Pojęcie chemii radiacyjnej

Ta dziedzina chemii jest związana z padaniem procesów chemicznych wywołanych przez promieniowanie jonizujące. Z teoretycznego punktu widzenia można uznać ją za część kinetyki chemicznej, lecz jest ona ściśle związana z takimi dziedzinami jak: biologia, fizyka.

Historia

W 1904r. Maria Skłodowska - Curie zaobserwowała pierwszy proces radiacyjny, związany z rozkładem wody z radem (pierwiastkiem promieniotwórczym) na cząsteczkowy tlen oraz wodór. Znaczne przyspieszenie tempa rozwoju chemii radiacyjnej nastąpiło w czasie II Wojny Światowej. Było to związane z pracami nad powstaniem bomby atomowej, a potem badaniem skutków napromieniowania żywej tkanki czy różnych substancji. Substancje radioaktywne wykorzystywane są jako alternatywne źródła energii - paliwo

w elektrowniach atomowych. Obecnie coraz większe zastosowanie mają w medycynie: do diagnozowania (scyntygrafia, metoda rezonansu magnetycznego) oraz leczenia (radioaktywne izotopy jodu).

Natura promieniowania

Rodzaje promieniowania wykorzystywane w chemii radiacyjnej:

  • Promieniowanie wytworzone w akceleratorach (strumień przyspieszonych elektronów, w postaci bardzo krótkich impulsów)
  • Promieniowanie izotopowe
  • Promieniowanie rentgenowskie

Powstanie promieniowania jest konsekwencją występowania trzech zjawisk:

  • Fotoelektrycznego (energia rzędu kilkudziesięciu k eV)
  • Comptona (energia rzędu 0,1 do paru MeV)
  • Powstawaniu par negaton - pozyton (energia rzędu od 1,022 MeV)

Przyspieszone elektrony powodują jonizację danego ośrodka, przechodząc przez niego. Proces jonizacji polega na utworzeniu kationów, swobodnych elektronów (wtórnych) oraz wzbudzeniu elektronowym cząsteczek. Elektrony wtórne zostają częściowo schwytane w tzw. pułapkach energetycznych, np. przez sieć krystaliczną czy w cieczy. Mogą także reagować z cząsteczkami z utworzeniem rodników albo jonami

z utworzeniem rodnikojonów czy wzbudzić cząsteczkę macierzystą. Takie wzbudzone związki mają silną tendencję do rozpadu na wolne rodniki. Zarówno rodniki, rodnikojony, jak i zsolwatowane elektrony wykazują bardzo dużą reaktywność, wchodząc prawie natychmiast w reakcje.

Przykład: Napromieniowanie wody powoduje powstanie dwóch rodników:

H2O = H* + OH*

A także hydratowane elektrony oraz kationy H2O+, reagujące z wodą:

H2O+ + H2O = 2OH* + 2H*+

Ulegać dysocjacji na:

H2O+ = H+ + OH*

Rodniki reagując ze sobą mogą utworzyć cząsteczkę niewzbudzoną (proces rekombinacji):

H* + H* = H2

OH* + OH* = H2O2

H* + OH* = H2O

Przy silnym promieniowaniu tworzy się rodnik bardzo reaktywny HO2*:

H2O2 + OH* = H2O + HO2*

Ze względu na znaczną szybkość reakcji (rzędu ms, a często nawet ns) używa się specjalnych technik pomiarowych do określania mechanizmu reakcji. Najczęściej stosowana jest radioliza impulsowa, w której zainicjowanie reakcji następuje dzięki bardzo krótkiemu impulsowi elektronów (uzyskanego w akceleratorze). Rejestrację zmian przeprowadza się przy użyciu spektrofotometru albo elektronowego rezonansu paramagnetycznego w warunkach niskotemperaturowych (77 - 4 K).

Zastosowanie
  • W przemyśle:
    • Tworzyw sztucznych (modyfikacja)
    • Produkcji polimerów
    • W różnorodnych syntezach: powodując wzrost wytrzymałości w przypadku polietylenu, lateksu (dzięki usieciowieniu), termokurczliwość (opakowania termokurczliwe), powstanie środków piorących proekologicznych, ulegających unieszkodliwieniu pod wpływem bakterii (sulfochlorowanie parafinowych węglowodorów)
  • W dozymetrii - określanie poziomu promieniowania jonizującego zaabsorbowanego przez określony układ
  • W radiobiologii - działanie promieniowania na organizmy żywe i związane z tym przemiany