43. Technetium (Tc) - Das erste künstliche Element

0:00 Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen. Wenn dir der Podcast gefällt, bewerte ihn bitte, das hilft uns, weitere Folgen zu produzieren heute begeben wir uns auf eine Reise zu einem ganz besonderen Element es ist ein Element, das in den Lehrbüchern lange Zeit als Lücke im Periodensystem klaffte, das Generationen von Chemiker. Innen zur Verzweiflung brachte und das schließlich nicht in einer Mine, nicht in einem Kristall und nicht in einem Erz entdeckt wurde, sondern in einem Teilchenbeschleuniger geboren wurde.

0:41 Es ist das erste Element, das von Menschenhand künstlich erzeugt wurde, lange bevor man wusste, dass es auch in winzigen Mengen in der Natur vorkommt. Sein Name leitet sich vom griechischen Wort Technetos ab, was so viel wie künstlich bedeutet. Heute geht es um Technetium mit dem chemischen Symbol TC und der Ordnungszahl 43.

1:06 Lass uns gemeinsam ein Element kennenlernen, das die Geschichte der Chemie veränderte, das in fast jedem größeren Krankenhaus der Welt täglich leben rettet und das gleichzeitig in den Atmosphären weit entfernter Sterne nachgewiesen werden konnte. Und damit eine fundamentale Erkenntnis über die Entstehung der Elemente im Universum lieferte. Technicium steht im Periodensystem in der 5. Periode und in der siebten Gruppe der sogenannten Mangan Gruppe.

1:37 Gemeinsam mit Mangan, Rhenium und dem künstlich erzeugten Borium. Mit der Ordnungszahl 43 sitzt es genau zwischen Molybdän und Ruthenium und nimmt dort eine Position ein, die für die Chemie eine ganz besondere Bedeutung hat. Die Elektronenkonfiguration lautet in der Kurzschreibweise Krypton. Plus 4 d. Hoch 5 und 5 esse hoch 2 mit einer Halbgefüllten. 4 d Schale. Die für eine ausgeprägte Vielfalt an Oxidationsstufen sorgt.

2:11 Technetium kann in seinen Verbindungen oxidationsstufen von 1 bis plus 7 annehmen, wobei die Stufe plus 7 etwa im Pertecnetat Anion in vielen Anwendungen eine Zentrale. Rolle spielt die Atommasse von Technetium wird üblicherweise mit 98 angegeben, was der Massenzahl seines am häufigsten zur Charakterisierung herangezogenen Isotops entspricht. Damit kommen wir zu einer der bemerkenswertesten Eigenschaften dieses Elements.

2:44 Technetium hat keine stabilen Isotope, alle bisher bekannten Isotope von Technetium sind radioaktiv und zerfallen über kurz oder lang in andere Elemente. Insgesamt sind über 30 Isotope bekannt, mit Massenzahlen von 85 bis 120. Die langlebigsten unter ihnen sind Technetium, 97 mit einer Halbwertszeit von rund 4,2 Millionen Jahren, Technetium, 98 mit etwa 4,2 Millionen Jahren und das Nuklearmedizinisch wichtigste Technetium 99 mit einer Halbwertszeit von rund 211000 Jahren.

3:26 Diese Halbwertszeiten klingen nach langen Zeiträumen, die. Sind aber im Vergleich zum Alter der Erde von 4,54 Milliarden Jahren so kurz, dass praktisch alles ursprünglich auf unserem Planeten vorhandene Technetium längst zerfallen ist. Genau das ist der Grund, warum Technetium auf der Erde im Lehrbuchsinne als nicht natürlich vorkommend gilt.

3:49 Reines metallisches Technetium ist ein silbergraues, glänzendes Metall mit ausgesprochen hoher Dichte von 11,5 Gramm. Pro Kubikzentimeter. Es schmilzt bei 2157 Grad Celsius und siedet bei rund 4262 Grad Celsius, womit es zur Gruppe der Refraktärmetalle gezählt werden kann. In seinen physikalischen Eigenschaften ähnelt es stark seinem Nachbarn rhenium und seinem gruppenkollegen Mangan, wobei es in mancher Hinsicht zwischen diesen beiden Elementen vermittelt. Eine besonders bemerkenswerte Eigenschaft ist die Supraleitfähigkeit unterhalb von 7,46 Kelvin, also rund 265,7 Grad Celsius, wird reines Technetium supraleitend und verliert jeglichen elektrischen Widerstand. Technetium gehört damit zu den

4:50 Elementen mit den höchsten Sprungtemperaturen unter den reinen Metallen, vergleichbar mit Niob und Blei. Chemisch ist Technetium an Luft bei Raumtemperatur in Pulverform anfällig für eine langsame Oxidation, während kompaktes Metall sich an trockener Luft passiviert und stabil bleibt. Bei höheren Temperaturen verbrennt das Metall an Luft zu technetiumheptoxid, einer gelblichen, flüchtigen Verbindung mit der Summenformel TC 2 O 7.

5:22 In wässriger Lösung dominiert das Pertechnetat Anion. Ein tetraetrisch aufgebautes Ion aus einem Technetiumatom und 4 Sauerstoffatomen mit einer einfach negativen Ladung, das chemisch dem Permanganat ähnelt, sich aber in seiner Reaktionsfreudigkeit deutlich unterscheidet. Per Technetat ist erstaunlich beständig ungiftig in den medizinisch verwendeten Konzentrationen und besitzt eine bemerkenswerte Eigenschaft. Die in der industriellen Korrosionsschutztechnik genutzt wurde, schon Konzentrationen von wenigen 10 Mikromol pro Liter genügen, um Eisen und unlegierte Stähle in sauerstofffreiem Wasser nahezu vollständig vor Korrosion zu schützen. Aufgrund der Radioaktivität bleibt diese faszinierende Eigenschaft jedoch eine

6:16 Laborkuriosität ohne breite technische Anwendung wenden wir uns nun der Geschichte der Entdeckung zu. Denn diese ist eine der spannendsten und längsten Detektivgeschichten der Chemiegeschichte. Schon Dimitri Mendelejew sagte in seiner berühmten Periodensystemvorhersage von 1869 voraus, dass es ein Element zwischen Molybdän und Rothenium geben müsse, mit Eigenschaften ähnlich dem Mangan. Er nannte es vorläufig eka Mangan und beschrieb erstaunlich präzise, wie es sich verhalten sollte. In den folgenden Jahrzehnten gingen Chemiker innen weltweit auf die Suche nach diesem fehlenden Element. Mehrfach glaubten Forschende, es gefunden zu haben. 1828 wurde ein angebliches Element namens Polinium beschrieben, 1846 ein ilmenium, 1847, ein pelopium und

7:17 1877 ein Daphium. All diese Behauptungen erwiesen sich später als Verwechslungen mit bereits bekannten Elementen oder als Verunreinigungen. Eine der dramatischsten Episoden ereignete sich 1925 die deutschen Chemiker innen Walter Noddack, Ida Tacke und Otto Berg untersuchten Mineralien wie Kolumbit und Gardolinit mit der damals brandneuen Methode der Röntgenspektroskopie und behaupteten.

7:48 Gleichzeitig 2 neue Elemente gefunden zu haben. Das Element 75, das sie rhenium nannten, und das Element 43, das sie Masurium tauften, nach der Region Masuren im damaligen Ostpreußen. Die Entdeckung des Rheniums wurde später bestätigt, doch die Existenz des Masuriums blieb umstritten. Andere Forschungsgruppen konnten die Ergebnisse für Element 43 nicht reproduzieren und die Empfindlichkeit der damaligen Geräte reichte vermutlich nicht aus, um die winzigen Mengen, die in den untersuchten Mineralien tatsächlich vorhanden sein könnten, eindeutig nachzuweisen.

8:29 Die Frage, ob Noddack, Tacke und Berg tatsächlich bereits 1925 Spuren des Elements 43 detektiert hatten, beschäftigt Wissenschaftshistoriker. Innen bis heute blieb jedoch offen, die endgültige Entdeckung sollte erst 1937 erfolgen und sie geschah auf eine Weise, die für die damalige Zeit revolutionär war. Der italienische Physiker Emilio Segre war im Sommer 1936 in Berkeley, Kalifornien, zu Besuch, um den dortigen Zyklotron Beschleuniger zu studieren. Ernest Lawrence, der Erfinder des Zyklotrons. Schenkte Segrae zum Abschied ein Stück Molybdänblech, das im Inneren des Beschleunigers als Ablenkblech gedient hatte und über mehrere Monate mit Deuteronen, also Kernen, aus schwerem Wasserstoff, beschossen

9:23 worden war. Segrae nahm das Blech mit nach Palermo in Sizilien, wo er gemeinsam mit dem Mineralogen Carlo Perier daraus winzige Mengen einer neuen Substanz isolieren konnte, mit chemischen Methoden. Die sich an Mendelejews Vorhersagen für Ekamangan orientierten, gelang ihnen der Nachweis, dass es sich um Atome des Elements 43 handelte. 1947 erhielt das Element offiziell den Namen Technetium, abgeleitet vom griechischen Technetos, also künstlich in Anlehnung an die Tatsache, dass es das erste Element war, das nicht in der Natur, sondern durch menschliche Aktivität in einem Beschleuniger erzeugt wurde, die.

10:09 Damit war Technetium für lange Zeit das Paradebeispiel eines rein synthetischen Elements. Doch die Geschichte hatte noch eine Wendung bereit 1952 entdeckte der amerikanische Astronom Paul W. Merrill in den Spektren bestimmter roter Riesensterne der S klasse Spektrallinien, die eindeutig zu Technetium gehörten.

10:32 Da die Halbwertszeiten aller Technetiumisotope viel kürzer sind als das Alter dieser Sterne, konnte das beobachtete Technetium nicht aus der Sternentstehungsphase übrig sein. Es musste im Inneren der Sterne aktuell durch Kernfusion neu produziert werden. Diese Beobachtung war der erste direkte Beweis dafür, dass schwere Elemente in Sternen entstehen.

10:55 Und lieferte einen entscheidenden Baustein für die heute akzeptierte Theorie der Nukleosynthese in Sternen, wie sie 1957 in der berühmten B 2 FH Arbeit von Margret und Geoffrey Burbidge, William Fowler und Fred Hoyle formuliert wurde. Technetium wurde damit zum kosmischen Zeugen der ständigen Schöpfung von Materie im Universum, auch auf der Erde, wurde später entdeckt. Dass winzige Spuren von technetium 99 natürlich vorkommen, nämlich in Uranerzen.

11:31 Sie entstehen dort durch spontane Spaltung von Uran, 238 sowie durch Neutronen induzierte Spaltung in einem Kilogramm Uranerz finden sich auf diese Weise etwa ein paar Nanogramm technetium 99, also Millionstel Milligramm, eine zweite. Technisch hochrelevante Quelle ist die menschengemachte Kernspaltung. Tecnetium 990 ist eines der Hauptspaltprodukte sowohl von Uran 235 als auch von Plutonium 239 pro Spaltung entsteht es mit einer Ausbeute von rund 6% in den abgebrannten Brennelementen der Welt haben sich seit Beginn der zivilen Kernenergie. Inzwischen mehrere 10000 Tonnen Technetium 99 angesammelt, was es zudem mit Abstand am häufigsten in technischen Mengen verfügbaren Element macht.

12:32 Das in der Natur nicht in nennenswerten Mengen vorkommt. Die mit Abstand wichtigste und faszinierendste Anwendung des Technetiums liegt in der Medizin, hier kommt das metastabile Isotop Technetium 99 m ins Spiel. Kurz TC 99 met. Das m steht für Metastabil und bezeichnet einen angeregten Kernzustand, der mit einer Halbwertszeit von rund 6 Stunden unter Aussendung eines einzelnen Gammaquans von 140 Kiloelektronenvolt in den Grundzustand technetium 99 übergeht.

13:08 Diese Eigenschaften sind aus medizinischer Sicht nahezu ideal. Die Energie des Gamma Quants ist hoch genug, um das menschliche Gewebe ohne wesentliche Schwächung zu durchdringen und niedrig genug, um von einer Gamma Kamera effizient detektiert zu werden. Die Halbwertszeit von 6 Stunden ist lang genug, um eine sorgfältige Untersuchung durchzuführen, aber kurz genug, dass die Strahlenbelastung der Patient innen nach wenigen Tagen praktisch vollständig abgeklungen ist.

13:42 Hinzu kommt die enorme chemische Vielseitigkeit des Technetiums, die. Die es erlaubt, das Radioesotop in eine Vielzahl von Trägermolekülen einzubauen, die gezielt bestimmte Organe oder Gewebe ansteuern. In der Praxis kommt der EC 99 on aus sogenannten Molybdaen Technetiumgeneratoren, im Fachjargon liebevoll als Molycaus bezeichnet, weil sie regelmäßig gemolken werden.

14:12 In ihrem Inneren befindet sich eine Säule mit Aluminiumoxid. An die das radioaktive Mutterisotop Molybdän 99 gebunden ist, mit einer Halbwertszeit von rund 66 Stunden zerfällt Molybdän 99 fortlaufend in TC 99 M, das durch Spülen der Säule mit physiologischer Kochsalzlösung als Pertecnetatlösung entnommen werden kann.

14:42 Diese Lösung wird in der Nuklearmedizinischen Abteilung sofort weiterverarbeitet und mit verschiedenen Komplexbildnern zu spezialisierten Radiopharmaka umgesetzt. Mit Methylendiphosphonat, kurz MD P, entsteht ein Knochensintigraphiemittel, das sich in Bereichen mit erhöhtem Knochenstoffwechsel anreichert und etwa zur Diagnose von Knochenmetastasen oder Frakturen genutzt wird.

15:10 Mit dem Komplexbildner Sestamibi entsteht ein Mittel zur Untersuchung der Herzdurchblutung. Pentatinsäurekomplexe ermöglichen die Beurteilung der Nierenfunktion und mit Makroaggregierten Albuminpartikeln wird die Lungenperfusion bei Verdacht auf eine Lungenembolie sichtbar gemacht. Weltweit werden jedes Jahr zwischen 30 und 40000000 nuklearmedizinische Untersuchungen mit TC 99 Meter durchgeführt, was es zum mit Abstand am häufigsten verwendeten Diagnostikradionuklid macht.

15:43 Die Versorgungssicherheit ist ein globales Thema, denn Molybdent 99 wird derzeit nur in einer Handvoll Forschungsreaktoren weltweit produziert, etwa in den Niederlanden. Belgien, Australien, Südafrika und Argentinien. Wenn einer dieser alternden Reaktoren ausfällt, entstehen schnell weltweite Engpässe.

16:08 Aus diesem Grund wird intensiv an alternativen Produktionswegen gearbeitet, etwa der Erzeugung in Beschleunigern oder die Nutzung niedrig angereicherten Urans, um Proliferationsrelevante Anreicherungen zu vermeiden. Ein zweites Anwendungsfeld ist die Strahlenforschung selbst. Technetium 99 dient als Modellnuklid in Studien zur Endlagerung radioaktiver Abfälle, denn es ist langlebig, gut wasserlöslich in Form des Pertechnetat Anions und damit potentiell mobil im Grundwasser. Verständnis und Rückhaltung dieses Isotops in geologischen Endlagern sind Forschungsthemen, die in zahlreichen Ländern bearbeitet werden, auch hier zeigt sich, dass die Verantwortung für radioaktive Abfälle. Aus der Kernenergienutzung eine

16:58 Aufgabe ist, die Generationen überspannt und uns in Bezug auf langfristiges Denken herausfordert. In der Grundlagenforschung der Anorganischen Chemie nimmt Technetium ebenfalls einen besonderen Platz ein. Forschende untersuchen die einzigartige Koordinationschemie des Elements, etwa Mehrfachbindungen zwischen 2 Technetiumatomen. Gemischte Oxidationsstufen und ungewöhnliche Clusterverbindungen da Technetium aus radioaktiven Abfällen in nennenswerten Mengen verfügbar ist und sich chemisch vielseitig verhält, dient es als ideales Untersuchungsobjekt für die Entwicklung neuer Trennverfahren in der Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen. Spannend ist auch die astrophysikalische Bedeutung. Heute weiß man, dass Technetium

17:51 in roten Riesensternen der späten S und C Klasse durch den sogenannten S Prozess entsteht. Das langsame Einfangen von Neutronen durch schwerere Kerne wie Molybdän, gefolgt von Beta zerfällen, da das gebildete Technetium in den Atmosphären solcher Sterne sichtbar wird, bevor es zerfällt, dient seine Beobachtung als unmittelbarer Beweis für die Wirksamkeit dieses Prozesses. Und für das Vorhandensein von Konvektionsströmungen, die frisch erzeugte Elemente aus dem Sterneninneren an die Oberfläche transportieren.

18:26 Toxikologisch und strahlenbiologisch ist technetium 99 Omit in den medizinisch verwendeten Mengen vergleichsweise unbedenklich, die mit einer typischen Knochensintigraphie verbundene effektive Strahlendosis liegt im Bereich von 4 bis 6 Millisifert. Also etwa der Größenordnung der natürlichen jährlichen Strahlenbelastung.

18:50 In einigen Regionen der Erde. Die kurze Halbwertszeit und die rasche Ausscheidung über die Nieren tragen dazu bei, dass die Patientinnen und Patienten bereits nach wenigen Tagen wieder unbedenklich sind. Das langlebige TC 99 hingegen muss als langlebiger radioaktiver Abfall sorgfältig gehandhabt werden. Denn seine Betastrahlung ist zwar relativ niedrig energetisch, doch die lange Halbwertszeit und die hohe Mobilität in der Umwelt machen es zu einer kritischen Komponente in allen Endlagerszenarien. Wenn wir all diese Aspekte zusammenfassen, dann zeigt sich Technetium als ein Element von außergewöhnlicher wissenschaftlicher und praktischer Bedeutung. Es ist das Element, das die Theorie des Periodensystems eindrucksvoll bestätigte, indem

19:41 ein Vorhergesagtes das. Aber lange nicht gefundenes Element, schließlich künstlich erzeugt werden konnte. Es ist das Element, das durch seine Beobachtung in Sternen die moderne Theorie der Stellaren Nukleosynthese begründete, und es ist das Element, das in fast jeder größeren Klinik der Welt täglich dazu beiträgt, Krankheiten frühzeitig zu erkennen und leben zu verlängern, und genau hier dürfen wir kurz innehalten. Die Geschichte des Technetiums erzählt auf eindrucksvolle Weise, was möglich wird, wenn Wissenschaft, internationale Zusammenarbeit und gesellschaftliches Vertrauen zusammenkommen.

20:22 Die nuklearmedizinische Versorgung mit TC 99 M hängt an einem fragilen Netz weniger Forschungsreaktoren auf mehreren Kontinenten, an offenen Lieferketten und an verlässlichen Internationalen Übereinkommen, sie funktioniert nur in Gesellschaften. In denen Forschung frei betrieben werden darf, in denen Wissenschaftler innen, Mediziner innen und Patient innen gleichermaßen geschützt sind und in denen langfristige Verantwortung für radioaktive Abfälle ernst genommen wird. Solche Strukturen sind keine Selbstverständlichkeit, sondern Errungenschaften demokratischer Gesellschaften, die sich der Erkenntnis und dem wohl ihrer Bürgerinnen und Bürger verpflichtet fühlen.

21:06 Der Schutz unserer Umwelt vor radioaktiven Hinterlassenschaften und der Schutz unserer demokratischen Strukturen, die solche internationale Wissenschaft erst möglich machen, sind 2 Seiten derselben Medaille. Beides ist kostbar, beides ist verletzlich und beides verdient unser tägliches Engagement. Damit sind wir am Ende unserer Reise zum Element Technetium angekommen, wir haben ein Element kennengelernt, dessen Name künstlich bedeutet.

21:35 Und das doch in fernen Sternen. Ganz natürlich entsteht. Wir haben gesehen, wie eine Lücke im Periodensystem erst nach Jahrzehnten geduldiger Suche geschlossen werden konnte und wie ein synthetisches Element heute die medizinische Diagnostik weltweit prägt. Vielleicht denkst du beim nächsten Blick in den Sternenhimmel, beim nächsten Bericht über die Endlagersuche. Oder bei der nächsten medizinischen Untersuchung mit nuklearmedizinischen Methoden für einen kurzen Moment an dieses leise wirkende, niemals stille Element, dessen Atome in jedem Augenblick tausendfach zerfallen und damit Geschichten von Sternen, von menschlicher Neugier und von praktischer Heilkunst miteinander verweben.

22:18 Vielen Dank, dass du dir Zeit genommen hast für diese Folge der Wissensreise durch das Periodensystem der Elemente. Bis zum nächsten Mal, wenn wir uns gemeinsam einem weiteren faszinierenden Element auf unserer Reise durch die Welt der Atome zuwenden.