La química de las radiaciones es una subdivisión de la química nuclear que estudia los efectos químicos de las radiaciones ionizantes sobre la materia. Esto es bastante diferente de la radioquímica , ya que no es necesario que haya radiactividad presente en el material que está siendo modificado químicamente por la radiación. Un ejemplo es la conversión de agua en gas hidrógeno y peróxido de hidrógeno .
A medida que la radiación ionizante se mueve a través de la materia, su energía se deposita mediante interacciones con los electrones del absorbente. [1] El resultado de una interacción entre la radiación y las especies absorbentes es la eliminación de un electrón de un átomo o enlace molecular para formar radicales y especies excitadas. Luego, las especies radicales proceden a reaccionar entre sí o con otras moléculas cercanas. Son las reacciones de las especies radicales las responsables de los cambios observados después de la irradiación de un sistema químico. [2]
Las especies de radiación cargadas (partículas α y β) interactúan mediante fuerzas de Coulomb entre las cargas de los electrones en el medio absorbente y la partícula de radiación cargada. Estas interacciones ocurren continuamente a lo largo de la trayectoria de la partícula incidente hasta que la energía cinética de la partícula se agota lo suficiente. Las especies no cargadas (fotones γ, rayos X) sufren un único evento por fotón, consumiendo totalmente la energía del fotón y provocando la expulsión de un electrón de un solo átomo. [3] Los electrones con suficiente energía proceden a interactuar con el medio absorbente de manera idéntica a la radiación β.
Un factor importante que distingue los diferentes tipos de radiación entre sí es la transferencia lineal de energía ( LET ), que es la velocidad a la que la radiación pierde energía con la distancia recorrida a través del absorbente. Las especies de baja LET suelen ser especies de baja masa, ya sean fotones o electrones ( partículas β , positrones ) e interactúan escasamente a lo largo de su recorrido a través del absorbente, lo que da lugar a regiones aisladas de especies de radicales reactivos. Las especies con LET alto suelen tener una masa mayor que la de un electrón, [4] por ejemplo, las partículas α, y pierden energía rápidamente, lo que da como resultado un grupo de eventos de ionización muy próximos entre sí. En consecuencia, la partícula pesada viaja una distancia relativamente corta desde su origen.
Las áreas que contienen una alta concentración de especies reactivas después de la absorción de energía de la radiación se denominan espolones . En un medio irradiado con radiación LET baja, las espuelas están escasamente distribuidas por la pista y no pueden interactuar. Para radiación de alta LET, las espuelas pueden superponerse, lo que permite reacciones entre espuelas, lo que lleva a diferentes rendimientos de productos en comparación con el mismo medio irradiado con la misma energía de radiación de baja LET. [5]
Una esfera de trabajo reciente ha sido la destrucción de compuestos orgánicos tóxicos mediante irradiación; [6] después de la irradiación, las " dioxinas " (policlorodibenzo- p -dioxinas) se decloran del mismo modo que los PCB se pueden convertir en bifenilo y cloruro inorgánico. Esto se debe a que los electrones solvatados reaccionan con el compuesto orgánico para formar un anión radical , que se descompone mediante la pérdida de un anión cloruro . Si una mezcla desoxigenada de PCB en isopropanol o aceite mineral se irradia con rayos gamma , los PCB se declorarán para formar cloruro inorgánico y bifenilo . La reacción funciona mejor en isopropanol si se agrega hidróxido de potasio ( potasa cáustica ). La base desprotona el radical hidroxidimetilmetilo para convertirlo en acetona y un electrón solvatado, como resultado, el valor G (rendimiento para una determinada energía debido a la radiación depositada en el sistema) del cloruro puede aumentar porque la radiación ahora inicia una reacción en cadena. Cada electrón solvatado formado por la acción de los rayos gamma ahora puede convertir más de una molécula de PCB. [7] [8] Si en la mezcla hay oxígeno , acetona , óxido nitroso , hexafluoruro de azufre o nitrobenceno [9] , la velocidad de reacción se reduce. Este trabajo se ha realizado recientemente en Estados Unidos, a menudo utilizando combustible nuclear usado como fuente de radiación. [10] [11]
Además de los trabajos sobre la destrucción de los cloruros de arilo, se ha demostrado que los compuestos alifáticos de cloro y bromo como el percloroetileno, [12] el freón (1,1,2-tricloro-1,2,2-trifluoroetano) y el halon- 2402 (1,2-dibromo-1,1,2,2-tetrafluoroetano) puede deshalogenarse mediante la acción de la radiación sobre soluciones alcalinas de isopropanol. Nuevamente se ha informado de una reacción en cadena. [13]
Además de los trabajos sobre la reducción de compuestos orgánicos mediante irradiación, se han publicado algunos trabajos sobre la oxidación de compuestos orgánicos inducida por radiación. Por ejemplo, se ha informado del uso de peróxido de hidrógeno radiogénico (formado por irradiación) para eliminar el azufre del carbón . En este estudio se encontró que la adición de dióxido de manganeso al carbón aumentaba la tasa de eliminación de azufre. [14] Se ha informado de la degradación del nitrobenceno en condiciones reductoras y oxidantes en agua. [15]
Además de la reducción de compuestos orgánicos por los electrones solvatados, se ha informado que tras la irradiación una solución de pertecnetato a pH 4,1 se convierte en un coloide de dióxido de tecnecio. La irradiación de una solución a pH 1,8 se forma complejos de Tc(IV) solubles. La irradiación de una solución a pH 2,7 forma una mezcla del coloide y los compuestos solubles de Tc(IV). [16] La irradiación gamma se ha utilizado en la síntesis de nanopartículas de oro sobre óxido de hierro (Fe 2 O 3 ). [17]
Se ha demostrado que la irradiación de soluciones acuosas de compuestos de plomo conduce a la formación de plomo elemental. Cuando hay presentes un sólido inorgánico como bentonita y formiato de sodio, el plomo se elimina de la solución acuosa. [18]
Otra área clave utiliza la química de la radiación para modificar polímeros. Utilizando la radiación, es posible convertir monómeros en polímeros , reticular polímeros y romper cadenas poliméricas. [19] [20] Tanto los polímeros artificiales como los naturales (como los carbohidratos [21] ) se pueden procesar de esta manera.
Tanto los efectos nocivos de la radiación sobre los sistemas biológicos (inducción de cáncer y lesiones agudas por radiación ) como los efectos útiles de la radioterapia involucran la química de la radiación del agua. La gran mayoría de las moléculas biológicas están presentes en un medio acuoso; Cuando el agua se expone a la radiación, absorbe energía y, como resultado, forma especies químicamente reactivas que pueden interactuar con sustancias disueltas ( solutos ). El agua se ioniza para formar un electrón solvatado y H 2 O + , el catión H 2 O + puede reaccionar con el agua para formar un protón hidratado (H 3 O + ) y un radical hidroxilo (HO . ). Además, el electrón solvatado puede recombinarse con el catión H 2 O + para formar un estado excitado del agua. Este estado excitado luego se descompone en especies como radicales hidroxilo (HO . ), átomos de hidrógeno (H. ) y átomos de oxígeno (O. ) . Finalmente, el electrón solvatado puede reaccionar con solutos como protones solvatados o moléculas de oxígeno para formar átomos de hidrógeno y aniones radicales dioxígeno, respectivamente. El hecho de que el oxígeno cambie la química de la radiación podría ser una de las razones por las que los tejidos oxigenados son más sensibles a la irradiación que el tejido desoxigenado en el centro de un tumor. Los radicales libres, como el radical hidroxilo, modifican químicamente biomoléculas como el ADN , provocando daños como roturas en las cadenas de ADN. Algunas sustancias pueden proteger contra los daños inducidos por la radiación al reaccionar con las especies reactivas generadas por la irradiación del agua.
Es importante señalar que las especies reactivas generadas por la radiación pueden participar en las siguientes reacciones ; esto es similar a la idea de las reacciones no electroquímicas que siguen al evento electroquímico que se observa en voltamperometría cíclica cuando ocurre un evento no reversible. Por ejemplo, el radical SF 5 formado por la reacción de electrones solvatados y SF 6 sufre reacciones adicionales que conducen a la formación de fluoruro de hidrógeno y ácido sulfúrico . [22]
En el agua, la reacción de dimerización de los radicales hidroxilo puede formar peróxido de hidrógeno , mientras que en los sistemas salinos la reacción de los radicales hidroxilo con aniones cloruro forma aniones hipoclorito .
La acción de la radiación sobre las aguas subterráneas es responsable de la formación de hidrógeno que las bacterias convierten en metano . [23] [24]
Para procesar materiales se puede utilizar una fuente gamma o un haz de electrones. El irradiador internacional tipo IV ( almacenamiento húmedo ) es un diseño común, del cual los esterilizadores gamma JS6300 y JS6500 (fabricados por 'Nordion International'[2], que solía comercializarse como 'Atomic Energy of Canada Ltd') son ejemplos típicos. [25] En estas plantas de irradiación, la fuente se almacena en un pozo profundo lleno de agua cuando no está en uso. Cuando se requiere la fuente, ésta se traslada mediante un alambre de acero hasta la sala de irradiación donde se encuentran los productos a tratar; Estos objetos se colocan dentro de cajas que se mueven por la habitación mediante un mecanismo automático. Al mover las cajas de un punto a otro, el contenido recibe una dosis uniforme. Después del tratamiento, el producto se saca de la habitación mediante un mecanismo automático. La sala de irradiación tiene paredes de hormigón muy gruesas (de unos 3 m de espesor) para evitar que se escapen los rayos gamma. La fuente consta de 60 varillas de Co selladas dentro de dos capas de acero inoxidable. Las varillas se combinan con varillas ficticias inertes para formar un bastidor con una actividad total de aproximadamente 12,6 PBq (340 kCi).
Si bien es posible realizar algunos tipos de investigación utilizando un irradiador muy parecido al utilizado para la esterilización gamma, en algunas áreas de la ciencia es común utilizar un experimento resuelto en el tiempo en el que un material se somete a un pulso de radiación (normalmente electrones de un LINAC ). Después del pulso de radiación, la concentración de diferentes sustancias dentro del material se mide mediante espectroscopia de emisión o espectroscopia de absorción , de ahí que se puedan determinar las velocidades de reacciones. Esto permite medir la capacidad relativa de las sustancias para reaccionar con las especies reactivas generadas por la acción de la radiación sobre el disolvente (comúnmente agua). Este experimento se conoce como radiólisis por pulsos [26] , que está estrechamente relacionado con la fotólisis flash .
En el último experimento, la muestra se excita mediante un pulso de luz para examinar la decadencia de los estados excitados mediante espectroscopia ; [27] a veces se puede investigar la formación de nuevos compuestos. [28] Los experimentos de fotólisis flash han llevado a una mejor comprensión de los efectos de los compuestos que contienen halógenos sobre la capa de ozono . [29]
El quimiosensor SAW [30] no es iónico ni específico. Mide directamente la masa total de cada compuesto químico cuando sale de la columna de cromatografía de gases y se condensa en la superficie del cristal, provocando así un cambio en la frecuencia acústica fundamental del cristal. La concentración de olores se mide directamente con este tipo de detector integrador. El flujo de la columna se obtiene de un microprocesador que calcula continuamente la derivada de la frecuencia SAW .