En 1936, el rumano Horia Hulubei y la francesa Yvette Cauchois afirmaron haber descubierto el elemento 85 utilizando la espectroscopia de rayos X. Su artículo publicado en 1939 mantiene y completa sus datos iniciales de 1936. En 1944, Hulubei recapitula esta información y sostiene que ha sido validada por otros investigadores. Bautiza el elemento “dor”, una palabra rumana que significa “deseo, nostalgia”. Sin embargo, en 1947, Friedrich Paneth, científico austriaco, cuestiona esta afirmación. De hecho, aunque las muestras de Hulubei contenían astato, sus métodos de detección se consideraban insuficientes, según los estándares contemporáneos, para garantizar una identificación fiable.

En 1940, Walter Minder, químico suizo, afirmó haber descubierto el elemento 85 en los productos de desintegración beta del radio A (polonio 218). Le asignó el nombre “helvetium” en referencia a Suiza. A pesar de sus esfuerzos, Berta Karlik y Traude Bernert, dos físicas austriacas, no pudieron reproducir su experimentación. Entonces estimaron que sus resultados eran consecuencia de una contaminación del flujo de radón, siendo el radón 222 el isótopo padre del polonio 218.

Ese mismo año, Dale R. Corson, K. R. MacKenzie y Emilio Segrè de la Universidad de California en Berkeley finalmente lograron aislar el elemento 85. Decidieron sintetizarlo bombardeando el bismuto 209 con partículas alfa en un ciclotrón. Esta reacción generó la formación del astato 211, primer isótopo del astato en ser formalmente identificado.

En esa época, cualquier nuevo elemento que no hubiera sido detectado en la naturaleza, sino creado artificialmente en cantidades invisibles, no podía tener un reconocimiento completo. Así, los tres investigadores se abstuvieron de proponer un nombre. Además, los químicos dudaban en otorgar legitimidad tanto a los radioisótopos como a los isótopos estables.

En 1942, en colaboración con la científica británica Alice Leigh-Smith, Minder informó del descubrimiento de otro isótopo del elemento 85, aparentemente resultante de la desintegración beta del torio A (polonio 216). Lo bautizaron “anglo-helvetium” en referencia a sus respectivos países. Una vez más, Bernert y Karlik no lograron obtener los mismos resultados.

En 1943, las dos austriacas, Karlik y Bernert detectaron la presencia del astato en dos series de desintegración natural, primero en la del uranio 238, luego en la del uranio 235. Posteriormente, la observación de la cadena principal de desintegración del neptunio 237 lo puso en evidencia. Sin embargo, esta presencia es limitada debido a la rareza del neptunio en estado natural. De hecho, solo puede ser producido por captura neutrónica en los minerales de uranio.

En 1946, Friedrich Paneth, químico británico de origen austriaco, aboga por el reconocimiento de los elementos sintéticos. Destaca la reciente confirmación de su presencia en la naturaleza y sugiere que los descubridores tienen derecho a nombrarlos.

A principios de 1947, se publica una carta de Dale R. Corson, K. R. MacKenzie y Emilio Segrè en la revista Nature, en la que los tres físicos americanos proponen el nombre inglés “astatine” para el elemento 85. Derivado de la palabra griega “ástatos”, significa “inestable”, dada la facilidad del elemento para desintegrarse. En inglés, la terminación -ine caracteriza a los halógenos, manteniendo la tradición de atribuirles un nombre en función de una de sus propiedades. En 1949, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada valida su propuesta.

Inicialmente, el astato era considerado un metal y clasificado como tal por Corson y sus colegas, que se basaban en su química analítica. Posteriormente, sus observaciones profundas revelaron un comportamiento idéntico al del yodo, tanto en forma anfotérica como catiónica. En una retrospectiva en 2003, Corson subraya que “algunas propiedades del astato son similares a las del yodo”, pero que el elemento “también presenta propiedades metálicas, más cercanas a las del polonio y el bismuto, sus vecinos metálicos”.

Propiedades físicas del astato

Las propiedades físicas del astato han sido principalmente evaluadas usando métodos teóricos o semi-empíricos. En los halógenos, cuanto más pesados son, más oscurece su color: violeta-gris oscuro para el yodo, marrón-rojo para el bromo, verde-amarillo para el cloro e incoloro para el flúor. Basándose en esta propiedad, como metaloide, el astato podría ser un sólido de color negro.

Como metal, el astato tendría una apariencia metálica. También en los halógenos, los puntos de ebullición y de fusión aumentan con el número atómico. Según estas estimaciones, los del astato serían respectivamente de 610 y de 575 K (es decir, 337 y 302 °C). Sin embargo, estudios experimentales han dado valores inferiores, con una temperatura de ebullición de 503 K para el astato diatómico.

La presión de vapor del At es inferior a la del yodo, lo que implica que también se sublima más lentamente. A pesar de esto, la mitad de una cantidad dada de astato se volatilizaría en una hora, a temperatura ambiente, si se deposita sobre una superficie de vidrio limpia.

Las rayas de absorción en la región de los ultravioletas medios del espectro del astato revelan transiciones electrónicas entre los orbitales 6p y 7s.

La estructura sólida del astato aún es desconocida. Siendo tanto análogo del yodo como halógeno, tendría una estructura cristalina ortorrómbica. Esta estructura estaría compuesta por moléculas de At diatómico, que le conferiría una propiedad de semiconductor con una banda prohibida de 0,7eV. Sin embargo, bajo una forma condensada, reacciona más como un metal. Eventualmente, adoptaría una cristalización en un sistema cúbico centrado en las caras. En este estado, el astato podría incluso manifestar propiedades superconductoras, como el yodo que adopta tal fase bajo alta presión.

Los resultados experimentales que prueban la existencia del astato diatómico (At₂) son raros y no concluyentes. De hecho, las afirmaciones sobre su presencia son contradictorias. A pesar de esta controversia, varias características del At diatómico han sido predichas:

• un calor latente de vaporización (∆H_vap) de aproximadamente 54,39 kJ mol−1,
• una energía de disociación de aproximadamente 83,7 ± 12,5 kJ mol⁻¹,
• una longitud de enlace estimada en aproximadamente 300 ± 10 pm.

El valor de su calor latente de vaporización supone que en estado líquido, el astato sería metálico. En efecto, todos los elementos cuyo valor es superior a aproximadamente 42 kJ mol−1 lo son en este estado.  

Propiedades químicas del astato

La comprensión de la química del astato no es fácil, ya que las concentraciones utilizadas en el experimento son muy bajas, sin contar las eventuales reacciones con los subproductos radiactivos, los filtros, las paredes o las impurezas.

En soluciones muy diluidas, las propiedades químicas del astato son aparentes incluso si su concentración es muy baja, inferior a 10^-10 mol/L (correspondiente a una actividad de aproximadamente 1,6 GBq/L). Se constatan propiedades similares a las de otros halógenos, como la formación de aniones. Por otra parte, el At tiene características metálicas que se manifiestan por:

• su capacidad para depositarse en un cátodo y formar precipitados con otros sulfuros metálicos en el ácido clorhídrico,
• su formación de un catión monoatómico estable en solución acuosa,
• su aptitud para formar complejos con el EDTA, un agente quelante,
• su reactividad similar a la de un metal durante el marcado de anticuerpos.

Cuando está en su estado de oxidación +I, el astato es similar a la plata. Sin embargo, en general, es similar al yodo y es capaz de formar enlaces halógenos más fácilmente que este último.

Respecto a sus propiedades electronegativas, el At tiene un valor de 2,2 en la escala revisada de Pauling. Este valor es inferior al del yodo pero igual al del hidrógeno. En el complejo HAt (astaturo de hidrógeno), se supone que el ion está soportado por el hidrógeno. Por lo tanto, este compuesto debería llamarse más bien hidruro de astato, lo que está en adecuación con el valor de la electronegatividad de 1,9 en la escala de Allred-Rochow (inferior a la del hidrógeno 2,2).

En 2011, se supuso que la afinidad electrónica del astato sería aproximadamente un tercio inferior a la del cloro. Este último posee la mayor afinidad electrónica entre los halógenos, debido a las interacciones espín-órbita. Esta predicción fue confirmada en 2020, con un valor de afinidad electrónica evaluado en 233 kJ/mol.

Los compuestos del astato

El astato presenta una reactividad inferior a la del yodo que ya es el menos reactivo entre los otros halógenos. Debido a su desintegración radiactiva, solo cantidades muy pequeñas de sus compuestos han podido ser sintetizadas y estudiadas. Las reacciones han sido principalmente examinadas utilizando soluciones de astato reducidas mezcladas con proporciones más importantes de yodo. Este enfoque permite garantizar una cantidad de materia suficiente para realizar las técnicas de laboratorio corrientes como la precipitación o la filtración.

El astato puede adoptar diferentes niveles de oxidación que van de -1 a +7 en número impar, al igual que el yodo. También son conocidos compuestos del astato con el hidrógeno, los metales, los alcalinos y los calcógenos.

Compuestos con los metales

Los compuestos asociados al At son raros. Entre los que han sido identificados pueden citarse el astaturo de plomo, de talio, de plata, de paladio y de sodio. A partir de la observación de los haluros de otros metales, las características de los astaturos de plata y de sodio, así como las de otros astaturos de elementos alcalinos y alcalinotérreos, han podido ser evaluadas.

Compuestos con el hidrógeno

Los precursores de la química del astato han observado que la acidificación del At por el ácido nítrico diluido provoca la formación de un compuesto de astato e hidrógeno, comúnmente llamado astaturo de hidrógeno. El nombre de hidruro de astato es más apropiado para este compuesto que se oxida muy rápido. En la reacción, se forma un catión At⁰ o At⁺. Si se agrega plata (I), la precipitación en astaturo de plata (AgAt) se hará solo en parte. En cambio, el yodo no será oxidado y se asistirá a la formación de un yoduro de plata(I).

Compuestos con el oxígeno y los oxianiones

En una solución acuosa de ácido perclórico, los iones AtO^– y AtO⁺ han sido formados haciendo reaccionar el astato con oxidantes tales como el persulfato de sodio o el bromo elemental. Inicialmente identificado como AtO₂^–, el compuesto es en realidad AtO(OH)₂^–, un producto de la hidrólisis de AtO⁺ (al igual que lo es AtOOH). La oxidación del astato con el hipoclorito de potasio en presencia de hidróxido de potasio engendra el anión AtO₃.

En una solución caliente de Na₂S₂O₈, la oxidación del astato conlleva la formación del triastatato de lantano, La(AtO₃)₃. La continuación de la oxidación del AtO3^–, con difluoruro de xenón en solución básica caliente o con periodato en solución neutra o básica, provoca la formación del ion perastatato, AtO4^–. Este último es estable solo a un pH igual o superior a 7.

El astato también podría formar cationes en sales que contienen oxianiones tales como el dicromato o el yodato. En solución ácida, se precipita con sales insolubles de cationes metálicos como el dicromato de talio(I) o el yodato de plata(I). Adopta entonces un estado de oxidación positivo monovalente o intermedio.

Compuestos con los otros calcógenos

Puede haber una reacción del astato con los otros calcógenos. La combinación del azufre y el At da compuestos tales como At(CSN)₂⁻ y S₇At⁺. Con el telurio, forma un coloide de astato-telurio y con el selenio, se obtiene un complejo de coordinación selenourea.

Reacciones con los halógenos ligeros

El astato entra en reacción con el cloro en estado gaseoso, el bromo, el yodo y produce compuestos interhalógenos: AtCl, AtBr y AtI. En una solución acuosa de yodo / yoduro, también se obtiene AtI. Una solución de yodo/monobromuro de yodo/bromuro también permite obtener AtBr. Cuando el bromuro o el yoduro está en exceso, se produce una formación de iones AtBr₂⁻ o AtI₂⁻.

En una solución de cloruro, los compuestos AtCl₂⁻ o AtBrCl⁻ pueden precipitarse en las reacciones de equilibrio. En presencia de cloruros, una molécula mal conocida, aparentemente de AtOCl o de AtCl, resulta de la oxidación del astato por dicromato.

También pueden producirse complejos tales como AtCl₂⁻ o AtOCl₂⁻. Ciertos polihaluros, tales como PbAtI, TlAtI₂, CsAtI₂ y PdAtI₂ han sido obtenidos por precipitación, o se supone que lo han sido.

Reacciones en un espectrómetro de masa de plasma fuentes de iones

En un espectrómetro de masa de plasma, se ha observado la formación de los iones [AtCl]⁺, [AtI]⁺ y [AtBr]⁺. La operación se realizó poniendo una célula llena de helio que contenía astato en presencia de vapores de halógenos más ligeros. Esta observación implica que hay moléculas neutras estables presentes en el plasma ionizado.

Hasta ahora, ningún fluoruro de astato ha sido descubierto, quizás debido a su gran reactividad. Es posible que el compuesto fluorado inicialmente obtenido reaccione con las paredes de vidrio del recipiente, lo que impediría la formación de un producto volátil. La síntesis de un fluoruro de astato podría necesitar la utilización de un solvente líquido de fluoruro de halógeno. Este solvente sería similar al empleado para la caracterización del fluoruro de radón.

Otros compuestos

El astato es capaz de establecer enlaces con el nitrógeno, el carbono y el boro. Diversos compuestos del boro han sido elaborados con enlaces At-B, que son más estables que los enlaces At-C.

En un ciclo bencénico, el astato puede sustituir a un átomo de hidrógeno para producir astatobenceno, C₆H₅At. Bajo el efecto del cloro, este último se oxida en C₆H₅AtCl₂, el cual da C₆H₅AtO₂ cuando se sumerge en una solución básica de hipoclorito.

En el perclorato de dipiridina-astato(I) [At(C5H5N)₂][ClO₄] y su análogo nitrato, el átomo de astato se asocia con cada átomo de nitrógeno de los dos anillos piridina.

Aquí hay una tabla que contiene los datos de desintegración alfa para algunos isótopos del astato:

Los isótopos más pesados liberan menos energía.

El predominio de la desintegración beta (emisión de electrón) no permite detectar los isótopos de larga vida media. Desde 1950, los científicos han emitido la hipótesis de que la desintegración principal de todos los isótopos del astato se produciría por vía beta. Esto ha sido efectivamente observado, salvo para ^216mAt, ²¹⁵At, ²¹⁴At y ²¹³At.

El astato 210 y los isótopos menos pesados pueden sufrir una desintegración por el modo β⁺ (emisión de positrón), el astato 216 y los isótopos más pesados por el modo β⁻. El ²¹²At posee la capacidad de desintegrarse según estos dos modos y el ²¹¹At puede ser sometido a una captura electrónica.

El astato 210 es el isótopo que presenta la más baja actividad radiactiva, con una vida media de 8,1 horas. Se desintegra principalmente emitiendo partículas β⁺ y formando polonio 210, que es un emisor alfa con una vida media de 138 días.

Entre los isótopos conocidos, solo cinco poseen una vida media superior a una hora (²⁰⁷At a ²¹¹At). El más radiactivo en estado fundamental es el astato 213, con una vida media de 125 nanosegundos. Se desintegra emitiendo partículas alfa y formando bismuto 209 que es casi estable.

El astato posee también 24 isómeros nucleares, núcleos que se encuentran en un estado excitado con uno o varios nucleones. Un isómero nuclear, también conocido como metaestable, indica que el sistema posee una energía interna superior al estado fundamental (estado de energía mínima). Tiene la propiedad de volver a este estado. Es posible tener varios isómeros nucleares para un mismo isótopo.

El isómero nuclear menos radiactivo es el ^202m1At con una vida media de aproximadamente 3 minutos. En cambio, el ^214m1At es el más radiactivo, con una vida media de 265 nanosegundos, la más efímera de todos los demás nucleidos conocidos, a excepción de ²¹³At.

Abundancia del astato

El astato es el elemento más raro en la naturaleza, a excepción de algunos transuránicos. Su cantidad total en la corteza terrestre se evalúa entre 1/10 g y 30 g aproximadamente (masa de 2,36 × 10²⁵ gramos) en un momento dado. Todos los átomos de astato presentes durante la formación de la Tierra se han desintegrado.

Solo cuatro isótopos de astato han sido descubiertos en la naturaleza, en proporciones ínfimas: ²¹⁹At, ²¹⁸At, ²¹⁷At y ²¹⁵At. Están presentes en estado de trazas en la corteza terrestre, y son constantemente regenerados por la desintegración de los isótopos principales del neptunio 237, del uranio y del torio.

En un momento dado, aproximadamente 10¹² átomos de astato 215 (aproximadamente 3,5 × 10⁻¹⁰ gramos) se encuentran en los dieciséis primeros kilómetros de profundidad del continente americano. El ²¹⁷At es generado por la desintegración del neptunio 237, presente en cantidad ínfima en los minerales de uranio donde se forma por transmutación. El ²¹⁸At fue el primer isótopo descubierto en estado natural. El astato 219 es el isótopo natural cuyo período radiactivo es el más largo, aproximadamente 56 segundos de vida media.

El ²¹⁰At posee la vida media más larga, y el ²¹¹At es el más prometedor en el plano médico. Sin embargo, se producen de manera sintética bombardeando un objetivo de bismuto 209 con partículas alfa en un ciclotrón.

Por falta de datos fiables o por divergencia, ciertos isótopos del astato no son sistemáticamente considerados como existentes en la naturaleza. Por lo tanto, aunque la presencia del astato 216 en la naturaleza ha sido mencionada, su detección es contestada y no probada.

Métodos de separación del astato

Como producto principal de la síntesis, el astato formado debe ser aislado del objetivo y de toda contaminación. Las técnicas utilizadas antes de 1985 comprendían a menudo la eliminación del polonio 210, que también se formaba durante la irradiación. Sin embargo, esta medida puede ser evitada asegurándose de que la energía de la línea de irradiación del ciclotrón no exceda un valor umbral.

Actualmente, tras la revisión de Kugler y Keller, los diferentes métodos se concentran principalmente en la separación del astato del objetivo y de otros contaminantes. Se clasifican en dos enfoques: por vía seca o por vía húmeda.

Extracción por vía seca

Este método es corriente para obtener una forma del At explotable en química. El objetivo irradiado que contiene el astato es llevado a aproximadamente 650 °C, lo que provoca la volatilización del astato. Luego, este último se condensa en una trampa fría. Para recuperar el astato (aproximadamente 80 %), se emplea soda, metanol o cloroformo.

Para aumentar el rendimiento, pueden utilizarse temperaturas más elevadas hasta 850 °C. Sin embargo, este procedimiento presenta un riesgo de contaminación de la muestra, ya que el bismuto también es co-volatilizado. Entonces se requiere la redestilación del condensado.

Extracción por vía húmeda

El tratamiento en solución ácida concentrada del objetivo de bismuto, generalmente ácido nítrico, es seguido por la extracción del astato por un solvente (tiosemicarbazida, éter de butilo o de isopropilo). Estudios han mostrado un rendimiento de separación del orden del 93 % con ácido nítrico. Esta tasa disminuye a aproximadamente 72 % después de las etapas de purificación que comprenden:

• la destilación del ácido nítrico;
• la eliminación de los residuos de óxidos de nitrógeno;
• la recuperación de los iones del nitrato de bismuto para favorecer la extracción líquido-líquido.

Debido a la manipulación de productos radiactivos en las diversas etapas, las extracciones por vía húmeda son menos adaptadas para aislar grandes cantidades de astato. Sin embargo, pueden ser utilizadas para producir At con un grado de oxidación específico. Esto permite aplicaciones en el campo de la radioquímica experimental.

Uso del astato y precauciones

El interés del ²¹¹At se encuentra especialmente en el campo de la medicina nuclear. Debido a su vida media de 7,2 horas, debe ser empleado rápidamente después de su síntesis. Sin embargo, esta duración es suficiente para implementar estrategias de marcado en varias etapas.

El astato 211 se desintegra por emisión de partículas alfa hacia el bismuto 207 o por captura electrónica hacia el polonio 211. Este último posee una vida media extremadamente corta y también emite partículas alfa. Todo esto favorece la utilización de este isótopo en la alfa-inmunoterapia, ya que se desintegra sea emitiendo partículas alfa hacia el bismuto 207, sea capturando un electrón hacia el polonio 211. Gracias a los rayos X emitidos por el polonio 211, en un rango de energía de 77 a 92 keV, el astato puede ser seguido en los animales y los pacientes.

El yodo 131 también es utilizado en medicina nuclear. Sin embargo, a diferencia de ²¹¹At, emite radiaciones beta de alta energía. Estas últimas tienen un poder de penetración tisular más elevado que las radiaciones alfa emitidas por el isótopo 211 del astato (2 mm contra 70 µm, es decir treinta veces más). Esta característica asociada a la corta vida media del astato 211 es una ventaja cuando la carga tumoral es baja. Lo mismo ocurre para las células cancerosas que se encuentran en la proximidad inmediata de tejidos sanos.

El desarrollo de medicamentos a base de astato para luchar contra el cáncer ha sido obstaculizado por diversos obstáculos. Los primeros ensayos preliminares revelaron la necesidad de desarrollar un agente de transporte selectivo para apuntar potencialmente a las células cancerosas. A causa de la Segunda Guerra Mundial, las investigaciones para desarrollar un agente de transporte selectivo hacia las células cancerosas tuvieron que ser detenidas durante aproximadamente 10 años. Por consiguiente, no es hasta los años 1970 que los anticuerpos monoclonales, que cumplen esta función, estuvieron disponibles en el mercado.

A diferencia del yodo, el astato tiende a apartarse de estas moléculas de transporte, en particular de los carbonos hibridados sp3 (menos para los carbonos hibridados sp2). Tóxico, el astato tiende a acumularse en el cuerpo cuando su isótopo circula libremente. Entonces se vuelve crucial garantizar que permanezca unido a su molécula huésped.

La eficacia de las moléculas de transporte de metabolismo lento puede ser estimada mientras que la de las moléculas de metabolismo más rápido constituye un desafío mayor. Es lo que impide actualmente hacer una estimación justa del astato como tratamiento médico. La reducción de la radiólisis de las moléculas de transporte causada por el astato es un asunto a considerar para desarrollar las investigaciones. El uso práctico del astato para tratar los cánceres podría eventualmente beneficiar a un número considerable de pacientes. No obstante, la producción de astato en cantidades suficientes sigue siendo un desafío a superar.

Observaciones en animales han mostrado que el astato se concentra principalmente en la tiroides, al igual que el yodo, pero en menor medida. A diferencia de este último, el At también tiende a acumularse en los pulmones y el bazo. Esto es eventualmente causado por su oxidación in vivo de At^– a At⁺. Cuando se administra en forma de radiocoloide, el astato tiene una disposición a concentrarse en el hígado.

Experimentos en ratas y monos han conducido a la hipótesis de que el astato 211 dañaría la tiroides, más que el yodo 131. Una necrosis y una displasia celular en la glándula tiroides sobrevienen como consecuencia de inyecciones masivas del isótopo.

En roedores hembra, estudios preliminares indican también que la inyección de astato 211 conlleva modificaciones morfológicas en los tejidos mamarios. Sin embargo, las opiniones a este respecto han sido contradictorias durante muchos años antes de llegar a un compromiso. El efecto sería más bien causado por la irradiación de los tejidos del pecho, asociada a las modificaciones de las hormonas causadas por la irradiación de los ovarios.

Cantidades muy pequeñas de astato pueden ser manipuladas con total seguridad bajo una campana extractora. Sin embargo, hay que vigilar que no penetre en el organismo.