Radioliza

Radioliza to dysocjacja cząsteczek pod wpływem promieniowania jonizującego . Jest to rozerwanie jednego lub kilku wiązań chemicznych w wyniku wystawienia na działanie strumienia o wysokiej energii. Promieniowanie w tym kontekście jest kojarzone z promieniowaniem jonizującym ; Dlatego radiolizę odróżnia Cl2 _się na przykład od fotolizy cząsteczki na dwa rodniki Cl- , gdzie wykorzystuje się światło ( ultrafioletowe lub widmo widzialne ) .

Na przykład woda dysocjuje pod wpływem promieniowania alfa na rodnik wodorowy i rodnik hydroksylowy , w przeciwieństwie do jonizacji wody, która wytwarza jon wodorowy i jon wodorotlenkowy . Chemia stężonych roztworów pod wpływem promieniowania jonizującego jest niezwykle złożona. Radioliza może lokalnie modyfikować warunki redoks , a tym samym specjację i rozpuszczalność związków.

Rozkład wody

Ze wszystkich zbadanych reakcji chemicznych opartych na promieniowaniu najważniejszy jest rozkład wody. Pod wpływem promieniowania woda ulega rozkładowi na nadtlenek wodoru , rodniki wodorowe i różne związki tlenowe, takie jak ozon , które po ponownym przekształceniu w tlen uwalniają ogromne ilości energii. Niektóre z nich są wybuchowe. Rozkład ten jest powodowany głównie przez cząstki alfa , które mogą zostać całkowicie wchłonięte przez bardzo cienkie warstwy wody.

Podsumowując, radiolizę wody można zapisać jako:

$> [{\ tekst{promieniowanie jonizujące}}]\;e_{aq}^{-},HO*,H*,HO2*,H3O^{+},OH^{-},H2O2,H2}}}$

Aplikacje

Prognozowanie i zapobieganie korozji w elektrowniach jądrowych

Uważa się, że przy projektowaniu elektrowni jądrowych należy uwzględnić zwiększone stężenie grup hydroksylowych obecnych w napromieniowanej wodzie w wewnętrznych obiegach chłodziwa reaktora lekkowodnego , aby zapobiec utracie chłodziwa w wyniku korozji .

Produkcja wodoru

Obecne zainteresowanie nietradycyjnymi metodami wytwarzania wodoru skłoniło do ponownego rozważenia problemu radiolitycznego rozszczepiania wody, podczas którego w wyniku oddziaływania różnych rodzajów promieniowania jonizującego (α, β i γ) z wodą powstaje wodór cząsteczkowy. Do tej ponownej oceny przyczyniła się także obecna dostępność dużych ilości źródeł promieniowania zawartych w paliwie odprowadzanym z reaktorów jądrowych . Wypalone paliwo jądrowe jest zwykle przechowywane w basenach wodnych i oczekuje na trwałe unieszkodliwienie lub ponowne przetworzenie . Uzysk wodoru powstałego w wyniku napromieniowania wody promieniowaniem β i γ jest niski (wartości G = <1 cząsteczka na 100 elektronowoltów pochłoniętej energii), ale wynika to głównie z szybkiego ponownego łączenia się gatunków powstających podczas początkowej radiolizy. Jeśli obecne są zanieczyszczenia lub powstają warunki fizyczne uniemożliwiające osiągnięcie równowagi chemicznej, można znacznie zwiększyć produkcję netto wodoru.

Inne podejście wykorzystuje odpady radioaktywne jako źródło energii do regeneracji wypalonego paliwa jądrowego poprzez przekształcenie boranu sodu w borowodorek sodu . Stosując odpowiednią kombinację środków kontrolnych, można wytworzyć stabilne związki borowodorkowe i zastosować je jako nośnik paliwa wodorowego.

Badanie przeprowadzone w 1976 roku wykazało, że można oszacować rząd wielkości średniego tempa produkcji wodoru, które można uzyskać poprzez wykorzystanie energii uwalnianej w wyniku rozpadu radioaktywnego. Opierając się na wydajności pierwotnego wodoru cząsteczkowego wynoszącej 0,45 cząsteczki/100 eV, możliwe byłoby uzyskanie 10 ton dziennie. Wskaźniki produkcji wodoru w tym zakresie nie są małe, ale niewielkie w porównaniu ze średnim dziennym zużyciem (1972) wodoru w USA wynoszącym około 2 x 10^4 ton. Dodanie donora atomu wodoru mogłoby zwiększyć tę wartość około sześciokrotnie. Wykazano, że dodatek donora atomu wodoru, takiego jak kwas mrówkowy, zwiększa wartość G wodoru do około 2,4 cząsteczek na 100 zaabsorbowanych eV. W tym samym badaniu stwierdzono, że zaprojektowanie takiego obiektu byłoby prawdopodobnie zbyt niebezpieczne, aby było wykonalne.

Wypalone paliwo nuklearne

Wytwarzanie gazu w wyniku radiolitycznego rozkładu materiałów zawierających wodór jest od wielu lat przedmiotem zainteresowania w kontekście transportu i przechowywania materiałów i odpadów promieniotwórczych. Mogą powstawać potencjalnie palne i żrące gazy, a jednocześnie reakcje chemiczne mogą usuwać wodór, a reakcje te mogą być wzmocnione przez obecność promieniowania. Równowaga między tymi konkurencyjnymi reakcjami nie jest obecnie dobrze znana.

Radioterapia

Kiedy promieniowanie dostanie się do organizmu, będzie oddziaływać z atomami i cząsteczkami komórek ( głównie zbudowanymi z wody), tworząc wolne rodniki i cząsteczki, które są w stanie rozproszyć się na tyle daleko, aby dotrzeć do krytycznego celu w komórce, DNA i uszkodzić pośrednio poprzez jakąś reakcję chemiczną. Jest to główny mechanizm uszkadzania fotonów, stosowanych na przykład w radioterapii wiązkami zewnętrznymi .

Zazwyczaj zdarzenia radiolityczne prowadzące do uszkodzenia DNA komórek (nowotworowych) dzieli się na różne etapy, które zachodzą w różnych skalach czasowych:

• Etap fizyczny ( $) polega na$ energii przez cząstkę jonizującą i wynikającą z tego
• Na $_$ fizykochemicznym ( wiele cząsteczki wody mogą rozpaść się na rodnik hydroksylowy , a cząsteczka wodoru lub wolne elektrony mogą ulec solwatacji .
• Na $_$ chemicznym ( _ innymi i z otoczeniem, wytwarzając w ten sposób kilka reaktywnych form tlenu , które są zdolne do dyfuzji.
• Na etapie biochemicznym ( $układu$ ) te reaktywne formy tlenu mogą rozrywać wiązania chemiczne DNA, wywołując w ten sposób reakcję enzymów, itp.
• Wreszcie, na etapie biologicznym (od dni do lat) uszkodzenia chemiczne mogą przełożyć się na biologiczną śmierć komórki lub onkogenezę , gdy uszkodzone komórki próbują się podzielić.

Historia Ziemi

Sugerowano, że we wczesnych stadiach rozwoju Ziemi, kiedy jej radioaktywność była prawie o dwa rzędy wielkości wyższa niż obecnie, radioliza mogła być głównym źródłem tlenu atmosferycznego, który zapewniał warunki do powstania i rozwoju życia . Wodór cząsteczkowy i utleniacze wytwarzane w wyniku radiolizy wody mogą również stanowić ciągłe źródło energii dla podpowierzchniowych drobnoustrojów (Pedersen, 1999). Takie spekulacje potwierdza odkrycie w kopalni złota Mponeng w Republice Południowej Afryki , gdzie badacze odkryli zbiorowisko zdominowane przez nowy filotyp H2 wytwarzanym radiolitycznie _{Desulfotomaculum} , żywiący się głównie .

Metody

Radioliza impulsowa

Radioliza impulsowa to najnowsza metoda inicjowania szybkich reakcji, służąca do badania reakcji zachodzących w skali czasu szybszej niż około sto mikrosekund , gdy proste mieszanie odczynników jest zbyt wolne i należy zastosować inne metody inicjowania reakcji.

Technika ta polega na poddaniu próbki materiału wiązce bardzo przyspieszonych elektronów , gdzie wiązka jest generowana przez liniak . Ma wiele zastosowań. Został opracowany na przełomie lat pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku przez Johna Keene'a w Manchesterze i Jacka W. Boaga w Londynie.

Fotoliza błyskawiczna

Fotoliza błyskawiczna jest alternatywą dla radiolizy impulsowej, która wykorzystuje impulsy świetlne o dużej mocy (np. z lasera ekscymerowego ) zamiast wiązek elektronów do inicjowania reakcji chemicznych. Zwykle stosuje się światło ultrafioletowe, które wymaga mniejszej osłony przed promieniowaniem niż jest to wymagane w przypadku promieni rentgenowskich emitowanych podczas radiolizy impulsowej.

Zobacz też

• Chemia radiacyjna

Linki zewnętrzne

• Traité de radioactivité, par Marie Skodowska Curie, wyd. Gauthier w Paryżu, 1910.
• Gatunki prekursorowe i przejściowe w radiolizie w fazie skondensowanej
• Radioliza w regeneracji boranów
• Radioliza wody, możliwe źródło tlenu atmosferycznego
• Dysocjacja wody przez energię promienistą
• Rozwiązywanie problemów związanych z wytwarzaniem gazu w opakowaniach zawierających odpady/materiały radioaktywne

Radioliza impulsowa

• Co to jest radioliza impulsowa
• [1]
• Tworzenie i wykrywanie półproduktów w radiolizie wody, dodatek dotyczący badań nad promieniowaniem, tom. 4, Podstawowe mechanizmy w chemii radiacyjnej ośrodków wodnych. Materiały z konferencji sponsorowanej przez Narodową Akademię Nauk – National Research Council of the United States, Gatlinburg, Tennessee, 9–10 maja 1963 (1964), s. 1–23