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Technetium
Technetium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Tc und der Ordnungszahl 43. Es kommt auf der Erde natürlicherweise vor, wenn auch in sehr …
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Grundlagen und Bedeutung
Technetium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Tc und der Ordnungszahl 43. Es ist ein silbrig graues Übergangsmetall der 5. Periode und der Gruppe 7, also der Mangangruppe. Auf der Erde kommt es natürlicherweise nur in extrem kleinen Mengen vor; der Massenanteil an der Erdhülle wird mit 1,2 · 10^−15 ppm angegeben.
Technetium ist besonders wichtig, weil es das erste künstlich hergestellte Element war und weil es keine stabilen Isotope besitzt. Alle Atomkerne mit 43 Protonen sind radioaktiv und zerfallen. Neben Promethium ist Technetium eines der beiden Elemente mit einer kleineren Ordnungszahl als Bismut (83), die keine stabilen Isotope haben.
Das Element ist fest, hat eine hexagonale Kristallstruktur, eine Dichte von 11,5 g/cm^3 bei 25 °C, einen Schmelzpunkt von 2157 °C und einen Siedepunkt von 4265 °C. Die Elektronenkonfiguration lautet [Kr] 4d^5 5s^2. Typische Oxidationszustände reichen von −3 bis +7; besonders wichtig sind +IV, +V und +VII.
Entdeckung und Vorkommen
Im Periodensystem von Dmitri Mendelejew blieb zwischen Molybdän (42) und Ruthenium (44) lange eine Lücke. Mendelejew nannte das vorhergesagte Element Eka-Mangan und sagte einige Eigenschaften, darunter seine Masse, näherungsweise voraus. Es gab viele vermeintliche Entdeckungen, unter anderem Polinium, Ilmenium, Davyum, Lucium, Nipponium und Masurium. Diese Nachweise wurden später verworfen oder blieben umstritten.
Der unumstrittene Nachweis gelang 1937 Emilio Segrè und Carlo Perrier an der Universität Palermo. Sie isolierten Technetium aus einer Molybdänfolie, die mit Deuteronen beschossen worden war. Die Reaktion wird im Artikel als ^96_42Mo + ^2_1D -> ^97_43Tc + ^1_0n angegeben. Der Name Technetium kommt von griechisch technētós, „künstlich“.
Außerirdisch wurde Technetium 1952 von Paul Willard Merrill spektroskopisch in Roten Riesensternen nachgewiesen. Da selbst das langlebigste Technetium-Isotop nur etwas mehr als 4 Millionen Jahre Halbwertszeit besitzt, zeigte dieser Fund, dass Technetium in Sternen neu gebildet wird, unter anderem durch Neutroneneinfang im s-Prozess.
Auf der Erde entsteht natürliches Technetium vor allem als Zwischenprodukt beim Zerfall schwerer Atomkerne, besonders durch Spontanspaltung von ^238U. 1961 wurden aus 5,3 kg Pechblende aus Katanga etwa 1 ng Technetium isoliert. 1 kg Natururan enthält ungefähr 1 ng Technetium. In der Biosphäre stammt Technetium fast ausschließlich aus menschlichen Aktivitäten wie Kernwaffentests, Wiederaufarbeitung, Kernreaktoren und nuklearmedizinischer Anwendung.
Isotope, Gewinnung und Entsorgung
Von Technetium sind 34 Isotope mit Massenzahlen zwischen 85 und 118 bekannt. Das langlebigste Isotop ist ^98Tc mit einer Halbwertszeit von 4,2 Millionen Jahren, danach folgen ^97Tc mit 2,6 Millionen Jahren und ^99Tc mit 211.100 Jahren. ^99Tc ist das häufigste und wirtschaftlich wichtigste Isotop; es gibt weiche Betastrahlung mit 293,6 keV ab und hat eine Aktivität von 620 Millionen Becquerel pro Gramm.
Für medizinische Zwecke wird Technetium meist über Molybdän-99 gewonnen. ^99Mo zerfällt mit einer Halbwertszeit von 2 Tagen und 19 Stunden zu metastabilem ^99mTc. Dieses Isotop hat eine Halbwertszeit von 6,01 Stunden und sendet Gammastrahlung aus, die in der Diagnostik genutzt wird. In der Praxis entsteht häufig nicht elementares Technetium, sondern das Pertechnetat-Ion TcO4^−, das anschließend chemisch weiterverarbeitet werden kann.
In Kernreaktoren entstehen jährlich mehrere Tonnen Technetium als Spaltprodukt von ^235U. Bis zum Beginn des 21. Jahrhunderts wurden künstlich mehr als 78 Tonnen Technetium hergestellt. Der größte Teil ist unerwünschter radioaktiver Abfall. Besonders ^99Tc ist wegen seiner Halbwertszeit von über 200.000 Jahren für die Lagerung wichtig und kann zwischen etwa 10.000 und 1.000.000 Jahren nach seiner Entstehung die dominante Strahlungsquelle sein.
Als Entsorgung werden geologische Formationen wie Salzstöcke erwogen, wobei Kritiker ein Auswaschen durch Wasser befürchten. Außerdem wird Transmutation untersucht: ^99Tc kann durch Neutroneneinfang in kurzlebiges Tc-100 umgewandelt werden, das zu stabilem Ruthenium-100 zerfällt. Laborversuche mit Teilchenbeschleunigern waren erfolgreich, die nötigen Energiemengen gelten aber als Hindernis.
Physikalische und chemische Eigenschaften
Technetium ist ein radioaktives Metall. In Pulverform erscheint es mattgrau, als größerer Festkörper silbergrau und platinähnlich. Reines Technetium kristallisiert im hexagonalen Kristallsystem; nanodisperses Technetium besitzt eine kubische Struktur. Es ist leicht paramagnetisch, das heißt, es wird in ein äußeres Magnetfeld hineingezogen.
Bei tiefen Temperaturen wird Technetium supraleitend, verliert also seinen elektrischen Widerstand. Im Artikel werden dafür Temperaturen unter 7,7 K beziehungsweise unter 8,2 K genannt; kleinste Verunreinigungen können diese Temperatur auf 11,2 K verändern. Nach Niob besitzt Technetium eine der höchsten Sprungtemperaturen unter Normaldruck.
Chemisch ähnelt Technetium stärker Rhenium als Mangan. Es besitzt sieben Valenzelektronen, wodurch die maximale Oxidationsstufe +VII möglich ist. Anders als Mangan bildet es kaum einfache Kationen und tritt selten im Oxidationszustand +II auf. In feuchter Luft läuft es langsam an. Pulverförmiges Technetium ist brennbar und reaktiver als kompaktes Metall; es reagiert heftig mit Halogenen. Es löst sich in oxidierenden Säuren wie konzentrierter Schwefelsäure oder Salpetersäure, nicht aber in Salzsäure oder Flusssäure.
Verwendung in Medizin und Technik
Die wirtschaftlich wichtigste Anwendung ist die Nuklearmedizin. Das metastabile Isotop ^99mTc eignet sich als Tracer, also als radioaktiver Markierungsstoff, für szintigrafische bildgebende Untersuchungen. Es hat eine kurze Halbwertszeit von 6,01 Stunden, sendet Gammastrahlung mit 140 keV aus und kann an viele Biomoleküle gekoppelt werden.
Bei solchen Untersuchungen werden Technetiumverbindungen mit organischen Liganden oder monoklonalen Antikörpern verbunden und in den Blutkreislauf gespritzt. Sie reichern sich in bestimmten Organen, Geweben oder Tumoren an. Die Gammastrahlung wird mit Detektoren gemessen und ermöglicht nicht-invasive Diagnosen. Untersucht werden können unter anderem Gehirn, Schilddrüse, Lunge, Leber, Gallenblase, Milz, Nieren, Knochengewebe und Teile des Darms. In den USA werden pro Jahr etwa sieben Millionen Einzeldosen ^99mTc für Diagnosen verabreicht.
Weitere Anwendungen sind seltener. ^99Tc kann als Betastrahlenquelle genutzt werden, weil bei seinem Zerfall keine Gammastrahlung auftritt. Außerdem gehören Pertechnetate zu den besten Rostschutzmitteln: 55 ppm Kaliumpertechnetat in belüftetem entionisiertem Wasser schützen Stahl bis 250 °C vor Korrosion. Wegen der Radioaktivität ist eine solche Nutzung aber auf abgeschlossene Systeme beschränkt. Pertechnetate sind auch wichtige Ausgangsstoffe der Technetiumchemie und dienen zum Beispiel bei der Herstellung des Radiopharmazeutikums Technetium(^99mTc)-Sestamibi.
Verbindungen und Sicherheit
Technetium bildet zahlreiche Verbindungen. Wichtig sind Pertechnetiumsäure HTcO4 und das Pertechnetat-Ion TcO4^−. Pertechnetat besteht aus einem Technetiumatom im Zentrum eines Tetraeders mit vier Sauerstoffatomen an den Ecken. Es ist im Vergleich zum Permanganat-Ion MnO4^− relativ reduktionsstabil; seine farblosen Salze wie Kaliumpertechnetat und Ammoniumpertechnetat sind nur schwache Oxidationsmittel.
Weitere Verbindungsklassen sind Oxide wie TcO2 und Tc2O7, Halogenide und Oxidhalogenide, Sulfide, Selenide und Telluride, Hydridokomplexe, Cluster sowie zahlreiche Komplexverbindungen. Diese Komplexchemie ist wegen der nuklearmedizinischen Bedeutung von Technetium besonders gut erforscht. Ein wichtiges Beispiel ist Technetium(^99mTc)-Sestamibi.
Technetium hat nach bisherigen Erkenntnissen nur eine geringe chemische Toxizität. Entscheidend ist die Radioaktivität aller Isotope. Sie müssen entsprechend ihrer Strahlungsintensität in Strahlenschutzbehältern aufbewahrt und als radioaktives Material gekennzeichnet werden. Die Betastrahlung von ^99Tc wird bereits durch Glas aufgehalten; bei 30 cm Abstand gilt die Belastung durch entstehende weiche Röntgenstrahlung als gering. Eingeatmeter Technetium-Staub ist deutlich gefährlicher, weil er sich in der Lunge festsetzen und das Krebsrisiko erhöhen kann. Laborarbeiten sollen daher unter einer Abzugshaube erfolgen; Augenschutz und Handschuhe werden empfohlen.