Radiólisis

Radiólisis o radiolisis és la dissociació de molècules per mig de radiació ionisant. És la ruptura d'un o varis enllaços químics com a resultat de l'exposició a alts fluix d'energia. La radiació, en este context, es referix a la radiació ionisant; per lo tant, la radiólisis es distinguix de, per eixemple, la fotólisis de la molècula de Cl₂ en dos radicals Cl^•, a on s'utilisa llum ultravioleta o del espectre electromagnètic visible.

La química de solucions concentrades baix radiació ionisant és extremadament complexa. La radiólisis pot modificar localment les condicions redox i, per tant, l'especiación iònica present i la solubilidad dels composts.

Descomposició de l'aigua

De totes les reaccions químiques basades en l'exposició a la radiació que s'han estudiat, la més important és la descomposició de l'aigua. Quan s'expon a la radiació, l'aigua sofrix una seqüència de descomposició en peròxit d'hidrogen, radicals hidrogen, i una varietat de composts d'oxigen, com l'ozon, que quan es convertix novament en oxigen llibera grans cantitats d'energia. Algunes d'elles són explosives. Esta descomposició és produïda principalment per partícules alfa, que poden ser absorbides enterament per capes molt fines d'aigua.

Resumint, la radiólisis de l'aigua es pot escriure com:

$\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{\text{Radiación ionisant}}{\to }\mathrm{e}{\phantom{A}}_{\mathrm{a}\mathrm{q}}^{-},\mathrm{H}\mathrm{O}\cdot ,\mathrm{H}\cdot ,\mathrm{H}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\cdot ,\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+},\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-},\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_2,\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$

Aplicacions

Predicció i prevenció de la corrosió en centrals nuclears

Es creu que la major concentració de radicals hidroxilo present en l'aigua irradiada en els circuits interns de refrigerante d'un reactor d'aigua llaugera deu tindre's en conte en dissenyar centrals nuclears, per a evitar la pèrdua de refrigerante resultant de la corrosió.

Producció d'hidrogen

L'interés actual en métodos no tradicionals per a la generació d'hidrogen ha impulsat una revisió de la divisió radiolítica de l'aigua, a on s'explota l'interacció de varis tipos de radiació ionisant (α, β i γ) en l'aigua per a produir hidrogen molecular. Esta revaluación va ser impulsada ademés per la disponibilitat actual de grans cantitats de fonts de radiació contingudes en el combustible descarregat dels reactors nuclears. Este combustible gastat generalment s'almagasena en piscines d'aigua, en espera de la seua eliminació permanent o reprocesamiento nuclear. El rendiment d'hidrogen resultant de l'irradiació d'aigua en radiació β i γ és baix (valores G =<1 molècula per 100 electronvoltioss d'energia absorbida), pero açò es deu en gran mida a la ràpida reasociación de les espècies que sorgixen. durant la radiólisis inicial. Si hi ha impurees presents o si es creen condicions físiques que impedixquen l'establiment d'un equilibri químic, la producció neta d'hidrogen pot millorar considerablement.

Un atre enfocament utilisa residus radiactius com a font d'energia per a la regeneració del combustible gastat per mig de la conversió de borat de sodi en borohidruro de sodi. En aplicar la combinació adequada de controls, es poden produir i utilisar composts de borohidruro estables com a mig d'almagasenament de combustible d'hidrogen.

Un estudi realisat en 1976 va trobar que es pot fer una estimació de l'orde de magnitut de la taxa promig de producció d'hidrogen que podria obtindre's utilisant l'energia lliberada per mig de la desintegració radiactiva. Basant-nos en el rendiment d'hidrogen molecular primari de 0,45 molècules/100 eV, seria possible obtindre 10 tonellades per dia. Les taxes de producció d'hidrogen en este ranc no són insignificants, pero sí chicotetes en comparació a l'us diari promig (1972) d'hidrogen en els Estats Units d'aproximadament $2x10^4$ tonellades. L'adició d'un donant d'àtoms d'hidrogen podria aumentar este valor aproximadament en un factor de sis. Es va demostrar que l'adició d'un donant d'àtoms d'hidrogen, com l'àcit fórmico, aumenta el valor G de l'hidrogen a aproximadament 2,4 molècules per 100 eV absorbits. El mateix estudi va concloure que dissenyar una instalació d'este tipo provablement seria massa insegura per a ser factible.

Combustible nuclear gastat

La generació de gas hidrogen per mig de descomposició radiolítica de materials que contenen hidrogen ha segut un àrea de preocupació per al transport i almagasenament de materials i rebujos radiactius durant varis anys. Es poden generar gasos potencialment combustibles i corroents i, al mateix temps, les reaccions químiques poden eliminar l'hidrogen, i estes reaccions poden vore's potenciades per la presència de radiació. L'equilibri entre estes reaccions en competència no és ben conegut fins al moment.

Radioteràpia

Quan la radiació ingressa al cos, interactuarà en els àtoms i molècules de les cèlules (formades principalment d'aigua) per a produir radicals lliures i molècules que poden difondre's lo suficientment llunt com per a alcançar l'objectiu crític en la cèlula, l'ADN present en el núcleu, i danyar-ho indirectament per mig d'alguna reacció química. Est és el principal mecanisme de dany dels fotons, ya que s'utilisen, per eixemple, en radioteràpia de fes extern.

Normalment, els events radiolíticos que conduïxen al dany de el ADN de les cèlules tumorals es subdividen en diferents etapes que tenen lloc en diferents escales de temps:

• La etapa física ($10^{-15}s$), consistix en la deposición d'energia per part de la partícula ionisant i la conseqüent ionisació de l'aigua.
• Durant la etapa físic-química ($10^{-15}\text{-}10^{-12}s$) ocorren numerosos processos, p.ej. les molècules d'aigua ionizada poden dividir-se en un radical hidroxilo i una molècula d'hidrogen o electrons lliures que poden sofrir solvatación.
• Durant la etapa química ($10^{-12}\text{-}10^{-6}s$), els primers productes de la radiólisis reaccionen entre sí i en el seu entorn, produint aixina vàries espècies reactives d'oxigen que poden difondre's.
• Durant la etapa bioquímica ($10^{-6}s$ dies), estes espècies reactives d'oxigen podrien trencar els enllaços químics de el ADN, desencadenant aixina la resposta de les enzimes, del sistema immunològic, etc.
• Finalment, durant la etapa biològica (de dies a anys), el dany químic pot traduir-se en mort celular o oncogénesis biològica quan les cèlules danyades intenten dividir-se.

Història de la Terra

S'ha sugerit que en les primeres etapes del desenroll de la Terra, quan la seua radiactivitat era casi dos órdens de magnitut superior a l'actual, la radiólisis va poder haver segut la principal font d'oxigen atmosfèric, lo que va assegurar les condicions per a l'orige i desenroll de la vida. L'hidrogen molecular i els oxidants produïts per la radiólisis de l'aigua també poden proporcionar una font contínua d'energia per a les comunitats microbianas del subsol (Pedersen, 1999). Tal especulació està respalada per un descobriment en la Mina d'or de Mponeng en Suràfrica, a on els investigadors varen trobar una comunitat dominada per un nou filotipo de Desulfotomaculum, que s'alimenta principalment de forma radiolítica, produint H₂.