La radioquímica es la química de materiales radiactivos , donde se utilizan isótopos radiactivos de elementos para estudiar las propiedades y reacciones químicas de isótopos no radiactivos (a menudo, dentro de la radioquímica, la ausencia de radiactividad lleva 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 tanto naturales como artificiales.
Todos los radioisótopos son isótopos inestables de elementos que sufren desintegración nuclear y emiten algún tipo de radiación . La radiación emitida puede ser de varios tipos, incluida la radiación alfa , beta , gamma , emisión de protones y neutrones , junto con vías de desintegración de la emisión de neutrinos y antipartículas .
1. Radiación α (alfa) : la emisión de una partícula alfa (que contiene 2 protones y 2 neutrones) desde 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 sucede, el electrón es emitido desde el núcleo hacia la nube de electrones .
3. Radiación γ (gamma) : la emisión de energía electromagnética (como los 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 en el poder de penetración.
Alfa puede detenerse con bastante facilidad con unos pocos centímetros de aire o un trozo de papel y equivale a un núcleo de helio. Beta puede ser cortado por una lámina de aluminio de apenas unos milímetros de espesor y son los electrones. Gamma es el más penetrante de los tres y es un fotón de alta energía sin masa y sin carga . 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.
Mediante la irradiación de neutrones de objetos, es posible inducir radiactividad; esta activación de isótopos estables para crear radioisótopos es la base del análisis de activación de neutrones . Un objeto muy interesante de alta energía que se ha estudiado de esta manera es el cabello de la cabeza de Napoleón , cuyo contenido de arsénico se ha examinado . [1]
Existe una serie de métodos experimentales diferentes, que han sido diseñados para permitir la medición de una variedad de elementos diferentes 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, para algunas muestras se requiere poca o ninguna preparación de la muestra, 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 sometió a un pulso muy corto de neutrones térmicos . La radiactividad inicial estaría dominada por la actividad del 24 Na ( vida media de 15 h), pero con el tiempo aumentaría la del 239 Np (vida media de 2,4 días después de la formación a partir del 239 U original con vida media de 24 min) y finalmente la actividad del 60 Co. (5,3 años) predominaría.
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 parte de organismos vivos. Se ha demostrado que las bacterias pueden convertir estos elementos en compuestos volátiles; [2] se cree que la metilcobalamina ( vitamina B 12 ) alquila estos elementos para crear dimetilos. Se ha demostrado que una combinación de cobaloxima y polonio inorgánico en agua esterilizada 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. [3] Para el trabajo con azufre se utilizó el isótopo 35 S, mientras que para el polonio se utilizó 207 Po. En algunos trabajos relacionados, 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 cobalato disponible en metilcobalamina.
En medicina, las exploraciones PET (tomografía por emisión de positrones) se utilizan comúnmente con fines de diagnóstico. Se inyecta un marcador radiativo por vía intravenosa en el paciente y luego se lleva a la máquina PET. El trazador radiactivo libera radiación 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 del trazador y producen fotones que se convierten en una señal eléctrica para que la máquina los analice. [4]
La radioquímica también incluye el estudio del comportamiento de los radioisótopos en el medio ambiente; por ejemplo, un incendio forestal o de pasto puede hacer que los radioisótopos vuelvan a ser móviles. [5] 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 señalar que una gran cantidad de procesos pueden liberar radiactividad al medio ambiente; por ejemplo, la acción de los rayos cósmicos en el aire es responsable de la formación de radioisótopos (como el 14 C y el 32 P), la desintegración del 226 Ra forma 222 Rn, que es un gas que puede difundirse a través de las rocas antes de ingresar a los edificios [6] [7] [8] y disolverse en agua y así ingresar al agua potable [9] Además, las actividades humanas como pruebas de bombas , accidentes, [ 10] y las emisiones normales de la industria han dado lugar a la liberación de radiactividad.
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 [11] 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 otros actínidos en diferentes condiciones.[2] Esto incluye trabajo en soluciones de complejos relativamente simples [12] [13] y trabajo en coloides [14]. Dos de las matrices clave son suelo / rocas y hormigón ; en estos sistemas las propiedades químicas del plutonio se han estudiado utilizando métodos como EXAFS y XANES . [15] [3][4]
Si bien la unión de un metal a las superficies de las partículas del suelo puede impedir su movimiento a través de una capa de suelo, es posible que las partículas de suelo que contienen 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 Cs, que son capaces de moverse a través de las grietas del suelo. [dieciséis]
La radiactividad está presente en todas partes de la Tierra desde su formación. Según la Agencia Internacional de Energía Atómica , un kilogramo de suelo normalmente contiene 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). [17]
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 electrones. Donantes para el metabolismo de las bacterias. De esta manera, los metales pueden reducirse para formar magnetita (Fe 3 O 4 ), siderita (FeCO 3 ), rodocrosita (MnCO 3 ) y uraninita (UO 2 ). [18] 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 la UO2+
2cationes a dióxido de uranio es que las bacterias reducen los cationes uranilo a UO+
2que luego sufre una desproporción para formar UO2+
2y UO2 . Este razonamiento se basó (al menos en parte) en la observación de que NpO+
2Las bacterias no lo convierten en óxido de neptunio insoluble. [19]
A pesar del creciente uso de la medicina nuclear, la posible expansión de las centrales nucleares y las preocupaciones sobre la protección contra las amenazas nucleares y la gestión de los residuos nucleares generados en las últimas décadas, el número de estudiantes que optan por especializarse en nuclear y radioquímica ha disminuido significativamente en los últimos decenios. las últimas décadas. Ahora que muchos expertos en estos campos se acercan a la edad de jubilación, es necesario tomar medidas 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 brindando capacitación más específica. capacitación en el puesto de trabajo. [20]
La radioquímica nuclear (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 del NRC para las necesidades futuras de la industria y la sociedad. Este esfuerzo se está coordinando en proyectos financiados por la Acción Coordinada apoyada por el Séptimo Programa Marco de la Comunidad Europea de la Energía Atómica: El proyecto CINCH-II - Cooperación en educación y formación en Química Nuclear.