La química de la radiación es una subdivisión de la química nuclear que es el estudio de los efectos químicos de la radiación sobre la materia; esto es muy diferente de la radioquímica, ya que no es necesario que haya presente radiactividad en el material que está siendo modificado químicamente por la radiación. Un ejemplo es la conversión del agua en hidrógeno gas y peróxido de hidrógeno .
Interacciones de la radiación con la materia
A medida que la radiación ionizante se mueve a través de la materia, su energía se deposita mediante interacciones con los electrones del absorbente. [1] El resultado de una interacción entre la radiación y la especie absorbente es la eliminación de un electrón de un átomo o enlace molecular para formar radicales y especies excitadas. Las especies de radicales luego proceden a reaccionar entre sí o con otras moléculas en su vecindad. Son las reacciones de las especies de radicales las responsables de los cambios observados tras la irradiación de un sistema químico. [2]
Las especies de radiación cargadas (partículas α y β) interactúan a través de las fuerzas de Coulombic entre las cargas de los electrones en el medio absorbente y la partícula de radiación cargada. Estas interacciones ocurren continuamente a lo largo del camino de la partícula incidente hasta que la energía cinética de la partícula se agota lo suficiente. Las especies sin carga (fotones γ, rayos X) experimentan un solo evento por fotón, consumiendo totalmente la energía del fotón y conduciendo a la expulsión de un electrón de un solo átomo. [3] Los electrones con suficiente energía proceden a interactuar con el medio absorbente de manera idéntica a la radiación β.
Un factor importante que distingue los diferentes tipos de radiación entre sí es la transferencia de energía lineal ( LET ), que es la velocidad a la que la radiación pierde energía con la distancia recorrida a través del absorbedor. Las especies de bajo LET suelen ser especies de masa baja, ya sea de fotones o de electrones ( partículas β , positrones ) e interactúan escasamente a lo largo de su trayectoria a través del absorbente, lo que conduce a regiones aisladas de especies de radicales reactivos. Las especies de alto LET suelen tener una masa mayor que un electrón, [4] por ejemplo, las partículas α, y pierden energía rápidamente, lo que resulta en un grupo de eventos de ionización muy próximos entre sí. En consecuencia, la partícula pesada viaja una distancia relativamente corta desde su origen.
Las áreas que contienen una alta concentración de especies reactivas después de la absorción de energía de la radiación se denominan espolones. En un medio irradiado con baja radiación LET, las espuelas se distribuyen escasamente a lo largo de la vía y no pueden interactuar. Para una radiación de alta LET, los espolones pueden superponerse, lo que permite reacciones entre espolones, lo que conduce a diferentes rendimientos de productos en comparación con el mismo medio irradiado con la misma energía de radiación de baja LET. [5]
Reducción de orgánicos por electrones solvatados.
Un área de trabajo reciente ha sido la destrucción de compuestos orgánicos tóxicos por irradiación; [6] después de la irradiación, las " dioxinas " (policlorodibenzo- p- dioxinas) se decloran de la misma manera que los PCB se pueden convertir en bifenilo y cloruro inorgánico. Esto se debe a que los electrones solvatados reaccionan con el compuesto orgánico para formar un anión radical , que se descompone por la pérdida de un anión cloruro . Si una mezcla desoxigenada de PCB en isopropanol o aceite mineral se irradia con rayos gamma , los PCB se declorarán para formar cloruro inorgánico y bifenilo . La reacción funciona mejor en isopropanol si se agrega hidróxido de potasio ( potasa cáustica ). La base desprotona el radical hidroxidimetilmetilo para convertirlo en acetona y un electrón solvatado, como resultado, el valor G (rendimiento para una energía dada debido a la radiación depositada en el sistema) del cloruro puede incrementarse porque la radiación ahora inicia una reacción en cadena, cada electrón solvatado formado por la acción de los rayos gamma ahora puede convertir más de una molécula de PCB. [7] [8] Si hay oxígeno , acetona , óxido nitroso , hexafluoruro de azufre o nitrobenceno [9] en la mezcla, la velocidad de reacción se reduce. Este trabajo se ha realizado recientemente en los EE. UU., A menudo con combustible nuclear usado como fuente de radiación. [10] [11]
Además del trabajo sobre la destrucción de cloruros de arilo, se ha demostrado que el cloro alifático y los compuestos de bromo como el percloroetileno, [12] freón (1,1,2-tricloro-1,2,2-trifluoroetano) y halón- 2402 (1,2-dibromo-1,1,2,2-tetrafluoroetano) se puede deshalogenar por la acción de la radiación sobre soluciones alcalinas de isopropanol. Nuevamente se ha informado de una reacción en cadena. [13]
Además del trabajo sobre la reducción de compuestos orgánicos por irradiación, se ha informado de algunos trabajos sobre la oxidación de compuestos orgánicos inducida por radiación. Por ejemplo, se ha informado del uso de peróxido de hidrógeno radiogénico (formado por irradiación) para eliminar el azufre del carbón . En este estudio se encontró que la adición de dióxido de manganeso al carbón aumentaba la tasa de remoción de azufre. [14] Se ha informado de la degradación del nitrobenceno en condiciones tanto reductoras como oxidantes en el agua. [15]
Reducción de compuestos metálicos
Además de la reducción de compuestos orgánicos por los electrones solvatados, se ha informado que tras la irradiación, una solución de pertecnetato a pH 4,1 se convierte en un coloide de dióxido de tecnecio. Se forman complejos de Tc (IV) soluble por irradiación de una solución a pH 1,8. La irradiación de una solución a pH 2,7 forma una mezcla del coloide y los compuestos solubles de Tc (IV). [16] La irradiación gamma se ha utilizado en la síntesis de nanopartículas de oro sobre óxido de hierro (Fe 2 O 3 ). [17] [18]
Se ha demostrado que la irradiación de soluciones acuosas de compuestos de plomo conduce a la formación de plomo elemental. Cuando está presente un sólido inorgánico como la bentonita y el formiato de sodio, el plomo se elimina de la solución acuosa. [19]
Modificación de polímeros
Otra área clave utiliza la química de la radiación para modificar polímeros. Usando radiación, es posible convertir monómeros en polímeros , reticular polímeros y romper cadenas poliméricas. [20] [21] Tanto los polímeros artificiales como los naturales (como los carbohidratos [22] ) pueden procesarse de esta manera.
Química del agua
Tanto los efectos nocivos de la radiación sobre los sistemas biológicos (inducción de cáncer y lesiones agudas por radiación ) como los efectos útiles de la radioterapia implican la química de la radiación del agua. La gran mayoría de moléculas biológicas están presentes en un medio acuoso; cuando el agua se expone a la radiación, el agua absorbe energía y, como resultado, forma especies químicamente reactivas que pueden interactuar con sustancias disueltas ( solutos ). El agua se ioniza para formar un electrón solvatado y H 2 O + , el catión H 2 O + puede reaccionar con el agua para formar un protón hidratado (H 3 O + ) y un radical hidroxilo (HO . ). Además, el electrón solvatado puede recombinarse con el catión H 2 O + para formar un estado excitado del agua. Este estado excitado a continuación, se descompone a especies tales como radicales hidroxilo (HO . ), Átomos de hidrógeno (H . ) Y átomos de oxígeno (O . ). Finalmente, el electrón solvatado puede reaccionar con solutos como protones solvatados o moléculas de oxígeno para formar átomos de hidrógeno y aniones radicales dioxígeno, respectivamente. El hecho de que el oxígeno cambie la química de la radiación podría ser una de las razones por las que los tejidos oxigenados son más sensibles a la irradiación que el tejido desoxigenado en el centro de un tumor. Los radicales libres, como el radical hidroxilo, modifican químicamente biomoléculas como el ADN , provocando daños como roturas en las cadenas de ADN. Algunas sustancias pueden proteger contra el daño inducido por la radiación al reaccionar con las especies reactivas generadas por la irradiación del agua.
Es importante señalar que las especies reactivas generadas por la radiación pueden participar en las siguientes reacciones ; esto es similar a la idea de las reacciones no electroquímicas que siguen al evento electroquímico que se observa en la voltamperometría cíclica cuando ocurre un evento irreversible. Por ejemplo, el radical SF 5 formado por la reacción de electrones solvatados y SF 6 experimenta otras reacciones que conducen a la formación de fluoruro de hidrógeno y ácido sulfúrico . [23]
En agua, la reacción de dimerización de radicales hidroxilo puede formar peróxido de hidrógeno , mientras que en sistemas salinos la reacción de los radicales hidroxilo con aniones cloruro forma aniones hipoclorito .
Se ha sugerido que la acción de la radiación sobre el agua subterránea es responsable de la formación de hidrógeno que fue convertido por bacterias en metano . [2] . [24] Se puede leer en línea una serie de artículos sobre el tema de las bacterias que viven bajo la superficie de la tierra y que son alimentadas por el hidrógeno generado por la radiólisis del agua. [25]
Equipo
Química de la radiación aplicada en equipos de procesamiento industrial
Para procesar materiales, se puede utilizar una fuente gamma o un haz de electrones. El irradiador internacional de tipo IV ( almacenamiento húmedo ) es un diseño común, del cual los esterilizadores gamma JS6300 y JS6500 (fabricados por 'Nordion International' [3] , que solían comercializarse como 'Atomic Energy of Canada Ltd') son ejemplos típicos. [26] En estas plantas de irradiación, la fuente se almacena en un pozo profundo lleno de agua cuando no está en uso. Cuando se requiere la fuente, se traslada mediante un alambre de acero a la sala de irradiación donde se encuentran los productos a tratar; estos objetos se colocan dentro de cajas que se mueven por la habitación mediante un mecanismo automático. Al mover las cajas de un punto a otro, el contenido recibe una dosis uniforme. Después del tratamiento, el producto es sacado de la habitación por el mecanismo automático. La sala de irradiación tiene paredes de hormigón muy gruesas (de unos 3 m de espesor) para evitar el escape de los rayos gamma. La fuente consta de varillas de 60 Co selladas dentro de dos capas de acero inoxidable. Las barras se combinan con barras falsas inertes para formar un bastidor con una actividad total de aproximadamente 12,6 PBq (340 kCi).
Equipo de investigación
Si bien es posible realizar algunos tipos de investigación utilizando un irradiador muy similar al que se usa para la esterilización gamma, es común en algunas áreas de la ciencia usar un experimento resuelto en el tiempo en el que un material se somete a un pulso de radiación (normalmente electrones de un LINAC ). Después del pulso de radiación, la concentración de diferentes sustancias dentro del material se mide mediante espectroscopia de emisión o espectroscopia de absorción , por lo que se pueden determinar las velocidades de las reacciones. Esto permite medir la capacidad relativa de las sustancias para reaccionar con las especies reactivas generadas por la acción de la radiación sobre el solvente (comúnmente agua) a medir. Este experimento se conoce como radiólisis de pulsos [27], que está estrechamente relacionado con la fotólisis de Flash .
En el último experimento, la muestra es excitada por un pulso de luz para examinar la desintegración de los estados excitados por espectroscopia [4] ; a veces se puede investigar la formación de nuevos compuestos. [28] [5] Los experimentos de fotólisis flash han permitido comprender mejor los efectos de los compuestos que contienen halógenos sobre la capa de ozono . [29]
Quimiosensor
El quimiosensor SAW [30] es no iónico e inespecífico. Mide directamente la masa total de cada compuesto químico cuando sale de la columna de cromatografía de gases y se condensa en la superficie del cristal, provocando así un cambio en la frecuencia acústica fundamental del cristal. La concentración de olores se mide directamente con este tipo de detector integrado. El flujo de columna se obtiene de un microprocesador que calcula continuamente la derivada de la frecuencia SAW .
Ver también
- Radiolisis
Referencias
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