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Radioquímica

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Guantera

La radioquímica es la química de los materiales radiactivos , donde se utilizan isótopos radiactivos de elementos para estudiar las propiedades y reacciones químicas de isótopos no radiactivos (a menudo, en 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 centra en el uso de la radiactividad para estudiar reacciones químicas ordinarias . Esto difiere notablemente de la radioquímica, donde los niveles de radiación se mantienen demasiado bajos para influir en la química.

La radioquímica comprende el estudio de los radioisótopos, tanto naturales como artificiales.

Modos de desintegración principales

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, incluyendo radiación alfa , beta , gamma , emisión de protones y neutrones , así como 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 disminuye en 4 unidades y el número atómico disminuye 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 electrónica .

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 diferente poder de penetración.

Las partículas alfa se pueden detener fácilmente con unos pocos centímetros de aire o un trozo de papel y son equivalentes a un núcleo de helio. Las partículas beta se pueden bloquear con una lámina de aluminio de tan solo 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 considerable de blindaje contra la radiación de metales pesados ​​(generalmente plomo o bario ) para reducir su intensidad.

Análisis de activación

Mediante la irradiación de objetos con neutrones , es posible inducir radiactividad; esta activación de isótopos estables para crear radioisótopos es la base del análisis por activación neutrónica . Un objeto de alta energía de gran interés que se ha estudiado de esta manera es el cabello de la cabeza de Napoleón , cuyo contenido de arsénico se ha analizado . [ 1 ]

Existen diversos métodos experimentales diseñados para medir distintos elementos en diferentes matrices. Para reducir el efecto de la matriz , se suele recurrir a la extracción química del elemento de interés o a la desintegración radiactiva debida a los elementos de la matriz antes de su medición. Dado que el efecto de la matriz puede corregirse observando el espectro de desintegración, en algunos casos se requiere poca o ninguna preparación de la muestra, lo que reduce la susceptibilidad a la contaminación mediante el análisis por activación neutrónica.

Los efectos de una serie de tiempos de enfriamiento diferentes pueden observarse si una muestra hipotética que contiene sodio, uranio y cobalto en una proporción de 100:10:1 se somete a un pulso muy corto de neutrones térmicos . La radiactividad inicial estaría dominada por la actividad del 24Na ( vida media de 15 h), pero con el paso del tiempo predominarían el 239Np (vida media de 2,4 d tras su formación a partir del 239U progenitor , con una vida media de 24 min) y, finalmente, la actividad del 60Co (5,3 años).

Aplicaciones biológicas y médicas

Una aplicación biológica es el estudio del ADN mediante fósforo radiactivo -32. En estos experimentos, el fósforo estable se sustituye por el isótopo radiactivo 32P , químicamente idéntico , y la radiactividad resultante se utiliza en el análisis de las moléculas y su comportamiento.

Otro ejemplo es el trabajo realizado 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 con azufre , se utilizó el isótopo 35 S, mientras que para el polonio se utilizó 207 Po. En un trabajo relacionado, 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 nuclear, las exploraciones PET (tomografía por emisión de positrones) se utilizan comúnmente con fines diagnósticos, principalmente en oncología y neurología. Se inyecta por vía intravenosa al paciente un trazador radiactivo, como la FDG (fluorodesoxiglucosa), que se utiliza en más del 90 % de las exploraciones PET clínicas, y luego se lleva al escáner PET. [ 4 ] El trazador radiactivo emite radiación hacia el exterior del paciente y las cámaras del equipo interpretan dicha radiación. Los escáneres PET utilizan detección por 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 el equipo médico la analice posteriormente. [ 5 ]

Ambiental

La radioquímica también incluye el estudio del comportamiento de los radioisótopos en el medio ambiente; por ejemplo, un incendio forestal o de pastizales puede hacer que los radioisótopos vuelvan a ser móviles. [ 6 ] En estos experimentos, se iniciaron incendios en la zona de exclusión alrededor de Chernóbil y se midió la radiactividad en el aire a sotavento.

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 14 C y 32 P), la desintegración del 226 Ra forma 222 Rn, que es un gas que puede difundirse a través de las rocas antes de entrar en los edificios [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] y disolverse en el agua y, por lo tanto, entrar en el agua potable [ 10 ]. Además, las actividades humanas como las pruebas de bombas , los accidentes [ 11 ] y las emisiones normales de la industria han dado como resultado la liberación de radiactividad.

Forma química de los actínidos

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 [ 12 ] y, como resultado, pueden coexistir muchos estados de oxidación diferentes a la vez. Se han realizado algunos estudios sobre la identificación del estado de oxidación y el número de coordinación del plutonio y otros actínidos en diferentes condiciones.Esto incluye trabajos sobre soluciones de complejos relativamente simples [ 13 ] [ 14 ] y trabajos sobre coloides [ 15 ]. 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 [ 16 ] .

Movimiento de coloides

Si bien la unión de un metal a la superficie 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 migren como partículas coloidales a través del suelo. Se ha demostrado que esto ocurre utilizando partículas de suelo marcadas con 134Cs , las cuales son capaces de moverse a través de grietas en el suelo. [ 17 ]

Fondo normal

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 de 40 K (rango típico 100–700 Bq), 25 Bq de 226 Ra (rango típico 10–50 Bq), 25 Bq de 238 U (rango típico 10–50 Bq) y 25 Bq de 232 Th (rango típico 7–50 Bq). [ 18 ]

Acción de los microorganismos

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 donantes 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 ) . [ 19 ] Otros investigadores también han trabajado en la fijación de uranio utilizando bacterias .Francis R. Livens et al. (trabajando en Manchester ) han sugerido que la razón por la cual Geobacter sulfurreducens puede reducir los cationes UO₂⁺₂ a dióxido de uranio es que la bacteria reduce los cationes uranilo a UO₂⁺ , que luego sufre desproporción para formar UO₂⁺₂ y UO₂ . Este razonamiento se basó (al menos en parte) en la observación de que el NpO₂⁺ no se convierte en un óxido de neptunio insoluble por acción de la bacteria. [ 20 ]

Educación

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 química nuclear y radioquímica ha disminuido significativamente en las últimas décadas. Ahora, con muchos expertos en estos campos acercándose a la edad de jubilación, es necesario tomar medidas para evitar una escasez de personal en estos campos críticos, por ejemplo, fomentando el interés de los estudiantes en estas carreras, ampliando la capacidad educativa de las universidades y centros de enseñanza superior y proporcionando una formación práctica más específica. [ 21 ]

La química nuclear y radioquímica (CNR) se imparte principalmente a nivel universitario, generalmente en los programas de máster y doctorado. En Europa, se están realizando importantes esfuerzos para armonizar y preparar la formación en CNR para las futuras necesidades de la industria y la sociedad. Estos esfuerzos se coordinan mediante proyectos financiados por la Acción Coordinada, respaldada 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).

Referencias

  1. ↑ H. Smith, S. Forshufvud y A. Wassén, Naturaleza , 1962; 194 (26 de mayo), 725–726
  2. ↑ Momoshima N., Li-X Song, Osaki S., Maeda Y. (2002). "Emisión de Po inducida biológicamente en agua dulce". Journal of Environmental Radioactivity . 63 (2): 187– 197. doi : 10.1016/S0265-931X(02)00028-0 . PMID 12363270 . {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  3. ↑ Momoshima N., Li-X Song, Osaki S., Maeda Y. (2001). "Formación y emisión de compuestos volátiles de polonio por actividad microbiana y metilación de polonio con metilcobalamina". Environmental Science and Technology . 35 (14): 2956– 2960. doi : 10.1021/es001730+ . PMID 11478248 . {{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  4. ↑ "Estadísticas de la encuesta sobre medicina nuclear 2021/22" . ARPANSA . 6 de noviembre de 2025.
  5. ↑ Saha, Gopal B. (2010). "Sistemas de exploración PET". Fundamentos de la imagen PET . Springer, Nueva York, NY. págs. 19–39 . doi : 10.1007/978-1-4419-0805-6_2 . ISBN  9781441908049.
  6. ↑ Yoschenko VI; et al. (2006). "Resuspensión y redistribución de radionúclidos durante incendios de pastizales y bosques en la zona de exclusión de Chernóbil: parte I. Experimentos de fuego". Journal of Environmental Radioactivity . 86 (2): 143– 63. Bibcode : 2006JEnvR..86..143Y . doi : 10.1016/j.jenvrad.2005.08.003 . PMID 16213067 .  
  7. ↑ Vaupotič Janja, Kobal Ivan (2006). "Dosis efectivas en escuelas basadas en aerosoles de progenie de radón de tamaño nanométrico". Atmospheric Environment . 40 (39): 7494– 7507. Bibcode : 2006AtmEn..40.7494V . doi : 10.1016/j.atmosenv.2006.07.006 .
  8. ↑ Durand Michael (2006). "Contaminación del aire interior causada por gases geotérmicos". Building and Environment . 41 (11): 1607– 1610. Bibcode : 2006BuEnv..41.1607D . doi : 10.1016/j.buildenv.2005.06.001 .
  9. ↑ Boffetta Paolo (2006). "Cáncer humano por contaminantes ambientales: la evidencia epidemiológica". Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis . 608 (2): 157– 162. Bibcode : 2006MRGTE.608..157B . doi : 10.1016/j.mrgentox.2006.02.015 . PMID 16843042 . 
  10. ↑ Forte M., Rusconi R., Cazzaniga MT, Sgorbati G. (2007). "La medición de la radiactividad en aguas potables italianas". Microchemical Journal . 85 (1): 98– 102. Bibcode : 2007MiccJ..85...98F . doi : 10.1016/j.microc.2006.03.004 .{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
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  21. ↑ Garantizar una futura experiencia en química nuclear y radioquímica con sede en EE. UU. Junta de Ciencias Químicas y Tecnología. 2012. ISBN 978-0-309-22534-2.
  • Radioelectroquímica de la ACS