Радиационная химия - Radiation chemistry

Радиационная химия является подразделением ядерная химия это исследование химического воздействия излучения на материю; это очень отличается от радиохимия поскольку в материале, который химически изменяется под действием излучения, не должно быть радиоактивности. Примером может служить превращение воды в водород газ и пероксид водорода.

Радиационное взаимодействие с веществом

Когда ионизирующее излучение проходит через вещество, его энергия выделяется за счет взаимодействия с электронами поглотителя.[1] Результатом взаимодействия между излучением и поглощающими частицами является удаление электрона от атома или молекулярной связи с образованием радикалы и возбужденные виды. Затем радикальные частицы вступают в реакцию друг с другом или с другими молекулами в их окрестностях. Именно реакции радикальных частиц ответственны за изменения, наблюдаемые после облучения химической системы.[2]

Заряженные частицы излучения (α- и β-частицы) взаимодействуют через Кулоновский силы между зарядами электронов в поглощающей среде и заряженной радиационной частицей. Эти взаимодействия происходят непрерывно на пути падающей частицы до тех пор, пока кинетическая энергия частицы не будет достаточно истощена. Незаряженные частицы (γ-фотоны, рентгеновские лучи) подвергаются одному событию на фотон, полностью потребляя энергию фотона и приводя к выбросу электрона из одного атома.[3] Электроны с достаточной энергией продолжают взаимодействовать с поглощающей средой так же, как β-излучение.

Важным фактором, который отличает разные типы излучения друг от друга, является линейная передача энергии (ПОЗВОЛЯТЬ ), которая представляет собой скорость, с которой излучение теряет энергию с расстоянием, пройденным через поглотитель. Частицы с низкой ЛПЭ обычно имеют низкую массу, либо фотоны, либо частицы с массой электронов (β частицы, позитроны ) и редко взаимодействуют на своем пути через поглотитель, приводя к изолированным областям активных радикалов. Частицы с высокой ЛПЭ обычно больше по массе, чем один электрон,[4] например, α-частицы, и быстро теряют энергию, что приводит к скоплению событий ионизации в непосредственной близости друг от друга. Следовательно, тяжелая частица проходит относительно небольшое расстояние от своего источника.

Области, содержащие высокую концентрацию химически активных веществ после поглощения энергии излучения, называются шпорами. В среде, облученной излучением с низкой ЛПЭ, шпоры редко распределены по дорожке и не могут взаимодействовать. Для излучения с высокой ЛПЭ шпоры могут перекрываться, что позволяет проводить реакции между шпорами, что приводит к разным выходам продуктов по сравнению с той же средой, облученной той же энергией излучения с низкой ЛПЭ.[5]

Восстановление органических веществ сольватированными электронами

Недавнее направление работы - уничтожение токсичных органических соединений с помощью облучения;[6] после облучения "диоксины "(полихлордибензо-п-диоксины) дехлорируются так же, как ПХД могут быть преобразованы в бифенил и неорганический хлорид. Это потому, что сольватированные электроны реагировать с органическим соединением с образованием радикальный анион, который разлагается при потере хлористый анион. Если дезоксигенированная смесь ПХБ в изопропанол или же минеральное масло облучается гамма излучение, то ПХБ будут дехлорированы с образованием неорганических хлористый и бифенил. Реакция лучше всего протекает в изопропаноле, если гидроксид калия (едкий калий ) добавлен. Основание депротонирует гидроксидиметилметильный радикал, который превращается в ацетон и сольватированный электрон, в результате чего значение G (выход для данной энергии из-за излучения, осажденного в системе) хлорида может быть увеличено, потому что излучение теперь запускает цепную реакцию, Теперь каждый сольватированный электрон, образованный действием гамма-лучей, может преобразовать более одной молекулы ПХБ.[7][8] Если кислород, ацетон, оксид азота, гексафторид серы или же нитробензол[9] присутствует в смеси, то скорость реакции снижается. Эта работа была проделана недавно в США, часто с использованными ядерное топливо как источник излучения.[10][11]

Помимо работ по разрушению арилхлоридов было показано, что алифатический хлор и бром такие соединения, как перхлорэтилен,[12] Фреон (1,1,2-трихлор-1,2,2-трифторэтан) и галон-2402 (1,2-дибром-1,1,2,2-тетрафторэтан) может дегалогенироваться под действием излучения на щелочные растворы изопропанола. Снова сообщается о цепной реакции.[13]

Помимо работ по восстановлению органических соединений облучением, сообщалось о некоторых работах по радиационному окислению органических соединений. Например, использование радиогенной перекиси водорода (образующейся при облучении) для удаления серы из каменный уголь было сообщено. В этом исследовании было обнаружено, что добавление марганец диоксида к углю увеличивает скорость удаления серы.[14] Деградация нитробензол сообщалось как в восстановительных, так и в окислительных условиях в воде.[15]

Восстановление соединений металлов

Сообщалось, что помимо восстановления органических соединений сольватированными электронами при облучении пертехнетат раствор при pH 4,1 превращается в коллоид диоксида технеция. При облучении раствора при pH 1,8 образуются растворимые комплексы Tc (IV). Облучение раствора при pH 2,7 приводит к образованию смеси коллоида и растворимых соединений Tc (IV).[16] Гамма-облучение было использовано в синтезе наночастицы из золото на оксиде железа (Fe2О3).[17][18]

Показано, что облучение водных растворов вести соединения приводит к образованию элементарного свинца. Когда неорганическое твердое вещество, такое как бентонит и формиат натрия, то свинец удаляют из водного раствора.[19]

Полимерная модификация

Другая ключевая область использует радиационную химию для модификации полимеров. Используя излучение, можно преобразовать мономеры к полимеры, для сшивания полимеров и разрыва полимерных цепей.[20][21] Как искусственные, так и природные полимеры (например, углеводы[22]) можно обработать таким образом.

Химия воды

Оба вредных воздействия радиации на биологические системы (индукция рак и острые лучевые поражения ), а полезные эффекты лучевой терапии связаны с радиационной химией воды. Подавляющее большинство биологических молекул присутствует в водной среде; когда вода подвергается воздействию радиации, вода поглощает энергию и в результате образует химически активные частицы, которые могут взаимодействовать с растворенными веществами (растворенные вещества ). Вода ионизируется с образованием сольватированный электрон и H2О+, H2О+ катион может реагировать с водой с образованием гидратированного протона (H3О+) и гидроксильный радикал (HO.). Кроме того, сольватированный электрон может рекомбинировать с H2О+ катион для образования возбужденного состояния воды. Это возбужденное состояние затем распадается на такие виды, как гидроксильные радикалы (HO.), атомы водорода (H.) и атомов кислорода (O.). Наконец, сольватированный электрон может реагировать с растворенными веществами, такими как сольватированные протоны или молекулы кислорода, с образованием атомов водорода и анион-радикалов дикислорода соответственно. Тот факт, что кислород изменяет радиационную химию, может быть одной из причин, почему оксигенированные ткани более чувствительны к облучению, чем деоксигенированные ткани в центре опухоли. Свободные радикалы, такие как гидроксильный радикал, химически модифицируют биомолекулы, такие как ДНК, что приводит к повреждению, например, разрывам цепей ДНК. Некоторые вещества могут защищать от повреждений, вызванных радиацией, реагируя с химически активными частицами, образующимися при облучении воды.

Важно отметить, что химически активные частицы, генерируемые излучением, могут принимать участие в следующие реакции, это похоже на идею неэлектрохимических реакций, которые следуют за электрохимическим событием, которое наблюдается в циклическая вольтамперометрия когда происходит необратимое событие. Например, SF5 радикал, образованный реакцией сольватированных электронов и SF6 претерпевают дальнейшие реакции, которые приводят к образованию фтороводород и серная кислота.[23]

В воде реакция димеризации гидроксильных радикалов может образовывать пероксид водорода, а в солевых системах реакция гидроксильных радикалов с хлористый формы анионов гипохлорит анионы.

Было высказано предположение, что воздействие радиации на подземные воды отвечает за образование водорода, который бактерии преобразовали в метан.[2].[24] Серия статей о бактериях, живущих под поверхностью земли, которые питаются водородом, генерируемым радиолиз воды можно прочитать в режиме онлайн.[25]

Оборудование

Радиационная химия, применяемая в промышленном технологическом оборудовании

Для обработки материалов можно использовать либо источник гамма-излучения, либо электронный луч. Международный тип IV (влажное хранение) облучатель представляет собой обычную конструкцию, из которых гамма-стерилизаторы JS6300 и JS6500 (производства Nordion International)[3], которые раньше торговались как «Атомная энергия Канады Лтд.») являются типичными примерами.[26] В этих облучательных установках источник хранится в глубоком колодце, наполненном водой, когда он не используется. Когда требуется источник, он перемещается по стальной проволоке в комнату для облучения, где находятся продукты, которые должны быть обработаны; эти объекты помещаются в коробки, которые перемещаются по комнате с помощью автоматического механизма. Перемещая коробки из одной точки в другую, содержимое получает равномерную дозу. После обработки изделие автоматическим механизмом перемещается из помещения. Помещение для облучения имеет очень толстые бетонные стены (толщиной около 3 м) для предотвращения выхода гамма-лучей. Источник состоит из 60Co-стержни герметизированы двумя слоями нержавеющей стали. Стержни объединены с инертными стержнями-пустышками для образования стойки с общей активностью около 12,6 ПБк (340 кКи).

Исследовательское оборудование

Хотя некоторые виды исследований можно проводить с использованием облучателя, очень похожего на тот, который используется для гамма-стерилизации, в некоторых областях науки принято использовать облучатель. время решено эксперимент, в котором материал подвергается воздействию импульса излучения (обычно электроны из LINAC ). После импульса излучения концентрация различных веществ в материале измеряется с помощью эмиссионная спектроскопия или же Абсорбционная спектроскопия, следовательно, скорости реакций могут быть определены. Это позволяет измерять относительную способность веществ реагировать с химически активными частицами, образующимися под действием излучения на растворитель (обычно воду). Этот эксперимент известен как импульсный радиолиз[27] который тесно связан с Флэш-фотолиз.

В последнем эксперименте образец возбуждается импульсом света для исследования распада возбужденных состояний на спектроскопия [4]; иногда можно исследовать образование новых соединений.[28][5] Эксперименты по флэш-фотолизу привели к лучшему пониманию эффектов галоген -содержащие соединения на озоновый слой.[29]

Хемосенсор

Пила хемосенсор [30] неионогенный и неспецифический. Он непосредственно измеряет общую массу каждого химического соединения при выходе из газа. хроматография столбец и конденсируется на поверхности кристалла, вызывая изменение основной акустической частоты кристалла. Концентрация запаха непосредственно измеряется с помощью этого интегрирующего типа детектора. Поток в колонке получается от микропроцессора, который непрерывно вычисляет производную УВИДЕЛ частота.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Дж. У. Т. Спинкс. Р. Дж. Вудс: Введение в радиационную химию, третье издание, John-Wiley and Sons, Inc., Нью-Йорк, Торонто, 1990. ISBN  0-471-61403-3
  2. ^ Тернер, Дж. Э. Атомы, радиация и радиационная защита. США: Pergamon Books Inc., Элмсфорд, штат Нью-Йорк, 1986. Печать
  3. ^ Бигелоу, Р. А. Радиационные взаимодействия в веществе.
  4. ^ Основы радиации, биологии и защиты, С. Форшер, Cengage Learning, 22 июля 2008 г., стр. 46
  5. ^ Саймон М. Пимблотт, Джей А. Ла-Верн, J. Phys. Chem., 1994, 98 (24), стр. 6136–6143, Дои:10.1021 / j100075a016, Дата публикации: июнь 1994 г.
  6. ^ Чжао С и другие. (2007) Радиационная физика и химия, 76:37-45
  7. ^ Аджит Сингх и Уолтер Кремерс, Радиационная физика и химия, 2002, 65(4-5), 467-472
  8. ^ Брюс Дж. Минчер, Ричард Р. Брей, Рене Г. Родригес, Скотт Приступа и Аарон Рухтер, Радиационная физика и химия, 2002, 65(4-5), 461-465
  9. ^ А. Г. Бедекар, З. Червик и Дж. Кро, "Импульсный радиолиз этиленгликоля и 1,3-пропандиоловых стекол - II. Кинетика распада захваченных электронов", 1990, 36, 739-742
  10. ^ База данных Energy Citations (ECD) - - Документ № 10116942
  11. ^ Процесс экстракции растворителем для радиолиза и дегалогенирования галогенированных органических соединений в почвах, илах, отложениях и илах - Патент США 6132561 В архиве 2007-03-11 на Wayback Machine
  12. ^ В. Мука *, Р. Зильбер, М. Поспил, В. Клиски и Б. Бартоник, Радиационная физика и химия, 1999, 55(1), 93-97
  13. ^ Сейко Накагава и Тосинари Симокава, Радиационная физика и химия, 2002, 63(2), 151-156
  14. ^ П. С. М. Трипати, К. К. Мишра, Р. Р. П. Рой и Д. Н. Тевари, "γ-Радиолитическая десульфуризация некоторых высокосернистых индийских углей, каталитически ускоренная MnO2", Технология переработки топлива, 2001, 70, 77-96
  15. ^ Шао-Хун Фэн, Шу-Хуан Чжан, Хан-Цин Ю и Цянь-Жун Ли, "Радиационно-индуцированное разложение нитробензола в водных растворах", Письма по химии, 2003, 32(8), 718
  16. ^ Т. Секине, Х. Нарушима, Т. Судзуки, Т. Такаяма, Х. Кудо, М. Линь и Ю. Кацумура, Коллоиды и поверхности A: физико-химические и технические аспекты, 2004, 249(1-3), 105-109
  17. ^ http://www.chemistry.or.jp/gakujutu/chem-lett/cl-cont/GRA_03Aug/03080690PG.pdf
  18. ^ Сатоши Сейно, Такуя Киношита, Йохей Отомэ, Кендзи Окицу, Такаши Накагава и Такао А. Ямамото, «Магнитная композитная наночастица Au / γ-Fe2O3, синтезированная с помощью гамма-излучения», Письма по химии, 2003, 32(8), 690
  19. ^ М. Поспушил, В. Чуба, В. Мучка и Б. Дртинова, «Радиационное удаление свинца из водных растворов - воздействие различных сорбентов и закиси азота», Радиационная физика и химия, 2006, 75, 403-407
  20. ^ База данных Energy Citations (ECD) - - Документ № 7313004
  21. ^ Отчет МАГАТЭ - Радиационное образование гидрогелей для биомедицинских применений; применение радиационной техники - Механизм радиационного сшивания полимеров в водном растворе. В архиве 2007-04-26 на Wayback Machine
  22. ^ IAEA-TECDOC-1422
  23. ^ К.-Д. Асмус и Дж. Фендлер, «Реакция гексафторида серы с сольватированными электронами», Журнал физической химии, 1968, 72, 4285-4289
  24. ^ ЛИ-ХАНГ ЛИН, ГРЕГ Ф. СЛЕЙТЕР, BARBARA SHERWOOD LOLLAR, ДЖОРДЖ ЛАКРАМП-КУЛУМ и Т. К. ОНСТОТТ, Geochimica et Cosmochimica Acta, 2005, 69, 893-903.
  25. ^ http://wetlands.ifas.ufl.edu/sickman/SOS%206932/Ocean%20vent%20papers.pdf
  26. ^ Особенности конструкции обсуждаются в Международное агентство по атомной энергии доклад о человеческая ошибка авария на такой облучательной установке [1]
  27. ^ импульсный радиолиз В архиве 2007-03-28 на Wayback Machine
  28. ^ Джордж Портер, Нобелевская лекция, 11 декабря 1967 г.
  29. ^ RE Huie; B Laszlo; Курыло М.Ю .; и другие. (1995). Атмосферная химия окиси йода (PDF). Техническая рабочая конференция по вариантам галона. Получено 2012-04-19.
  30. ^ Abnormal Chemosensory Jump 6 является положительным регулятором транскрипции холинергического генного локуса в обонятельных нейронах дрозофилы - Ли и Сальватерра 22 (13): 5291 - Journal of Neuroscience