Радиолиз - Википедия - Radiolysis

Радиолиз это диссоциация из молекулы ионизируя радиация. Это расщепление одного или нескольких химические связи в результате воздействия потока высокой энергии. Излучение в этом контексте связано с ионизирующего излучения; поэтому радиолиз отличается, например, от фотолиз из Cl₂ молекулу на два Cl-радикалы, куда (ультрафиолетовый или видимый спектр ) свет используется.

Например, вода диссоциирует при альфа-излучение в водород радикальный и гидроксильный радикал, в отличие от ионизации воды, которая производит ион водорода и гидроксид ион.^{[нужна цитата ]} В химия концентрированных растворов под ионизирующего излучения чрезвычайно сложен. Радиолиз может локально изменить редокс условий, и, следовательно, видообразование и растворимость соединений.

Разложение воды

Из всех изученных радиационно-химических реакций наиболее важной является разложение воды.^[1] Под воздействием радиации вода распадается на пероксид водорода, водородные радикалы, и различные кислородные соединения, такие как озон, который при обратном превращении в кислород выделяет большое количество энергии. Некоторые из них взрывоопасны. Это разложение происходит в основном за счет альфа-частицы, которые могут полностью впитаться очень тонкими слоями воды.

Обобщая, радиолиз воды можно записать как^[2]:

{ Displaystyle { ce {H2O ; -> [{ text {Ионизирующее излучение}}] ; e_ {aq} ^ {-}, HO *, H *, HO2 *, H3O ^ {+}, OH ^ {-}, H2O2, H2}}}

Приложения

Прогнозирование и предотвращение коррозии на атомных электростанциях

Считается, что повышенная концентрация гидроксила, присутствующего в облученной воде во внутренних контурах теплоносителя легководный реактор необходимо учитывать при проектировании АЭС, чтобы предотвратить потери теплоносителя в результате коррозия.

Производство водорода

Текущий интерес к нетрадиционным методам получения водорода побудил вернуться к радиолитическому расщеплению воды, когда взаимодействие различных типов ионизирующего излучения (α, β и γ) с водой производит молекулярный водород. Эта переоценка была дополнительно вызвана наличием в настоящее время большого количества источников излучения, содержащихся в топливе, выгружаемом из ядерные реакторы. Этот отработанное топливо обычно хранится в бассейнах с водой, ожидая постоянной утилизации или переработка. Выход водорода в результате облучения воды β- и γ-излучением низкий (G-значения = <1 молекула на 100%). электронвольт поглощенной энергии), но это во многом связано с быстрой реассоциацией видов, возникающих во время начального радиолиза. Если присутствуют примеси или если создаются физические условия, препятствующие установлению химического равновесия, чистое производство водорода может быть значительно увеличено.^[3]

Другой подход использует радиоактивные отходы в качестве источника энергии для регенерации отработавшего топлива путем преобразования борат натрия в борогидрид натрия. Применяя надлежащую комбинацию мер контроля, можно получать стабильные боргидридные соединения и использовать их в качестве среды для хранения водородного топлива.

Исследование, проведенное в 1976 году, показало, что можно по порядку величины оценить среднюю скорость производства водорода, которую можно получить, используя энергию, выделяемую при радиоактивном распаде. Исходя из выхода первичного молекулярного водорода 0,45 молекул / 100 эВ, мы получаем 10 тонн в сутки. Скорость производства водорода в этом диапазоне не является незначительной, но небольшая по сравнению со среднесуточным потреблением водорода (1972 г.) в США, составляющим 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 молекулы на 100 эВ поглощенного вещества. В том же исследовании сделан вывод о том, что проектирование такого объекта, вероятно, было бы слишком небезопасным, чтобы его осуществить.^[4]

Отработавшее ядерное топливо

Газообразование при радиолитическом разложении водородсодержащих материалов было проблемой при транспортировке и хранении радиоактивных материалов и отходов в течение ряда лет. Могут образовываться потенциально горючие и коррозионные газы, в то время как в то же время химические реакции могут удалять водород, и эти реакции могут быть усилены присутствием излучения. Баланс между этими конкурирующими реакциями в настоящее время не известен.

Радиационная терапия

Когда излучение попадает в тело, оно взаимодействует с атомами и молекулами клетки (в основном состоящие из воды) для производства свободных радикалов и молекул, которые способны диффундировать достаточно далеко, чтобы достичь критической цели в клетке, ДНК, и повредить его косвенно через какую-то химическую реакцию. Это основной механизм повреждения фотонов, поскольку они используются, например, в внешняя лучевая терапия.

Как правило, радиолитические события, которые приводят к повреждению ДНК (опухолевой) клетки, подразделяются на различные стадии, которые происходят в разных временных масштабах.^[5]:

В физическая стадия ( ${ displaystyle 10 ^ {- 15} ~ s}$ ), заключается в выделении энергии ионизирующей частицей и последующей ионизации воды.
Вовремя физико-химический этап ( ${ displaystyle 10 ^ {- 15} ~ { text {-}} ~ 10 ^ {- 12} ~ s}$ ) происходят многочисленные процессы, например. молекулы ионизированной воды могут расщепляться на гидроксильный радикал и молекула водорода или свободные электроны могут подвергаться сольватация.
Вовремя химическая стадия ( ${ displaystyle 10 ^ {- 12} ~ { text {-}} ~ 10 ^ {- 6} ~ s}$ ) первые продукты радиолиза реагируют друг с другом и с их окружением, образуя несколько активные формы кислорода которые способны диффундировать.
Вовремя биохимический этап ( ${ displaystyle 10 ^ {- 6} ~ s}$ до дней) эти активные формы кислорода могут разорвать химические связи ДНК, вызывая реакцию ферментов, иммунной системы и т. д.
Наконец, во время биологическая стадия (от дней до лет) химическое повреждение может привести к биологическому смерть клетки или же онкогенез когда поврежденные клетки пытаются делиться.

История Земли

Было сделано предложение^[6] что на ранних этапах развития Земли, когда ее радиоактивность был почти на два порядка выше, чем в настоящее время, радиолиз мог быть основным источником атмосферного кислорода, который обеспечивал условия для возникновения и развития жизнь. Молекулярный водород и окислители, образующиеся при радиолизе воды, также могут обеспечивать непрерывный источник энергии для подземных вод. микробный сообщества (Педерсен, 1999). Такое предположение подтверждается открытием в Золотой рудник Мпоненг в Южная Африка, где исследователи обнаружили сообщество, в котором доминирует новый филотип Desulfotomaculum, питаясь преимущественно радиолитически произведенными ЧАС₂.^[7]

Методы

Импульсный радиолиз

Импульсный радиолиз - это недавний метод инициирования быстрых реакций для изучения реакций, происходящих во времени быстрее, чем приблизительно сто микросекунды, при простом смешивании реагенты происходит слишком медленно, и необходимо использовать другие методы инициирования реакций.

Этот метод заключается в воздействии на образец материала пучком сильно ускоренного электроны, где пучок генерируется линейный ускоритель. У него много приложений. Он был разработан в конце 1950-х - начале 1960-х гг. Джон Кин в Манчестере и Джек В. Боаг В Лондоне.

Флэш-фотолиз

Флэш-фотолиз является альтернативой импульсному радиолизу, в котором используются мощные световые импульсы (например, от эксимерный лазер ), а не пучки 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

Радиационная химия

внешняя ссылка

Импульсный радиолиз

[1] Мари Кюри. "Traité de radioactivité, стр. V – xii. Опубликовано Готье-Вилларом в Париже, 1910 г.". Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)

[2] Ле Каэр, Софи (2011). «Радиолиз воды: влияние поверхности оксидов на образование H2 под действием ионизирующего излучения». Вода. 3: 235–253. Дои:10.3390 / w3010235.

[3] «Радиолитическое расщепление воды: демонстрация на реакторе Pm3-a». Получено 18 марта 2016.

[4] Sauer, Jr., M.C .; Hart, E.J .; Флинн, К. Ф .; Гиндлер, Дж. Э. (1976). «Измерение выхода водорода при радиолизе воды растворенными продуктами деления». Дои:10.2172/7347831. Получено 26 сентября 2019. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)

[5] Холл, E.J .; Джачча, А.Дж. (2006). Радиобиология для радиолога (6-е изд.).

[6] Богданов Р. и Арно-Тоомас Пихлак из Санкт-Петербургский государственный университет

[7] Ли-Хун Линь; Пей-Лин Ван; Дуглас Рамбл; Йоханна Липпманн-Пипке; Эрик Бойс; Лиза М. Пратт; Барбара Шервуд Лоллар; Эоин Л. Броди; Терри К. Хейзен; Гэри Л. Андерсен; Тодд З. ДеСантис; Дуэйн П. Мозер; Дэйв Кершоу и Т. К. Онстотт (2006). «Долгосрочная устойчивость биома земной коры с высоким содержанием энергии и низким разнообразием». Наука. 314 (5798): 479–82. Bibcode:2006Научный ... 314..479L. Дои:10.1126 / science.1127376. PMID 17053150. S2CID 22420345.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]