Radioquímica - Radiochemistry

Guantera

La radioquímica es la química de los materiales radiactivos , donde los isótopos radiactivos de los elementos se utilizan para estudiar las propiedades y las reacciones químicas de los isótopos no radiactivos (a menudo, dentro de la radioquímica, la ausencia de radiactividad conduce a que una sustancia se describa como inactiva ya que los isótopos son estables ). . Gran parte de la radioquímica se ocupa del uso de la radiactividad para estudiar reacciones químicas ordinarias . Esto es muy diferente de la química de la radiación, donde los niveles de radiación se mantienen demasiado bajos para influir en la química.

La radioquímica incluye el estudio de radioisótopos naturales y artificiales.

Modos de decaimiento principales

Todos los radioisótopos son isótopos inestables de elementos: sufren desintegración nuclear y emiten alguna forma de radiación . La radiación emitida puede ser de varios tipos, incluida la radiación alfa , beta , gamma , la emisión de protones y neutrones junto con las vías de desintegración de la emisión de neutrinos y antipartículas .

1. Radiación α (alfa): emisión de una partícula alfa (que contiene 2 protones y 2 neutrones) de un núcleo atómico . Cuando esto ocurre, la masa atómica del átomo disminuirá en 4 unidades y el número atómico disminuirá en 2.

2. Radiación β (beta): la transmutación de un neutrón en un electrón y un protón . Después de que esto suceda, el electrón se emite desde el núcleo hacia la nube de electrones .

3. Radiación γ (gamma): emisión de energía electromagnética (como rayos gamma ) desde el núcleo de un átomo. Esto suele ocurrir durante la desintegración radiactiva alfa o beta .

Estos tres tipos de radiación se pueden distinguir por su diferencia de poder de penetración.

Alpha se puede detener con bastante facilidad por unos pocos centímetros en el aire o un trozo de papel y es equivalente a un núcleo de helio. Beta se puede cortar con una hoja de aluminio de unos pocos milímetros de espesor y son electrones. Gamma es la más penetrante de los tres y es una alta energía sin masa sin carga de fotones . La radiación gamma requiere una cantidad apreciable de protección contra la radiación de metales pesados (generalmente a base de plomo o bario ) para reducir su intensidad.

Análisis de activación

Mediante la irradiación de objetos con neutrones es posible inducir radiactividad; esta activación de isótopos estables para crear radioisótopos es la base del análisis de activación de neutrones . Uno de los objetos más interesantes que se ha estudiado de esta manera es el cabello de la cabeza de Napoleón , que ha sido examinado por su contenido de arsénico .

Existe una serie de diferentes métodos experimentales, estos han sido diseñados para permitir la medición de una gama de diferentes elementos en diferentes matrices. Para reducir el efecto de la matriz es común utilizar la extracción química del elemento deseado y / o permitir que la radiactividad debida a los elementos de la matriz decaiga antes de la medición de la radiactividad. Dado que el efecto de la matriz se puede corregir observando el espectro de desintegración, se requiere poca o ninguna preparación de muestra para algunas muestras, lo que hace que el análisis de activación de neutrones sea menos susceptible a la contaminación.

Los efectos de una serie de diferentes tiempos de enfriamiento se pueden ver si una muestra hipotética que contiene sodio, uranio y cobalto en una proporción de 100: 10: 1 se sometiera a un pulso muy corto de neutrones térmicos . La radiactividad inicial estaría dominada por la actividad de 24 Na ( vida media 15 h) pero con el tiempo creciente los 239 Np (vida media 2,4 d después de la formación a partir de 239 U originales con una vida media de 24 min) y finalmente la actividad de 60 Co (5,3 años) predominaría.

Aplicaciones de biología

Una aplicación biológica es el estudio del ADN utilizando fósforo radiactivo -32. En estos experimentos, el fósforo estable se reemplaza por el P-32 radiactivo químicamente idéntico, y la radiactividad resultante se utiliza en el análisis de las moléculas y su comportamiento.

Otro ejemplo es el trabajo que se realizó sobre la metilación de elementos como azufre , selenio , telurio y polonio por organismos vivos. Se ha demostrado que las bacterias pueden convertir estos elementos en compuestos volátiles, se cree que la metilcobalamina ( vitamina B 12 ) alquila estos elementos para crear los dimetilos. Se ha demostrado que una combinación de cobaloxima y polonio inorgánico en agua estéril forma un compuesto de polonio volátil, mientras que un experimento de control que no contenía el compuesto de cobalto no formó el compuesto de polonio volátil. Para el trabajo con azufre se utilizó el isótopo 35 S, mientras que para el polonio se utilizó 207 Po. En algún trabajo relacionado mediante la adición de 57 Co al cultivo bacteriano, seguido del aislamiento de la cobalamina de las bacterias (y la medición de la radiactividad de la cobalamina aislada) se demostró que las bacterias convierten el cobalto disponible en metilcobalamina.

En medicina, las exploraciones de PET (tomografía por emisión de positrones) se utilizan comúnmente con fines de diagnóstico en. Se inyecta un trazador radiativo por vía intravenosa en el paciente y luego se lleva a la máquina de PET. El trazador radiactivo libera radiación hacia el exterior del paciente y las cámaras de la máquina interpretan los rayos de radiación del trazador. Las máquinas de escaneo PET utilizan detección de centelleo de estado sólido debido a su alta eficiencia de detección, los cristales de NaI (Tl) absorben la radiación de los trazadores y producen fotones que se convierten en una señal eléctrica para que la máquina los analice.

Ambiental

La radioquímica también incluye el estudio del comportamiento de los radioisótopos en el medio ambiente; por ejemplo, un incendio forestal o de pastos puede hacer que los radioisótopos vuelvan a ser móviles. En estos experimentos, se iniciaron incendios en la zona de exclusión alrededor de Chernobyl y se midió la radiactividad en el aire a favor del viento.

Es importante tener en cuenta que una gran cantidad de procesos son capaces de liberar radiactividad al medio ambiente, por ejemplo, la acción de los rayos cósmicos en el aire es responsable de la formación de radioisótopos (como 14 C y 32 P), la desintegración de 226 Ra forma 222 Rn, que es un gas que puede difundirse a través de las rocas antes de entrar en los edificios y disolverse en el agua y, por lo tanto, entrar en el agua potable.Además, las actividades humanas como las pruebas de bombas , los accidentes y las emisiones normales de la industria han provocado la liberación de radiactividad. .

Forma química de los actínidos

La química ambiental de algunos elementos radiactivos como el plutonio se complica por el hecho de que las soluciones de este elemento pueden sufrir una desproporción y, como resultado, pueden coexistir muchos estados de oxidación diferentes a la vez. Se han realizado algunos trabajos sobre la identificación del estado de oxidación y el número de coordinación del plutonio y los otros actínidos en diferentes condiciones. [2] Esto incluye el trabajo tanto en soluciones de complejos relativamente simples como en coloides. Dos de las matrices clave son suelo / rocas y hormigón , en estos sistemas se han estudiado las propiedades químicas del plutonio utilizando métodos como EXAFS y XANES . [3] [4]

Movimiento de coloides

Si bien la unión de un metal a las superficies de las partículas del suelo puede evitar su movimiento a través de una capa de suelo, es posible que las partículas de suelo que portan el metal radiactivo puedan migrar como partículas coloidales a través del suelo. Se ha demostrado que esto ocurre utilizando partículas de suelo marcadas con 134 C, que se ha demostrado que pueden moverse a través de las grietas del suelo.

Fondo normal

La radiactividad está presente en todas partes (y lo ha estado desde la formación de la tierra). Según la Agencia Internacional de Energía Atómica , un kilogramo de suelo contiene típicamente las siguientes cantidades de los siguientes tres radioisótopos naturales 370 Bq 40 K (rango típico 100-700 Bq), 25 Bq 226 Ra (rango típico 10-50 Bq), 25 Bq 238 U (rango típico 10–50 Bq) y 25 Bq 232 Th (rango típico 7–50 Bq).

Acción de los microorganismos

La acción de los microorganismos puede fijar el uranio; Thermoanaerobacter puede utilizar cromo (VI), hierro (III), cobalto (III), manganeso (IV) y uranio (VI) como aceptores de electrones, mientras que acetato , glucosa , hidrógeno , lactato , piruvato , succinato y xilosa pueden actuar como donantes de electrones. para el metabolismo de las bacterias. De esta manera, los metales se pueden reducir para formar magnetita (Fe 3 O 4 ), siderita (FeCO 3 ), rodocrosita (MnCO 3 ) y uraninita (UO 2 ). Otros investigadores también han trabajado en la fijación de uranio utilizando bacterias [5] [6] [7] , Francis R. Livens et al. (Trabajando en Manchester ) han sugerido que la razón por la cual Geobacter sulfurreducens puede reducir el UO2+
2cationes a dióxido de uranio es que las bacterias reducen los cationes de uranilo a UO+
2que luego se desproporciona para formar UO2+
2y UO 2 . Este razonamiento se basó (al menos en parte) en la observación de que NpO+
2 las bacterias no lo convierten en óxido de neptunio insoluble.

Educación

A pesar del creciente uso de la medicina nuclear, la potencial expansión de las centrales nucleares y la preocupación por la protección contra las amenazas nucleares y la gestión de los desechos nucleares generados en las últimas décadas, el número de estudiantes que optan por especializarse en nuclear y radioquímica ha disminuido significativamente durante las últimas décadas. Ahora, con muchos expertos en estos campos acercándose a la edad de jubilación, es necesario actuar para evitar una brecha en la fuerza laboral en estos campos críticos, por ejemplo, fomentando el interés de los estudiantes en estas carreras, ampliando la capacidad educativa de las universidades y colegios y proporcionando información más específica. formación en el trabajo.

La química nuclear y radioquímica (NRC) se enseña principalmente a nivel universitario, generalmente primero a nivel de maestría y doctorado. En Europa, se están realizando esfuerzos sustanciales para armonizar y preparar la educación de la NRC para las necesidades futuras de la industria y la sociedad. Este esfuerzo está siendo coordinado en un proyecto financiado por la Acción Coordinada apoyado por el 7º Programa Marco de la Comunidad Europea de la Energía Atómica: El proyecto CINCH-II - Cooperación en educación y formación en Química Nuclear.

Referencias

  1. ^ H. Smith, S. Forshufvud y A. Wassén, Nature , 1962, 194 (26 de mayo), 725–726
  2. ^ N. Momoshima, Li-X. Song, S. Osaki y Y. Maeda, "Emisión de Po biológicamente inducida de agua dulce", Journal of Environmental Radioactivity , 2002, 63 , 187-197
  3. ^ N. Momoshima, Li-X. Song, S. Osaki e Y. Maeda, "Formación y emisión de compuestos de polonio volátiles por actividad microbiana y metilación de polonio con metilcobalamina", Environmental Science and Technology , 2001, 35 , 2956-2960
  4. ^ Saha, Gopal B. (2010). "Sistemas de escaneo PET". Conceptos básicos de la obtención de imágenes PET . Springer, Nueva York, NY. págs. 19–39. doi : 10.1007 / 978-1-4419-0805-6_2 . ISBN 9781441908049.
  5. ^ Yoschenko VI y col. (2006) Resuspensión y redistribución de radionucleidos durante los incendios de pastizales y bosques en la zona de exclusión de Chernobyl: parte I. Experimentos con incendios J Envir Radioact 86 : 143–63 PMID  16213067
  6. ^ Janja Vaupotič e Ivan Kobal, "Dosis efectivas en las escuelas basadas en aerosoles de progenie de radón de tamaño nanométrico", Ambiente atmosférico , 2006, 40 , 7494–7507
  7. ^ Michael Durand, Construcción y medio ambiente , "Contaminación del aire interior causada por gases geotérmicos", 2006, 41 , 1607-1610
  8. ^ Paolo Boffetta, "Cáncer humano de contaminantes ambientales: la evidencia epidemiológica", Investigación de mutaciones / Toxicología genética y mutagénesis ambiental , 2006, 608 , 157-162
  9. ^ M. Forte, R. Rusconi, MT Cazzaniga y G. Sgorbati, "La medición de la radiactividad en las aguas potables italianas". Revista de microquímica , 2007, 85 , 98–102
  10. ^ R. Pöllänen, ME Ketterer, S. Lehto, M. Hokkanen, TK Ikäheimonen, T. Siiskonen, M. Moring, MP Rubio Montero y A. Martín Sánchez, "Caracterización multitécnica de una partícula de bomba nuclear del accidente de Palomares" , Journal of Environmental Radioactivity , 2006, 90 , 15–28
  11. ^ Rabideau, SW, Revista de la Sociedad Química Estadounidense , 1957, 79 , 6350–6353
  12. ^ PG Allen, JJ Bucher, DK Shuh, NM Edelstein y T. Reich, "Investigación de los complejos Aquo y Cloro de UO 2 2+ , NpO 2+ , Np 4+ y Pu 3+ por estructura fina de absorción de rayos X Espectroscopia ", Química inorgánica , 1997, 36 , 4676–4683
  13. ^ David L. Clark, Steven D. Conradson, D. Webster Keogh Phillip D. Palmer Brian L. Scott y C. Drew Tait, "Identificación de las especies limitantes en el sistema de carbonato de plutonio (IV). Estado sólido y estructura molecular de la solución del [Pu (CO 3 ) 5 ] 6− Ion ", Química inorgánica , 1998, 37 , 2893-2899
  14. ^ Jörg Rothe, Clemens Walther, Melissa A. Denecke y Th. Fanghänel, "Investigación de XAFS y LIBD de la formación y estructura de productos de hidrólisis de Pu (IV) coloidal", Química inorgánica , 2004, 43 , 4708–4718
  15. ^ MC Duff, DB Hunter, IR Triay, PM Bertsch, DT Reed, SR Sutton, G. Shea-McCarthy, J. Kitten, P. Eng, SJ Chipera y DT Vaniman, "Asociaciones minerales y estados de oxidación promedio de Pu sorbido en Tuff ", Environ. Sci. Technol. , 1999, 33 , 2163–2169
  16. ^ RD Whicker y SA Ibrahim, "Migración vertical de 134 Cs con partículas de suelo en suelos áridos: implicaciones para la redistribución del plutonio", Journal of Environmental Radioactivity , 2006, 88 , 171-188.
  17. ^ "Procedimientos genéricos para la evaluación y respuesta durante una emergencia radiológica", Número de serie 1162 del TECDOC de la Agencia Internacional de Energía Atómica, publicado en 2000 [1]
  18. ^ Yul Roh, Shi V. Liu, Guangshan Li, Heshu Huang, Tommy J. Phelps y Jizhong Zhou, "Aislamiento y caracterización de cepas de Thermoanaerobacter reductoras de metales de entornos del subsuelo profundo de la cuenca de Piceance, Colorado", Microbiología aplicada y ambiental , 2002, 68 , 6013–6020.
  19. ^ Joanna C. Renshaw, Laura JC Butchins, Francis R. Livens, Iain May, John M. Charnock y Jonathan R. Lloyd, Environ. Sci. Technol. , 2005, 39 (15), 5657–5660.
  20. ^ Asegurar una futura experiencia en radioquímica y nuclear con base en los EE. UU . Junta de Ciencias y Tecnología Químicas. 2012. ISBN 978-0-309-22534-2.

enlaces externos