen, die auf fünf Elektronenschalen verteilt sind. Seine vollständige Elektronenkonfiguration lautet: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d⁵ 5s², oder vereinfacht: [Kr] 4d⁵ 5s². Diese Konfiguration kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(13) O(2).
K-Schale (n=1): enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): enthält 8 Elektronen, verteilt als 2s² 2p⁶. Diese Schale ist ebenfalls vollständig und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): enthält 18 Elektronen, verteilt als 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Diese vollständige Schale trägt zur elektronischen Abschirmung bei.
N-Schale (n=4): enthält 13 Elektronen, verteilt als 4s² 4p⁶ 4d⁵. Die fünf 4d-Elektronen sind Valenzelektronen.
O-Schale (n=5): enthält 2 Elektronen in der 5s-Unterschale. Diese Elektronen sind ebenfalls Valenzelektronen.
Technetium besitzt 7 Valenzelektronen: fünf 4d⁵-Elektronen und zwei 5s²-Elektronen. Die Konfiguration [Kr] 4d⁵ 5s² mit der halbgefüllten 4d-Unterschale ist stabil. Technetium zeigt eine große Vielfalt an Oxidationszuständen von -1 bis +7, wobei die Zustände +4, +5, +6 und +7 am häufigsten sind.
Der Oxidationszustand +7 tritt im Pertechnetat (TcO₄⁻) auf, dem stabilsten und häufigsten Ion von Technetium in wässriger Lösung. Der Zustand +4 ist in Technetiumdioxid (TcO₂) und in vielen Komplexen vorhanden, die in der Nuklearmedizin verwendet werden. Die variablen Oxidationszustände von Technetium ermöglichen eine reiche und komplexe Chemie, die besonders für medizinische Anwendungen nützlich ist.
Metallisches Technetium ist bei Raumtemperatur aufgrund einer dünnen schützenden Oxidschicht relativ resistent gegen Oxidation. Es läuft nur langsam an feuchter Luft an. Bei hohen Temperaturen (über 400 °C) verbrennt Technetium in Sauerstoff zu Technetiumheptoxid (Tc₂O₇), einer flüchtigen gelben Verbindung: 4Tc + 7O₂ → 2Tc₂O₇.
Technetium löst sich in Salpetersäure, Königswasser und konzentrierter Schwefelsäure unter Bildung von Pertechnetat-Ionen (TcO₄⁻)-Lösungen, ist aber gegen Salzsäure und Flusssäure beständig. In Lösung ist Pertechnetat chemisch bemerkenswert stabil und fällt nicht leicht aus, was Herausforderungen für die Handhabung von nuklearem Abfall mit Technetium-99 darstellt.
Technetium bildet Verbindungen mit fast allen Nichtmetallen. Mit Halogenen bildet es verschiedene Halogenide (TcF₆, TcCl₄, TcBr₄). Mit Schwefel bildet es Sulfide, und Technetiumdisulfid (TcS₂) hat eine ähnliche Struktur wie Molybdändisulfid. Technetium bildet auch eine reiche organometallische Chemie mit Carbonyl-, Phosphin- und anderen organischen Liganden.
Technetium-99m (Tc-99m) ist das wichtigste Radioisotop in der modernen Nuklearmedizin und wird in über 40 Millionen diagnostischen Bildgebungsverfahren pro Jahr weltweit eingesetzt, was etwa 80 % aller nuklearmedizinischen Untersuchungen ausmacht. Seine Eigenschaften sind fast ideal für die medizinische Bildgebung.
Tc-99m hat eine Halbwertszeit von 6,01 Stunden, lang genug, um die Zubereitung, den Transport und die Verabreichung von Radiopharmazeutika zu ermöglichen, aber kurz genug, um die Strahlenbelastung des Patienten zu minimieren. Es emittiert Gammastrahlen mit 140 keV, eine optimale Energie für die Detektion durch Gammakameras, die gleichzeitig leicht Gewebe durchdringen. Vor allem zerfällt Tc-99m durch reinen isomeren Übergang, ohne β-Teilchen zu emittieren, die Gewebeschäden verursachen würden.
Tc-99m wird aus Molybdän-99 (Mo-99, Halbwertszeit 66 Stunden) in Technetium-Generatoren, umgangssprachlich "Molybdän-Kühe" genannt, hergestellt. Diese Generatoren enthalten Mo-99, das an einer Aluminiumoxid-Säule adsorbiert ist. Mo-99 zerfällt kontinuierlich zu Tc-99m, das mit einer Kochsalzlösung von der Säule eluiert werden kann. Ein Generator kann etwa eine Woche lang verwendet werden, bevor die Aktivität von Mo-99 zu niedrig wird.
Tc-99m wird in verschiedene Radiopharmazeutika eingebaut, die auf verschiedene Organe und physiologische Prozesse abzielen: Knochenszintigraphie (Nachweis von Frakturen, Metastasen), Herzszintigraphie (myokardiale Perfusion), Hirn-, Nieren-, Lungen-, Schilddrüsen- und Leberszintigraphie. Die vielseitige Chemie von Technetium ermöglicht die Synthese spezifischer Komplexe für jede Anwendung.
Technetium-99 (Tc-99), ein langlebiges Isotop (211.000 Jahre), ist eines der problematischsten Spaltprodukte im nuklearen Abfall. Es wird mit einer hohen Spaltausbeute (etwa 6 %) bei der Spaltung von Uran-235 und Plutonium-239 produziert. Jede Tonne abgebrannter Brennelemente enthält etwa 0,5 bis 1 kg Tc-99.
Die Handhabung von Tc-99 im nuklearen Abfall ist besonders schwierig. Das Pertechnetat-Ion (TcO₄⁻), die stabile chemische Form von Tc-99 in Lösung, ist sehr löslich und mobil in der Umwelt. Es adsorbiert nicht an Böden und kann sich über große Entfernungen im Grundwasser ausbreiten, was ein langfristiges Kontaminationsrisiko darstellt. Das niedrigenergetische β-strahlende Tc-99 reichert sich in der Nahrungskette an, insbesondere in Meeresfrüchten.
Mehrere Strategien werden untersucht, um Tc-99 in nuklearem Abfall zu immobilisieren: Einbindung in Borosilikatgläser, Synthese unlöslicher Technetiumverbindungen, nukleare Transmutation von Tc-99 zu stabilem Ruthenium-100 durch Neutronenbestrahlung. Die Abtrennung und Transmutation von Technetium könnte die langfristige Radiotoxizität von nuklearem Abfall deutlich reduzieren.
Obwohl Technetium auf der Erde nicht natürlich vorkommt, wird es kontinuierlich in bestimmten Sternen durch den s-Prozess (langsame Neutroneneinfang) synthetisiert. Die spektroskopische Entdeckung von Technetium in den Atmosphären von S-Sternen und einigen Kohlenstoffsternen im Jahr 1952 durch Paul Merrill war eine wichtige Entdeckung in der Astrophysik und lieferte den ersten direkten Beweis dafür, dass die Nukleosynthese aktiv in Sternen stattfindet.
Das Vorhandensein von Technetium in einem Stern deutet notwendigerweise auf eine kürzliche Nukleosynthese (in astronomischen Maßstäben) hin, da selbst das stabilste Isotop (Tc-98, Halbwertszeit 4,2 Millionen Jahre) im Vergleich zum Alter der Sterne schnell zerfällt. Das beobachtete Technetium muss daher kürzlich im Stern selbst synthetisiert und durch Konvektionsprozesse an die Oberfläche transportiert worden sein.
Sterne, die Technetiumlinien zeigen, sind typischerweise Sterne des asymptotischen Riesenasts (AGB), wo der s-Prozess aktiv schwere Elemente in einer heliumbrennenden Schale produziert. Die Entdeckung von Technetium bestätigt, dass diese Sterne die Hauptorte des s-Prozesses sind und das interstellare Medium durch ihre starken Sternwinde mit schweren Elementen anreichern.
Hinweis:
Technetium kommt auf der Erde nicht in messbaren Mengen natürlich vor. Alles verwendete Technetium wird künstlich hergestellt. Molybdän-99, der Vorläufer von medizinischem Technetium-99m, wird durch die Spaltung von Uran-235 in speziellen Kernreaktoren produziert. Nur fünf Reaktoren weltweit produzieren den Großteil des globalen Mo-99, was eine vulnerable Versorgungssituation schafft.
Die weltweite Produktion von Mo-99 beträgt etwa 12.000 TBq (Terabecquerel) pro Woche. Die Hauptproduzenten befinden sich in den Niederlanden, Belgien, Kanada, Südafrika und Australien. Die Alterung dieser Reaktoren und geplante Stilllegungen schaffen eine potenzielle Versorgungskrise für die globale Nuklearmedizin und stimulieren die Forschung nach alternativen Produktionsmethoden (Teilchenbeschleuniger, schnelle Brutreaktoren).
Reines metallisches Technetium wird in winzigen Mengen für die Forschung hergestellt, hauptsächlich durch Reduktion von Technetiumverbindungen mit Wasserstoff bei hohen Temperaturen. Aufgrund seiner Radioaktivität und Seltenheit hat metallisches Technetium keine bedeutenden kommerziellen Anwendungen. Alles produzierte Technetium ist für die Nuklearmedizin als Tc-99m bestimmt oder stellt unerwünschten nuklearen Abfall in Form von Tc-99 dar.
