砹

性质

砹具有极高的放射性。所有砹同位素的半衰期都在12小时以下，并会衰变成铋、钋、氡以及其他砹同位素。在首101种化学元素中，只有钫的稳定性比砹低。
人们对砹的宏观特性所知甚少。其寿命太短，因此可用于研究的量极为有限。可观量的砹元素会释放大量辐射，将自身加热，迅速气化。砹一般归为非金属或类金属。有科学家认为，砹能够形成凝聚态金属物质。

物理

砹的大部分物理特性都是根据理论或实验证据推算而得的。例如，卤素的原子量越高，色泽就越深（氟几乎无色，氯呈亮绿色，溴呈棕色，而碘呈深灰或紫色）。如果该趋势持续，那么砹将会具有黑色金属质地。根据类似的趋势，可推断砹的熔点和沸点比轻卤素都要高，估值分别为575 K和610 K。然而一些实验证据显示，砹的熔点和沸点有可能比理论预测的低。砹的升华作用比碘缓慢，其蒸气压也较低。在室温下把砹置于玻璃表面，1小时之后一半的砹会气化。砹在中紫外区的吸收光谱，线光谱分别为224.401和216.225 nm，显示了电子由6p到7s的跃迁。
固体砹的晶体结构目前是未知的，身为碘的类似物，它可能具有由砹的双原子分子组成的斜方晶系结构，且是一种半导体(能隙为0.7eV)。或者，如果由砹凝结形成金属相，则可能形成单原子的面心立方结构;而此结构可能为一超导体，和碘高压下的型态类似。对于砹是否会形成双原子分子（At₂），目前也未有证据证实或否定。某些文献主张At₂从未被观测到，因此并不存在；另一些文献则表示或暗示它是存在的。尽管争议持续，但是砹双原子分子的许多属性都有理论的预测值，如密度为6.2至6.5 g/cm³。键长为300±10pm，解离能为83.7±12.5 kJ / mol，汽化热(∆Hvap)为 54.39 kJ/mol。由于汽化热大于42 kJ / mol的元素在液体时是金属，砹可能是液态金属;此外，碘双原子分子之汽化热为41.71 kJ / mol，仅略低于门槛数字。

化学

砹的许多化学属性都是通过在极稀释的砹溶液中用放射性示踪剂进行研究得出的。大部分属性，例如负离子的形成等，都与其他卤素相符。它也同时拥有一些金属的特性，比如会电镀到阴极上，在氢氯酸中与金属的硫化物共沉淀，以及会在强酸中形成正离子。
砹在鲍林标度上的电负性为2.2，比碘的2.66低，与氢相同。但是砹化氢（HAt）的负电荷预计更靠向氢原子，且砹在阿莱﹣罗周标度（Allred-Rochow scale）上的电负性为1.9，比氢的2.2低，所以可能应更准确地称其为“氢化砹”。

化合物

砹的化学活性比碘低，因此是卤素中活性最低的元素。科学家成功合成了多种砹化合物，量极少。这些化合物会因砹的放射性而迅速瓦解，因此研究机会非常宝贵。实验一般把稀释砹溶液混合在大量的碘溶液中。碘作为载体，可保证有足够的量进行化学分析，如过滤和沉淀等。
早期研究砹化学的科学家已发现，砹可以和氢形成砹化氢。砹在（稀释）硝酸中会轻易氧化、酸化，形成At⁰或At⁺。加入银(I)会使小部分砹沉淀出来，形成砹化银(I)（AgAt）。相比之下，碘则不会被氧化，且会沉淀为碘化银(I)。
已知的金属砹化物很少，其中包括钯、银和铅的砹化物。利用推算的方法可以得出砹化银以及各种碱金属和碱土金属的砹化物的属性。
在气体状态下，砹会与其他卤素碘、溴和氯反应，形成双原子互卤化物，如AtI、AtBr和AtCl。Atl和AtBr可在水中产生：砹与碘/碘离子溶液反应形成AtI，砹与碘/一溴化碘/溴离子溶液反应形成AtBr。过量碘离子或溴离子会导致产生AtBr−
2和AtI−
2离子；在氯离子溶液中，反应会与氯离子达致平衡，产生AtCl−
2或AtBrCl⁻。在硝酸溶液中用重铬酸氧化砹元素，加入氯离子会产生一种分子，可能是AtCl或AtOCl。用类似的方法可以产生AtOCl−
2或AtCl−
2。在利用等离子离子源的质谱仪中，将其他卤素的气体加入到含有砹且充满氦气的空间中，会分别产生[AtI]⁺、[AtBr]⁺和[AtCl]⁺。这有助证明砹在等离子离子态下可以形成稳定的中性分子。人们尚未发现砹的任何氟化物。科学家猜测，这是因为这种化合物反应性极强，可能在形成后瞬间与容器玻璃壁反应产生不挥发的物质。虽然氟化砹有可能能够形成，但实验需要用到液态卤素氟化物。
砹在高氯酸溶液中与某些氧化剂（例如溴和过硫酸钠）反应，会产生AtO–、AtO−
2和AtO⁺。在氢氧化钾溶液中，次氯酸钾能把砹氧化，形成AtO−
3。用二氟化氙（在热碱性溶液中）或高碘酸（在中性或碱性溶液中）再次进行氧化，可产生高砹酸离子AtO−
4。不过，这种离子只有在中性或碱性溶液中才会稳定。在酸性溶液中，一价砹会和碘酸银(I)和重铬酸铊(I)等不可溶金属盐共沉淀。有科学家因此认为，砹能够以正离子的形式与含氧负离子（如碘酸和重铬酸离子等）形成盐。
砹可以和其他氧族元素成键，如和硫形成S₇At⁺、At(SCN)−
2，和硒形成硒脲配合物，以及和碲形成砹﹣碲胶体。另外，砹在适当条件下，还会与氮、铅和硼键合。
已知的有机砹化合物包括四砹化碳（CAt₄）。砹可以替换苯中的一个氢原子，形成C₆H₅At，氯可以再将其氧化为C₆H₅AtCl₂。该化合物在碱性次氯酸盐溶液中会转化为C₆H₅AtO₂。

历史

1869年德米特里·门捷列夫所发表的元素周期表中，碘以下的位置为空格。在尼尔斯·玻尔确立了化学元素分类的物理基础后，确定第五个卤素应该在碘以下。在正式发现之前，这一元素被称为eka-碘（eka在梵文中意为“一”），就是“碘之下一格”的意思。多人尝试在自然中寻找该元素，但由于其含量极为稀少，许多人的发现都是错误的。
美国阿拉巴马理工学院（今奥本大学）的弗雷德·艾利森（Fred Allison）等人在1931年首次声称发现85号元素。他们将该元素命名为“alabamine”，符号Ab，以纪念学院所在地阿拉巴马州。科学界在其后的几年中都使用这一名称。然而在1934年，伯克利加州大学的H·G·麦克弗森（H. G. MacPherson）推翻了艾利森的实验方法的有效性。1937年，英属印度达卡（今孟加拉达卡市）的化学家拉真达拉·德（Rajendralal De）也同样错误发现85号元素。他将其命名为“dakin”，并表示它是钍衰变系中与镭F（即钋-210）对等的核素。他的报告中关于这一元素的数据并不符合砹的属性，而至今dakin究竟是什么仍不得而知。
1936年，罗马尼亚物理学家霍里亚·胡卢贝伊和法国物理学家伊维特·哥舒瓦宣称发现元素85号。经由X射线分析, 于1939年他们发表另一篇支持并延伸过去资料的论文。 1944年，胡卢贝伊发表了他上次获得的资料摘要， 并宣称此资料应证了其他研究员的成果。他选择了“dor”(推测是罗马尼亚语中和平长久的意思)作为元素85号的名字。1947年，胡卢贝伊的主张被奥地利化学家弗里德里希·阿道夫·帕内特否认，弗里德里希·阿道夫·帕内特在后来IUPAC负责认知新元素的委员会中就任要职。即使胡卢贝伊的样本包含了砹，但弗里德里希·阿道夫·帕内特表示根据目前的标准，胡卢贝伊检测它的手段缺乏力度， 无法正确识别。胡卢贝伊还参与了早先关于元素87（francium）之发现的虚假声明，有些人认为这使得其他研究人员淡化胡卢贝伊的成果。

1940年，瑞士化学家瓦尔特·敏德（Walter Minder）宣布在镭A（即钋-218）的β衰变产物中发现第85号元素，并以瑞士的拉丁文名称“Helvetia”将该元素命名为“helvetium”。不过，贝尔塔·卡尔利克（Berta Karlik）和特罗德·贝尔奈（Traude Bernert）无法重现实验的结果，因此推论敏德实验所用的氡气受到了污染（氡-222是钋-218的母同位素）。1942年，敏德与英国科学家爱丽丝·雷-史密斯（Alice Leigh-Smith）合作，宣布在钍A（即钋-216）的β衰变产物中发现85号元素的另一同位素。他们将其命名为“anglo-helvetium”，其中的“anglo”是英国的意思。卡尔利克和贝尔奈同样无法重现这一结果。
1940年，戴尔·科尔森（Dale R. Corson）、肯尼斯·罗斯·麦肯西（Kenneth Ross MacKenzie）和埃米利奥·塞格雷终于在伯克利加州大学成功分离出该元素。他们并没有在自然界中寻找，而是在回旋加速器中对铋-209进行α粒子撞击来合成砹元素（释放两个中子后形成砹-211）。产物迅速进行放射性衰变，因此发现团队将其取名为“astatine”，词源为希腊文中的“ἄστατος”（ástatos，意为“不稳定”）。三年后，卡尔利克和贝尔奈在自然产生的衰变链中发现了砹元素。此后科学家在一共四个自然衰变链中的三个当中发现了砹。
科尔森和同事们根据分析化学将砹分类为金属。随后的研究人员报告砹具有类似碘的性质， 可形成阳离子，且具两性(化学)特质。科尔森在2003年的一次回顾展中写道，“砹的一些特性与碘相似。砹也具有金属特性，更像金属邻居钋和铋。

自然存量

砹是自然界中最稀有的非超铀元素，在地壳中每一时刻只有不到1克的总量。所有在地球形成时存在的砹元素都早已衰变殆尽了，而今天自然中的砹都是重元素的衰变产物。砹曾经被认为是地球上最稀有的元素，但科学家之后发现高浓度含铀矿藏里含有经中子捕获产生的超铀元素锫，而锫比砹更稀有。
自然产生的砹同位素共有6种（砹-214至砹-219）。它们的半衰期都很短，所以都只以痕量存在。没有数据显示砹能在恒星中形成。
其中四种自然同位素（砹-215、217、218和219）是在自然衰变链中发现的。钫-223是砹-219的母同位素，其α衰变几率只有0.006%，所以就算和其他砹同位素相比，砹-219同样极为稀有。然而它的半衰期却是所有自然砹同位素中最长的（56秒）。砹-219会衰变成钋-215，再经β衰变形成砹-215，几率只有0.00023%。南北美洲16公里深的地壳以内，每一时刻只有大约一兆（万亿）个砹-215原子。砹-218是钋-218的β衰变产物，可在自然中出现。与钫-223和钋-215一样，形成砹的途径并不是主要的衰变途径。不过，镎衰变系从镎-237开始，一直到钫-221都只有唯一的衰变途径，而钫-221也只会衰变成砹-217。
自然同位素镤-226、227和228会经三重α衰变产生砹-214、215和216。但是这些同位素也都非常稀有，所以砹-214至216一般都不被当做是自然同位素。

分离

核反应过后所产生的砹与各种其他元素混杂，因此需要经过分离过程。 含有砹元素的铋目标体加热至270 °C，这可气化所有挥发性放射性同位素。之后温度提高至800 °C。虽然80%的砹会在此温度下气化，但铋也同时开始气化。砹的气化过程在600 °C以下速率较慢，但在800 °C以上就会迅速从铋表面上挥发出来。 气体凝聚后在水冷铂表面上收集，再转移到U形石英器皿中。石英器皿再加温至130 °C，以移除杂质（一般是钋），然后到500 °C。这时气化了的砹可收集到指形冷凝器中。这样得出的纯化砹可以用弱硝酸溶液洗出冷凝器，作化学和物理分析等用途。这种方法的砹产量可以达到30%。

干法分离

将砹放入回旋加速器加热至约650℃就会挥发,通常在冷阱中冷凝。高于850℃的温度可能会增加产量，同时存在因挥发而被铋污染的风险，可能需要重新蒸馏冷凝物以使铋的存在量最小化（因为铋会干扰砹的放射性示踪剂反应）。使用一种或多种低浓度溶剂如氢氧化钠、甲醇或氯仿从捕集器中回收砹，回收率可高达80%。干法分离是生产砹最常用的方式。

湿法分离

首先将受辐射照过的铋（或是三氧化二铋）溶解在浓硝酸或过氯酸中。接下来，可以蒸馏掉酸以留下含有铋和所需的砹的白色残余物。然后将该残余物溶于浓酸中。使用有机溶剂如二丁醚或异丙醚，二异丙基醚（DIPE）或氨基脲从该酸中提取砹。使用溶剂提取，用酸（例如氢氯酸）反复洗涤砹的产物，并萃取到有机溶剂中。已知使用硝酸的分离产率为93％，在完成纯化程序时降至72％（使用硝酸蒸馏，清除残留的氮氧化物再以溶剂提取溶解硝酸铋）。湿法分离涉及“多重放射性处理步骤”，并且不适合分离大量的砹。然而，湿法分离仍被研究以生产更大量的砹-211，因为湿法分离可以提供更高的一致性。.湿法分离能够在特定的氧化数下产生砹，并且在放射化学实验中有更大的应用性。