La radioquímica es la química de los materiales radiactivos , en la que se utilizan isótopos radiactivos de elementos para estudiar las propiedades y reacciones químicas de isótopos no radiactivos (a menudo, en la radioquímica, la ausencia de radiactividad hace 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 las reacciones químicas ordinarias . Esto es muy diferente de la química de la radiación , en la que 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, entre ellos la radiación alfa , beta y gamma , la emisión de protones y neutrones , junto con las vías de desintegración por emisión de neutrinos y antipartículas .
1. Radiación α (alfa) : 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 esto, el electrón se emite desde el núcleo hacia la nube de electrones .
3. Radiación γ (gamma) : emisión de energía electromagnética (como 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 poder de penetración.
La radiación alfa se puede detener con bastante facilidad con unos pocos centímetros de aire o un trozo de papel y es equivalente a un núcleo de helio. La radiación beta se puede cortar con una lámina de aluminio de apenas unos milímetros de espesor y son electrones. La radiación gamma es la más penetrante de las tres y es un fotón de alta energía sin masa ni 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 objetos con neutrones , es posible inducir radiactividad; esta activación de isótopos estables para crear radioisótopos es la base del análisis de activación neutrónica . Un objeto de alta energía muy interesante que se ha estudiado de esta manera es el cabello de la cabeza de Napoleón , en el que se ha examinado su contenido de arsénico . [1]
Existen varios métodos experimentales diferentes diseñados para permitir la medición de una variedad de elementos 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 se desintegre antes de la medición de la radiactividad. Dado que el efecto de la matriz se puede corregir observando el espectro de desintegración, se requiere poca o ninguna preparación de la muestra para algunas muestras, lo que hace que el análisis por activación neutrónica 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 sometiera a un pulso muy corto de neutrones térmicos . La radiactividad inicial estaría dominada por la actividad 24 Na ( vida media 15 h) pero con el aumento del tiempo predominaría la actividad 239 Np (vida media 2,4 d después de la formación a partir del 239 U progenitor con vida media 24 min) y finalmente la actividad 60 Co (5,3 años).
Una de las aplicaciones biológicas es el estudio del ADN mediante el uso del fósforo radiactivo 32. En estos experimentos, el fósforo estable se sustituye 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 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 los dimetilos. Se ha demostrado que una combinación de cobaloxima y polonio inorgánico en agua estéril 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 de 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 cobalto disponible en metilcobalamina.
En medicina, las exploraciones PET (tomografía por emisión de positrones) se utilizan comúnmente con fines diagnósticos. Se inyecta un trazador radiactivo por vía intravenosa en el paciente y luego se lleva a la máquina PET. El trazador radiactivo libera radiación hacia el exterior del paciente y las cámaras de la máquina interpretan los rayos de radiación del trazador. Las máquinas de exploración 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 en un bosque o en un pastizal puede hacer que los radioisótopos vuelvan a ser móviles. [5] En estos experimentos, se iniciaron incendios en la zona de exclusión alrededor de Chernóbil y se midió la radiactividad en el aire a sotavento.
Es importante destacar que un gran número 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 14 C y 32 P), la desintegración de 226 Ra forma 222 Rn que es un gas que puede difundirse a través de las rocas antes de entrar en los edificios [6] [7] [8] y disolverse en agua y así entrar en el agua potable [9] Además, las actividades humanas como pruebas de bombas , accidentes, [10] y liberaciones normales de la industria han resultado en 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 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 los otros actínidos en diferentes condiciones. [2] Esto incluye trabajos tanto en soluciones de complejos relativamente simples [12] [13] como en coloides [14]. Dos de las matrices clave son el suelo / rocas y el hormigón , en estos sistemas se han estudiado las propiedades químicas del plutonio 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 con partículas de suelo marcadas con 134 Cs, que pueden moverse a través de grietas en el suelo. [16]
La radiactividad está presente en todas partes de la Tierra desde su formación. Según el Organismo Internacional de Energía Atómica , un kilogramo de suelo contiene típicamente 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 donadores de electrones para el metabolismo de las bacterias. De esta manera , los metales pueden reducirse para formar magnetita (Fe3O4 ) , siderita (FeCO3 ) , rodocrosita (MnCO3 ) y uraninita (UO2 ) . [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 que Geobacter sulfurreducens puede reducir el UO2+
2La reacción de los cationes al dióxido de uranio es que las bacterias reducen los cationes uranilo a UO+
2que luego sufre una desproporción para formar UO2+
2y UO 2 . 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 desechos nucleares generados en las últimas décadas, el número de estudiantes que optan por especializarse en química nuclear y radioquímica ha disminuido significativamente en 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 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 proporcionando una formación más específica en el trabajo. [20]
La enseñanza de la química nuclear y radioquímica (NRC) se imparte principalmente en el ámbito universitario, generalmente en los niveles de máster y doctorado. En Europa, se están realizando importantes esfuerzos para armonizar y preparar la formación en 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 materia de educación y formación en química nuclear.