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43. Technetium (Tc) - Das erste künstliche Element · Das Periodensystem der Elemente

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Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
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Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
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Loslassen und lernen. Wenn dir der Podcast gefällt,
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bewerte ihn bitte, das hilft uns, weitere Folgen zu
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produzieren heute begeben wir uns auf eine Reise zu einem ganz
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besonderen Element es ist ein Element, das in den Lehrbüchern
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lange Zeit als Lücke im Periodensystem klaffte, das
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Generationen von Chemiker. Innen zur Verzweiflung brachte
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und das schließlich nicht in einer Mine, nicht in einem
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Kristall und nicht in einem Erz entdeckt wurde, sondern in einem
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Teilchenbeschleuniger geboren wurde.
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Es ist das erste Element, das von Menschenhand künstlich
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erzeugt wurde, lange bevor man wusste, dass es auch in winzigen
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Mengen in der Natur vorkommt. Sein Name leitet sich vom
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griechischen Wort Technetos ab, was so viel wie künstlich
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bedeutet. Heute geht es um Technetium mit
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dem chemischen Symbol TC und der Ordnungszahl 43.
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Lass uns gemeinsam ein Element kennenlernen, das die Geschichte
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der Chemie veränderte, das in fast jedem größeren Krankenhaus
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der Welt täglich leben rettet und das gleichzeitig in den
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Atmosphären weit entfernter Sterne nachgewiesen werden
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konnte. Und damit eine fundamentale
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Erkenntnis über die Entstehung der Elemente im Universum
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lieferte. Technicium steht im
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Periodensystem in der 5. Periode und in der siebten
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Gruppe der sogenannten Mangan Gruppe.
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Gemeinsam mit Mangan, Rhenium und dem künstlich erzeugten
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Borium. Mit der Ordnungszahl 43 sitzt es
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genau zwischen Molybdän und Ruthenium und nimmt dort eine
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Position ein, die für die Chemie eine ganz besondere Bedeutung
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hat. Die Elektronenkonfiguration
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lautet in der Kurzschreibweise Krypton.
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Plus 4 d. Hoch 5 und 5 esse hoch 2 mit
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einer Halbgefüllten. 4 d Schale. Die für eine ausgeprägte
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Vielfalt an Oxidationsstufen sorgt.
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Technetium kann in seinen Verbindungen oxidationsstufen
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von 1 bis plus 7 annehmen, wobei die Stufe plus 7 etwa im
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Pertecnetat Anion in vielen Anwendungen eine Zentrale.
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Rolle spielt die Atommasse von Technetium wird üblicherweise
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mit 98 angegeben, was der Massenzahl seines am häufigsten
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zur Charakterisierung herangezogenen Isotops
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entspricht. Damit kommen wir zu einer der
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bemerkenswertesten Eigenschaften dieses Elements.
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Technetium hat keine stabilen Isotope, alle bisher bekannten
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Isotope von Technetium sind radioaktiv und zerfallen über
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kurz oder lang in andere Elemente.
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Insgesamt sind über 30 Isotope bekannt, mit Massenzahlen von 85
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bis 120. Die langlebigsten unter ihnen
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sind Technetium, 97 mit einer Halbwertszeit von rund 4,2
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Millionen Jahren, Technetium, 98 mit etwa 4,2 Millionen Jahren
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und das Nuklearmedizinisch wichtigste Technetium 99 mit
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einer Halbwertszeit von rund 211000 Jahren.
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Diese Halbwertszeiten klingen nach langen Zeiträumen, die.
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Sind aber im Vergleich zum Alter der Erde von 4,54 Milliarden
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Jahren so kurz, dass praktisch alles ursprünglich auf unserem
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Planeten vorhandene Technetium längst zerfallen ist.
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Genau das ist der Grund, warum Technetium auf der Erde im
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Lehrbuchsinne als nicht natürlich vorkommend gilt.
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Reines metallisches Technetium ist ein silbergraues, glänzendes
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Metall mit ausgesprochen hoher Dichte von 11,5 Gramm.
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Pro Kubikzentimeter. Es schmilzt bei 2157 Grad
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Celsius und siedet bei rund 4262 Grad Celsius, womit es zur
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Gruppe der Refraktärmetalle gezählt werden kann.
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In seinen physikalischen Eigenschaften ähnelt es stark
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seinem Nachbarn rhenium und seinem gruppenkollegen Mangan,
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wobei es in mancher Hinsicht zwischen diesen beiden Elementen
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vermittelt. Eine besonders bemerkenswerte
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Eigenschaft ist die Supraleitfähigkeit unterhalb von
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7,46 Kelvin, also rund 265,7 Grad Celsius, wird reines
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Technetium supraleitend und verliert jeglichen elektrischen
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Widerstand. Technetium gehört damit zu den
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Elementen mit den höchsten Sprungtemperaturen unter den
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reinen Metallen, vergleichbar mit Niob und Blei.
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Chemisch ist Technetium an Luft bei Raumtemperatur in Pulverform
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anfällig für eine langsame Oxidation, während kompaktes
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Metall sich an trockener Luft passiviert und stabil bleibt.
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Bei höheren Temperaturen verbrennt das Metall an Luft zu
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technetiumheptoxid, einer gelblichen, flüchtigen
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Verbindung mit der Summenformel TC 2 O 7.
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In wässriger Lösung dominiert das Pertechnetat Anion.
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Ein tetraetrisch aufgebautes Ion aus einem Technetiumatom und 4
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Sauerstoffatomen mit einer einfach negativen Ladung, das
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chemisch dem Permanganat ähnelt, sich aber in seiner
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Reaktionsfreudigkeit deutlich unterscheidet.
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Per Technetat ist erstaunlich beständig ungiftig in den
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medizinisch verwendeten Konzentrationen und besitzt eine
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bemerkenswerte Eigenschaft. Die in der industriellen
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Korrosionsschutztechnik genutzt wurde, schon Konzentrationen von
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wenigen 10 Mikromol pro Liter genügen, um Eisen und unlegierte
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Stähle in sauerstofffreiem Wasser nahezu vollständig vor
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Korrosion zu schützen. Aufgrund der Radioaktivität
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bleibt diese faszinierende Eigenschaft jedoch eine
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Laborkuriosität ohne breite technische Anwendung wenden wir
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uns nun der Geschichte der Entdeckung zu.
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Denn diese ist eine der spannendsten und längsten
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Detektivgeschichten der Chemiegeschichte.
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Schon Dimitri Mendelejew sagte in seiner berühmten
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Periodensystemvorhersage von 1869 voraus, dass es ein Element
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zwischen Molybdän und Rothenium geben müsse, mit Eigenschaften
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ähnlich dem Mangan. Er nannte es vorläufig eka
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Mangan und beschrieb erstaunlich präzise, wie es sich verhalten
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sollte. In den folgenden Jahrzehnten
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gingen Chemiker innen weltweit auf die Suche nach diesem
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fehlenden Element. Mehrfach glaubten Forschende, es
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gefunden zu haben. 1828 wurde ein angebliches Element namens
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Polinium beschrieben, 1846 ein ilmenium, 1847, ein pelopium und
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1877 ein Daphium. All diese Behauptungen erwiesen
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sich später als Verwechslungen mit bereits bekannten Elementen
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oder als Verunreinigungen. Eine der dramatischsten Episoden
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ereignete sich 1925 die deutschen Chemiker innen Walter
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Noddack, Ida Tacke und Otto Berg untersuchten Mineralien wie
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Kolumbit und Gardolinit mit der damals brandneuen Methode der
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Röntgenspektroskopie und behaupteten.
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Gleichzeitig 2 neue Elemente gefunden zu haben.
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Das Element 75, das sie rhenium nannten, und das Element 43, das
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sie Masurium tauften, nach der Region Masuren im damaligen
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Ostpreußen. Die Entdeckung des Rheniums
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wurde später bestätigt, doch die Existenz des Masuriums blieb
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umstritten. Andere Forschungsgruppen konnten
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die Ergebnisse für Element 43 nicht reproduzieren und die
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Empfindlichkeit der damaligen Geräte reichte vermutlich nicht
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aus, um die winzigen Mengen, die in den untersuchten Mineralien
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tatsächlich vorhanden sein könnten, eindeutig nachzuweisen.
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Die Frage, ob Noddack, Tacke und Berg tatsächlich bereits 1925
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Spuren des Elements 43 detektiert hatten, beschäftigt
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Wissenschaftshistoriker. Innen bis heute blieb jedoch
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offen, die endgültige Entdeckung sollte erst 1937 erfolgen und
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sie geschah auf eine Weise, die für die damalige Zeit
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revolutionär war. Der italienische Physiker Emilio
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Segre war im Sommer 1936 in Berkeley, Kalifornien, zu
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Besuch, um den dortigen Zyklotron Beschleuniger zu
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studieren. Ernest Lawrence, der Erfinder
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des Zyklotrons. Schenkte Segrae zum Abschied ein
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Stück Molybdänblech, das im Inneren des Beschleunigers als
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Ablenkblech gedient hatte und über mehrere Monate mit
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Deuteronen, also Kernen, aus schwerem Wasserstoff, beschossen
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worden war. Segrae nahm das Blech mit nach
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Palermo in Sizilien, wo er gemeinsam mit dem Mineralogen
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Carlo Perier daraus winzige Mengen einer neuen Substanz
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isolieren konnte, mit chemischen Methoden.
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Die sich an Mendelejews Vorhersagen für Ekamangan
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orientierten, gelang ihnen der Nachweis, dass es sich um Atome
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des Elements 43 handelte. 1947 erhielt das Element offiziell
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den Namen Technetium, abgeleitet vom griechischen Technetos, also
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künstlich in Anlehnung an die Tatsache, dass es das erste
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Element war, das nicht in der Natur, sondern durch menschliche
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Aktivität in einem Beschleuniger erzeugt wurde, die.
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Damit war Technetium für lange Zeit das Paradebeispiel eines
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rein synthetischen Elements. Doch die Geschichte hatte noch
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eine Wendung bereit 1952 entdeckte der amerikanische
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Astronom Paul W. Merrill in den Spektren
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bestimmter roter Riesensterne der S klasse Spektrallinien, die
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eindeutig zu Technetium gehörten.
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Da die Halbwertszeiten aller Technetiumisotope viel kürzer
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sind als das Alter dieser Sterne, konnte das beobachtete
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Technetium nicht aus der Sternentstehungsphase übrig
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sein. Es musste im Inneren der Sterne
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aktuell durch Kernfusion neu produziert werden.
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Diese Beobachtung war der erste direkte Beweis dafür, dass
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schwere Elemente in Sternen entstehen.
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Und lieferte einen entscheidenden Baustein für die
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heute akzeptierte Theorie der Nukleosynthese in Sternen, wie
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sie 1957 in der berühmten B 2 FH Arbeit von Margret und Geoffrey
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Burbidge, William Fowler und Fred Hoyle formuliert wurde.
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Technetium wurde damit zum kosmischen Zeugen der ständigen
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Schöpfung von Materie im Universum, auch auf der Erde,
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wurde später entdeckt. Dass winzige Spuren von
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technetium 99 natürlich vorkommen, nämlich in Uranerzen.
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Sie entstehen dort durch spontane Spaltung von Uran, 238
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sowie durch Neutronen induzierte Spaltung in einem Kilogramm
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Uranerz finden sich auf diese Weise etwa ein paar Nanogramm
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technetium 99, also Millionstel Milligramm, eine zweite.
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Technisch hochrelevante Quelle ist die menschengemachte
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Kernspaltung. Tecnetium 990 ist eines der
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Hauptspaltprodukte sowohl von Uran 235 als auch von Plutonium
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239 pro Spaltung entsteht es mit einer Ausbeute von rund 6% in
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den abgebrannten Brennelementen der Welt haben sich seit Beginn
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der zivilen Kernenergie. Inzwischen mehrere 10000 Tonnen
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Technetium 99 angesammelt, was es zudem mit Abstand am
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häufigsten in technischen Mengen verfügbaren Element macht.
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Das in der Natur nicht in nennenswerten Mengen vorkommt.
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Die mit Abstand wichtigste und faszinierendste Anwendung des
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Technetiums liegt in der Medizin, hier kommt das
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metastabile Isotop Technetium 99 m ins Spiel.
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Kurz TC 99 met. Das m steht für Metastabil und
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bezeichnet einen angeregten Kernzustand, der mit einer
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Halbwertszeit von rund 6 Stunden unter Aussendung eines einzelnen
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Gammaquans von 140 Kiloelektronenvolt in den
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Grundzustand technetium 99 übergeht.
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Diese Eigenschaften sind aus medizinischer Sicht nahezu
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ideal. Die Energie des Gamma Quants ist
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hoch genug, um das menschliche Gewebe ohne wesentliche
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Schwächung zu durchdringen und niedrig genug, um von einer
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Gamma Kamera effizient detektiert zu werden.
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Die Halbwertszeit von 6 Stunden ist lang genug, um eine
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sorgfältige Untersuchung durchzuführen, aber kurz genug,
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dass die Strahlenbelastung der Patient innen nach wenigen Tagen
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praktisch vollständig abgeklungen ist.
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Hinzu kommt die enorme chemische Vielseitigkeit des Technetiums,
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die. Die es erlaubt, das Radioesotop
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in eine Vielzahl von Trägermolekülen einzubauen, die
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gezielt bestimmte Organe oder Gewebe ansteuern.
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In der Praxis kommt der EC 99 on aus sogenannten Molybdaen
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Technetiumgeneratoren, im Fachjargon liebevoll als
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Molycaus bezeichnet, weil sie regelmäßig gemolken werden.
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In ihrem Inneren befindet sich eine Säule mit Aluminiumoxid.
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An die das radioaktive Mutterisotop Molybdän 99
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gebunden ist, mit einer Halbwertszeit von rund 66
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Stunden zerfällt Molybdän 99 fortlaufend in TC 99 M, das
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durch Spülen der Säule mit physiologischer Kochsalzlösung
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als Pertecnetatlösung entnommen werden kann.
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Diese Lösung wird in der Nuklearmedizinischen Abteilung
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sofort weiterverarbeitet und mit verschiedenen Komplexbildnern zu
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spezialisierten Radiopharmaka umgesetzt.
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Mit Methylendiphosphonat, kurz MD P, entsteht ein
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Knochensintigraphiemittel, das sich in Bereichen mit erhöhtem
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Knochenstoffwechsel anreichert und etwa zur Diagnose von
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Knochenmetastasen oder Frakturen genutzt wird.
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Mit dem Komplexbildner Sestamibi entsteht ein Mittel zur
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Untersuchung der Herzdurchblutung.
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Pentatinsäurekomplexe ermöglichen die Beurteilung der
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Nierenfunktion und mit Makroaggregierten
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Albuminpartikeln wird die Lungenperfusion bei Verdacht auf
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eine Lungenembolie sichtbar gemacht.
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Weltweit werden jedes Jahr zwischen 30 und 40000000
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nuklearmedizinische Untersuchungen mit TC 99 Meter
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durchgeführt, was es zum mit Abstand am häufigsten
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verwendeten Diagnostikradionuklid macht.
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Die Versorgungssicherheit ist ein globales Thema, denn
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Molybdent 99 wird derzeit nur in einer Handvoll
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Forschungsreaktoren weltweit produziert, etwa in den
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Niederlanden. Belgien, Australien, Südafrika
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und Argentinien. Wenn einer dieser alternden
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Reaktoren ausfällt, entstehen schnell weltweite Engpässe.
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Aus diesem Grund wird intensiv an alternativen Produktionswegen
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gearbeitet, etwa der Erzeugung in Beschleunigern oder die
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Nutzung niedrig angereicherten Urans, um
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Proliferationsrelevante Anreicherungen zu vermeiden.
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Ein zweites Anwendungsfeld ist die Strahlenforschung selbst.
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Technetium 99 dient als Modellnuklid in Studien zur
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Endlagerung radioaktiver Abfälle, denn es ist langlebig,
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gut wasserlöslich in Form des Pertechnetat Anions und damit
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potentiell mobil im Grundwasser. Verständnis und Rückhaltung
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dieses Isotops in geologischen Endlagern sind Forschungsthemen,
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die in zahlreichen Ländern bearbeitet werden, auch hier
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zeigt sich, dass die Verantwortung für radioaktive
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Abfälle. Aus der Kernenergienutzung eine
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Aufgabe ist, die Generationen überspannt und uns in Bezug auf
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langfristiges Denken herausfordert.
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In der Grundlagenforschung der Anorganischen Chemie nimmt
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Technetium ebenfalls einen besonderen Platz ein.
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Forschende untersuchen die einzigartige Koordinationschemie
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des Elements, etwa Mehrfachbindungen zwischen 2
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Technetiumatomen. Gemischte Oxidationsstufen und
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ungewöhnliche Clusterverbindungen da
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Technetium aus radioaktiven Abfällen in nennenswerten Mengen
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verfügbar ist und sich chemisch vielseitig verhält, dient es als
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ideales Untersuchungsobjekt für die Entwicklung neuer
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Trennverfahren in der Wiederaufarbeitung von
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Kernbrennstoffen. Spannend ist auch die
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astrophysikalische Bedeutung. Heute weiß man, dass Technetium
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in roten Riesensternen der späten S und C Klasse durch den
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sogenannten S Prozess entsteht. Das langsame Einfangen von
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Neutronen durch schwerere Kerne wie Molybdän, gefolgt von Beta
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zerfällen, da das gebildete Technetium in den Atmosphären
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solcher Sterne sichtbar wird, bevor es zerfällt, dient seine
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Beobachtung als unmittelbarer Beweis für die Wirksamkeit
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dieses Prozesses. Und für das Vorhandensein von
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Konvektionsströmungen, die frisch erzeugte Elemente aus dem
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Sterneninneren an die Oberfläche transportieren.
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Toxikologisch und strahlenbiologisch ist
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technetium 99 Omit in den medizinisch verwendeten Mengen
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vergleichsweise unbedenklich, die mit einer typischen
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Knochensintigraphie verbundene effektive Strahlendosis liegt im
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Bereich von 4 bis 6 Millisifert. Also etwa der Größenordnung der
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natürlichen jährlichen Strahlenbelastung.
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In einigen Regionen der Erde. Die kurze Halbwertszeit und die
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rasche Ausscheidung über die Nieren tragen dazu bei, dass die
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Patientinnen und Patienten bereits nach wenigen Tagen
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wieder unbedenklich sind. Das langlebige TC 99 hingegen
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muss als langlebiger radioaktiver Abfall sorgfältig
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gehandhabt werden. Denn seine Betastrahlung ist
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zwar relativ niedrig energetisch, doch die lange
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Halbwertszeit und die hohe Mobilität in der Umwelt machen
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es zu einer kritischen Komponente in allen
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Endlagerszenarien. Wenn wir all diese Aspekte
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zusammenfassen, dann zeigt sich Technetium als ein Element von
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außergewöhnlicher wissenschaftlicher und
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praktischer Bedeutung. Es ist das Element, das die
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Theorie des Periodensystems eindrucksvoll bestätigte, indem
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ein Vorhergesagtes das. Aber lange nicht gefundenes
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Element, schließlich künstlich erzeugt werden konnte.
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Es ist das Element, das durch seine Beobachtung in Sternen die
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moderne Theorie der Stellaren Nukleosynthese begründete, und
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es ist das Element, das in fast jeder größeren Klinik der Welt
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täglich dazu beiträgt, Krankheiten frühzeitig zu
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erkennen und leben zu verlängern, und genau hier
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dürfen wir kurz innehalten. Die Geschichte des Technetiums
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erzählt auf eindrucksvolle Weise, was möglich wird, wenn
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Wissenschaft, internationale Zusammenarbeit und
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gesellschaftliches Vertrauen zusammenkommen.
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Die nuklearmedizinische Versorgung mit TC 99 M hängt an
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einem fragilen Netz weniger Forschungsreaktoren auf mehreren
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Kontinenten, an offenen Lieferketten und an
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verlässlichen Internationalen Übereinkommen, sie funktioniert
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nur in Gesellschaften. In denen Forschung frei
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betrieben werden darf, in denen Wissenschaftler innen, Mediziner
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innen und Patient innen gleichermaßen geschützt sind und
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in denen langfristige Verantwortung für radioaktive
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Abfälle ernst genommen wird. Solche Strukturen sind keine
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Selbstverständlichkeit, sondern Errungenschaften demokratischer
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Gesellschaften, die sich der Erkenntnis und dem wohl ihrer
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Bürgerinnen und Bürger verpflichtet fühlen.
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Der Schutz unserer Umwelt vor radioaktiven
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Hinterlassenschaften und der Schutz unserer demokratischen
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Strukturen, die solche internationale Wissenschaft erst
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möglich machen, sind 2 Seiten derselben Medaille.
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Beides ist kostbar, beides ist verletzlich und beides verdient
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unser tägliches Engagement. Damit sind wir am Ende unserer
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Reise zum Element Technetium angekommen, wir haben ein
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Element kennengelernt, dessen Name künstlich bedeutet.
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Und das doch in fernen Sternen. Ganz natürlich entsteht.
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Wir haben gesehen, wie eine Lücke im Periodensystem erst
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nach Jahrzehnten geduldiger Suche geschlossen werden konnte
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und wie ein synthetisches Element heute die medizinische
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Diagnostik weltweit prägt. Vielleicht denkst du beim
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nächsten Blick in den Sternenhimmel, beim nächsten
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Bericht über die Endlagersuche. Oder bei der nächsten
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medizinischen Untersuchung mit nuklearmedizinischen Methoden
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für einen kurzen Moment an dieses leise wirkende, niemals
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stille Element, dessen Atome in jedem Augenblick tausendfach
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zerfallen und damit Geschichten von Sternen, von menschlicher
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Neugier und von praktischer Heilkunst miteinander verweben.
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Vielen Dank, dass du dir Zeit genommen hast für diese Folge
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der Wissensreise durch das Periodensystem der Elemente.
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Bis zum nächsten Mal, wenn wir uns gemeinsam einem weiteren
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faszinierenden Element auf unserer Reise durch die Welt der
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Atome zuwenden.