Astatine : Propriétés des éléments et utilisations

Introduction à l'astate

L'astate est un élément de symbole At et de numéro atomique 85 qui fait partie des éléments naturels les plus rares de la planète. L'astate fait partie de la famille des éléments halogènes qui présentent une certaine ressemblance chimique avec l'iode et le chlore, mais il est unique parce qu'il est hautement radioactif et très rare. Avec une demi-vie comprise entre quelques heures et quelques jours selon l'isotope, l'astate n'a pas une durée de vie très longue dans la nature et peut donc être très difficile à rechercher pour les scientifiques. Ses applications les plus typiques se limitent à la médecine, à savoir la thérapie ciblée par particules alpha contre le cancer.

Histoire et nom

L'astatine a été synthétisée pour la première fois en 1940 par Kenneth Ross MacKenzie, Emilio Segrè et Dale R. Corson de l'Université de Californie à Berkeley. Ils ont produit l'élément en bombardant du bismuth-209 avec des particules alpha pour obtenir de l'astate-211, qui est l'isotope le plus utilisé aujourd'hui dans la recherche.

Le nom "astate" est dérivé du mot grec astatos, qui signifie "instable", en raison de sa nature extrêmement radioactive et de sa courte durée de vie. Sa découverte a marqué l'achèvement du groupe des halogènes dans le tableau périodique, bien que les quantités présentes à l'état naturel soient très faibles.

Propriétés physiques

En raison de la rareté et de la radioactivité de l'astate, certaines de ses propriétés physiques sont calculées plutôt que mesurées directement. D'après des calculs théoriques et des extrapolations à partir d'autres halogènes :

L'astate devrait être un métalloïde, possédant des propriétés métalliques et non métalliques. Sa couleur est supposée être métallique et foncée, peut-être noire ou violet foncé en vrac, bien qu'aucun échantillon en vrac n'ait jamais été observé.

Propriétés chimiques Description

L'astate ressemble aux autres halogènes, mais sa radioactivité s'accompagne d'un comportement inhabituel. Voici quelques-unes de ses propriétés chimiques les plus significatives :

- États d'oxydation : Le plus caractéristique est -1, mais dans certains composés, on trouve +1, +3, +5 et +7.

- Stabilité des composés : Les composés d'astate sont généralement instables, avec une désintégration rapide due aux brèves demi-vies de ses isotopes.

- Réactivité : L'astate peut former des sels métalliques, par exemple des astatides, mais ceux-ci survivent rarement plus de quelques minutes.

- Électronégativité : ~2,2, inférieure à celle de l'iode (~2,66), donc légèrement moins réactive dans la chimie des halogènes.

Par exemple, l'astate peut théoriquement réagir avec l'hydrogène et produire de l'astatide d'hydrogène (HAt), tout comme l'iodure d'hydrogène (HI), mais le composé se décompose rapidement par désintégration radioactive.

Méthodes de préparation

En raison de sa faible abondance naturelle et de sa courte demi-vie, l'astate n'est pas produit à partir de gisements naturels. L'astate est produite artificiellement dans des réacteurs nucléaires ou des cyclotrons. La méthode la plus courante est la suivante

1. Irradiation de cibles de bismuth-209 par des particules alpha.

L'astate-211, dont la demi-vie est de 7,2 heures, convient aux applications médicales et expérimentales.

2. Purification chimique et séparation isotopique : L'astate est rapidement séparé de la cible par distillation sèche ou par extraction au solvant afin de le préparer pour des expériences de laboratoire ou des applications cliniques.

En raison de ces contraintes, la recherche et les applications sont soumises à des contraintes de temps et doivent être réalisées dans des laboratoires hautement spécialisés et protégés contre les rayonnements.

Applications

Malgré sa rareté, l'astate a des applications prometteuses en médecine et en physique nucléaire :

1. Thérapie alpha ciblée (TAT) pour le cancer

L'astate-211 émet des particules alpha de haute énergie qui tuent les cellules cancéreuses tout en épargnant une grande partie des tissus normaux environnants. Des essais cliniques ont porté sur le cancer de la thyroïde et les tumeurs cérébrales et ont permis de découvrir que les agents marqués à l'astate étaient capables de délivrer des doses précises et ciblées.

- Étude de cas : Un cancer de l'ovaire récurrent a été traité avec des anticorps marqués à l'At-211 lors d'un essai mené en 2015 à l'université de Washington. La thérapie était sélectivement cytotoxique pour les cellules tumorales et réduisait la toxicité systémique.

2. Recherche radiopharmaceutique

Les isotopes de l'astate sont utilisés en médecine nucléaire comme traceurs pour étudier les voies métaboliques et développer de nouveaux systèmes d'administration de médicaments. La courte demi-vie permet une activité élevée en petites quantités, ce qui est idéal pour l'imagerie in vivo et une action rapide dans le traitement.

3. Expériences de physique nucléaire

La position de l'astate dans le tableau périodique le rend également bien adapté à l'étude de la chimie des éléments lourds, des chaînes de désintégration des isotopes et de la chimie des halogènes dans des conditions extrêmes.

Conclusion

L'astate est un élément extraordinaire, caractérisé par sa rareté, sa radioactivité et son potentiel thérapeutique. Bien qu'il existe en quantités infimes dans la nature, sa production artificielle a suscité de nouvelles attentes en matière de thérapies anticancéreuses et de recherche nucléaire avancée. Son histoire - de sa découverte en 1940 à son utilisation actuelle dans les produits radiopharmaceutiques - illustre les défis et les avantages inhabituels du travail avec l'un des éléments les plus volatils de la nature.

Questions fréquemment posées

Pourquoi l'astate est-il si rare ?

Elle est extrêmement instable et radioactive, se décomposant en d'autres éléments après des heures ou des jours, de sorte que seules de très petites quantités existent à l'état naturel à un moment donné.

Comment la synthèse de l'astate est-elle réalisée en laboratoire ?

En irradiant des cibles de bismuth-209 avec des particules alpha provenant de réacteurs nucléaires ou de cyclotrons pour générer des isotopes d'astate, principalement de l'At-211.

Quelles sont ses principales propriétés chimiques ?

L'astate est un élément semblable aux halogènes, mais il produit également des composés radioactivement instables. Sa faible électronégativité et ses isotopes à courte durée de vie génèrent des espèces chimiques très réactives et transitoires.

Pourquoi l'astate présente-t-il un intérêt pour la thérapie anticancéreuse ?

Son rayonnement alpha permet de cibler spécifiquement les cellules malignes tout en limitant la destruction des tissus sains.

L'astate a-t-elle des applications industrielles ?

L'astate a très peu d'applications industrielles ; il est principalement utilisé en médecine et en science nucléaire, contrairement aux procédés commerciaux de masse.