Astatina: Proprietà e usi dell'elemento

Introduzione all'astatina

L'astatina è un elemento di simbolo At e numero atomico 85, tra gli elementi più rari e presenti in natura sul pianeta. L'astatina fa parte della famiglia degli alogeni, che presentano una certa somiglianza chimica con lo iodio e il cloro, ma è unica perché è altamente radioattiva e molto rara. Con un tempo di dimezzamento compreso tra ore e giorni a seconda dell'isotopo, l'astatina non è molto longeva in natura e quindi può essere molto impegnativa per gli scienziati. Le sue applicazioni più tipiche sono limitate alla medicina, in particolare alla terapia mirata con particelle alfa contro il cancro.

Storia e nome

L'astatina è stata sintetizzata per la prima volta nel 1940 da Kenneth Ross MacKenzie, Emilio Segrè e Dale R. Corson dell'Università della California, Berkeley. Essi produssero l'elemento attraverso il bombardamento del bismuto-209 con particelle alfa per ottenere l'astatina-211, che oggi è l'isotopo più utilizzato nella ricerca.

Il nome "astatina" deriva dalla parola greca astatos, che significa "instabile", in considerazione della sua natura estremamente radioattiva e di breve durata. La sua scoperta ha rappresentato il completamento del gruppo degli alogeni nella tavola periodica, anche se le quantità presenti in natura sono minime.

Proprietà fisiche

A causa della rarità e della radioattività dell'astatina, alcune delle sue proprietà fisiche vengono calcolate piuttosto che misurate direttamente. Da calcoli teorici ed estrapolazioni da altri alogeni:

L'astatina dovrebbe essere un metalloide, con proprietà metalliche e non metalliche. Si presume che il suo colore sia metallico e scuro, probabilmente nero o viola scuro, anche se non sono mai stati osservati campioni di massa.

Proprietà chimiche Descrizione

L'astatina assomiglia agli altri alogeni, ma la sua radioattività è accompagnata da un comportamento insolito. Alcune delle proprietà chimiche più significative sono:

- Stati di ossidazione: Il più caratteristico è -1, ma in alcuni composti sono presenti +1, +3, +5 e +7.

- Stabilità del composto: I composti dell'astatina sono generalmente instabili, con un rapido decadimento dovuto alle brevi emivite dei suoi isotopi.

- Reattività: Può formare sali metallici, ad esempio astatidi, che però raramente sopravvivono per più di qualche minuto.

- Elettronegatività: ~2,2, inferiore a quella dello iodio (~2,66), quindi leggermente meno reattiva nella chimica degli alogeni.

Ad esempio, l'astatina può essere teoricamente fatta reagire con l'idrogeno e produrre l'astatide di idrogeno (HAt), proprio come lo ioduro di idrogeno (HI), ma il composto si decompone rapidamente per decadimento radioattivo.

Metodi di preparazione

Poiché la sua abbondanza naturale è così bassa e il suo tempo di dimezzamento è breve, l'astatina non viene prodotta da depositi naturali. L'astatina viene prodotta artificialmente in reattori nucleari o ciclotroni. Il metodo più comune è:

1. Irradiazione di bersagli di bismuto-209 con particelle alfa.

L'astatina-211, con un'emivita di 7,2 ore, è adatta per applicazioni mediche e sperimentali.

2. Purificazione chimica e separazione isotopica: L'astatina viene separata rapidamente dal bersaglio mediante distillazione a secco o procedure di estrazione con solventi per prepararla agli esperimenti di laboratorio o alle applicazioni cliniche.

A causa di questi vincoli, la ricerca e le applicazioni sono critiche dal punto di vista temporale e devono essere svolte in laboratori altamente specializzati e sicuri dal punto di vista delle radiazioni.

Le applicazioni

Nonostante la sua scarsità, l'astatina ha applicazioni promettenti in medicina e fisica nucleare:

1. Terapia alfa mirata (TAT) per il cancro

L'astatina-211 emette particelle alfa ad alta energia che uccidono le cellule tumorali risparmiando gran parte del tessuto normale circostante. Studi clinici hanno testato il cancro alla tiroide e i tumori cerebrali e hanno scoperto che gli agenti marcati con astatina erano in grado di somministrare dosi precise e mirate.

- Caso di studio: Un tumore ovarico ricorrente è stato trattato con anticorpi marcati con At-211 in uno studio del 2015 condotto presso l'Università di Washington. La terapia è risultata selettivamente citotossica per le cellule tumorali e ha ridotto la tossicità sistemica.

2. Ricerca radiofarmaceutica

Gli isotopi dell'astatina trovano applicazione in medicina nucleare come traccianti per studiare le vie metaboliche e sviluppare nuovi sistemi di somministrazione di farmaci. La breve emivita offre un'elevata attività in piccole quantità, ideale per l'imaging in vivo e l'azione rapida nel trattamento.

3. Esperimenti di fisica nucleare

La posizione dell'astatina nella tavola periodica la rende adatta allo studio della chimica degli elementi pesanti, delle catene di decadimento degli isotopi e della chimica degli alogeni in condizioni estreme.

Conclusioni

L'astatina è un elemento straordinario, caratterizzato da rarità, radioattività e potenziale terapeutico. Sebbene sia presente in quantità minime in natura, la produzione artificiale ha creato nuove aspettative per le terapie contro il cancro e la ricerca nucleare avanzata. La sua storia - dalla scoperta nel 1940 all'uso odierno nei radiofarmaci - illustra le insolite sfide e i vantaggi di lavorare con uno degli elementi più volatili della natura.

Domande frequenti

Perché l'astatina è così rara?

È estremamente instabile e radioattiva, decadendo in altri elementi dopo ore o giorni, quindi in natura ne esistono solo quantità minime in qualsiasi momento.

Come viene effettuata la sintesi in laboratorio dell'astatina?

Irradiando bersagli di bismuto-209 con particelle alfa provenienti da reattori nucleari o ciclotroni per generare isotopi di astatina, principalmente At-211.

Quali sono le sue principali proprietà chimiche?

L'astatina è un elemento simile agli alogeni, ma produce anche composti radioattivamente instabili. La sua bassa elettronegatività e gli isotopi a vita breve generano specie chimiche altamente reattive e transitorie.

Perché l'astatina è interessante per la terapia del cancro?

Le sue radiazioni alfa permettono di colpire in modo mirato le cellule maligne, con poca distruzione dei tessuti sani.

L'astatina ha un impiego industriale?

Le applicazioni industriali sono molto limitate; viene utilizzata principalmente in medicina e nella scienza nucleare, a differenza dei processi commerciali di massa.