Технеций: đầu tiên là nguyên tố nhân tạo cứu sống hàng triệu người

Trong bảng điều khiển周期 của Dmitry Ivanovich Mendeleev có một ô số 43. Trong nhiều năm, nó đã để trống. Người ở trong nó không cho phép hóa học gia của thế kỷ XIX chạm vào, ẩn mình khỏi những người săn lùng kiên quyết nhất. Nhưng hóa ra, điều đó không phải do khó khăn trong việc tách ra, mà là bản chất của chất này: nó đơn giản không thể tồn tại trên Trái Đất từ thời điểm nó được hình thành. Ngày nay chúng ta biết nguyên tố này là technetium — nguyên tố đầu tiên được tạo ra bởi con người, đồng thời là nguyên tố cứu sống hàng nghìn người hàng ngày trong bệnh viện trên toàn thế giới.

Technetium là nguyên tố duy nhất nhẹ hơn chì mà không có các đồng vị ổn định. Vị trí của nó trong bảng là niềm tự hào của sức mạnh tiên đoán của khoa học và cũng là một di tích của sự sáng tạo của con người.

Ô số 43: tiên tri của Mendeleev

Trong năm 1869, khi Dmitry Ivanovich Mendeleev giới thiệu bảng điều khiển周期 của mình cho thế giới, trong đó có 63 nguyên tố và một số chỗ trống. Anh không chỉ để trống mà còn dám dự đoán tính chất của các chất chưa được phát hiện. Đối với nguyên tố số 43, nằm dưới manganese trong nhóm thứ bảy, nhà khoa học đã dự đoán tính chất của nó, gọi nó là «eka-manganese» (từ tiếng Sanskrit «eka» — một).

Trong những thập kỷ tiếp theo, các nhà hóa học đã tìm kiếm nguyên tố thiếu trong các quặng manganese, khoáng vật và chất thải hóa học phức tạp. Có những tuyên bố lớn về việc phát hiện: nguyên tố được gọi là «ilmium», «nipponium», «lurium». Tuy nhiên, không có gì được xác nhận. Ngày nay chúng ta biết tại sao: technetium là một chất phóng xạ, và các đồng vị lâu đời nhất của nó với thời gian bán rã khoảng 4 triệu năm đã biến mất khỏi vỏ Trái Đất từ thời điểm nó được hình thành.

Đại diện cho cái gì là «technetium»? Lý do từ nguồn gốc tên

Tên của nguyên tố này được lấy từ từ Hy Lạp «τεχνητός» (technetos), có nghĩa là «được tạo ra bởi con người». Tên này đã trở thành tiên tri gấp đôi: technetium trở thành nguyên tố hóa học đầu tiên được tạo ra bởi con người而不是 được tách ra từ nguyên liệu tự nhiên.

Lịch sử phát hiện: tấm mỏng molibden từ Berkeley

Năm 1937, nhà vật lý người Ý Emilio Segre làm việc ở Mỹ, trong phòng thí nghiệm của Ernest Lawrence — người phát minh ra cyclotron. Segre đã chú ý đến tính chất phóng xạ kỳ lạ của một chi tiết đã được sử dụng của máy tăng tốc — mảnh mỏng molibden, được sử dụng làm mục tiêu cho deuteron.

Người học giả đã giả định rằng nguyên tố mới với số nguyên tử 43 đã được tạo ra từ molibden (số nguyên tử 42) do phản ứng hạt nhân. Anh đã mang tấm mỏng này về Palermo, nơi anh cùng với nhà khoáng học Carlo Perrin đã thực hiện một loạt các phản ứng hóa học phức tạp. Họ đã thành công trong việc tách ra nguyên tố phóng xạ mới trong số lượng nhỏ, nhưng tinh khiết.

Đặc điểm cơ bản: nhẹ nhất trong số các nguyên tố không có đồng vị ổn định

Technetium là nguyên tố nhẹ nhất trong bảng điều khiển周期, không có đồng vị ổn định nào. Các hình thức «dài lâu đời» của nó: Tc-97 (thời gian bán rã 2,6 triệu năm), Tc-98 (4,2 triệu năm) và đồng vị dễ dàng nhất — Tc-99 (thời gian bán rã 211.000 năm).

Điều này notwithstanding, technetium tự nhiên vẫn có trên Trái Đất. Với lượng rất nhỏ (khoảng 1 nanogram trên tấn quặng urani), nó được tạo ra trong quá trình phân rã tự phát của urani-235. Bất kỳ lúc nào cũng có khoảng 18.000 tấn technetium trong vỏ Trái Đất — nhưng kim loại này «tan vào» trong các thể tích lớn của các vách núi.

Đặc điểm bất ngờ: từ siêu dẫn đến tính chất hóa học nguy hiểm

Tính chất vật lý. Technetium là kim loại chuyển tiếp bạc-xám. Lưới tinh thể của nó dưới điều kiện tiêu chuẩn là hexagonal, nó có thể dập và dẻo. Ngay cả khi ở nhiệt độ thấp, technetium trở thành siêu导体.

Tính chất hóa học đa dạng. Đối với technetium, các mức окисл hóa từ −1 đến +7, và hình thức ổn định nhất là hình thức bảy价 technetium (Tc⁷⁺). Tuy nhiên, các nhà hóa học thường so sánh nó với rhenium. Tính chất đa dạng này tạo ra những vấn đề nghiêm trọng khi xử lý nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng: các phản ứng khử-oxy hóa không dự đoán được với sự tham gia của technetium làm phức tạp các quy trình phân tách urani và plutoni.

Ứng dụng chính hiện nay: y học hạt nhân và technetium-99m

Hiện nay, hầu hết lượng technetium được chiết xuất từ chất thải của ngành công nghiệp hạt nhân — từ các cột nhiên liệu đã qua sử dụng của lò phản ứng hạt nhân. Tỷ lệ đồng vị Tc-99 khi phân rã urani-235 khoảng 6%. Tuy nhiên, điều đáng chú ý không phải là Tc-99 lâu đời, mà là đồng vị hạt nhân ngắn hạn của nó — Tc-99m (m có nghĩa là meta-stable, trạng thái kích thích hạt nhân) với thời gian bán rã chỉ 6 giờ.

Đồng vị này là một trong những cột trụ của y học hạt nhân hiện đại. Dựa trên nó, các thuốc phóng xạ được sản xuất để chẩn đoán ung thư, đánh giá lưu lượng máu trong tim và nghiên cứu chức năng của nhiều cơ quan nội tạng. Mekhane của nó như sau: Tc-99m phát xạ tia gamma, dễ dàng được ghi nhận bởi các camera đặc biệt. Đồng vị này được đưa vào cơ thể (thường trong hình thức liên kết với các phân tử, hấp dẫn với các mô cụ thể) và gửi tín hiệu, cho phép bác sĩ «nhìn thấy» khối u, vị trí viêm hoặc đoạn vành tim bị thiếu máu.

Thời gian bán rã ngắn của đồng vị phóng xạ cho phép có được hình ảnh chính xác và nhanh chóng loại bỏ chất khỏi cơ thể, gây ra thiểu nhất thiệt hại bức xạ. Mỗi năm trên thế giới có hơn 20 triệu cuộc kiểm tra chẩn đoán sử dụng technetium-99m. Cơ sở sản xuất generator technetium-99m ở Nga là các doanh nghiệp của division khoa học của Rosatom.

Rủi ro và môi trường: chất thải lâu đời

Đồng vị lâu đời technetium-99 (T_1/2 = 211.000 năm) đại diện cho một vấn đề môi trường nghiêm trọng. Trong nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng, hàm lượng của nó đạt đến hàng trăm gram trên tấn. Đồng vị này di chuyển dễ dàng trong môi trường xung quanh và có thể tích lũy trong các đối tượng sinh học. Do đó, việc chôn cất Tc-99 là một trong những nhiệm vụ khi tạo ra các hầm chứa chất thải phóng xạ. Thời gian bán rã và tính chất hóa học của nó buộc phải tìm kiếm các matrice cho việc cách ly an toàn.

Tương lai của nguyên tố: xúc tác, siêu dẫn và các thuốc phóng xạ mới

Hiện nay, technetium vẫn là nguyên tố niêm yeu nhưng rất quan trọng trong y học chẩn đoán. Tuy nhiên, tiềm năng của nó rộng hơn. Technetium là vật liệu tiềm năng để sản xuất xúc tác (ví dụ, cho việc khử nước hữu cơ) và các thành phần của hợp kim siêu dẫn cao nhiệt độ. Ngoài ra, các nhà hóa học đang phát triển các phương pháp lọc technetium từ chất thải phóng xạ lỏng bằng các chất hấp thụ và các hợp chất mới cho y học hạt nhân hướng dẫn, bao gồm cả teranostics (chẩn đoán và điều trị một phân tử).

Trong tương lai, có thể xuất hiện các phương pháp mới để chiết xuất Tc-99m từ các thiết bị phản ứng và tăng tốc, làm cho chẩn đoán trở nên dễ dàng hơn. Ngoài ra, việc sử dụng đồng vị Tc-99 trong pin hạt nhân cho các thiết bị hoạt động hàng chục năm mà không cần sạc cũng rất tiềm năng.

Kết luận: nguyên tố số 43 trong hệ thống bảng điều khiển là cây cầu giữa sự xuất sắc tiên đoán của thế kỷ XIX và các công nghệ cao của thế kỷ XXI. Technetium, nguyên tố nhân tạo đầu tiên không có đồng vị ổn định, là kim loại duy nhất được sử dụng dưới dạng đồng vị Tc-99m trong hàng triệu cuộc kiểm tra y tế hàng năm.
© biblio.vn

Permanent link to this publication:

https://biblio.vn/m/articles/view/Technécium-nguyên-tố-hóa-học-số-43-Tc