Радиолиз
Диссоциация молекул под действием ионизирующего излучения

Радиолиз — это диссоциация молекул под действием ионизирующего излучения . Это разрыв одной или нескольких химических связей в результате воздействия потока высокой энергии . Излучение в этом контексте связано с ионизирующим излучением ; поэтому радиолиз отличается, например, от фотолиза молекулы Cl2 на два радикала Cl-, где используется свет ( ультрафиолетовый или видимый спектр ) .

Химия концентрированных растворов под действием ионизирующего излучения чрезвычайно сложна. Радиолиз может локально изменять окислительно-восстановительные условия, а следовательно, и видообразование и растворимость соединений .

Разложение воды

Из всех изученных химических реакций, основанных на излучении, наиболее важным является разложение воды. [1] Под воздействием излучения вода подвергается последовательности распада на перекись водорода , водородные радикалы и различные кислородные соединения, такие как озон , которые при обратном превращении в кислород выделяют большое количество энергии. Некоторые из них взрывоопасны. Это разложение производится в основном альфа-частицами , которые могут полностью поглощаться очень тонкими слоями воды.

Подводя итог, радиолиз воды можно записать как: [2]

ЧАС 2 О → Ионизирующее излучение е водн. − , ХО ⋅ , ЧАС ⋅ , ХО 2 ⋅ , ЧАС 3 О + , ОЙ − , ЧАС 2 О 2 , ЧАС 2 {\displaystyle {\ce {H2O\;->[{\text{Ионизирующее излучение}}]\;e_{aq}^{-},HO*,H*,HO2*,H3O^{+},OH^{-},H2O2,H2}}}

Приложения

Прогнозирование и профилактика коррозии на атомных электростанциях

Считается, что повышенную концентрацию гидроксила, присутствующего в облученной воде во внутренних контурах теплоносителя легководного реактора, необходимо учитывать при проектировании атомных электростанций, чтобы предотвратить потерю теплоносителя в результате коррозии .

Производство водорода

Текущий интерес к нетрадиционным методам получения водорода побудил пересмотреть радиолитическое расщепление воды, где взаимодействие различных типов ионизирующего излучения (α, β и γ) с водой производит молекулярный водород. Эта переоценка была дополнительно вызвана текущей доступностью больших количеств источников излучения, содержащихся в топливе, выгружаемом из ядерных реакторов . Это отработанное топливо обычно хранится в водных бассейнах, ожидая постоянной утилизации или переработки . Выход водорода в результате облучения воды β и γ излучением низок (значения G = <1 молекулы на 100 электронвольт поглощенной энергии), но это в значительной степени связано с быстрой реассоциацией видов, возникающих во время начального радиолиза. Если присутствуют примеси или если созданы физические условия, которые препятствуют установлению химического равновесия, чистое производство водорода может быть значительно увеличено. [3]

Другой подход использует радиоактивные отходы в качестве источника энергии для регенерации отработанного топлива путем преобразования бората натрия в борогидрид натрия . Применяя правильную комбинацию элементов управления, можно производить стабильные соединения борогидрида и использовать их в качестве среды хранения водородного топлива.

Исследование, проведенное в 1976 году, показало, что можно сделать оценку порядка величины средней скорости производства водорода , которая может быть получена путем использования энергии, высвобождаемой посредством радиоактивного распада. На основе первичного молекулярного выхода водорода 0,45 молекул/100 эВ, можно было бы получить 10 тонн в день. Скорости производства водорода в этом диапазоне не являются незначительными, но они малы по сравнению со средним ежедневным использованием (1972) водорода в США около 2 x 10^4 тонн. Добавление донора атома водорода может увеличить это примерно в шесть раз. Было показано, что добавление донора атома водорода, такого как муравьиная кислота, увеличивает значение G для водорода примерно до 2,4 молекул на 100 поглощенных эВ. В том же исследовании сделан вывод, что проектирование такой установки, вероятно, будет слишком небезопасным, чтобы быть осуществимым. [4]

Отработанное ядерное топливо

Газообразование при радиолитическом разложении водородсодержащих материалов уже много лет является предметом беспокойства при транспортировке и хранении радиоактивных материалов и отходов. Могут образовываться потенциально горючие и едкие газы, в то же время химические реакции могут удалять водород, и эти реакции могут усиливаться присутствием радиации. Баланс между этими конкурирующими реакциями в настоящее время не очень хорошо известен.

Лучевая терапия

Когда радиация попадает в организм, она взаимодействует с атомами и молекулами клеток ( в основном, состоящими из воды), образуя свободные радикалы и молекулы, которые способны диффундировать достаточно далеко, чтобы достичь критической цели в клетке, ДНК , и повредить ее косвенно через некоторую химическую реакцию. Это основной механизм повреждения для фотонов, поскольку они используются, например, во внешней лучевой терапии .

Обычно радиолитические события, приводящие к повреждению ДНК (опухолевой) клетки, подразделяются на различные стадии, происходящие в разных временных масштабах: [5]

  • Физическая стадия ( ) заключается в выделении энергии ионизирующей частицей и последующей ионизации воды. 10 − 15   с {\displaystyle 10^{-15}~с}
  • На физико-химической стадии ( ) происходят многочисленные процессы, например, ионизированные молекулы воды могут расщепляться на гидроксильный радикал и молекулу водорода, или свободные электроны могут подвергаться сольватации . 10 − 15   -   10 − 12   с {\displaystyle 10^{-15}~{\text{-}}~10^{-12}~s}
  • На химической стадии ( ) первые продукты радиолиза реагируют друг с другом и с окружающей средой, образуя таким образом несколько активных форм кислорода , способных диффундировать. 10 − 12   -   10 − 6   s {\displaystyle 10^{-12}~{\text{-}}~10^{-6}~s}
  • На биохимической стадии ( до нескольких дней) эти активные формы кислорода могут разрушать химические связи ДНК, тем самым вызывая реакцию ферментов, иммунной системы и т. д. 10 − 6   s {\displaystyle 10^{-6}~s}
  • Наконец, на биологической стадии (от нескольких дней до нескольких лет) химическое повреждение может привести к биологической гибели клеток или онкогенезу , когда поврежденные клетки попытаются делиться.

История Земли

Было высказано предположение [6] , что на ранних стадиях развития Земли, когда ее радиоактивность была почти на два порядка выше, чем в настоящее время, радиолиз мог быть основным источником атмосферного кислорода, что обеспечивало условия для зарождения и развития жизни . Молекулярный водород и окислители, полученные в результате радиолиза воды, также могут служить постоянным источником энергии для подземных микробных сообществ (Pedersen, 1999). Такое предположение подтверждается открытием на золотом руднике Мпоненг в Южной Африке , где исследователи обнаружили сообщество , в котором доминирует новый филотип Desulfotomaculum , питающийся в основном радиолитически полученным H2 . [7] [8]

Методы

Импульсный радиолиз

Импульсный радиолиз — это современный метод инициирования быстрых реакций для изучения реакций, происходящих в масштабе времени менее ста микросекунд , когда простое смешивание реагентов слишком медленно и приходится использовать другие методы инициирования реакций.

Метод заключается в том, что образец материала подвергается воздействию пучка сильно ускоренных электронов , который генерируется линейным ускорителем . Он имеет множество применений. Он был разработан в конце 1950-х и начале 1960-х годов Джоном Кином в Манчестере и Джеком У. Боугом в Лондоне.

Флэш-фотолиз

Флэш-фотолиз — это альтернатива импульсному радиолизу, которая использует мощные световые импульсы (например, от эксимерного лазера ) вместо пучков электронов для инициирования химических реакций. Обычно используется ультрафиолетовый свет, который требует меньшей защиты от излучения, чем требуется для рентгеновских лучей, испускаемых при импульсном радиолизе.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Мария Кюри. «Traité de radioactivité», стр. v – xii. Опубликовано Готье-Вилларом в Париже, 1910 г.» . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  2. ^ Le Caër, Sophie (2011). «Радиолиз воды: влияние оксидных поверхностей на производство H2 под действием ионизирующего излучения». Вода . 3 : 235–253. doi : 10.3390/w3010235 .
  3. ^ "Радиолитическое расщепление воды: демонстрация на реакторе Pm3-a" . Получено 18 марта 2016 г.
  4. ^ Sauer, Jr., MC; Hart, EJ; Flynn, KF; Gindler, JE (1976). "Измерение выхода водорода при радиолизе воды растворенными продуктами деления". doi :10.2172/7347831 . Получено 26 сентября 2019 г. . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  5. ^ Холл, Э. Дж.; Джачча, А. Дж. (2006). Радиобиология для рентгенолога (6-е изд.).
  6. ^ Р. Богданов и Арно-Тоомас Пихлак из Санкт-Петербургского государственного университета
  7. ^ Ли-Хун Линь; Пей-Лин Ванг; Дуглас Рамбл; Джоанна Липпманн-Пипке; Эрик Бойс; Лиза М. Пратт; Барбара Шервуд Лоллар ; Эойн Л. Броди; Терри К. Хазен; Гэри Л. Андерсен; Тодд З. ДеСантис; Дуэйн П. Мозер; Дэйв Кершоу и TC Онстотт (2006). «Долгосрочная устойчивость биома земной коры с высокой энергией и низким разнообразием». Science . 314 (5798): 479–82. Bibcode :2006Sci...314..479L. doi :10.1126/science.1127376. PMID  17053150. S2CID  22420345.
  8. ^ «Радиоактивность может подпитывать жизнь глубоко под землей и внутри других миров». Журнал Quanta . 2021-05-24 . Получено 2021-06-03 .
  • Трактат о радиоактивности, от Марии Скодовской Кюри, опубликованный Готье в Париже, 1910 год.
  • Прекурсоры и переходные частицы в радиолизе конденсированной фазы
  • Радиолиз для регенерации бората
  • Радиолиз воды, возможный источник атмосферного кислорода
  • Диссоциация воды под действием лучистой энергии
  • Решение проблем газообразования в упаковках, содержащих радиоактивные отходы/материалы
Импульсный радиолиз
  • Что такое импульсный радиолиз?
  • [1]
  • Образование и обнаружение промежуточных продуктов при радиолизе воды, Приложение к радиационным исследованиям, том 4, Основные механизмы в радиационной химии водных сред. Труды конференции, спонсируемой Национальной академией наук -- Национальным исследовательским советом Соединенных Штатов, Гатлинбург, Теннесси, 9-10 мая 1963 г. (1964), стр. 1-23
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Radiolysis&oldid=1216084988"