La radiólisis es la disociación de moléculas por radiación ionizante . Es la ruptura de uno o varios enlaces químicos resultante de la exposición a un flujo de alta energía . La radiación en este contexto se asocia con la radiación ionizante ; por lo tanto, la radiólisis se distingue, por ejemplo, de la fotólisis de la molécula de Cl 2 en dos radicales Cl- , donde se utiliza luz ( espectro ultravioleta o visible ) .
La química de las soluciones concentradas bajo radiación ionizante es extremadamente compleja. La radiólisis puede modificar localmente las condiciones redox y, por lo tanto, la especiación y la solubilidad de los compuestos.
De todas las reacciones químicas basadas en la radiación que se han estudiado, la más importante es la descomposición del agua. [1] Cuando se expone a la radiación, el agua sufre una secuencia de descomposición en peróxido de hidrógeno , radicales de hidrógeno y diversos compuestos de oxígeno, como el ozono , que al convertirse de nuevo en oxígeno liberan grandes cantidades de energía. Algunos de estos son explosivos. Esta descomposición se produce principalmente por partículas alfa , que pueden ser absorbidas en su totalidad por capas muy delgadas de agua.
Resumiendo, la radiólisis del agua se puede escribir como: [2]
Se cree que la mayor concentración de hidroxilo presente en el agua irradiada en los circuitos de refrigerante internos de un reactor de agua ligera debe tenerse en cuenta al diseñar plantas de energía nuclear, para evitar la pérdida de refrigerante resultante de la corrosión .
El interés actual en los métodos no tradicionales para la generación de hidrógeno ha impulsado una revisión de la división radiolítica del agua, donde la interacción de varios tipos de radiación ionizante (α, β y γ) con agua produce hidrógeno molecular. Esta reevaluación fue impulsada aún más por la disponibilidad actual de grandes cantidades de fuentes de radiación contenidas en el combustible descargado de los reactores nucleares . Este combustible gastado generalmente se almacena en piscinas de agua, a la espera de su eliminación permanente o reprocesamiento . El rendimiento de hidrógeno resultante de la irradiación del agua con radiación β y γ es bajo (valores G = <1 molécula por 100 electronvoltios de energía absorbida), pero esto se debe en gran medida a la rápida reasociación de las especies que surgen durante la radiólisis inicial. Si hay impurezas presentes o si se crean condiciones físicas que impidan el establecimiento de un equilibrio químico, la producción neta de hidrógeno puede mejorarse en gran medida. [3]
Otro enfoque utiliza desechos radiactivos como fuente de energía para la regeneración del combustible gastado mediante la conversión del borato de sodio en borohidruro de sodio . Aplicando la combinación adecuada de controles, se pueden producir compuestos de borohidruro estables y utilizarlos como medio de almacenamiento de combustible de hidrógeno.
Un estudio realizado en 1976 determinó que se puede hacer una estimación aproximada de la tasa de producción media de hidrógeno que se podría obtener utilizando la energía liberada por la desintegración radiactiva. Con base en el rendimiento de hidrógeno molecular primario de 0,45 moléculas/100 eV, sería posible obtener 10 toneladas por día. Las tasas de producción de hidrógeno en este rango no son insignificantes, pero son pequeñas en comparación con el uso diario promedio (1972) de hidrógeno en los EE. UU. de aproximadamente 2 x 10^4 toneladas. La adición de un donante de átomos de hidrógeno podría aumentar esto en un factor de aproximadamente seis. Se demostró que la adición de un donante de átomos de hidrógeno como el ácido fórmico mejora el valor G para el hidrógeno a aproximadamente 2,4 moléculas por cada 100 eV absorbidos. El mismo estudio concluyó que el diseño de una instalación de este tipo probablemente sería demasiado inseguro para ser factible. [4]
La generación de gases mediante la descomposición radiolítica de materiales que contienen hidrógeno ha sido motivo de preocupación durante varios años en el transporte y almacenamiento de materiales y residuos radiactivos. Se pueden generar gases potencialmente combustibles y corrosivos y, al mismo tiempo, las reacciones químicas pueden eliminar el hidrógeno, reacciones que pueden verse potenciadas por la presencia de radiación. El equilibrio entre estas reacciones en pugna no se conoce bien en este momento.
Cuando la radiación entra en el cuerpo, interactúa con los átomos y moléculas de las células (principalmente compuestas de agua) para producir radicales libres y moléculas que pueden difundirse lo suficientemente lejos como para alcanzar el objetivo crítico en la célula, el ADN , y dañarlo indirectamente a través de alguna reacción química. Este es el principal mecanismo de daño de los fotones, ya que se utilizan, por ejemplo, en la radioterapia de haz externo .
Normalmente, los eventos radiolíticos que conducen al daño del ADN de las células (tumorales) se subdividen en diferentes etapas que tienen lugar en diferentes escalas de tiempo: [5]
Se ha sugerido [6] que en las primeras etapas del desarrollo de la Tierra, cuando su radiactividad era casi dos órdenes de magnitud mayor que en la actualidad, la radiólisis podría haber sido la principal fuente de oxígeno atmosférico, lo que aseguró las condiciones para el origen y desarrollo de la vida . El hidrógeno molecular y los oxidantes producidos por la radiólisis del agua también pueden proporcionar una fuente continua de energía a las comunidades microbianas del subsuelo (Pedersen, 1999). Tal especulación está respaldada por un descubrimiento en la mina de oro Mponeng en Sudáfrica , donde los investigadores encontraron una comunidad dominada por un nuevo filotipo de Desulfotomaculum , que se alimenta principalmente de H 2 producido radiolíticamente . [7] [8]
La radiólisis pulsada es un método reciente para iniciar reacciones rápidas para estudiar reacciones que ocurren en una escala de tiempo más rápida que aproximadamente cien microsegundos , cuando la simple mezcla de reactivos es demasiado lenta y se deben utilizar otros métodos para iniciar reacciones.
La técnica consiste en exponer una muestra de material a un haz de electrones altamente acelerados , generado por un acelerador lineal . Tiene muchas aplicaciones. Fue desarrollada a finales de los años 50 y principios de los 60 por John Keene en Manchester y Jack W. Boag en Londres.
La fotólisis por flash es una alternativa a la radiólisis por pulsos que utiliza pulsos de luz de alta potencia (por ejemplo, de un láser excimer ) en lugar de haces de electrones para iniciar reacciones químicas. Normalmente se utiliza luz ultravioleta, que requiere menos protección contra la radiación que la necesaria para los rayos X emitidos en la radiólisis por pulsos.
![{\displaystyle {\ce {H2O\;->[{\text{Radiación ionizante}}]\;e_{aq}^{-},HO*,H*,HO2*,H3O^{+},OH^{-},H2O2,H2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fa47bcc743a4339af688c4ad1114a54be6c1b91c)
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